Диссоциабельность индукционных взаимодействий, происходящих при морфогенезе и цитодифференцировке

Диссоциабельность индукционных взаимодействий, происходящих при морфогенезе и цитодифференцировке

Для происходящих в процессе эволюции морфологических трансформаций необходима возможность независимых изменений взаимосвязи между отдельными процессами онтогенеза, которую можно назвать диссоциабельностью. Концепция диссоциабельности зародилась еще в XIX в., хотя наиболее обстоятельно ее изложил Нидхем (Needham) в 1933 г.:

«При развитии зародыша того или иного животного, протекающем нормально и при оптимальных условиях, составляющие его основные процессы образуют превосходно интегрированное единое целое. Они подогнаны друг к другу таким образом, что конечный продукт развития возникает в результате точно скоординированных реакций и событий. Однако, по-видимому, во всем этом важную роль играет одно обстоятельство, которое, вероятно, недооценивается: эти фундаментальные процессы неразделимы лишь в нашем представлении; на самом деле их можно экспериментально диссоциировать (разобщить) или нарушить существующую между ними координацию. Эта концепция нарушения координированности пока еще не получила удовлетворительного названия, но за неимением лучшего термина мы в дальнейшем изложении будем пользоваться словами диссоциабельность или разобщение. Уже ясно, что можно приостановить рост зародыша, не нарушая его дыхания, и что, наоборот, в известных условиях рост и дифференцировка могут, вероятно, продолжаться в отсутствие нормальных дыхательных процессов. Известно также немало примеров, когда рост и дифференцировку можно разобщить, так что, хотя их механизмы остаются неповрежденными, тот или другой из них „работает вхолостую“».

Диссоциабельность - ключевой элемент в изменениях морфологии, достигаемых при помощи одного (особенно важного) способа модификации. Важную роль диссоциации между возрастом, ростом и формой (т. е. независимое изменение этих параметров) путем изменения относительных сроков морфогенетических процессов при эволюции новых форм подчеркивает Гулд (Gould). И такое подчеркивание вполне уместно: относительные изменения сроков служат одним из самых могущественных и в то же время самым доступным механизмом эволюции формы. Гетерохрония, ее механизмы и ее последствия рассматриваются в гл. 6.

Но дело не только в гетерохронии. Важные морфологические изменения могут возникать не в результате изменений, затрагивающих главным образом сроки, а в результате диссоциации, т. е. разобщения, процессов интеграции. Интересно, что некоторые из них были включены Нидхемом в категорию диссоциаций при дифференцировке (двумя другими выделяемыми им крупными категориями были метаболизм и рост). Нидхем перечисляет процессы, где диссоциация может иметь место: локализация в яйце морфогенетических детерминантов, цитодифференцировка и индукционные взаимодействия. Хорошей иллюстрацией диссоциабельности таких процессов служит легкость, с которой в экспериментальных условиях удается разобщить морфогенез и клеточную дифференцировку при развитии разнообразных тканей. Можно привести несколько конкретных примеров.

В случае обсуждавшегося выше хрусталика глаза процесс индукции вызывает вытягивание клеток хрусталика в длину и синтез белков хрусталика - кристаллинов. Эти два процесса, как показали Биб и Пятигорский (Beebe, Piatigorsky), можно отделить один от другого. Биб и Пятигорский приготовляли эксплантаты из хрусталикового эпителия шестидневного куриного зародыша. Эксплантаты выращивали на среде с добавлением сыворотки плода коровы; их клетки вытягивались и синтезировали как кристаллиновую мРНК, так и сами кристаллины. Обработка этих эксплантатов колхицином подавляла вытягивание клеток, но не оказывала влияния на синтез мРНК или белка. Диссоциация несколько иного рода была обнаружена в тех случаях, когда эксплантаты хрусталикового эпителия выращивали сначала на среде без сыворотки плода коровы, а спустя несколько часов добавляли сыворотку. В этих случаях наблюдалась стимуляция клеточного деления, но не происходило ни вытягивания клеток, ни усиления синтеза кристалликов, хотя содержание кристаллиновой мРНК повышалось. Эти результаты свидетельствуют о диссоциации между делением клеток и морфогенезом и, что более неожиданно, о диссоциации даже в процессе экспрессии кристаллиновых генов.

У позвоночных ряд внутренних органов, в том числе легкие, печень, поджелудочная железа, кишечник и щитовидная железа, образуется из энтодермального эпителия в сочетании с мезенхимными клетками. Эти органы могут служить удобными экспериментальными системами для исследования индукционных взаимодействий, ответственных за их дифференцировку, потому что эпителий и мезенхимные клетки, предназначенные для образования этих органов, можно извлечь из зародыша и выращивать in vitro. При совместном выращивании эпителия и мезенхимы, которые при нормальном развитии ассоциированы друг с другом, наблюдается нормальная дифференцировка. Но можно также выращивать эпителий вместе с мезенхимой, взятой из зачатков других органов. Такие эксперименты, обзоры которых опубликовали Вольф (Wolff) и Дьюкар (Deuchar), убедительно показывают, что для дифференцировки эпителия необходимы индукционные сигналы со стороны мезенхимы. Еще более интересно, что то или иное течение дифференцировки эпителия зависит исключительно от типа мезенхимы, с которой его выращивают. Так, легочная энтодерма при выращивании с легочной мезенхимой образует (в соответствии с ожиданием) эпителий бронхов, однако при выращивании с печеночной мезенхимой из нее развиваются печеночные балки. Аналогичные результаты получены и в других эпителиально-мезенхимных комбинациях.

При дифференцировке в этих экспериментальных системах происходит как становление формы данною органа, так и его цитодифференцировка, обеспечивающая последовательность его биохимической специализации. Особенно подходящей системой для экспериментального отделения морфогенеза от цитодифференцировки может служить поджелудочная железа млекопитающих. Этот сложный орган содержит эндокринные клетки двух типов: ?-клетки, вырабатывающие глюкагон, и ?-клетки, вырабатывающие инсулин; кроме того, в нем есть экзокринные клетки, синтезирующие и выделяющие ферменты, которые обеспечивают гидролиз жиров, белков, полисахаридов и нуклеиновых кислот в пищеварительном тракте. Формирование поджелудочной железы у зародыша мыши начинается примерно на 9-й день внутриутробного развития в виде выроста кишечной энтодермы, выступающего в окружающую мезенхиму. Примерно на 10-11-й день зачаток поджелудочной железы имеет вид эпителиальной луковицы с сужающимся основанием, окруженным слоем мезенхимы. В течение нескольких следующих дней в результате быстрого роста и морфогенеза образуются многочисленные дольки - ацинусы, а также островки, содержащие ?-клетки. Как показали Руттер (Rutter) и его сотрудники, цитодифференцировка начинается в этот период слабо выраженным синтезом характерных панкреатических ферментов. Между 15-м и 19-м днями происходит резкое усиление ферментного синтеза до уровня, наблюдаемого в полностью дифференцированной железе. Весселс (Wessels) и его сотрудники описывают соответствующую этому периоду внутриклеточную дифференцировку, наиболее заметным элементом которой служит появление в цитоплазме скоплений зимогеновых гранул; эти гранулы содержат ферменты, предназначенные для выведения из ацинозных клеток.

Голосов и Гробстейн (Golosov, Grobstein) обнаружили, что зачаток поджелудочной железы при выращивании in vitro способен нормально дифференцироваться; с точки зрения экспериментальных исследований это оказалось большой удачей. Используя эту хорошо разработанную систему, Спунер (Spooner) и его сотрудники решили выяснить, можно ли отделить процесс цитодифференцировки поджелудочной железы от ее морфогенеза. Они извлекали зачатки поджелудочной железы из 10- и 11-дневных мышиных зародышей и помещали их в культуральную среду. Интактные зачатки выполняли ожидаемую программу: рост, морфогенез ацинусов и цитодифференцировка. Если же при изоляции зачатков железы от их эпителиальной части отделяли мезенхиму, то ни у одного из них не развивались ацинусы и не происходил рост путем митотических делений, но, несмотря на отсутствие морфологических изменений, уровень фермента амилазы в клетках повышался и в цитоплазме своевременно появлялись зимогеновые гранулы.

Разобщение, или диссоциация, цитодифференцировки и морфогенеза возможно не только в лабораторных условиях. Аналогичное разобщение произошло в процессе эволюции у некоторых оболочников. Развитие большинства асцидий протекает так, как это показано на рис. 4-4, т.е. с образованием головастикоподобной личинки, обладающей типичными для хордовых дорсальным нервным стволом, хордой и сегментированной мускулатурой; мышечные клетки хвоста у них богаты ацетилхолинэстеразой. Некоторые виды оболочников, принадлежащие к сем. Mogulidae, живут на плоском песчаном или илистом дне, где личинкам практически не нужно выбирать себе место, а поэтому им не требуется сложная морфология, которой обладают подвижные головастикообразные личинки. Соответственно у таких представителей Mogulidae, как Moyula arenata, отсутствуют типичные для оболочников личиночные структуры, в частности сенсорные органы, хорда и хвостовые мышцы. Тем не менее, как это установил Уиттейкер (Whittaker), у зародышей М. arenata клетки, гомологичные тем клеточным линиям, которые у других оболочников, имеющих головастикообразную личинку, дают начало хвостовым мышцам, все еще продуцируют ацетилхолинэстеразу. У личинок другого вида, М. pilularis, нет ни хвоста, ни вырабатываемой хвостовыми мышцами ацетилхолинэстеразы; однако у этого вида ацетилхолинэстераза продуцируется в мышечной и нервной тканях взрослой особи, позволяя предположить какое-то регуляторное изменение генной экспрессии: ген, определяющий синтез ацетилхолинэстеразы, сохраняется, но экспрессируется на иной стадии жизненного цикла.

Примеры с хрусталиком и поджелудочной железой, а также с хвостовыми мышцами оболочника негативны в том смысле, что диссоциация достигается только в сочетании с утратой некой структуры. Что же касается проблемы приобретения новых структур или функций в процессе эволюции, то здесь было бы более желательным иметь возможность располагать такими примерами диссоциации, в которых цитодифференцировка сочетается с преобразованием структуры. Такие примеры известны, причем, вероятно, наилучший из них описан в работе Сакакура (Sakakura) и его сотрудников. Эти авторы выращивали в культуре эпителий млечной железы 14-дневного мышиного зародыша, комбинируя его с мезенхимой из зачатков млечной или слюнной железы. Затем такие рекомбинированные зачатки выращивали в теле самок сингенных мышей. Как показывают результаты, представленные на рис. 5-5, при объединении эпителия зачатка млечной железы с мезенхимой зачатка той же железы наблюдался морфогенез, типичный для млечной железы; если же такой эпителий объединяли с мезенхимой зачатка слюнной железы, то морфогенез шел по пути, характерному для слюнной железы. Однако, несмотря на свою морфологию слюнной железы, эти последние рекомбинанты в биохимическом отношении вели себя как ткань млечной железы. Так, если самка-хозяин находилась в периоде лактации, то у рекомбинантов наблюдалась пролиферация альвеол с расширенными просветами, синтезировались большие количества типичного белка молока, ?-лактальбумина, и альвеолы наполнялись молоком. Морфогенез эпителия млечной железы направлялся индукционными сигналами, исходящими от мезенхимы слюнной железы, но его цитодифференцировка протекала автономно и была, возможно, уже детерминирована отдельным актом индукции, который осуществлялся еще до извлечения зачатка млечной железы из зародыша.

Рис. 5-5. Морфогенез, определяемый индукционными влияниями мезенхимы, при совместном выращивании эпителия и мезенхимы. А. Типичное для млечной железы моноподиальное строение, возникающее при совместном выращивании эпителия и мезенхимы из зачатков млечной железы. Б. Характерное для слюнной железы ветвистое строение, возникающее при совместном выращивании эпителия из зачатка млечной железы и мезенхимы из зачатка слюнной железы; несмотря на морфологию, характерную для слюнной железы, цитодифференцировка эпителия протекает по типу млечной железы (Sakakura, Nishizuka, Dawe, 1976).