Глава 8

• Закономерности индивидуального развития организмов

8.1. Основные концепции в биологии индивидуального развития

Выше были рассмотрены генетические закономерности, определяющие формирование определенного фенотипа, изложено основное содержание стадий онтогенеза, последовательно и закономерно сменяющих друг друга, даны представления о развивающемся организме как о целостности и названы некоторые механизмы, которые названную целостность обусловливают.Все эти сведения несодержат, однако, ответа на вопрос, почему и каким образом генотип реализуется в фенотип в виде тех или иных клеточных и системных процессов, в виде сложных пространственных и упорядоченных во времени онтогенетических преобразований.

При сравнении зиготы и половозрелой особи, которые, по сути, являются двумя разными онтогенетическими стадиями существования одного и того же организма, обнаруживаются очевидные различия, касающиеся по крайней мере размеров и формы. Начиная с XVII в.,ученые пытались познать и объяснить процессы, приводящие к этим количественным и качественным изменениям особи.

Первоначально возникла гипотеза, согласно которой онтогенез рассматривали лишь как рост расположенных в определенном пространственном порядке предсуществующих структур и частей будущего организма. Согласно названной гипотезе (гипотеза преформизма) онтогенез представлялся как процесс предобразования, посколькукаких-либо новообразований или преобразований структур в индивидуальном развитии не происходит. Логическое завершение идеи преформизма заключается в допущении абсурдной мысли о «заготовленности» в зиготе и даже в половых клетках прародителей структур организмов всех последующих поколений, как бы вложенных последовательно наподобие деревянных матрешек.

Альтернативная концепция (гипотеза) эпигенезабыла сформулирована в середине XVIII в. Ф.К. Вольфом, впервые обнаружившим новообразование нервной трубки и кишечника в ходе эмбрионального развития. Индивидуальное развитие стали связывать целиком с качественными изменениями, полагая, что структуры и части организма возникают какновообразованияиз бесструктурной яйцеклетки.

В XIX в. К. Бэр впервые описал яйцо млекопитающих, в том числе и человека, а также зародышевые листки и обнаружил сходство плана строения зародышей различных классов позвоночных — рыб, амфибий, рептилий, птиц, млекопитающих. Он же обратил внимание на преемственность в этапах развития — от более простого к более сложному. Бэр рассматривал онтогенез не как предобразование, не как новообразование структур, а как их преобразование, что вполне согласуется с современными представлениями.

Выяснение конкретных клеточных и системных механизмов таких преобразований составляет основную проблему современной биологииразвития.Увеличение массы тела особи, т.е. ее рост, и появление новых структур в ходе ее развития, называемое морфогенезом, нуждаются в объяснении. Рост и морфогенез подчиняются законам, которые обусловливают приуроченность конкретных процессов онтогенеза к определенному месту зародыша и периоду эмбриогенеза. Отдельные стадии индивидуального развития отличаются также определенной скоростью протекания с характерным качественным и количественным результатом.

Биология развития, в отличие от классической эмбриологии, концентрировавшей внимание на, главным образом, феноменологии индивидуального развития живых форм, изучает способы генетического контроля индивидуального развития и особенности реализации генетической программы в фенотип в зависимости от условий. Под условиями понимают различные внутриуровневые и межуровневые процессы и взаимодействия:внутригеномные,внутриклеточные, межклеточные, тканевые, внутриорганные, организменные, популяционные, экологические. Можно сказать, что усилия исследователей в области биологии развития концентрируются вокруг стержневой проблемы генетической предопределенности и лабильности онтогенетических процессов, что в известном смысле на ином уровне познания возвращает нас к идеямнеопреформизма (наличие стартовой генетической программы ДНК – это факт)и эпигенеза.

Не менее важны исследования конкретных онтогенетических механизмов роста и морфогенеза. К ним относятся следующие процессы: пролиферация, или размножение клеток, миграция, или перемещение клеток и/или их групп, сортировка клеток, их запрограммированная гибель, дифференцировка клеток, контактные взаимодействия клетоки/или их групп(см. эмбргональная индукция), дистантные взаимодействия клеток, тканей и органов (гуморальные и нервные механизмы интеграции). Все эти процессы носят избирательный характер, т.е. протекают в определенных пространственно-временных рамках с определенной интенсивностью, подчиняясь принципу целостностии видоспецифичности индивидуального развитияорганизма. Биология развития стремится выяснить степень и конкретные пути контроля со стороны генома и одновременно уровень автономности различных процессов в ходе онтогенеза.

8.2. Механизмы онтогенеза

В онтогенезе особи происходят сложнейшие преобразования: осуществляется дифференциация частей развивающегося организма, формирование его внешней и внутренней структуры (морфогенез), рост. В основе этих преобразований лежат клеточные и системные механизмы развития. К клеточным механизмамотносят размножение, перемещения, избирательную сортировку, дифференцировку, программированную гибель клеток. Важной особенностью действия этих механизмов является ихизбирательность,которая означает, что тот или иной механизм реализуется в определенном периоде развития и в определенном месте организма с определенной интенсивностью и скоростью, приводя к конкретному качественному и количественному результату. Строгая закономерность действия клеточных механизмов в онтогенезе особи регулируетсясистемными механизмамиразвития, к которым относят межклеточные взаимодействия, взаимодействия клеток, клеточных комплексов, частей и структур зародыша — эмбриональную индукцию, нервную и гуморальную регуляцию, образование морфогенетических полей.

8.2.1. Деление клеток

Деление (размножение,пролиферация)клетокиграет важную роль в процессах онтогенеза. Во-первых, благодаря делению из зиготы, которая соответствует одноклеточной стадии развития, возникает многоклеточный организм. Во-вторых, пролиферация клеток, происходящая после стадии дробления, обеспечивает рост организма. В-третьих, избирательному размножению клеток принадлежит заметная роль в обеспечении морфогенетических процессов. В-четвертых, в постнатальном периоде индивидуального развития благодаря клеточному делению осуществляется обновление многих тканей в процессе жизнедеятельности организма(физиологическая или гомеостатическая регенерация), а также заживление ран, восстановление травмированных или утраченных органов и структур (репаративная регенерация).

Зигота, бластомеры и соматические клетки организма, за исключением половых клеток в периоде созревания гаметогенеза, делятся митозом. Клеточное деление как таковое является одной из фаз клеточного цикла. От продолжительности интерфазы (G₁-, S-, G₂-периодов) зависит частота последовательных делений в ряду клеточных поколений. В свою очередь, интерфаза имеет разную продолжительность в зависимости от стадии развития зародыша, локализации и функции клеток.

Так, в периоде дробления эмбриогенеза митотические циклы сильно укорочены. Причины подобной модификации: отсутствие периода G₁, а у ряда организмов и периодаG₂, ускорение репликации (укорочение периодаS) — см.7.4.1. В результате указанных изменений митотического цикла происходит выравнивание ядерно-цитоплазматического соотношения в клетках зародыша, при этом деления бластомеров осуществляются с высокой скоростью (рис. 8-1.) Последнее является важным фактором нормального развития зародыша. В результате такой «ускоренной» пролиферации осуществляется быстрое накопление значительного количества клеток: зародыш и его структуры должны иметь необходимый минимум клеток для успешного протекания дальнейшего развития. Так, формирование полноценной бластулы мыши — ее кавитация, т.е. образование бластоцеля — требует наличия не менее 22–25 бластомеров в моруле. Для последующей успешной имплантации зародыша необходимо пороговое количество бластомеров внутренней клеточной массы бластоцисты. В экспериментах на амфибиях установлено, что при наличии менее 100 клеток в зачатке нервной трубки, образования этой структуры не происходит. Если при закладке верхней конечности в ее зачатке (почке) число клеток недостаточно, то развивается конечность с неполным числом пальцев.

Рис. 8-1. Скорость образования новых клеток в ходе дробления и гаструляции у лягушки Rana pipiens

К концу стадии дробления восстанавливается соответствие структуры и продолжительности интерфазы ее обычным характеристикам, и все последующие деления клеток зародыша сопровождаются их ростом, вследствие чего происходит и рост организма в целом.

В ходе гаструляции и всех последующих стадий развития становится очевидной избирательность пролиферации, т.е. клетки активно делятся преимущественно в определенных областях развивающегося организма. Избирательность размножения клеток зародыша дрозофилы представлена на рис. 8-2. Особое значение неравномерность размножения клеток приобретает в ходе органогенеза и гистогенеза. Там, где скорость клеточного деления высокая, происходят и качественные изменения в структуре эмбриональной закладки, т.е. формообразовательные процессы сопровождаются активным размножением клеток. Так, пролиферация клеток передней части нервной трубки приводит к формированию головного мозга (рис. 8-3).

Рис. 8-2. Дифференциальная скорость размножения клеток в разных частях зародыша дрозофилы. а — авторадиографическое выявление и(м)РНК гена string, экспрессия которого наблюдается в активно делящихся клетках, б — регионы зародыша с различной митотической активностью клеток под световым микроскопом

Рис. 8-3. Избирательное размножение клеток переднего конца нервной трубки при формировании головного мозга у зародыша человека. а — 4-недельный зародыш, б — 6-недельный зародыш, в — 8-недельный зародыш.

Еще одним примером избирательности размножения клеток служит аллометрия роста — явление, при котором наблюдается неравномерный рост отдельных частей тела, благодаря которому достигается формирование нормального взрослого организма конкретного вида. Очень отчетливо это явление наблюдается, например, в развитии человека (рис. 8-4). При сравнении пропорций частей тела плода, новорожденного и взрослого становится очевидной, в частности,более высокая скорость роста нижних конечностей по сравнению со скоростью роста головы.

Рис. 8-4. Неравномерность роста в онтогенезе человека.

Установлено формирование в процессе развития многих структур зародыша клетками, происходящими от небольшого числа или даже одной клетки. Совокупность клеток, являющихся потомками одной родоначальной, называют клоном.Примером подобного явления служит формирование всей мезодермы у моллюскаDentaliumиз единственного бластомера 4d. Его удаление в эксперименте приводило к отсутствию мезодермальных органов у взрослой особи.К примеру, организм мыширазвивается всего из трех клеток внутренней клеточной массы на стадии, когда бластоциста состоит из 64 клеток, а сама внутренняя клеточная масса содержит примерно 15 клеток. Большие по объему участки центральной нервной системы также образуются из ограниченного числа определенных клеток формирующегося организма. Важное следствие такой селекции — то, что многие клетки раннего зародыша не участвуют в дальнейшем развитии. В большинстве случаев не ясно, в какой именно срок происходит отбор родоначальных клеток и каков механизм этого отбора.

Очевидно, что соматические мутации в клетке-родоначальнице клона могут быть причиной мозаицизма, явления, при котором большие группы клеток отличаются по набору хромосом или аллельному составу. У человека результатом таких мутаций могут бытьописанные мозаичные формы хромосомных болезней, например синдрома Дауна.

В сформировавшемся организме способность клеток к делению также значительно разнится. Некоторые клетки, например нейроны, образующие стабильные клеточные популяции (в терминологии классической гистологии), вообще не делятся, в то время как в кроветворной и эпителиальной тканях(обновляющиеся клеточные популяции)продолжается активное размножение клеток. Практически не делящиеся в обычных условиях клетки таких органов, как печень и почки(растущие клеточные популяции), при наличии стимула в виде воздействия гормональных или внутритканевых факторов, могут вступить в деление.

Среди стимулов, побуждающих клетки к делению, значительную часть составляют факторы роста, относящиеся к группе гистогормонов. Они продуцируются неспециализированными клетками, находящимися во всех тканях, и обладают эндокринным (на отдаленные клетки-мишени через кровоток), паракринным (на соседние клетки путем диффузии), аутокринным (на сами клетки-продуценты) и даже интракринным (внутри клетки-продуцента, не секретируясь) действием.Факторы роста— это полипептиды с молекулярной массой 5000–50 000 кДа, индуцирующие синтез ДНК и вхождение клетки в митоз.При отсутствии некоторых из них в организме определенные типы клеток вступают в апоптоз.

Возможныи другие функции. Так, тромбоцитарный фактор роста (PDGF) стимулирует дифференцировку, гепатоцитарный фактор роста (HGF) служит хемоаттрактантом и изменяет подвижность клеток эпителия почки. Действие факторов роста необходимо рассматривать в связи с другими стимуляторами, прежде всего гормонами, и с учетом типа клеток-мишеней и их тканевого микроокружения. Фактор роста, активирующий митоз в одном типе клеток, может действовать как ингибитор пролиферации в другом. Так,у крысфактор роста эпидермиса (EGF) может подавлять пролиферацию клеток кишечного эпителия, а полипептиды, стимулирующие рост недифференцированных эмбриональных клеток, останавливают пролиферацию лейкозных клеток и индуцируют их дифференцировку.

Большинство факторов роста оказывает митогенное (стимулирующее митоз) действие, связываясь с рецепторами мембраны клетки, что приводит к активации тирозинкиназы, ассоциированной с этими рецепторами (рис. 8-5). Это ведет через те или иные посредники к запуску каскадов митогенактивирующих протеинкиназ. Конечные ферменты этого каскада, фосфорилируя ряд транскрипционных факторов, активируют их, а они, в свою очередь, запускают экспрессию определенных генов. Среди последних гены, кодирующие белки — циклинзависимые киназы (Cdk), которые играют ключевую роль в поочередной смене фаз клеточного цикла, и их активаторные субъединицы — циклины (см. 3.1.1.1). На рис. 8-6 показано, в каких именно точках митотического цикла осуществляют свое действие различные циклинзависимые киназы и циклины.

Рис. 8-5. Схема действия факторов роста.

Рис. 8-6. Комплексы циклин-циклинзависимая киназа (Cdk), контролирующие разные фазы клеточного цикла.

Факторы роста, их рецепторы, участники передачи сигнала внутри клетки, транскрипционные факторы — продукты экспрессии протоонкогенов.Это гены, осуществляющие контроль деления, роста, дифференцировки клеток и находящиеся в свою очередь под контролем ряда других генов. К настоящему времени идентифицировано более 100 протоонкогенов.
 Известно, что часть таких генов (в геноме человека их около 40), экспрессируется только в эмбриональных клетках и малоактивна в зрелых. Некоторые протоонкогены экспрессируются не только в эмбриогенезе, но и в постнатальном развитии в ходе регенерационных процессов, например, после хирургических операций.

Изменения структуры и усиление сверх нормы экспрессии протоонкогенов во взрослом организме вызывает развитие опухолей (что определило их название — греч.,protos— первый,onkos— опухоль).

В эмбриональном развитии мутации таких генов являются генетической основой формирования пороков. Так, мутации одного из протоонкогенов — FRFR3, кодирующего рецептор к фактору роста фибробластов, приводит к нарушению пролиферации хрящевых клеток, участвующих в формировании трубчатых костей конечности, и, в результате, к ахондроплазии. Другие мутации того же гена лежат в основе летальной танатоформной дисплазии и менее тяжелого синдрома гипохондроплазии, которые также являются следствием нарушения остеогенеза.

Наряду с факторами роста описан целый ряд полипептидных ингибиторов пролиферации клеток, которые ранее чаще именовали кейлонами.Эти вещества существенно различаются по молекулярной массе, содержанию углеводных, липидных и других компонентов, а также по чувствительности к температуре и иным свойствам. Кейлоны считаются тканеспецифичными регуляторами пролиферации, то есть проявляют свое ингибирующее действие в той же ткани, где и образуются. Кейлоны не имеют выраженной видовой специфичности. Так, эпидермальный кейлон трески действует и на эпидермис млекопитающего. Предполагается, что каждый тип клеток образует свой специфичный ингибитор пролиферации. Хотя для некоторых клеток известно несколько таких веществ.

Регуляция пролиферации может осуществляться и другими факторами, например, контактными взаимодействиями.Многие клетки способны делиться только будучи прикрепленными к внеклеточным структурам. Например, для эпителиоцитов такой структурой является базальная мембрана, а для фибробластов — коллагеновые волокна. Если клетка устанавливает контакт не с внеклеточным матриксом, а с другими клетками, то при определенной плотности клеток наблюдается, напротив, прекращение делений. Этот эффект назван «контактное торможение». Для каждой ткани «тормозящая» плотность специфична. Так, если при регенерации происходит активная пролиферация, то клетки делятся лишь до достижения оптимального их количества, после чего пролиферация ингибируется.

Считают, что делящимся клеткам соответствует некий генетически запрограммированный лимит делений,при приближении к которому в клетках наступают глубокие изменения, вызывающие, в конечном счете, прекращение делений и гибель.

Роль пролиферации как одного из основополагающих механизмов развития, безусловно, доказывается мутациями генов, контролирующих деление клеток. У Drosophila melanogasterописана мутацияgt(giant). Она наследуется по рецессивному сцепленному с полом типу. У мутантовgtразвитие протекает нормально на протяжении всего эмбрионального периода. Однако в тот момент, когда нормальные особи окукливаются и начинают метаморфоз, особи продолжают оставаться в личиночном состоянии еще дополнительно 2–5 сут. За это время у них происходит одно, а может быть, и два дополнительных деления в имагинальных дисках, от количества клеток которых зависит размер будущей взрослой особи. Затем мутанты образуют куколку вдвое крупнее обычной. После метаморфоза несколько удлиненной по времени стадии куколки на свет появляется морфологически нормальная взрослая особь удвоенного размера. У мышей известен ряд мутаций, обусловливающих снижение пролиферативной активности и следующие за этим фенотипические эффекты. К ним относят, например, мутациюor(ocular retardation), затрагивающую сетчатку глаза начиная с 10-х суток эмбрионального развития и приводящую к микрофтальмии (уменьшению размеров глазных яблок), и мутациюtgla, затрагивающую центральную нервную систему с 5–6-х суток после рождения и приводящую к отставанию роста и атрофии некоторых внутренних органов.

Таким образом, деление клеток — чрезвычайно важный процесс в онтогенетическом развитии. Оно протекает с разной интенсивностью в разное время и в разных структурах организма, носит клональный характер и подвержено генетическому контролю. Все это характеризует клеточное деление как сложнейшую функцию целостного организма, подчиняющегося регулирующим влияниям на различных уровнях: генетическом, тканевом, онтогенетическом.

8.2.2. Клеточные перемещения

В процессе развития особи происходят неоднократные перемещения (миграции) отдельных клеток, их групп, клеточных пластов. Особое значение миграция клеток приобретает на стадии гаструляции, приводя к формированию зародышевых листков. В ходе органогенеза этот механизм важен, например, при формировании крупных пищеварительных желез, производных нервного гребня. Не менее значима его роль и в постэмбриональном развитии. Амебоидное движение макрофагов обеспечивает реализацию реакций иммунитета, перемещения сперматозоидов необходимы для осуществления оплодотворения, миграции клеток эпидермиса приводят к закрытию раневой поверхности при повреждениях кожи и т.д. В целом, миграция обеспечивает доставку клеточного материала в нужную область организма.

Следует отметить, что перемещаться могут как отдельные клетки, так и целые клеточные пласты. Последний вариант характерен для эпителиальных клеток, которые тесно прилегают друг к другу боковыми стенками и подстилаются базальной мембраной (рис. 8-7). Отростчатые или веретеновидные клетки, погруженные в межклеточное вещество — мезенхимные клетки — более подвижны, не образуют между собой стойких контактов, вследствие этого они мигрируют одиночно или группами (рис. 8-8). Как мезенхима, так и эпителии могут быть образованы из любого из трех зародышевых листков. Особая форма движения отдельных клеток наблюдается на ранних стадиях развития у некоторых зародышей. Например, у птиц первичные половые клетки мигрируют из стенки желточного мешка в кровяное русло и таким образом переносятся в гонады.

Рис. 8-7. Перемещение клеточных пластов. А — путем выпячивания на примере образования глазного пузырька; Б — путем впячивания на примере образования слухового пузырька: а — стенка переднего мозга, б — местное ускорение роста, в — выпячивание, г — глазной пузырек, д–ж — углубление ямки, з — отшнуровывание пузырька.

Рис. 8-8. Миграция мезенхимальных клеток в ходе гаструляции у амфибий.

Миграции клеток осуществляются на основе дистантныхиконтактных взаимодействий.К дистантным может быть отнесено перемещение по градиенту концентрации тех или иных веществ — движение по типухемотаксиса.Такой механизм встречается довольно редко, его достоверных случаев для эмбриональных клеток многоклеточных животных не обнаружено.

Основой миграции клеток многоклеточных животных как в эмбриогенезе, так и в постнатальном развитии являются контактные взаимодействия, прежде всего между внеклеточным веществом и мигрирующими клетками. В качестве примера подобного взаимодействия рассмотрим миграцию клетокнервного гребня(рис. 8-9), который вследствие многочисленности и значимости его производных иногда называютчетвертым зародышевым листком (см. также 7.4.3.2).

Рис. 8-9. Миграция клеток нервного гребня: а — поперечный срез зародыша, б — производные клеток нервного гребня у взрослого организма; 1 — нервный гребень, 2 — узел спинного корешка, 3 — пигментные клетки, 4 — симпатический узел, 5 — развивающийся надпочечник, 6 — нервное сплетение в стенке кишки, 7 — клетка шванновской оболочки, 8 — униполярный чувствительный нейрон, 9 — клетка-спутник, 10 — мультиполярный нейрон симпатического узла, 11 — хромаффинная клетка в мозговом веществе надпочечника, 12 — превертебральное сплетение, 13 — парасимпатическое сплетение в кишке; стрелками показано направление миграции клеток нервного гребня.