Г. Гаструляция у млекопитающих 10 page

Предположительно одним из механизмов детерминации является избирательная трансляция и(м)РНК в клетках. Действительно, предсинтезированные и(м)РНК для многих белков запасаются в виде информосом (см. 8.2.5.2). Их трансляция начинается на более поздних стадиях развития, при этом часть из них подвергается деградации и в трансляции не участвует.Принципиально потенции клетки в развитии зависят от набора и(м)РНК в ней, определяющих возможные пути дифференцировки. Предположительно эмбриональная детерминация возникает вследствие синтеза белка на одних матрицах из этого набора и разрушения других матриц. Можно сказать, что в зародышах транскрипция генов, отвечающих за последующие стадии цитодифференцировки, происходит в более широкой области генома (в отдельных клетках и в большем числе клеток), чем последующая трансляция.

Предположительно еще одним механизмом клеточной детерминации в развитии может служить непосредственная активация и экспрессия одних и блокирование других генов. Так, в опытах с использованием эмбриональных стволовых клеток было показано, что одним из генов, обусловливающим тотипотентность является OCT-4. Он экспрессируется в зрелых ово(оо)цитах и в делящихся клетках эмбриона до стадии морулы. Специализация клеток бластоцисты, в частности, формирование трофобласта совпадает во времени с прекращением экспрессии OCT-4 в клетках последнего, тогда как в клетках внутренней клеточной массы экспрессия названного гена сохраняется. К 7-й неделе внутриутробного развития человека OCT-4 экспрессируется только в первичных половых клетках. Наблюдения на стволовых клетках показали, что экспрессия генов, обеспечивающих образование зародышевых листков, сопровождается прекращением экспрессии всех генов, контролирующих тотипотентность. При этом выявлен антагонизм развития зародышевых листков. К примеру, индукторы гаструляции и формирования мезодермы (продукты экспрессии генов Nodal, Cripto, TGFb), являются, однговременно, блокаторами образования нейроэктодермы. Лишняя доза гена FoxA2 вызывает избыточное развитие эндодермы за счет мезодермы. Выключение гена-регулятора формирования эктодермы EED приводит к чрезмерному развитию мезодермы за счет эктодермы.

В целом, детерминация тесно связана со свойствами развивающегося организма, как интегрированной системы, которая включает взаимосвязанные и взаимозависимые части. Центральное место в проблеме детерминации судьбы клеток и их комплексов в развитии занимает соотношение целостности организма и автономности или способности к самодифференцировке его частей.

8.3.2. Эмбриональная регуляция

В условиях нормального развития преобразования структур и частей развивающегося зародыша и развивающегося организма в целом строго согласованы по месту, объему и срокам. Однако даже при различных естественных или искусственных нарушениях процесса развития зародыша возможно восстановление нормального его хода. Это явление, открытое в 1908 г. Г. Дришем, получило название эмбриональной регуляции.

Возможность эмбриональной регуляции вытекает из наличия в процессе развития периода, когда клетки зародыша тоти- или мультипотентны, вследствие чего потенции клеточного материала зародыша шире, чем это обычно представлялось и представляется. В названном периоде в зародыше имеются эквипотенциальные области, имеющие одинаковые возможности развития. На указанном отрезке онтогенеза развивающиеся структуры зародыша характеризуются слабой компетенцией (то есть способностью к выбору пути развития при тех или иных внешних воздействиях), их детерминация лабильна. Поэтому-то и возможно изменить судьбу зачатка в результате изменения условий его развития (то есть возможна трансдетерминация клеточного материала зачатка). Путь дальнейшего развития зачатка во многом зависит от его положения в зародыше и харакрера оказываемых на него воздействий. Благодаря всему этому становится возможным получить на выходе развития полноценную структуру несмотря на удаление, добавление и/или перемешивание части клеточного материала зародыша.

В частности, объединяя на стадии морулы диссоциированные клетки двух отличающихся по генам окраски шерсти мышиных зародышей получали бластоцисту, которую имплантировали в матку мыши (приемная или суррогатная мать). В итоге развивались нормальные мышата-химеры (аллофенные мыши), в окраске шерстного покрова которых проявилось действие соответствующих генов обоих родителей (рис. 8-53).

Рис. 8-53. Схема эксперимента по получению химерных мышей.

Восстановление нормального хода онтогенеза возможно также при нарушении ово(оо)плазматической сегрегации яйцеклетки. Так, сильное центрифугирование яицеклеток моллюсков, морского ежа, амфибий, приводящее к полному нарушению расположения в их цитоплазме желтка и других компонентов, не изменяет характера развития. Формирование нормального зародыша происхощило и в тех случаях, когда производилось изъятие части цитоплазмы яйцеклетки или объединялось несколько яйцеклеток. В описываемых ситуациях зародыши имели, соответственно, меньший или больший размер.

Способность к эмбриональной регуляции гораздо ярче выражена у организмов с регуляционным типом онтогенеза (типы Иглокожие, Хордовые), у которых на ранних этапах развития ведущим является механизм межклеточных и межзачатковых взаимодействий. Полагают, что в ходе эволюции Хордовых произошло расширение областей и удлинение сроков компетенции, что также является важным фактором, определяющим возможность эмбриональной регуляции. Доказательством справедливости указанного предположения служит формирование глаза не в надлежащем месте при перемещении индуктора (рис. 8-54). Существует мнение, что у млекопитающих развитие целиком базируется на механизмах взаимодействия клеток и структур (клеточных комплексов) зародыша, тогда как предетерминированные участки цитоплазмы (см., например, 8.2.6, ово(оо)плазматическая сегрегация) не играют сколько-нибудь существенной роли.

Рис. 8-54. Эмбриональная регуляция при формировании глаза. 1 — мозг, 2 — нормальное развитие, 3 — глаз не формируется при отсутствии индуктора, 4 — атипичное расположение глаза при перемещении индуктора, 5 — глаз не формируется, т.к. отсутствует компетентность ткани.

Эмбриональная регуляция наблюдается у зародышей с мозаичным развитием, несмотря на раннюю и необратимую детерминацию клеток и структур развивающегося организма. Так, у одного из видов коловраток тело взрослой особи содержит точно определенное число клеток — 959, из них 301 — клетки кожи, 165 клеток образуют глотку, 19 — половой аппарат, 122 — мускулатуру, 247 — нервную систему, 24 — выделительную систему. Результат развития практически каждой клетки жестко детерминируется. Главным фактором детерминации является цитоплазматическая сегрегация, очевидная на стадии двух бластомеров (первое деление дробления). Вместе с тем, единственный бластомер с половой детерминантой в цитоплазме, изолированный на стадии двух бластомеров, может образовывать целый зародыш, то есть характеризуется тотипотентностью. Кроме того, у такого зародыша сохраняется ограниченная возможность переопределения в развитии конечной судьбы отдельных клеток и их компрлексов вследствие индуктивных межклеточных взаимодействий.

Важное следствие эмбриональных регуляционных процессов — эквифинальность развития, т.е. достижение нормального (требуемого, ожидаемого) конечного результата развития разными путями. Так, после диссоциации и перемешивания бластомеров морского ежа формировалась нормальная личинка, не смотря на то, что образование личиночных структур в сравнении с нормальным эмбриогенезом отличалось своеобразием. В частности, кишечник формировался не путем инвагинации, а шизоцельно, то есть путем расхождения клеток из плотной массы К тому же скелет возникал раньше, чем покровы.

Эмбриональная регуляция может рассматриваться как признак эволюционного прогресса, так как она обеспечивает возможность получения нормального конечного результата процесса развития даже при его (указанного процесса) нарушениях. Феномен эмбриональной регуляции определяет также тот резерв изменчивости, который может стать источником последующих эволюционных преобразований, коль скоро историческое развитие в живой природе происходит путем изменений эмбриогенеза (см. теории морфобиологической эволюции и филэмбриогенезов А.Н.Северцова).. В ходе онтогенеза (эмбриогенеза, внутриутробного развития) способность к эмбриональной регуляции в целом снижается, но не абсолютно, так как и во взрослом состоянии организм сохраняет определенный регенерационный потенциал.

8.3.3. Морфогенез

Морфогенез — процесс образования структур и органов, а также преобразования их формы и внутренней структуры в процессе индивидуального развития организмов.

В классической эмбриологии под морфогенезом обычно понимают возникновение многоклеточных структур. У Хордовых первые очевидные (бесспорные) морфогенетические события — закладка осевых органов — происходят, по-видимому, на стадии нейруляции. Вместе с тем известно, что индукционные взаимодействия групп клеток (зачатков), необходимые для того, чтобы дать начало морфогенетическим изменениям в нейруляции, происходят на стадиях бластулы и ранней гаструлы (см.8.2.8). Таким образом, можно думать, что события, необходимые для старта морфогенетических преобразований развивающегося зародыша на уровне клеточных комплексов (закладок структур и органов), начинаются со стадии бластулы. В период гаструляции, также как и позже во время нейруляции, морфогенетические перестройки охватывают весь зародыш. Следующие за ними частные органогенезы представляют собой все более и более локальные процессы: внутри зачатков формирующихся структур и органов происходит последовательная дифференциация клеточных групп.

Параллельно с образованием многоклеточных структур путем новообразования и скоординированных преобразований внутриклеточных (главным образом, цитоплазматических – см. 2.4.4, органеллы) структур — мембран, микротрубочек, митохондрий, лизосом и пероксисом, аппарата Гольджи и ряда других - происходят цитодифференцировки, результатом которых является зрелый многоклеточный организм с необходим для обеспечения полноценной жизнедеятельности набором специализированных в морфофункциональном и метаболическом плане клеточных типов (цитотипов или цитофенотипов, у человека – 220-250). Наряду со специализированными (дифференцированными) клетками в органах зрелого организма, по-видимому, сохраняются незрелые, спобные к пролиферации и специализации в определенных направлениях региональные или резидентные стволовые (прогениторные) клетки (см. 3.2). Так, дифференцировка всасывающих (каемчатых) клеток покровного эпителия кишечника связана со сборкой пучков актиновых микрофиламентов, которые образуют основу микроворсинок названных клеток. При этом, размеры и конструкция указанных пучков отличается высокой воспроизводимостью. Появляющиеся цитоморфологические признаки клеточной дифференцировки (морфофункциональной специализации клеток) дополняются синтезом и закономерным (адресным) внутриклеточным распределением макромолекул, в частности, белковых. Особого внимания, если речь идет о многоклеточном организме, заслуживают изменения клеточной мембраны, точнее клеточной оболочки (плазмолеммы – см. 2.4.2), которые включают, в частности, образование и встраивание в плазмалемму белковых комплексов, обеспечивающих различные виды транспорта веществ, рецепторную и другие функции, межклеточное общение. Таким образом, морфогенез представляет собой видоспецифичный многоуровневый динамичный процесс, являющийся обязательным элементом онтогенеза. Морфогенез, также как клеточная дифференцировка и рост, относится к ациклическим, фактически необратимым процессам, отличающимся закономерностью и уникальностью для каждого биологического вида. Главное свойство ациклических процессов — их пространственно-временнойая организация. Проблема формирования пространственной структуры развивающегося организма относится к одной из наиболее сложных в биологии.

Каковы же движущие силы морфогенеза? Этот вопрос до сих пор остается открытым.

В осуществлении морфогенеза существенная роль принадлежит “стартовой” (начальной) генетической информации, которую нарождающийся организм каждого очередного поколения получает в момент оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом (для видов с половым размножением). Согласно общепринятому в настоящее время мнению основу постепенной и последовательной дифференциации структур и органов зародыша в эмбриогенезе составляет дифференциальная экспрессия генов (см. 8.2.5) При этом в формировании каждого органа, в образовании сложной пространственно упорядоченной, имеющей определенные пропорции частей структуры целостного зрелого организма, участвует значительное число генов, которое может достигать десятков, сотен и тысяч (рис. 8-55).

Рис. 8-55. Примерное число генов, участвующих в форсировании органов человека

Система генов, регулирующих образование какого-либо органа или реализацию конкретного морфогенетического процесса, организована по иерархическому принципу. Так, в ходе онтогенеза происходит последовательная экспрессия определенных групп генов, причем продукты (нередко это транскрипционные факторы) ранее экспрессируемых генов влияют на экспрессию следующих групп (см. 8.2.10.1). В генных каскадах существуют «гены-господа»(«мастер-гены»), активация которых инициирует процесс и включает экспрессию целого комплекса подчиненных «генов-рабов», что в конечном итоге и приводит к формированию определенной структуры. Убедительным свидетельством генетического контроля морфогенеза служать различия в регуляции органогенеза трехкамерного и четырехкамерного сердца. Изучение развития сердца у амфибий, рептилий, млекопитающих и птиц показало, что ключевую роль в превращении в ходе эволюции трехкамерного сердца в четырехкамерное сыграли изменения в работе регуляторного гена Tbx5. В трехкамерном сердце этот ген экспрессируется равномерно в зачатке желудочка, а в четырехкамерном ген активен только в левой его части.

Таким образом, в геноме организмов содержится информация о развитии особи определенного вида и, кроме того, присутствуют гены, экспрессия которых может привести к формированию конкретных зародышевых листков, органов, тканей. В генотипе зиготы содержатся также аллели родителей, обладающие возможностью реализоваться в определенные признаки. Вместе с тем, можно думать, что разноуровневая регуляция экспрессии генов, в частности, структурных - транскрибируемых и транслируемых (вспомним, хотя бы, альтернативный сплайсинг) приводит к тому, что результатом функционально-генетической активности (транскрипции) даже одних и тех же генов могут быть совершенно разные наборы продуктов и, как следствие, множественность возможных путей развития.

Каким же образом активность отдельных генов, генных комплексов и генных каскадов может определить из каких именно клеток, в каком месте и в какой конкретной форме разовьется тот или иной орган? Этот вопрос становится еще более интригующим, если учесть такое наблюдаемое в онтогенезе явление, как перекрывание (суб) программ развития. Оно подразумевает, что в самую начальную фазу клеточной дифференцировки включается с разной степенью эффективности несколько (суб)программ развития, что не дает однозначного решения клеточной судьбы в дебюте развития. К примеру, в дифференцирующемся в катэхоламинэргическом направлении нейробласте происходит не только синтез и(м)РНК для образования компонентов катехоламинэргической системы, но и существенно более слабый синтез и(м)РНК для компонентов холинэргической системы. Если в определенный момент развития сменить иннервируемую данной клеткой катехоламинэргическую мишень на холинэргическую, то усиливается синтез «холинэргических» и(м)РНК, а продукция «катехоламинэргических» тормозится. В результате происходит изменение направления развития клетки — трансдетерминация. Несмотря на возможность определенных изменений, в ходе эмбриогенеза реализуются строго упорядоченные морфогенетические процессы. С высокой пространственно-временной и содержательной точностью отдельных локальных актов развития формируется зрелый организм конкретного вида, в котором содержится значительно больший объем биоинформации в сравнении с объемом генетической информации зиготы. Из сказанного следует, что реализация морфогенеза (в общем виде развития зрелого организма) не определяется только функционированием родительского стартового генетического материала зиготы.

Для объяснения механизмов морфогенеза был предложен ряд концепций. Суть некоторых из них заключается в определении судьбы клеток зародыша в соответствии с формируемыми в развивающемся организме градиентами (см. также 8.2.6 и 8.2.10.1, рис. 8-26 и рис. 8-40).

В начале ХХ в. американским ученым Ч. Чайльдом разработана концепция физиологических градиентов. По мнению автора, пространственная локализация процессов клеточной дифференцировки и морфогенеза определяется обнаруживаемыми у многих животных градиентами интенсивности обмена веществ (главным образом, окислительно-восстановительных процессов) и совпадающими с ними градиентами повреждаемости тканей. Обычно они снижаются от переднего полюса зародыша к заднему. Возникновение самих градиентов определяется гетерогенностью внешней среды, например, распределением питательных веществ, концентрацией кислорода или силой тяжести. Любое из перечисленных условий или их совокупность могут вызвать первичный физиологический градиент в яйцеклетке. Затем возможно возникновение вторичного градиента под некоторым углом к первому. Система из двух или более градиентов создает определенную координатную систему, причем функцией координаты является судьба клетки в развитии.

В 1969 г. английским биологом Л. Вольпертом сформулирована концепция позиционной информации (модель трехцветного французского флага) — одна из наиболее распространенных точек зрения на данный момент. Под позиционной информацией подразумевается зависимость судьбы той или иной клетки от ее положения (позиции) в системе развивающегося организма. Позиция определяется концентрацией химических веществ — морфогенов. По современным представлениям, морфоген выделяется из локального источника (группы клеток или определенной зоны зародыша), и во время последующей диффузии в ткани образуется градиент его концентрации. В развивающемся зародыше одновременно существуют градиенты различных морфогенов, диффундирующих из нескольких источников. Позиционная информация в виде различных концентраций разнообразных морфогенов воспринимается клетками, и их детерминация и дифференцировка определяется полученными сигналами (рис. 8-56). Один и тот же набор сигналов может по-разному восприниматься и интерпретироваться клетками в зависимости от их чувствительности к различным концентрациям морфогена. Таким образом, создается своеобразная химическая мозаика, определяющая план строения организма, воплощаемый в жизнь в ходе онтогенеза. Градиенты морфогенов могут возникать как в целом зародыше на начальных этапах эмбриогенеза, так и в отдельных формирующихся зачатках в дальнейшем развитии. Получаемая клеткой позиционная информация определяет, какую часть образующейся структуры и в каком именно месте зародыша клетка будет формировать.

Рис. 8-56. Модель французского флага. а — изображение флага, б — каждая клетка потенциально может стать красной, синей или белой, в — позиция каждой клетки характеризуется определенным уровнем морфогена, г — направление дифференцировки клетки зависит от позиционной информации. 1 — концентрация морфогена, 2 — пороговые уровни морфогена.

За последние годы осуществлено много исследований, посвященных выяснению природы и роли морфогенов, особенно в развитии плодовых мух (Drosophila) и амфибий (Xenopus). Так, у дрозофилы к группе морфогенов относят продукты экспрессии генов с материнским эффектом, например, гена bicoid (bcd) (см. 8.2.6). Градиент концентрации данного морфогена в яйцеклетке определяет формирование передне-задней оси развивающегося организма. Морфогенами являются также факторы шпемановской индукции у амфибий. Под действием различных соотношений концентраций продукта экспрессии гена noggin, секретируемого в области дозальной губы бластопора, и вентрализующего фактора ВМР удалось получить различный набор осевых структур зародыша.

Более того, помещение клеток дорзального полюса бластулы амфибий (презумптивной эктодермы) в растворы, содержащие различные концентрации активина (белка из группы TGF -b), приводило к их дифференцировке в клетки хорды, сердца, мышц и других структур (рис. 8-57).

Рис. 8-57. Влияние различных концентраций активина на дифференцировку клеток презумптивной эктодермы амфибии в культуре.

Трудно однако избежать впечатления, что представленные концепции не обладают целостностью. Очевидно, что одинаковые сигналы могут прочитываться клетками совершенно по-разному. Кроме того градиенты в формирующемся зародыше могут изменяться. В опытах по перемешиванию клеток зародыша, объединению нескольких зародышей, удалению части клеток зародыша, при которых все сформированные градиенты нарушаются, наблюдается, тем не менее, возникновение нормальных закладок и формирование полноценных сложных структур. Все сказанное позволяет сделать вывод, что возникающие градиенты не являются единственной движущей силой, которая однозначно определяет процесс морфогенеза.

Изменение концентрации того или иного морфогена, вероятнее всего, не определяет однозначно направление клеточной дифференцировки, а носит дестабилизирующий характер, т.е. выводит клетки из исходного недифференцированного состояния. Достижение же клеткой окончательного состояния зависит в значительной мере от межклеточных взаимодействий, геометрии клеточных групп, их движений, механических напряжений и т.д. Рассуждения подобного рода привели к разработке в 20–30-х гг. ХХ в. концепции морфогенетического поля. Наиболее разработанные концепции эмбрионального поля принадлежат австрийскому биологу П. Вейсу и двум советским ученым А.Г. Гурвичу и Н.К. Кольцову. Они рассматривают весь зародыш (на ранних стадиях развития) либо отдельный его участок (на более поздних стадиях) как единое целое, развитием которого управляет поле этого целостного образования, созданное всей совокупностью элементов данного поля. Так, у амфибий и других животных на стадии поздней бластулы можно совершенно точно указать так называемые презумптивные (предполагаемые) зачатки — области, из которых разовьются те или иные органы. Эти области можно рассматривать как морфогенетические поля.

По мнению П. Вейса и А.Г. Гурвича, морфогенетическое поле не обладает обычными физико-химическими характеристиками. Так, А.Г. Гурвич полагал, что в формообразовательных процессах принимает участие биологическое поле, источником которого, вероятно, является ядро клетки, его хромосомы. Клетки оказывают влияние друг на друга своими полями. Общее (целое) поле зародыша или зачатка какой-либо структуры — объединение полей всех составляющих его клеток. Н.К. Кольцов, напротив, считал, что силовое поле, с которым связано развитие зародыша, является физическим. Оно порождает потенциалы различной природы (электрической, химической, температурной, гравитационной и др.), под влиянием которых и осуществляются морфогенетические процессы.

Согласно всем этим концепциям, поле развивается так же, как и зародыш. Первоначальное воздействие поля приводит к осуществлению какого-либо морфогенетического процесса (например, образованию определенной закладки), следствием чего становится изменение поля, а это, в свою очередь, приводит к дальнейшему формообразованию. Таким образом, по мере развития образуются все новые и новые поля, управляющие развитием различных структур (органов).

По мнению П. Вейса, клетки формирующегося организма пассивны, и их преобразования полностью определяются морфогенетическим полем. По теории А.Г. Гурвича — поле порождают сами клетки зародыша.

В настоящее время полями органов называют эмбриональные территории, на которые распространяется состояние целостной детерминации, т.е. способности развиваться в зачаток того или иного органа. Экспериментально установлено, что внутри поля образуется лишь один данный зачаток, тогда как развитие второго такого же, пересаженного в то же самое поле, подавляется, или он сливается с первым. Из любого малого участка поля формируется целый нормальный орган, хотя обычно меньшего размера. Каждое из полей (полей конкретных структур или органов) развивается независимо от других, т.е. какое-либо воздействие на одно из полей не влияет на соседнее.

Все элементы целого поля тем или иным способом «ощущают» друг друга, определяют свое положение и в соответствии с полученной информацией координируют свое поведение. В настоящее время точно установлено, что в основе скоординированного развития лежат межклеточные и межзачатковые взаимодействия. Так, при формировании практически любой структуры развивающегося организма (глаз, зубов, легких и др.) наблюдаются реципрокные индуктивные взаимодействия между элементами морфогенетического поля.

Яркий пример подобных взаимодействий наблюдается при формировании конечности. Источником ее развития служат скопление клеток, происходящих из боковой мезодермы, и покрывающие это скопление клетки эктодермы (рис. 8-58). Развитие конечности начинается с активации клеток боковой мезодермы в непосредственной близости от сомитов, которые, возможно, оказывают индуцирующее влияние на мезодерму в области будущей конечности. Активированные мезодермальные клетки зачатка конечности воздействуют на покрывающую их эктодерму, в результате чего она утолщается. Верхушку этого образовавшегося утолщения эпидермиса называют апикальным эктодермальным гребнем. Последний стимулирует рост почки конечности (при его удалении рост почки конечности прекращается), и под его влиянием происходит дифференцировка клеток мезодермы и образование дистальных отделов конечности. Мезодерма же поддерживает гребень в активном состоянии и определяет форму конечности. Например, мезодерма из почки крыла при соединении с эктодермой почки ноги образует крыло, покрытое перьями (рис. 8-59).

Рис. 8-58. Расположение элементов развивающегося крыла. а — схема расположения почки крыла, б — почка крыла. 1 — почка крыла, 2 — апикальный эктодермальный гребень, 2 — мезодерма.

Рис. 8-59. Роль мезодермы в формировании конечности.

Взаимодействия между элементами поля могут иметь химическую, электрическую, механическую природу. Свое влияние может оказывать также тонкая структура твердого субстрата. Подобные взаимодействия могут быть не только ближними (между соседними элементами зародыша), но и дальними — между элементами, непосредственно между собой не контактирующими (поэтому и появился сам термин «поле»).

Рассмотрим некоторые примеры таких взаимодействий. Установлено, что в формирующейся конечности есть морфогенетически активная область — зона поляризующей активности (ЗПА). Она находится у основания закладки конечности на заднем крае. Ее присутствие необходимо для формирования передне-задней асимметрии конечности, а именно образования определенного количества, формы и расположения пальцев. В частности, удаление ЗПА приводило к формированию симметричной конечности, а при подсаживании дополнительной ЗПА на передний край зачатка наблюдалось зеркальное удвоение конечности (рис. 8-60). Установлено, что в ЗПА выявляется повышенная концентрация ретиноевой кислоты. Предполагалось, что создается передне-задний градиент этого вещества, который и определяет асимметрию конечности. Однако эксперименты с репортерным геном, применение которого позволяет оценить экспрессию генетического материала в точке вставки этого гена, показали, что ретиноевая кислота действует не напрямую, а опосредованно, активируя синтез другого вещества, которое и является морфогеном. Это белок, кодируемый геном Sonic Hedgehog. Таким образом, в поле зачатка происходит получение позиционной информации на основе градиентов химических веществ, но это, как было сказано, лишь один из возможных механизмов.

Рис. 8-60. Роль зоны поляризующей активности (ЗПА) в формировании конечности. а — схема эксперимента, б — фотография зародыша с зеркально удвоенной конечностью. 1 — локализация ЗПА в норме, 2 — собственная ЗПА реципиента, 3 — добавочная трансплантированная ЗПА, 4 — передний край развивающейся конечности.

Еще один определяющий морфогенез фактор — взаимодействия клеток с твердым субстратом. Примером могут служить эпителиально-мезенхимальные взаимодействия при образовании почки. Ее развитие происходит при участии эпителия формирующегося мочеточника и нефрогенной мезенхимы (рис. 8-61). Мезенхимные клетки продуцируют коллаген межклеточного матрикса, который повышает пролиферативную активность эпителия и стимулирует его развитие. Под влиянием закладки мочеточника происходит конденсация клеток мезенхимы, и в ее межклеточном матриксе наблюдается замена ранее присутствующего коллагена I типа на вновь синтезируемый коллаген IV типа и ламинин. В результате мезенхимные клетки превращаются в эпителиальные и начинают формировать капсулы и канальцы нефронов.

Рис. 8-61. Развитие почки, а–г — последовательные стадии. 1 — мезенхима, 2 — эпителий формирующегося мочеточника, 3 — капсула нефрона, 4 — каналец нефрона.

В реализации морфогенетических процессов определенная роль принадлежит механическим напряжениям. Так, при формировании глаза позвоночных животных образование сетчатки происходит из внутреннего сжатого слоя белочной оболочки, а клетки наружного растянутого слоя становятся пигментными (см. рис. 8-34). Если при культивировании глазного зачатка создаются условия, исключающие растяжение, он весь превращается в сетчатку, а в условиях распластывания — в пигментный эпителий. Роль механических напряжений показана и для дифференцировки других клеток — эритроцитов, фибробластов, клеток хряща и кости. Важно, что механические напряжения влияют на процессы дифференцировки, изменяя, по-видимому, скорость синтеза белков и нуклеиновых кислот. В развитии зародыша дрозофилы под действием давления, оказываемого на глотку следующими за ней отделами кишки, происходит экспрессия гена Armadillo. Этот ген может быть функционально-генетически активирован искусственным механическим давлением.