НЕЙРАЛЬНАЯ ИНДУКЦИЯ: ФЕНОМЕНОЛОГИЯ И МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

Нейральная индукция. Эмбриологическая феноменология

Феномен нейральной индукции (т.е. индукции образования первич­ного зачатка центральной нервной системы) в раннем эмбриональном развитии позвоночных, описанный в начале XX в., относится к наибо­лее интересным и пока довольно загадочным процессам. Так случилось, что процесс нейральной индукции, характерный для развития позвоночных, изучался в основном на заро­дышах амфибий.

У зародышей амфибий первые морфологически различимые признаки нейральной дифференцировки обнаруживаются на стадии поздней гаструлы и проявляются в утолщении срединно-дорзальной области эктодермы, покрывающей более глубоко располагающийся тканевой слой, содержащий хордомезодерму. В этой области клетки эктодермы удлиняются, а их наружная поверхность уменьшается. В результате на дорзальной стороне зародыша намечается продольная борозда, вдоль которой формируется утолщенный участок грушевид­ной формы. Это и есть первичный зачаток центральной нервной сис­темы, так называемая нервная пластинка (см. рис. 3.1). У амфибий об­разование нервной пластинки определяется сигналами, поступающи­ми из специальной области раннего зародыша, получившей название "организатор".

"Почему этот несколько архаичный термин начала XX столетия не утратил своего значения до наших дней? Для ответа на этот воп­рос обратимся к классической работе Ганса Шпеманна (Spemann) и Хильды Мангольд (Hilde Mangold), опубликованной в 1924 г. В ней был экспериментально продемонстрирован и концептуально опреде­лен феномен эмбриональной индукции. Авторы использовали зародышей двух видов тритонов, различающихся по окраске эмбриональ­ных тканей, что позволяло проследить за судьбой клеток при транс­плантации. На стадии ранней гаструлы из одного более "темного" за­родыша вырезали участок будущей (презумптивной) хордомезодермы (так называемая "дорзальная губа бластопора") и имплантировали его в вентральную эктодерму более "светлого" зародыша (рис.). В нормальном разви­тии вентральная эктодерма дает начало покровному эпидермису, не участвует в формировании нервной системы и не содержит нейральных клеток-предшест­венников. В результате у заро­дыша-реципиента наблюдали образование двух осевых комплексов: одного - как обычно, другого - на месте имплантации дополнитель­ной дорзальной губы бластопора. Каждый осевой комплекс содер­жал зачаток нервной системы. В наиболее удачных случаях форми­ровались "удвоенные" личинки, напоминающие сиамских близнецов. Гистологический анализ показал, что имплатированная дорзальная губа бластопора способна рекрутировать эктодермальные клетки за­родыша-реципиента к выполнению не свойственных им функций за счет изменения типичного для них направления дифференцировки. В результате в пределах эктодермального поля зародыша-реципиента формируются мезодермальные ткани (мышечные сомиты), вторич­ная кишка и зачаток центральной нервной системы. Но что самое интересное, имплантированная дорзальная губа бластопора не толь­ко индуцировала развитие этих разнообразных тканей, но и опреде­ляла передне-заднюю полярность мини-зародыша, т.е. пространст­венно "организовывала" развитие индуцированного зародыша-двой­ника. Именно поэтому дорзальную губу бластопора ранней гаструлы амфибий стали называть "организатором", а в последние годы, в честь первооткрывателя ее индуцирующих свойств, - шпеманновским организатором. Кстати, за это открытие Г. Шпеманну была присвоена в 1935 г. Нобелевская премия.

В 1932 г. группа исследователей, возглавляемая Г. Шпеманном, экс­периментально демонстрирует, что: (1) инактивированные нагреванием ткани "организатора" сохраняют свои индуцирующие свойства при их имплантации в вентральную эктодерму; (2) культуральная среда из-под изолированного "организатора" обладает индуцирующей активностью. Стало ясно, что индуцирующие сигналы "организатора" должны иметь химическую природу. С этого момента предпринимаются неоднократ­ные попытки идентифицировать индуцирующие молекулы, определить их свойства и механизмы действия. В соот­ветствии с исходными данными Шпеманна и Мангольд (1924) в качест­ве эмбриональной тест-ткани использовали вентральную эктодерму ранней гаструлы амфибий. Эта эктодерма еще до гаструлы коммитирована к развитию в эпидермис. Под влиянием "организатора" вентральная эктодерма утрачивает способность к синтезу эпидерммальных маркеров (эпимуцин, не­которые цитокератины), и в ней начинают обнаруживаться транскрипты нейроспецифических ге­нов, характерных в основном для переднего и среднего мозга (так называемая передне-головная, или архенцефалическая, индукция). Можно гово­рить, что "организатор" приводит к нейральной трансдетерминации вентральной эктодермы гаструлы, т.е. к "переключению" с эпидермальной на нейральную дифференцировку.

Т.о., под эмбрио­нальной индукцией подразумевается ситуация, в которой путь развития одной клеточной популяции контролируется сигналами, поступающими от другой группы эмбриональных клеток. По своим последствиям эмб­риональные индукции можно подразделить на две большие группы: ди­рективные (предписывающие) и пермиссивные (разрешающие). Раз­личие между директивными и пермиссивными индукционными взаимо­действиями укладывается в очень простую схему. В случае пермиссивной индукции отвечающие клетки под влиянием специфического сигна­ла начинают свою, предписанную им ранее, дифференцировку; в отсут­ствие сигнала такие клетки не способны к развитию. Таким образом, пермиссивные индуцирующие сигналы лишь разрешают реализацию уже имеющейся программы дифференцировки данной группы клеток. В случае директивной индукции происходит качественное изменение программы развития клеток-мишеней. Если по каким-либо причинам реагирующие клетки «ускользают^» из-под директивных сигналов, то они способны следовать в дальнейшем по пути своей исходной диффе­ренцировки. Нетрудно заметить, что нейрализующая активность Шпеманновского "организатора" хорошо вписывается в определение директивных эмбриональных индукций. Так, эктодерма гаструлы амфибий при ее изоляции от индуцирующих влияний "организатора" способна к "самодифференцировке" в эпидермис. "Организатор" отменяет эту программу дифференцировки и предписывает эктодермальным клет­кам нейральный путь развития.

Шпеманновский "организатор" секретирует коктейль различных сигнальных молекул, которые индуцируют в отвечающей эктодерме образование как нервной ткани, так и производных мезодермы. При этом формирование нервной пластинки является, по-видимому, сумми­рующим результатом двух сопряженных процессов: ингибирования эпидермальной дифференцировки и активирования нейральной про­граммы развития в клетках эмбриональной эктодермы.

Нейральная индукция: молекулы-активаторы

Хотя уже было ясно, что нейральные индукторы имеют белковую природу, обнаружить соответствующие молекулы у зародышей позвоночных не удавалось. Главная причина заключалась в незна­чительной концентрации этих регуляторов в эмбриональных клетках и в ничтожных количествах исходной ткани "организатора". Стремясь обойти эти методические затруднения, группа исследователей, возглавляемая финским биохимиком Хейнцем Тидеманном (Heinz Tiedemann), предприняла попытки экстрагировать нейрализующие агенты не из отдельных эмбриональных зачатков, а из целых зародышей амфибий, что, по крайней мере, позволяло получить стартовый материал, достаточный для последующего многоэтапного биохимического фракционирования; этот приём оправдал себя: были получены частично очищенные белковые фракции, вызывающие образование нервной ткани в эктодерме гаструлы амфибий в дозовой зависимости. Однако финальная очистка нейрализующих факторов не была достигнута и, следовательно, их свойства и механизмы действия служили предметом для поверхностных спекуляций.

Л.И. Корочкин и А.Т. Михайлов избрали иной подход, основанный на поисках не "естествен­ных" индукторов, экспрессирующихся в шпеманновском "организаторе" амфибий, а их функциональных аналогов, которые, как они предпо­лагали, могут синтезироваться в нейральной ткани зародыша на про­двинутых стадиях эмбрионального развития или во взрослом головном мозге. Более того, они исходили из соображения об относительно невы­сокой видовой специфичности нейральных индукторов. Именно поэто­му в качестве тканевого источника они остановили свой выбор на перед­нем мозге куриных зародышей, что позволяло получать значительные количества нервной ткани без примесей других типов клеток. Биоте­стирование экстрактов и фракций из головного мозга куриных зародышей проводили на эксплантатах эктодермы ранней гаструлы амфибий. Были идентифицированы нейрализующие фракции, содержащие низкомолекулярные полипептиды, проявляющие сродство к гепарину. Однако на финальных этапах очистки нейрализующая активность этих фракций либо полностью утрачивалась, либо значительно снижалась. Не лучше обстояло дело и с идентификацией других индуцирую­щих агентов, определяющих дифференцировку производных мезо- и энтодермы.

И все же, ряд зарубежных биологов развития и, в частности, Джонатан Слэк (Jonathan Slack), сам активно работающий в области эм­бриональной индукции, обратил внимание на то, что поиск функцио­нальных аналогов эмбриональных индукторов среди уже охарактеризо­ванных биологически активных факторов - наиболее реальный подход к решению проблемы. Прошло всего три года, и Дж. Слек показал, что так называемый "фактор роста фибробластов" (Fibroblast Growth Factor - FGF), выделенный из головного мозга быка, оказывает мощное индуцирующее воздействие на эктодерму гаструлы амфибий, вызывая формирование в ней мезодермальных производных (Slack et al., 1987). Таким образом, впервые после открытия "организатора" было одно­значно продемонстрировано, что индивидуальный полипептид, относящийся к ростовым факторам, может имитировать его активность и из­менять судьбу эктодермальных клеток в эмбриональном развитии по­звоночных.