Литература БФХ / molekuljarnaja biologija kletki v3

91

Рис. 16-35. Гетерохронные мутации гена lin-14 у С. elegans и их воздействие на одну из затрагиваемых ими родословных. Мутация с потерей функции (рецессивная) этого гена приводит к тому, что клетки начинают делиться и дифференцироваться так же, как у личинок на поздних стадиях развития; мутации с восстановлением функции (доминантные) этого гена обладают обратным эффектом. Крестиками отмечены случаи запрограммированной гибели клеток. (V. Ambros, H. R. Horvitz, Science, 226, 409-416, 1984.)

16.3.4. Программа дифференцировки согласована с программой клеточных делений [30]

Изучая гетерохронные мутации, исследователи столкнулись с еще одной сложной проблемой. Дело в том, что в процессе развития под контролем генома происходит уточнение программы деления клеток, а также программы клеточной дифференцировки и оба эти проявления клеточного поведения должны быть синхронизированы. У гетерохронных мутантов нарушено и деление, и дифференцировка. Это наводит на мысль о регуляции обоих процессов одним механизмом, поврежденным вследствие мутации.

Можно предположить, что роль такого механизма играет клеточный цикл. Однако факты не подтвержают это предположение: дифференцировка ранних эмбриональных клеток следует установленной схеме и при искусственном ограничении клеточных делений под влиянием химических веществ, ингибирующих цитокинез или синтез ДНК. Клеточные деления не следует уподоблять периоду колебаний маятника биохимических часов, определяющих темп развития; скорее ситуация обратная и именно биохимические часы контролируют темп клеточных делений и продолжительность клеточного цикла у множества видов животных. Изменение химического состояния клетки одновременно влияет на принятие решений о делении клеток, а также на время и направление дифференцировки. Молекулярные механизмы контроля клеточных делений в эмбриогенезе практически не изучены и представляют собой одну из центральных проблем современной биологии развития. Генеалогические мутанты нематод могут сыграть ключевую роль в решении этой проблемы.

16.3.5. Автономное поведение клеток и межклеточные взаимодействия взаимосвязаны и определяют характер развития [31]

Процессы развития плохо поддаются объяснению в отсутствие данных о степени автономности поведения отдельных клеток и вкладе межклеточных взаимодействий. Наблюдая последствия удаления клеток у нематод, можно оценить важность обмена сигналами между клетками. Для этого лазерный луч фокусируют в пятнышко диаметром 0,5 мкм

92

(средний диаметр ядра С. elegans составляет около 2 мкм) и повторяющимися импульсами разрушают ядро какой-либо клетки. Клетка с разрушенным ядром погибает, а окружающие ее соседние клетки продолжают развиваться. Напрашивается вывод: большая часть клеток нематод в течение длительного периода своего жизненного цикла следует собственным программам развития и не зависит от сигналов соседних клеток.

И тем не менее межклеточные сигналы играют в развитии С. elegans и других животных очень важную роль. Хороший пример тому представляет развитие влагалища, или вульвы, - отверстия в гиподерме (коже) у гермафродитов для откладки яиц. Вульва располагается на брюшной стороне тела и сформирована из 22 клеток, возникших из трех клеток-предшественниц гиподермы по особой родословной. Одна из клеток гонады, так называемая якорная клетка, прикрепляет, или «заякоривает», расположенную над ней гонаду (матку) к развивающейся вульве для формирования пути выхода яиц из матки в окружающую среду. Результаты опытов с разрушением этой клетки лазерным лучом показывают, что именно она индуцирует развитие вульвы из трех ближайших клеток гиподермы. После уничтожения якорной клетки из этих клеток вместо вульвы возникает участок обычной гиподермы. Таким образом, якорная клетка индуцирует дифференцировку вульвы у С. elegans подобно тому, как вегетативные бластомеры индуцируют дифференцировку мезодермы у ранних эмбрионов Xenopus. Для этой индукции достаточно единственной якорной клетки: нормальное развитие вульвы происходит даже при уничтожении всех клеток гонады, за исключением якорной клетки (см. рис. 16-36, А).

Рис. 16-36. А. Схема экспериментов, в которых было показано, что для развития вульвы необходимо индуктивное влияние якорной клетки. Б. Увеличенное изображение шести клеток группы эквивалентности вульвы (показаны в цвете) в вентральной гиподерме и нормальная родословная их потомков, приведенная внизу. Все эти 6 клеток (и только они) способны реагировать на индуцирующее воздействие вульвы, но в норме на это воздействие реагируют только 3 из них.

93

Индуцирующий сигнал якорной клетки обеспечивает пространственно согласованное с расположением гонады развитие вульвы, но эта система обладает определенным запасом гибкости. Три клетки гиподермы, в норме участвующие в формировании вульвы, соседствуют с тремя другими клетками, которые также способны выполнить эту задачу, если они попадают под влияние якорной клетки. При уничтожении лазерным лучом клеток-предшественниц вульвы эти соседние клетки сворачивают с пути своего нормального развития, вероятно, в связи с изменением местоположения, и вместо гиподермы формируют вульву. Другие клетки не способны реагировать на индуцирующий сигнал и не могут участвовать в формировании вульвы ни при каких обстоятельствах. Мы можем ввести понятие группы эквивалентности, примером которой на модели С. elegans (рис. 16-36, Б) могут служить три нормальные клетки-предшественницы вульвы и три соседние клетки, которые индуцируются сходным образом, поскольку эти клетки функционально взаимозаменяемы. Все участники группы эквивалентности отличаются от окружающих клеток тем, что они характеризуются иной предысторией развития. Именно это обстоятельство обеспечивает таким клеткам уникальную возможность реагировать на индуцирующий сигнал. Клетки этой группы приобретают различия под воздействием индуцирующего сигнала. Здесь мы имеем дело с особым примером того, как клеточная программа развития зависит от взаимодействия клеточной памяти (автономного свойства клеток) и сигналов, поступающих от других клеток (внешний контроль).

16.3.6. Эксперименты позволяют уточнить роль генов, контролирующих развитие [32]

Эксперименты, описанные в предыдущем разделе, помогают интерпретировать данные генетических исследований. Мутации любого из 5 различных генов могут приводить к образованию фенотипа multivulva, где все 6 клеток группы эквивалентности вступают на путь развития вульвы и вместо 22 клеток вульвы возникают 48 клеток и, как результат, несколько вульв. У этих мутантов все 6 клеток ведут себя, как если бы они застыли в состоянии активации якорной клеткой и разрушение последней не изменяет ход развития вульвы. В данном случае, вероятно, мутации затрагивают гены, которые в норме действуют в клетках группы эквивалентности вульвы, определяя их ответ на сигнал якорной клетки. Мутации другого небольшого набора генов приводят к образованию иного, противоположного фенотипа (vulvaless). И здесь, по всей вероятности, меняется способность клеток группы эквивалентности реагировать на индукцию.

Мутации гена liп-12 (вызывающего образование нескольких вульв) оказывают плейотропное действие: они могут обусловливать либо отсутствие, либо удвоение якорной клетки, меняя таким образом распределение индуцирующего сигнала и правила, согласно которым клетки группы эквивалентности вульвы реагируют на сигнал. Мутации гена liп-12 воздействуют и на иные группы эквивалентности, что наводит на мысль о некоем общем значении гена liп-12 в межклеточных взаимодействиях, посредством которых клетки какой-либо одной группы эквивалентности направляются по различным путям развития. Была определена последовательность нуклеотидов гена liп-12 и оказалось, что белок, кодируемый этим геном обладает гомологией с семейством белков, которые, как полагают, принимают участие в межклеточном общении у позвоночных и насекомых (см. разд. 12.3.12). К этому семейству относятся фактор роста эпидермиса у млекопитающих (ФРЭ), некоторые поверхностные рецепторы клеток млеко-

94

питающих, такие, как рецептор липопротеинов низкой плотности (ЛНП) (см. разд. 6.5.8), и продукт гена Notch, содействующий выбору пути развития эктодермы у дрозофилы: дифференцировка нервной ткани или дифференцировка эпидермиса. Такие находки дают основание полагать, что молекулярные уроки, усвоенные при изучении развития нематод, могут найти применение при изучении развития многих других видов.

16.3.7. Программу развития индивидуальных клеток млекопитающих можно анализировать в клеточной культуре: дифференцировка глиальных элементов зрительного нерва крысы [33]

Самый прямой способ отличить автономное поведение клетки от ее поведения под контролем межклеточных взаимодействий состоит в изучении того, как перемещение клеток в другой участок тела или их выделение с целью искусственного изменения среды обитания сказывается на их поведении. Эти вопросы трудно поддаются изучению у С. elegans, поскольку разрушение клеток лазерным лучом не позволяет решить эту задачу. Отсутствие информации о межклеточных взаимодействиях в процессе развития этой нематоды осложняет изучение базовых программ клеточного контроля, даже несмотря на хорошо изученную родословную всех клеток и характеристику многих мутантов по генам, контролирующим развитие. Среду, в которой находится клетка, проще изменять в культуре. Здесь появляется возможность непосредственного анализа как программ, контролирующих поведение клетки, так и межклеточных взаимодействий, управляющих клеточными делениями и дифференцировкой в процессе развития некоторых частей тела позвоночных.

Зрительный нерв является одним из простейших элементов центральной нервной системы млекопитающих и широко известен, как модельная система для таких исследований. Он содержит длинные аксоны нервных клеток сетчатки, направляющихся от глаза к мозгу. Структурную и функциональную опору аксонов в нервах обеспечивают три типа глиальных клеток (см. разд. 19.1.6): олигодендроциты и два типа астроцитов, известных просто как астроциты типов 1 и 2 (рис. 16-37). Все три типа глиальных клеток различают с помощью антител; с помощью такого же метода различают глиальные клетки и клетки-предшественницы. При исследовании клеток, выделенных из зрительного нерва на различных стадиях развития и помещенных в культуру, было показано, что три типа глиальных клеток (которые в норме делятся редко, если вообще делятся) возникают в различное время и происходят из двух ветвей генеалогического древа. Астроциты типа 1 возникают до рождения из клеток-предшественниц одного типа, а олигодендроциты и астроциты типа 2 образуются после рождения из другого типа клетокпредшественниц, именуемых «клетки-предшественницы 02А».

Рис. 16-37. Зрительный нерв крысы содержит аксоны нейронов сетчатки (указана только одна такая клетка) и 3 типа глиальных клеток. Астроциты типа 1 обеспечивают структурную опору нерва, выполняя роль, аналогичную роли клеток соединительной ткани в конечности. Олигодендроциты и астроциты типа 2 вместе участвуют в образовании оболочки вокруг каждого аксона: олигодендроциты обворачиваются вокруг аксона, формируя изолирующий миелиновый слой (см. разд. 19.2.11), а астроциты типа 2 выпускают тонкие отростки, контактирующие с аксонами в местах, где миелиновая оболочка прерывается, образуя перехват Ранвье. Нервный импульс по мере прохождения по аксону распространяется от одного перехвата Ранвье к другому (см. разд. 19.2.4).

95

Олигодендроциты в норме возникают в момент рождения, астроциты типа 2 через неделю после рождения.

После выяснения родословной этих клеток и времени их появления усилия исследователей были сконцентрированы на вопросе о том, какими правилами руководствуются клетки в своем поведении. Например, что вынуждает дифференцироваться клетки-предшественницы 02А и почему, если они дифференцируются в одно время, то становятся олигодендроцитами, а если в другое, то астроцитами типа 2? В какой степени эти события управляются неким собственным автономным часовым механизмом клетки и в какой степени дифференцировка зависит от поступления в определенное время внешних сигналов?

Если из эмбрионального зрительного нерва выделить клетки-предшественницы 02А и культивировать в отсутствие астроцитов типа 1, которые в норме являются соседями клеток 02А, то клетки 02А прекращают делиться и досрочно начинают дифференцироваться; при помещении в эту же культуру астроцитов типа 1 клетки 02А прекращают деление, и их дифференцировка задерживается до срока, соответствующего in vivo дню рождения. Оказалось, что действие астроцитов типа 1 связано с секретируемым ими фактором роста. Полагают, что этот фактор роста соответствует тромбоцитарному фактору роста (ТФР, или PDGF-platelet-derived growth factor; см. разд. 13.3.4). Присутствие такого фактора приводит к предотвращению преждевременной дифференцировки клеток-предшественниц 02А; однако повышение концентрации этого фактора не затягивает дифференцировку по сравнению с нормой. Вероятно, клетки-предшественниц 02А эмбрионального зрительного нерва еще раньше принимают определенную программу развития, согласно которой по истечении определенного времени или через определенное число клеточных делений клетки теряют чувствительность к фактору роста и дифференцируются независимо от его наличия. Отдельные клетки-предшественницы 02А принимают такую программу в разное время и первые из них в норме начинают дифференцироваться в момент рождения.

Чем же определяется конкретное направление дифференцировки клетки в олигодендроцит или в астроцит типа 2? Клетки 02А в культуре, развиваясь в условиях бессывороточной среды, дифференцируются только в олигодендроциты: для них это конститутивный путь развития или в терминах информатики развитие «по умолчанию». В противоположность этому, дифференцировка астроцитов типа 2 выглядит, как индуцируемый путь развития: клетки начинают такую дифференцировку под действием специфического белка, который можно выделить из зрительного нерва крысы. В значительных количествах этот белок синтезируется со второй недели развития, т.е. именно тогда, когда начинается дифференцировка астроцитов типа 2. Оказалось, что этот белок идентичен фактору роста нервов (ФРН, или CNTF-ciliary neurotrophic factor). Это позволяет предположить, что время синтеза ФРН определяет время дифференцировки астроцитов типа 2 в развивающемся нерве. До сих пор неясно, какие именно клетки синтезируют ФРН in vivo и какие факторы контролируют точное время начала его синтеза, однако известно, что в культуре этот фактор могут синтезировать астроциты типа 1.

Данные этих исследований еще раз подтверждают предположение о том, что развитие клеток представляет собой результат взаимодействия автономных процессов и поведения, контролируемого сигналами окружающей среды. Здесь были показаны преимущества метода культуры клеток для изучения молекулярных основ этих процессов. Можно попытаться суммировать эти находки в схеме потока информации, которая, в терминах информатики, представляет собой внутреннюю

96

Рис. 16-38. Схема, в которой упрощенная модель программы межклеточного контроля представлена в виде программы компьютера. Вероятно, эта программа участвует в регуляции клеточных делений и дифференцировки у клеток-предшественниц олигодендроцитов и астроцитов типа 2 (02А) в развивающемся зрительном нерве млекопитающих. Широкие стрелки изображают «вход-выход» данных, т. е. внеклеточные сигналы принимаемые или испускаемые клеткой. Неполные или предполагаемые участки этой схемы указаны прерывистыми линиями; соответствующая широкая стрелка, указывающая налево, демонстрирует возможность обратной связи от клеток-предшественниц 02А, которая могла бы содействовать регулировке сигналов, поступающих от клеток-предшественниц астроцитов типа 1. Считают, что клетки-предшественницы 02А постоянно возобновляются в

условиях in vivo, начиная примерно с последней недели перед рождением (не показано).

программу клеток-предшественниц 02А, т.е. набор правил, согласно которым клетки прочитывают сигналы окружающей среды и выбирают время и место дифференцировки (рис. 16-38). Такая информация о поведении отдельных клеток особенно важна, если мы действительно пытаемся разобраться в закономерностях эмбрионального развития. Мы пока не в состоянии дать ответ на фундаментальный вопрос, каким образом возникает пространственное распределение множества клеток во всем организме, но к этой проблеме мы вернемся в следующем разделе.

Заключение

Для понимания программ развития индивидуальных клеток эмбриона необходимо проследить их историю, проведя анализ клеточной родословной. Для генеалогии позвоночных характерна случайная изменчивость. Но у определенных нематод и некоторых других групп беспозвоночных схема клеточных делений в процессе развития контролируется настолько точно и настолько предсказуемо, что клетки, занимающие в теле животного определенное положение, у всех особей данного вида развиваются по одному и тому же пути. Была прослежена нормальная судьба всех клеток нематоды Caenorhabditis elegans в течение всего периода развития и изучены последствия экспериментального воздействия на уровне индивидуальных идентифицируемых клеток. Идентифицированы многие гены, определяющие реализацию программы, контролирующей развитие клеток. Для этого были изучены изменения клеточных родословных, возникающие вследствие мутации данных генов. В общем можно отметить, что мутации генов, контролирующих развитие, координированно влияют на дифференцировку и деление клеток. Эти наблюдения позволяют предположить, что контроль указанных клеточных процессов обеспечивается неким общим базовым ме-

97

ханизмом. При разрушении клеток лазерным лучом было выявлено, что постоянство развития С. elegans является результатом точной взаимосвязи межклеточных взаимодействий и автономных процессов, реализуемых в отдельных клетках. Например, наблюдая за процессом развития вульвы, можно установить индукционные взаимодействия, которые могут быть связаны с действием определенных генов, контролирующих развитие.

Другим методом анализа программ, контролирующих развитие индивидуальных клеток, является изучение поведения клеток в культуре. Этот подход был использован с целью выявить правила, определяющие клеточную дифференцировку и деление в процессе развития глиальных клеток зрительного нерва млекопитающих. Здесь было получено еще одно подтверждение того, что поведение клеток регулируется не только межклеточными сигналами, но и автономными программами развития отдельных клеток.

16.4. Принципы образования пространственных структур [34]

Различные органы животного возникают не из хаотического скопления клеток; пространственная организация разных типов клеток исходно предопределена. Взаимодействия, координирующие процесс становления пространственной организации, могут быть чрезвычайно разнообразными. В некоторых случаях, например в мозаичных яйцах, пространственная организация может быть заложена в одной клетке, и возникающее внутриклеточное распределение цитоплазматических детерминантов воспроизводится в расположении дочерних клеток эмбриона. В других случаях, например при индукции мезодермы у Xenopus или вульвы у нематод, определенная структура возникает как результат взаимодействия отдельных клеток. Следовательно, в формировании пространственной организации важная роль принадлежит всем видам пространственных сигналов, как внутриклеточных, так и межклеточных. Можно сказать, что эти сигналы обеспечивают клетки позиционной информацией, направляя их дальнейшую специализацию.

В этом разделе мы рассмотрим различные пути создания и использования позиционной информации. Здесь же мы увидим, как в процессе развития многих организмов происходит приобретение отдельными клетками точных молекулярных «адресов» или позиционных значений. Так, клетка раннего эмбриона может «знать» сравнительно немного, например, насколько близко она расположена по отношению к голове или к хвосту. Что же касается ее потомков, существующих в теле взрослого животного, то многие клеточные поколения спустя они могут «знать» о том, что являются костными клетками, расположенными на конце третьего сустава передней конечности. Такая специализация выстраивается постепенно за счет механизмов, основанных на клеточной памяти: ранние пространственные сигналы лишь довольно приблизительно определяют общие координаты, а последующие сигналы местного значения обеспечивают клетки дополнительными уточнениями адреса, привязанными к местным координатам.

16.4.1. Асимметрия, определяемая пространственной организацией среды, может нарастать за счет положительной обратной связи [34, 35]

Формирование пространственной организации начинается с создания асимметрии: будущая голова должна отличаться от хвоста, спина от живота. Мы уже видели, что у животных большинства видов яйцеклетки

98

Рис. 16-39. Контроль полярности яйца дрозофилы со стороны среды, окружающей ооцит в яичнике. В норме питающие клетки поставляют запасаемые вещества на один из полюсов ооцита, который соответствует будущей голове. У мутантов Dicephalic ооцит расположен в центре фолликула и симметричен по отношению к питающим клеткам. Вследствие этого возникает симметричное яйцо, дающее начало эмбриону с головами на обоих концах.

асимметричны (см. разд. 16.2.2). Асимметрия зачастую возникает в яйцеклетке в процессе ее развития в яичнике. У насекомых, например, ооцит (будущая яйцеклетка) расположен в одном из концов фолликула, где одной стороной он соприкасается с питающими клетками, передающими ему запасаемые вещества по цитоплазматическим мостикам (см. разд. 15.3.4). По всей вероятности, асимметрическое поступление запасаемых веществ в ооцит создает химические различия между разными участками цитоплазмы яйца, которые соответствуют в будущем голове и хвосту эмбриона

(см. рис. 16-39).

Исходно асимметрия может быть не слишком выражена: далее клетки воспользуются своими собственными внутренними механизмами для усиления слабой асимметрии и превратятся в поляризованные. Например, у яйцеклетки морской водоросли Fucus ризоид, или корешок, образуется только на одном конце. В норме ризоид растет вниз и от света. Таким образом, сила тяготения и освещенность вместе определяют, на какой стороне он образуется. Такая полярность обусловлена потоком ионов Са2+ через клетку (см. разд. 20.5.6): полагают, что случайный свет или сила тяготения вызывают появление небольшой асимметрии в распределении белков, участвующих в транспорте ионов Са2+ через плазматическую мембрану. Эта асимметрия позже усиливается за счет механизмов положительной обратной связи (см. рис. 20-66, разд. 20.5.7).

Таким же образом положительная обратная связь может действовать и на других стадиях развития многоклеточных организмов. Например, при делении поляризованной клетки дочерние клетки наследуют слабо выраженную асимметрию и, усилив ее, становятся более поляризованными. Так происходит усиление поляризации в ряду клеточных поколений. Поэтому в принципе для возникновения сложной структуры многоклеточных организмов межклеточный обмен сигналами не обязателен (рис. 16-40). Возможно, что некоторые процессы формирования пространственной организации, зависящие от автономного поведения клетки, можно объяснить действием такого механизма.

Однако, как правило, формирование пространственной организации у многоклеточных организмов зависит и от межклеточных сигналов. И здесь положительная обратная связь также выполняет важную роль усиления исходно слабых асимметрий, создавая локализованные группы клеток, свойства которых очень различны. Такие группы клеток могут в свою очередь испускать сигналы, влияющие на развитие соседних клеток. Простейшим примером может служить примитивный организм Hydra. Тело гидры имеет форму трубки, на одном конце которой расположена «голова», снабженная щупальцами, и на другом конце - «нога» (см. рис. 1-33). Гидра известна способностью восстанавливать целостность организма после удаления какой-либо из его частей. Множество экспериментов по ампутации «головы», выполненных на гидре, позволяют предположить, что процесс регенерации осуществля-

99

Рис. 16-40. Сложная многоклеточная структура в принципе может возникнуть в результате серии асимметричных клеточных делений без каких-либо межклеточных взаимодействий (помимо обеспечивающих соединение клеток). Внутренней полярности, наследуемой каждой из дочерних клеток в результате последовательных клеточных делений, может оказаться вполне достаточно для управления следующим циклом внутриклеточного структурообразования. Возникающие при последующих делениях дочерние клетки будут опять-таки весьма различными и внутренняя поляризация этих клеток не будет уменьшаться.

ется благодаря локальному аутокаталитическому процессу, усиливающему слабую тенденцию клеток к приобретению свойств клеток «головы». В создании данной утраченной структуры принимают участие все клетки тела; они создают ингибирующий сигнал, диффундирующий вдоль продольной оси тела, и исключающий условия формирования «головы» в иных участках организма (рис. 16-41).

16.4.2. Локализованный участок, испускающий сигнал, может часто создавать градиент морфогена [36]

Влияние головы на остальную часть тела гидры, которое характеризуется значительным радиусом действия, представляет собой весьма распространенное явление. Во многих развивающихся системах небольшие участки ткани способны приобретать какие-либо особые свойства, превращающие их в источник сигнала, который распространяется через прилежащие участки ткани, и может контролировать их поведение. В частности, сигналом могут служить диффундирующие молекулы, секретируемые сигнализирующим участком. Предположим, что по мере диффузии сигнального вещества через соседние ткани происходит его разрушение. В этом случае наивысшая концентрация сигнального вещества будет вблизи источника. С увеличением расстояния от источника количество этого вещества будет уменьшаться, вследствие чего в ткани возникнет концентрационный градиент (см. рис. 16-42). На разных расстояниях от источника сигнала клетки будут подвергаться различному действию этого вещества в зависимости от его концентрации и благодаря этому приобретут разные свойства. Гипотетическое вещество, подобное вышеупомянутому, концентрация которого прочитывается клетками и позволяет последним определить расстояние

Рис. 16-41. Механизм создания пространственной структуры вследствие автокаталитического процесса. Вещество «активатор» в результате автокаталитического процесса накапливается до весьма высокого уровня в небольшом участке, расположение которого определяется слабовыраженной исходной асимметрией системы; высокая концентрация активатора в этом участке вызывает образование ингибитора, диффундирующего на значительные расстояния и подавляющего синтез активатора в других участках. Например, при декапитации гидры оставшаяся ткань в норме регенерирует голову, но если на место ампутированной головы или на некотором расстоянии от него пересадить голову другой гидры, то новой дополнительной головы не образуется.

100

Рис. 16-42. Если какое-то вещество образуется в определенной точке и по мере диффузии из этой точки разрушается, то создается градиент концентрации этого вещества с максимумом в исходной точке. Такое вещество может служить морфогеном, локальная концентрация которого контролирует поведение клеток в соответствии с их расстоянием от источника вещества.

относительно неких ориентиров или «маяков», называется морфогеном. Сигнализирующий участок способен с помощью морфогена контролировать формирование пространственной организации больших полей прилежащей ткани. Градиенты морфогена представляют собой простое и эффективное средство обеспечения клеток позиционной информацией. Именно поэтому морфогены и оказались в центре нашего внимания. Здесь необходимо добавить, что клетки эмбриона способны приобретать позиционную информацию иными способами. Рис. 16-21 иллюстрирует одну из таких альтернатив: здесь в основе механизма лежат индукционные взаимодействия короткого радиуса действия.

И хотя известно множество примеров сигнализирующих участков, которые (с нашей точки зрения) через градиент морфогена могли бы оказывать воздействие на значительном расстоянии, на практике в настоящее время мы имеем дело всего лишь с несколькими случаями непосредственной химической идентификации морфогена. Как правило, известно лишь, что при изменении местоположения предполагаемого сигнализирующего участка после пересадки или иным способом, происходит изменение структуры прилежащих участков ткани. Наблюдения такого рода не позволяют выяснить, насколько изменения структуры отдельных клеток определяются прямым ответом на действие морфогена и каков вклад от взаимодействия реагирующих клеток. Вероятно, в большинстве случаев исходный градиент морфогена вызывает импульс, обеспечивающий формирование пространственной организации, широкого спектра действия, а локальные межклеточные взаимодействия участвуют в проработке деталей. Накапливаются данные, свидетельствующие о том, что именно таким образом возникает пространственная организация тела насекомых; это будет обсуждаться ниже. Здесь же мы рассмотрим, какой тип пространственной организации может быть обусловлен действием градиента морфогена в поле клеток, каждая из которых реагирует назависимо.

16.4.3. Порог реакции клетки обусловливает строго определенный характер ее детерминации, несмотря на плавный градиент морфогена [37]

При наличии плавного градиента концентрации морфогена можно ожидать, что и свойства клеток в разных участках будут изменяться постепенно. Такие слабо выраженные различия действительно встречаются в некоторых тканях. Но наибольший интерес вызывает возникновение резких качественных различий - таких, например, как различия между хрящевыми и мышечными клетками, не имеющими переходных форм. В популяции исходно однородных клеток благодаря порогу реакции на плавно изменяющийся сигнал могут возникать резкие различия между клетками: в каждой из реагирующих клеток эффект небольшого приращения сигнала может быть усилен по принципу положительной обратной связи так, что клетки, подвергающиеся действию сигнала, интенсивность которого изменяется слабо, выберут различные пути развития в зависимости от того, подверглись ли они действию сигнала надили подпороговой интенсивности. При этом для каждого из сигналов могут существовать несколько порогов интенсивности, и одна переменная может контролировать несколько выборов. Если под влиянием какого-то фактора клетка определенно вступила на путь, ведущий к одному из стабильных состояний, то она будет развиваться в выбранном направлении даже в отсутствие фактора, исходно контролировавшего выбор. На этом пути временные, зависящие от положения клетки воздействия могут вызывать эффект «запоминания» воздействий, которые претерпела клетка. Выбор клеткой опре-