Тема клеточной дифференцировки - одна из важнейших проблем биологии. Каждый год во всем мире появляются публикации, посвященные этой теме. Вот только некоторые из зарубежных работ, вышедших на русском языке Дж. Тринкаус «От клеток к организму» (изд. «Мир», 1972), Э. Дэвидсон «Действие генов в раннем развитии» (изд. «Мир», 1972), Т. Харрис «Ядро и цитоплазма» (изд. «Мир», 1973).
Статья «Тайны клеточной дифференцировки» знакомит с этой проблемой, рассказывает о некоторых, связанных с ней гипотезах.
Как, вероятно, уже все знают, развитие любого живого существа идет по заранее намеченному плану. Если проводить аналогию с электронно-счетными машинами, то это значит, что в каждую клетку организма заложена своего рода перфокарта (генетическая программа), на которой записано все о данном организме, не пропущен ни один признак.
Заметьте, эта генетическая программа заложена в каждую клетку организма. И в то же время любое живое существо имеет и печень, и легкие и почки, и сердце - самые разнообразные органы, в каждом из которых, вернее, в каждой клетке которого заложена одинаковая генетическая программа, но органы тем не менее различны и по форме, и белок в них синтезируется свой, несмотря на одинаковые перфокарты.
Да, в каждую клетку того или иного органа включена вся наследственная программа, но в каждой клетке работает, или выдает информацию, только тот участок перфокарты (ею в клетке служит ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота, определенным образом уложенная в ядре), где хранится запись именно об этом органе. Теперь уже известно, что специализация или дифференцировка клеток в организме происходит за счет выключения (репрессии) тех участков ДНК, которые не должны работать именно в данной клетке, в данной ткани.
Здесь мы сталкиваемся с самым загадочным, самым таинственным процессом во всем живом. Как же идет управление выключением одних участков ДНК, и включением других? Как из одной зародышевой клетки получаются две клетки с разными свойствами? Грубо говоря, когда наступает тот момент, при котором клетка, разделившись на две, даст одну клетку, потомки которой образуют печень и вторую, потомки которой образуют, например, желудок.
Ответить на эти вопросы - значит дать ответ на основной вопрос биологии развития, как одинаковое становится разным, то есть, как дифференцируются клетки. Ре шить указанную задачу требует не только чисто научный интерес, но, и сама жизнь, ибо многие болезни, неправильное развитие органов и другие врожденные уродства есть не, что иное, как нарушение дифференцировки клеток, разрегулирование тончайшего механизма специализации.
Механизм дифференцировки можно начать рассматривать с одноклеточных животных - простейших - , и одиночных растительных клеток-водорослей. Природа, как бы подарила экспериментатору клетки с довольно сложной структурой и притом очень больших размеров.
В капле воды плавает голубоватая точка, видимая невооруженным глазом. Под микроскопом, даже при небольшом увеличении, она превращается в голубоватый рог. Это инфузория-трубач, или стентор. Размеры трубача (а он может быть более 0,5 мм) позволяют разрезать его на части. Через несколько часов кусочки округлятся и на наших глазах начнется удивительный процесс превращения округлого образования в самого настоящего трубача, только меньших размеров.
Это регенерация, или восстановление, во время которого и происходит дифференцировка различных участков клетки. Каждая часть специализируется, в одном месте появляются реснички и клетка дает образование, похожее на раструб, в другом, наоборот, происходит сужение. Откуда же подается команда, как вести себя той или иной части клетки?
Все сигналы идут от ядра, а вернее, от ДНК, заключенного в нем. Если удалить ядерный материал из кусочка восстанавливающегося стентора, регенерация прекратится, кусочек округлится и вскоре погибнет. Следовательно, дифференцировкой клеточной поверхности заведует ядро или его фрагменты.
Ацетабулярия - водоросль размером в два сантиметра, внешним видом напоминающая маленький грибок. На тонкой ножке сидит зонтик, а внизу, как корешки, расходятся так называемые ризоиды, служащие для прикрепления к субстрату. Казалось бы, ничего особенного - растение, похожее на грибок. Но нет, перед вами удивительный организм все это растение высотой в 2, а иногда даже, и 4 сантиметра всего лишь одна-единственная клетка.
Ядро ацетабулярии находится в одном из ризоидов. Стоит ризоид с ядром отрезать и ацетабулярия, продолжая жить, уже никогда не будет размножаться. Но если у безъядерной ацетабулярии отрезать зонтик, он восстановится. Но только один раз, второй раз он уже не отрастет. У клетки с ядром зонтик можно отрезать сколько угодно раз и он будет всегда регенерировать. О чем это говорит? О том, что ядро впрок синтезирует вещества, необходимые для регенерации, которые хранятся в цитоплазме и которых хватает, как раз на то, чтобы восстановить один раз зонтик у безъядерной ацетабулярии.
В природе есть виды ацетабулярии со сплошным и изрезанным зонтиком. Это дает возможность проследить, как ядро клетки влияет на форму зонтика. Если у таких различных ацетабулярий отрезать зонтики и поменять ядра, то зонтик всегда восстанавливается той формы, какому виду принадлежит ядро.
Приведенные опыты показывают вполне наглядно, что формой клетки управляет ядро. Но, как идет это управление, каким образом химическая запись в ядре воплощается в ту или иную пространственную структуру, этого пока ученые не знают.
Итак, управляет в своем государстве-клетке ядро. Но, как согласуется это управление, когда вместе оказываются тысячи таких клеток, кто или, что дирижирует ими таким образом, чтобы вместе они работали уже, как единая ткань или более того - как орган? Здесь начинается область научных догадок и предположений.
Ученые, занимающиеся раскрытием тайн дифференцировки клеток, прослеживают это на наиболее ранних стадиях развития организмов, когда клеток еще мало и можно, как-то разобраться в их взаимосвязях, или же берут простые модельные системы и на них пытаются раскрыть принципы биокибернетики. Ибо даже сложнейшие кибернетические системы, применяемые в настоящее время человеком, далеко уступают отточенным в процессе эволюции механизмам управления в живом.
В последнее время исследования, проведенные во многих лабораториях мира, заставляют некоторых ученых склоняться к мысли, что значительная роль в процессе дифференцирования принадлежит некоему образованию в цитоплазме зародышевой клетки, называемому организационным центром. Остановимся детальнее на этой гипотезе.
Посмотрим, как идет дифференцировка клеток у зародыша. Развитие его начинается с одной оплодотворенной клетки. Однако, несмотря на то, что произошло оплодотворение яйцеклетки (в нее проник сперматозоид и слился с ядром яйцеклетки, принеся туда свою генетическую информацию), это послужило только толчком к развитию. Из нового, оплодотворенного ядра пока не поступает никакой команды. Все развитие зародыша идет под контролем программы, заложенной в материнскую клетку еще до оплодотворения.
Когда американские исследователи Райт и Оно получили межвидовые гибриды, то оказалось, что материнская программа работает в них довольно долго. У амфибий, например, до тех пор, пока у зародыша не разовьются мышцы и не начнется сердцебиение, а у рыб и птиц отцовская программа молчит до самых поздних стадий развития зародыша. И связано это с тем, как полагают ученые, что не в ядро, а в цитоплазму яйцеклетки вложен организующий центр, который управляет на ранних стадиях развитием зародыша, управляет до тех пор, пока не скажет своего слова вновь образовавшееся ядро. К этому времени зародышевая клетка много раз разделится и в зародыше будут заложены все основные органы.
Значит, полагают ученые, раннее развитие идет под контролем организующего центра, полученного непосредственно от материнского организма. Когда же образуются органы, клетки уже объединяются плотно друг с другом и обмениваются специальными веществами - органными индукторами, которые не дают клетке вырваться из общего строя и заставляют работать в ДНК только тот участок, который ответствен за синтез белков данного органа.
Чтобы ансамбль клеток работал, как одно целое, каждая клетка должна знать, что творится с другими клетками. Действительно так и происходит. Чем более дифференцируются клетки, тем теснее становится их кооперация через промежуточную межклеточную среду или же при непосредственном контакте. Так, английскому ученому Ю. Канно удалось показать, что между клетками эпителиальных (покровных) тканей устанавливается плотный контакт, появляются так называемые мостики, или десмосомы, через которые идет обмен электролитами и даже нуклеиновыми кислотами.
Совершенно иначе ведут себя клетки при нарушении дифференцировки. Один из примеров такого нарушения - злокачественный рост. Это ведь тоже потеря клетками специализации. В этом случае клетки обособляются и не получают информации от соседок. Поэтому клетки злокачественной опухоли больше похожи на эмбриональные, хотя судьбы их в корне различны эмбриональные клетки рано или поздно разовьются в нормальный организм, а опухоль образует бесформенный, растущий во всех направлениях комок.
Причина, видимо, кроется все в том же организующем или регулирующем центре, который с самого начала руководит развитием зародыша и специализацией появляющихся в нем клеток и которого уже нет у взрослого организма.
Однако есть животные, у которых даже опухолеродные клетки превращаются в нормальные. Так, тритону можно привить опухоль или вызвать ее, вводя ему в тело канцерогенные вещества. Опухоль сначала развивается, но через некоторое время исчезает. Если же тритону удалить в это время хвост (который, как известно, легко отрастает вновь), то опухоль рассасывается еще быстрее. Следовательно, регенерационные процессы, каким-то образом помогают перерождению злокачественных опухолей в нормальную ткань. В этом отношении тритон представляет загадку. Во всяком случае, регенерирующие части его тела ведут себя так же, как и части зародыша, где еще сохранялся материал организационного центра.
Дело в том, что у живых существ, способных отращивать утерянные части тела, восстановление того или иного пораженного органа проходит через стадию дедифференцировки клеток. Сначала, как у зародыша, идет разрастание массы клеток, которые затем заново дифференцируются, восстанавливая структуру утерянной части тела. Видимо, этот момент организации и способствует перерождению у тритона клеток опухоли в нормальные, обретающие вновь специализацию.
Те же животные, у которых регенерационные возможности выражены слабее, уже не обладают такой способностью. К сожалению, к этой же группе относится и человек.
Раздифференцировка (или дедифференцировка) не всегда приводит к образованию злокачественной опухоли. Известно, что у человека и животных одна ткань может превратиться в другую. Правда, мы пока ничего не знаем о механизме такого превращения. Известны случаи, когда зубы и челюсти иногда развиваются в желудке. А исследователю кавказских диких козлов Россикову неоднократно приходилось наблюдать у изучаемых им животных сердце, покрытое волосами. Все это типичные случаи нарушения дифференцировки клеток, слагающих тот или иной орган, те или иные ткани. Но во всех этих случаях есть одно неоспоримое отличие от клеток злокачественных опухолей. Клетки «забыли», какой орган они должны строить, они «спутали», но не утратили вовсе специализации, не стали независимым образованием, а работают совместно, образуя, например, зуб или же целый плавник на затылке ската.
А можно ли вообще заставить работать генетическую программу заново и повторить дифференцировку всех клеток организма, если за исходную взять клетку, уже прошедшую весь путь дифференцировки?
На этот вопрос, как известно, дан положительный ответ. Английскому ученому Гёрдену удалось вырастить вполне жизнеспособную лягушку из икринки, у которой собственное ядро было заменено ядром, взятым из клетки кишечника лягушки. Цитоплазма яйцеклетки оказала на генетический аппарат этого ядра такое воздействие, что заставила работать спящие участки ДНК, и все развитие началось сначала и закончилось вполне сформированным организмом.
Приведенный опыт еще раз показывает, что генетическая программа у развивающегося зародыша работает под контролем организующего центра, заложенного в цитоплазму яйцеклетки еще во время ее образования в материнском организме.
На очереди опыты по пересадке ядер из дифференцированных органов в яйцеклетки млекопитающих. Правда, сделать все это технически труднее и клетки в сотни раз мельче и развитие зародыша идет внутри материнского организма. Но в принципе самая необычайная вещь открыта из большинства клеток взрослого организма можно заново вырастить точные копии того существа, от которого взяты клетки.
Итак, перед исследователями стоит задача раскрыть механизм воздействия организующего центра на наследственный аппарат. Кто знает, может быть, именно тогда появится возможность управлять дифференцировкой клеток, вступивших на путь злокачественного роста. Однако, зная, где расположен в яйцеклетке, а затем и в зародыше организующий центр, выделяя его из зародыша и исследуя на протяжении последних лет, ученые так и не могли пока установить химическую формулу чудодейственного вещества - индуктора, который управляет самым сложнейшим в живой зародышевой клетке - генетическим аппаратом. Правда, надо сразу же внести ясность, что такие исследования ведутся пока лишь на зародышах земноводных - лягушках и тритонах.
Биологи не раз, как им казалось, держали у себя в руках вещество индуктор. Но дальнейшие исследования приносили разочарования, хотя дело на первый взгляд и кажется не очень трудным.
В самом деле, ведь организующий центр в зародыше часто просто выделен морфологически. Вот развивается зародыш у моллюска, называемого дентилиум. Еще не началось деление оплодотворенной яйцеклетки, а на одном из ее полюсов появляется обособленная часть, она светлее остальной яйцеклетки и отделена от нее небольшой перетяжкой (3). Это, и есть пульт кибернетической машины развития, его называют полярной лопастью, отсюда пойдут команды всем клеткам, какой из них в, какой орган превращаться. Если микроскальпелем полярную лопасть удалить, развитие прекратится.
Казалось бы, бери эту лопасть и исследуй. А между тем посмотреть, как циркулируют необходимые для разгадки секрета вещества в одной клетке, пока еще невозможно - нет таких приборов, которые, не повреждая клетку, позволили бы вести исследование внутри нее.
В яйцеклетках других животных организующий центр может и не быть так четко выделен, как у моллюска дентилиума. Так, у аспидий, амфибий на одной стороне яйцеклетки можно различить образование желтого или серого цвета - желтый или серый серп (2). У морских ежей это уже не серп, а полоска (1). Почти в каждой яйцеклетке можно найти образование, которому предназначено дирижировать всем дальнейшим развитием. Химический анализ этой области показывает, что в ней сосредоточено большое количество нуклеиновых кислот (РНК), здесь накоплены запасы желтка и других высокоэнергетических веществ.
Если яйцеклетку разделить на две равные части, в одну из которых попадет организующий центр, то судьба этих частей будет совершенно отлична. Та часть, где окажется организующий центр, даст нормально сформированный зародыш только меньших размеров, та часть, где организующего центра не было, округлится, может некоторое время продолжать делиться, но никогда не сформирует полноценного зародыша.
Яйцеклетка лягушки делится на две части - два бластомера, в каждом свое ядро. (Для нормального развития нужно не только присутствие организующего центра, но, и ядра клетки; в противном случае некому будет воспринимать и выполнять команды.) Однако было замечено, что борозда дробления может пройти по организующему центру - серому серпу, но может и миновать его, и тогда лишь один бластомер окажется владельцем всего организующего центра. Если каждый из бластомеров микроинструментами отделить друг от друга, то их дальнейшее развитие будет предопределено тем, как прошла борозда дробления. Если борозда дробления пройдет через серый серп и его части попадут в правый и левый бластомер, то из каждой половинки яйца снова разовьется полноценный зародыш. Но если после первого деления весь организующий центр попадет только в один бластомер, то разовьется нормально после их искусственного разделения только тот, где окажется серый серп. Без организационного центра нет развития.
Та же картина наблюдается, и у насекомых. Например, у стрекозы. Яйцо у нее удлиненное и организующий центр лежит, как бы в хвостовой его части. Если после нескольких делений, чтобы ядра клеток попали и в ту, и другую части зародыша, перевязать его тонким волосом пополам, то нижняя часть с организующим центром даст хотя и карликовый, но нормально развитый эмбрион, в то время, как верхняя часть, не получая нужных команд^ приостанавливает свое развитие.
О том, что считать критерием дифференцировки, пока еще нет полной договоренности. Во всяком случае, дифференцировка заканчивается тогда, когда клетка перестает получать сигналы от организационного центра или других клеток, а главное перестает перестраивать свою генетическую программу. В полной дифференцированной клетке работают строго определенные гены, то есть в ней работают те участки ДНК, которые ответственны за синтез всех белков в том органе, где находится эта клетка. Если эту стабильную дифференцировку нарушить, в клетке могут начать работать те гены, которым надлежит молчать. Это, и ведет клетку к перерождению, ведь став «взрослой», она лишилась управляющего центра, который вел ее с раннего детства «за ручку»
