4. Взаимоотношения между клетками
4. Взаимоотношения между клетками
О взаимоотношениях между клетками в морфогенезе мы говорили и в предыдущих разделах этой главы. Изменения формы клеток, их движение и другие виды поведения в организме всегда осуществляются совместно многими клетками и в зависимости их друг от друга. В этом разделе мы обсудим, как клетки «выбирают» характер своих отношений с другими клетками, как они «узнают» друг друга и как ведут себя в зависимости от этого.
Взаимное узнавание клеток осуществляется их поверхностями. Межклеточные отношения можно нарушить разными факторами, которые действуют на клеточную поверхность. Ее белковые или углеводные компоненты можно, например, повредить, обрабатывая клетку снаружи соответствующими ферментами (протеазами и карбогидразами). Эти же молекулы на поверхности клетки можно заблокировать антителами, полученными против них. Контакты между клетками могут быть нарушены также веществами, связывающими кальций. Роль кальция очень велика и, очевидно, определяется его двухвалентностью и способностью образовывать межмолекулярные мостики. Однако точных данных о механизме действия кальция на межклеточные контакты до сих пор нет.
Многие белки клеточной поверхности связаны с различными короткими цепочками углеводов, в которых чередуется несколько видов сахаров. Аналогичные углеводные цепочки обнаружены и на липидах клеточной мембраны. Можно думать, что основной функцией этих углеводных цепочек является увеличение разнообразия свойств клеточной поверхности, которое достигается без существенных изменений структуры самих мембранных белков и липидов. Возможно, что роль таких маркеров, создающих своеобразный орнамент на поверхности клетки, могут играть и другие химические соединения.
В отношении самого механизма узнавания существует много гипотез и схем, что служит верным признаком недостаточности наших знаний в этой области. Одна из гипотез принадлежит Роземану, и ее обычно приводят не потому, что она всем кажется более верной, а потому, что она основана на оригинальном новом принципе. Предполагается, что на поверхности клеток находится фермент, узнающий определенные углеводные группы и, если он действует в растворе, отрезающий их. Такие ферменты среди белков поверхности действительно находят. На поверхности клеток обнаружены различные углеводные группы, в том числе и те, которые могут быть субстратом для этих ферментов. Гипотеза состоит в том, что фермент на поверхности одной клетки «узнает» свой субстрат на поверхности другой клетки и связывается с ним благодаря комплементарности субстрата и активного центра фермента. Ho из-за особенностей структуры всей углеводной цепочки, как предполагает гипотеза, осуществить свою реакцию, т. е. «откусить» конечный сахар, фермент не может, а так и остается связанным, соединяя тем самым клетку с к леткой. Так как узнавание ферментами субстратов действительно очень специфично, эта гипотеза объясняет высокую специфичность узнавания одинаковыми клетками друг друга.
Опыты по узнаванию между клетками были начаты Гольтфретером уже более 40 лет назад. Он диссоциировал клетки гаструлы амфибий, т. е. отделял их друг от друга. Для этого достаточно убрать из солевой среды кальций или, что еще эффективнее, добавить в среду вещество, связывающее кальций. Если к диссоциированным и перемещенным клеткам снова добавить кальций, то клетки всех трех зародышевых листков слипаются в бесформенный комок, состоящий из беспорядочной смеси всех трех сортов клеток. Однако через сутки клетки оказываются «рассортированными», так что эктодермальные клетки лежат, как им и полагается, снаружи, энтодермальные — внутри, а клетки мезодермы — между ними. У морского ежа после такой диссоциации и реассоциации развивается нормальный зародыш. Нам пока важно отметить, что если беспорядочно расположенные клетки смогли собраться вместе и правильно расположиться, то, значит, они действительно как-то узнают друг друга и предпочитают себе подобных.
Стейнберг сделал следующий шаг: он исследовал образование контактов между шестью типами эмбриональных клеток цыпленка, которые теоретически могут образовывать 15 различных вариантов смешанных пар. Такие пары действительно образуются, но при свободном выборе (в смеси) одни пары возникают чаще (или они прочнее), чем другие, и можно установить постепенный ряд степеней сродства (аффинитета) между клетками. Эта работа придает проблеме «узнавания» и связывания количественный подход: нельзя утверждать, что клетки одного типа узнают или не узнают другие, а можно лишь говорить, что одни пары клеток связываются прочнее, чем другие.
Сказанное здесь не следует понимать слишком упрощенно. Межклеточные контакты еще далеко не ясное явление: в них, очевидно, участвуют не только поверхности обеих клеток и ионы кальция, но и, возможно, специальные белки, так называемые факторы адгезии.
Последний пример подобного узнавания, который мы рассмотрим, был исследован на диссоциированных клетках сетчатки и связан с именами Москоны и затем Барберы и Готлиба. Сначала Москона показал, что между клетками сетчатки существует избирательное узнавание и слипание. Барбера и потом Готлиб изучали сцепление между диссоциированными клетками сетчатки и зрительного отдела мозга — тектума. На достаточно поздних стадиях развития от сетчатки к тектуму подрастают аксоны нервных клеток сетчатки. Важно, что определенные районы сетчатки посылают аксоны не случайно, а к определенным районам тектума. Диссоциированные клетки ранней сетчатки можно пометить радиоактивным фосфором и измерять их прилипание к кусочкам тектума количественно, по радиоактивности. Оказалось, что клетки, полученные из вентральной (нижней) половины сетчатки, значительно сильнее прилипают к дорсальной (верхней) половине тектума и гораздо слабее — к вентральной его части. Клетки дорсальной половины сетчатки ведут себя как раз наоборот. Удивительно, что и при нормальном развитии нервных связей глаза и мозга точно так же ведут себя аксоны: из дорсальной половины сетчатки они тянутся в вентральную половину тектума, а из вентральной части сетчатки — в дорсальные районы тектума.
Таким образом, от проблемы «узнавания» мы перешли к проблеме «сортинга», т. е. способности клеток не только узнать друг друга, но и разобраться по сортам, как это было обнаружено еще Гольтфретером на гаструле амфибий. А от проблемы «сортинга» мы естественным образом переходим к проблеме морфогенеза. Узнавание клетками друг друга оказывается в то же время и механизмом создания в развитии их правильного расположения.
Каковы же механизмы «сортинга»? Предполагается, что эмбриональные клетки (а у низших многоклеточных — губок и кишечнополостных — и взрослые клетки) вступают друг с другом не в постоянные, а в динамические контакты, т. е., двигаясь друг относительно друга, образуют то менее, то более прочные связи, зависящие от обоих типов клеток, степени их аффинитета, или, что то же самое, от свойств их поверхности. Чем прочнее такой контакт, тем дольше он удерживается и реже нарушается. Клетки двигаются друг относительно друга до тех пор, пока не возникнет наиболее стабильная система, обладающая, если говорить языком физики, минимумом свободной энергии.
Кажется вероятным, что и в нормальном эмбриональном развитии клетки контактируют друг с другом так, что всегда образуют наиболее стабильные контакты. Иначе бы ход эмбриогенеза постоянно нарушался из-за того, что клетки уползали бы в другие места, завязывали бы «неправильные», но более прочные контакты и т. д. Перемещения клеточных пластов, собирание клеток в массы, контакты одних типов клеток с другими во многом, хотя и не целиком происходят благодаря этим силам сродства и взаимного «узнавания» — притяжению и иногда отталкиванию (его называют отрицательным аффинитетом). Неудивительно поэтому, что и искусственный «сортинг» беспорядочно расположенных клеток создает большее или меньшее подобие нормальной организации ранних, просто устроенных стадий развития.
Наибольшую роль эти механизмы играют, по-видимому, в морфогенезе одного из самых простых многоклеточных — губок. Они состоят всего из трех — пяти сортов клеток, и если их «диссоциировать» путем простого протирания через сито, то они снова собираются в простой, но правильно устроенный организм. Можно думать, что все развитие губок состоит лишь в создании нескольких типов клеток. Их нормальное взаимное расположение не требует специально программированных клеточных перемещений и совершается путем «ползания» клеток в агрегате друг по другу, пока не возникнет правильная (и она же наиболее стабильная) организация.
У других простых многоклеточных — кишечнополостных уже определенно можно говорить о процессах морфогенеза. Тем не менее если гидру диссоциировать на клетки, то она соберется в новый полноценный организм. Здесь, правда, трудно отделить этот процесс от очень высокой способности гидры к регенерации (почти из любой части тела).
У животных, организованных более сложно, таких, как морской еж и особенно амфибии, удачная сборка удается только на стадии гаструлы — с той разницей, что у морского ежа она приводит к нормальному развитию, а у амфибий — лишь к некоторой аналогии нормы.
Когда речь идет о «сортинге», например, гаструлы амфибий, необходимо объяснить не только саму сортировку клеток, т. е. объединение себе подобных. Существенно понять, почему клетки эктодермы в итоге оказываются снаружи, а энтодермы — внутри. Это объясняется различными свойствами этих типов клеток. Эктодерма стремится обрасти все другие типы клеток снаружи, — это же самое она совершает в ходе нормальной гаструляции. Это свойство клеток эктодермы можно, вероятно, выразить и в более строгих терминах — в стремлении увеличить наружную поверхность клеточного пласта и т. д. Вместе с тем клетки эктодермы и энтодермы «испытывают» отрицательный аффинитет друг к другу: их искусственная смесь быстро разобщается на два отдельных шара, соприкасающиеся в одной точке. В то же время мезодермальные клетки одинаково хорошо контактируют и с эктодермой и с энтодермой — так они ведут себя и в ходе нормальной гаструляции. Поэтому не только «сортинг», но и воссоздание подобия гаструлы из смеси всех трех сортов клеток отражает и их взаимное узнавание, и их различное поведение. Естественно, что свойства клеток, которые участвуют в осуществлении нормального хода гаструляции, проявляются и в экспериментах по реассоциации.
На более поздних стадиях реассоциация клеток воссоздать нормальную структуру уже не может. Организация зародыша уже настолько сложна, что ее определяют не только свойства клеток (а именно их мы исследуем при реассоциации), но и предшествующая история развития данного зародыша. Ho в пределах отдельных органов эти силы межклеточных взаимоотношений все еще играют свою роль. Поэтому-то оказывается возможным воссоздание из диссоциированных клеток такого органа, как, например, эмбриональная сетчатка птиц.
Известен «естественный эксперимент», иллюстрирующий и возможности и ограниченность сил межклеточных взаимоотношений. Это эмбриональные тератомы — опухоли из малодифференцированных «эмбриональных» клеток. В центре такой опухоли происходит деление недифференцированных клеток, но на периферии они оказываются способными, если не ко всем, то ко многим дифференцировкам. Там можно видеть фрагменты различных тканей и даже органов. Однако ничего похожего на организм из такой опухоли не возникает, так как у тератом отсутствуют программированные процессы последовательного морфогенеза.
Можно заключить, что механизмы, обеспечивающие взаимное узнавание клеток, их сортировку, степень слипания и другие особенности поведения, играют очень важную роль в морфогенезе. Эта роль тем выше, чем проще само формообразование. Ho сложный морфогенез невозможен без участия программированных перемещений клеток, которые создаются, очевидно, не только силами сродства между клетками и, главное, происходят в определенном порядке и последовательности.