Ноги в руки
Передние и задние конечности у позвоночных развиваются из похожих зачатков — почек конечностей (рис. 1). Под окружающей почку покровной тканью (эктодермой) находятся клетки зародышевой соединительной ткани (мезенхимы); на рис. 1 они голубые с черными ядрами.
На вершине почки до закладки костей образуется утолщение эктодермы — апикальный эктодермальный гребень (АЭГ; англ. apical ectodermal ridge, AER). АЭГ влияет на развитие клеток мезенхимы; например, если его удалить, то развитие конечности останавливается на достигнутой стадии.
Из мезенхимы формируются мышцы и хрящевые зачатки костей конечности. По мере роста конечности закладывается будущая плечевая кость, потом — кости предплечья, запястья, пясти и, наконец, пальцев.
Чтобы понять, какие факторы определяют судьбу клеток зародыша, ученые часто делают разные пересадки тканей, в том числе с одного места на другое в том же зародыше. Эти опыты часто ставят на куриных эмбрионах.
Задача
Как вы думаете, что разовьется из клеток мезенхимы того участка почки задней конечности, который в норме должен был бы дать бедро, если их на ранней стадии развития пересадить на самый кончик почки передней конечности, прямо под АЭГ (см. рис. 2)?
Подсказка 1
Подсказка 2
Клетки ведут себя примерно так же, как пересаженные участки французского и американского флагов на рис. 3 (стрелки показывают направление пересадки; в нижнем ряду показан результат).
Решение
Ответ: клетки превратятся в пальцы ноги (см. рис. 4).
Конечно, однозначного решения эта задача не имеет. В реальности результат такого опыта зависит от многих факторов (например, от того, на какой стадии развития взяты клетки). Зато из подсказок и из результата описанного эксперимента ясна «общая логика» поведения клеток.
В ходе развития многие клетки делают выбор (часто — двоичный, «да-нет») между разными решениями. Например, клетки развивающегося крыла дрозофилы в зависимости от своего положения «решают», что они передние (не задние), спинные (не брюшные). После такой серии решений клетки обычно придерживаются избранного пути. Например, даже быстро делящиеся клетки «уважают границы»: заполнив всю заднюю спинную четверть крыла, они не переходят в другие его отсеки!
Так же ведут себя и клетки ног и рук. На определенной стадии клетки решают, что они — клетки конечности, а не тела; затем — что они клетки ноги, а не руки. И только позднее может быть принято решение, что они клетки бедра, а не стопы.
Развитием клеток управляют вещества-индукторы. Часто их выделяют клетки соседних тканей (их тоже называют индукторами). В нашей задаче ткань-индуктор — это АЭГ. Клетки мезенхимы слушаются индуктора (АЭГ), который велит им делать пальцы. Но в них уже работают гены, отвечающие за «делание ног», а не рук (например, в почке передней конечности работает ген транскрипционного фактора Tbx5, а в почке задней конечности — Tbx4. Сделав выбор в пользу «изготовления» структур ноги, а не руки, клетки помнят его и на новом месте!
Послесловие
Эта логика поведения клеток действует и во многих других случаях. Например, Ганс Шпеман пересаживал эктодерму (покровную ткань) с бока зародыша лягушки в область будущего рта тритону, и наоборот: боковую эктодерму тритона в область рта лягушке (пересадки эмбриональных тканей удаются и между дальними родственниками). «Вооружение» рта у личинок лягушки и тритона различается: у личинки тритона образуются известковые зубы, а у головастика — роговые челюсти. Пересаженная эктодерма формировала рот — но у тритона он оказывался лягушачьим, а у лягушки — тритоньим. Рассказывают, что Шпеман комментировал это так: «Эктодерма говорит индуктору: «Ты велел мне сделать рот; хорошо, я сделаю это, но я не могу сделать такой, как ты хочешь, я могу сделать свой, и я его сделаю» (по книге: С. Гилберт. «Биология развития». М., Мир, 1994). Здесь индуктором служила кишечная трубка. Эктодерма лягушки могла «прочесть» инструктивные сигналы ткани-индуктора тритона, но реагировала на них по-своему, в соответствии со своей генетической программой.
Такое поведение клеток как раз и описывает модель с американским и французским флагами (см. рис. 3). Пересаженный кусочек американского флага помнит свою «национальную принадлежность» и может делать только структуры американского флага. Но при пересадке он чувствует, что попал в верхний левый угол (например, благодаря тому, что с двух сторон нет соседних кусочков). В этом случае кусочек, который в норме дал бы полоски, дает звезды.
Возникает вопрос: а как именно АЭГ «велит» клеткам сделать пальцы? Сейчас это в целом известно; механизм этот уже был описан на «Элементах» в заметке Веры Башмаковой Уточнен механизм, по которому развиваются конечности у куриного эмбриона (14.06.2011). Если совсем вкратце, то с самого начала развития почки конечности в ее проксимальной (ближней к туловищу) части вырабатывается ретиноевая кислота (retinoic acid, RA). Под действием высоких концентраций RA клетки делают проксимальные структуры (плечо и предплечье). АЭГ выделяет несколько белков семейства FGFs (fibroblast growth factors, факторы роста фибробластов); при более высокой концентрации FGFs и там, где влияние RA уже не ощущается, образуются дистальные (дальние от туловища) структуры кисти. При этом для нормального развития отделов конечности в них на определенной стадии должны включиться гомеобоксные гены кластеров HoxA и HoxD (например, в плече — HoxA9 и HoxD9, а в кисти — HoxA13 и HoxD13 (см.: Limb Development).
Подробно современные представления о развитии проксимально-дистальной оси конечности изложены в статье К. Тэбина и Л. Вольперта (англ.): Cliff Tabin, Lewis Wolpert. Rethinking the proximodistal axis of the vertebrate limb in the molecular era.
См. также:
А. Марков. Как клетки понимают, что одни должны стать волосами, другие костями, третьи мозгами и т. п.? И из какого центра им подаются команды?
-
Я не биолог, но благодаря примеру с флагом могу сделать вывод о том, что на крыле разовьется кончик задней конечности. То есть при пересадке развивается в общем то, что пересадили (нога), но та часть, КУДА пересадили. Так как пересадили на кончик крыла, то и разовьется кончик ноги. Видимо, ступня.
Из послесловия видно, что команда "сделать рот" одинакова между разными видами животных.
А эти химические вещества-индукторы -- не имеют ли единой для всей биосферы системы кодирования, как аминокислоты, например?
-
Проводятся. Все белки организма - протеом, а все взаимодействия между ними - интерактом.
Вещества-индукторы не едины для биосферы, так как многоклеточность возникала неоднократно и независимо в разных группах, и не все такие сигнальные вещества были унаследованы от общих предков. Но у многих животных вещества-индукторы похожи, некоторые - практически универсальны.
