Эмбрионы, гены и эволюция - Рудольф Рэфф

Как показали Оно, а также Мейер (Meyer) и его сотрудники в основе этого дефекта лежит отсутствие специфического белка, служащего рецептором тестостерона, который, по-видимому, содержится во всех тканях особей как мужского, так и женского пола. У особей Tfm/Y этот рецептор не синтезируется. Известно, кроме того, что у самок Tfm/+ этот рецептор продуцируется только в половине клеток вследствие инактивации Х-хромосомы, описанной Лайон. Очевидно также, что, хотя у особей женского пола рецептор андрогена образуется, для их нормального полового развития наличие его необязательно. Лайон создала самца мыши, происходящего от четырех родительских особей, сращивая бластоцисты +/Y и Tfm/Y по методу, изображенному на рис. 4-17. Некоторые из полученных таким образом химерных самцов оказались фертильными и передавали своим потомкам Х-хромосому, несущую мутацию Tfm. Благодаря этому Лайон смогла создать гомозиготных самок Tfm/Tfm. Такие самки нормальны во всех отношениях и фертильны, свидетельствуя тем самым, что нормальное половое развитие самки может происходить в отсутствие продукта гена Tfm.

Примеры мутаций Testicular feminization у млекопитающих и eyeless и cardiac lethal у аксолотлей демонстрируют неразрывную связь генов с морфогенезом отдельных органов и систем органов на ранних и относительно поздних стадиях развития. Важная роль генов этого типа в эволюции была проиллюстрирована в гл. 6 на примере слепой рыбы, обитающей в пещерах. Генетические изменения, вызывающие слепоту пещерной рыбы и отсутствие глаз у аксолотлей, негомологичны, и это служит иллюстрацией еще одной особенности генетической регуляции развития. Развитие любого органа или системы органов определяется не одним геном, а группой генов - заключение, выведенное также в результате изучения у дрозофилы мутаций Notch и shibire, вызывающих почти идентичные нарушения на сходных стадиях онтогенеза. Кроме того, экспрессия подобного рода генов, обладающих широким спектром действия, может модифицироваться разнообразными генетическими изменениями, в том числе изменениями генетического фона и включением в развивающуюся систему новых генов. Таким образом, формирование организма и входящих в него органов - результат координированных комплексов активностей и взаимодействий генов. Эволюционный процесс может использовать возникающие в разных пунктах этих комплексов пертурбации, каждая из которых может привести к морфологическому изменению. Следует также указать, что, хотя в сумме все эти комплексы генных активностей образуют гармоничное целое, связь между ними может и нарушаться. Мутации могут изменять один процесс развития независимо от других, создавая диссоциабельность, столь необходимую для морфологической эволюции.

Гибель клеток в процессе нормального развития

Дегенерация вольфовых протоков в процессе развития особей женского пола и мюллеровых каналов у особей мужского пола - примеры наличия структур, которые вначале развиваются, а затем подвергаются некрозу. Эти процессы, подобно всем другим рассматриваемым здесь онтогенетическим событиям, находятся под контролем генов. Специфическим примером служит развитие конечностей у четвероногих. У цыпленка почки конечностей закладываются в виде латеральных утолщений соматоплевры примерно на 55-м часу развития. Эти почки вырастают из тела зародыша в виде выступов, покрытых эктодермой и заполненных мезодермальной тканью. По мере продолжения роста начинают проступать контуры конечности, будь то крыло или нога. Процесс формирования контуров сопровождается отмиранием клеток в ряде мезодермальных участков конечности. На ранних стадиях образования почки конечности участки некроза можно выявить с помощью некоторых прижизненных красителей; такие участки есть и на переднем, и на заднем краях почки, там, где она соединяется со стенкой тела, а также в центре почки. Эти три участка называются соответственно передней и задней некротическими зонами и темными пятнами (рис. 7-16). Передняя и задняя зоны обеспечивают формирование контуров проксимальных областей конечности, а темное пятно - отделение большой берцовой кости от малой в ноге и лучевой от локтевой - в крыле. Происходящее на более поздних стадиях развития конечности разделение пальцев сопровождается некрозом межпальцевых участков (рис. 7-16).

Сондерс и Фаллон (Saunders, Fallen), изучая заднюю некротическую зону (ЗНЗ) почки крыла цыпленка, выявили несколько интересных особенностей этой группы клеток. Максимальной протяженности ЗНЗ достигает на 96-м часу развития; к этому времени гибнет 1500-2000 клеток. Эти клетки фагоцитируются популяцией из почти 150 макрофагов. Если мезодерму проспективной ЗНЗ извлечь из почки крыла за 40 ч до того, как становится заметным некроз, и пересадить ее на боковую поверхность тела реципиента, она все равно гибнет и притом в те же сроки. Сроки некротизации и гибели заложены в самих клетках ЗНЗ и не зависят от возраста реципиента. Однако мезодермальные клетки, находящиеся в почке конечности, которая примыкает к эксплантированной ЗНЗ, не погибают. Поэтому можно думать, что клетки ЗНЗ обладают механизмом, получившим название «внутренние часы смерти». Эти часы запускают механизм гибели клеток на очень ранних стадиях развития конечности, после чего клетки идут по предначертанному им пути. Ход этих часов, однако, до некоторой степени обратим. Если ЗНЗ пересадить на дорсальную поверхность почки крыла, то ее клетки не гибнут. Причину этого изучали, выращивая клетки ЗНЗ вместе с различными другими фрагментами мезодермы. Выращивание мезодермы из ЗНЗ с соматической мезодермой приводит к такому же результату, как пересадка ее in vitro на боковую поверхность зародыша-реципиента: клетки ЗНЗ гибнут в надлежащие сроки. Если, однако, ЗНЗ культивировать с дорсальной мезодермой крыла, то она не гибнет. Создается впечатление, что мезодерма из ненекротической области крыла защищает ЗНЗ от гибели, останавливая «часы смерти». Это было подтверждено экспериментами, в которых клетки ЗНЗ сначала пересаживали на дорсальную поверхность почки крыла, а затем лишали их защитных воздействий дорсальной мезодермы крыла, удаляя их с места пересадки через разные сроки после того, как по «часам смерти» они должны были бы погибнуть. Будучи удалены с места пересадки, эти клетки погибали; выживали только те из них, которых содержали in vitro в условиях защиты не менее 6 дней. К этому времени «часы» совершенно останавливались и клетки ЗНЗ выживали, даже в отсутствие дорсальной мезодермы крыла. Таким образом, гибель клеток, происходящая в проксимальных частях крыла, представляет собой результат действия двух факторов: неких независимых от остального организма клеточных часов, запускаемых в определенной группе клеток, и местоположения этих клеток относительно остальной мезодермы конечности.

Анализ гибели клеток в межпальцевых участках позволил выявить еще один уровень регуляции. Как видно из рис. 7-16, гибель клеток в этих участках лапы утки невелика, и в результате между вторым, третьим и четвертым пальцами образуются перепонки. В промежутке между первым и вторым пальцами, где происходит некроз, перепонки нет. Сондерс и Фаллон создавали химеры, соединяя мезодерму из почки ноги утки с эктодермой цыпленка и наоборот. Такие гибридные почки ноги они пересаживали затем на боковую поверхность тела куриного зародыша, служившего реципиентом, и наблюдали за некрозом межпальцевых клеток. В обоих случаях картина некроза соответствовала тому, что характерно для утки. Отсюда можно сделать вывод, что утиная эктодерма, подобно мезодерме дорсальной поверхности крыла, может подавлять некроз, наблюдаемый обычно при развитии ноги цыпленка. Однако эктодерма куриного зародыша не индуцирует некроз в утиной мезодерме. Возможно, поэтому, что регуляция некроза в межпальцевых участках происходит таким же образом, как в ЗНЗ; т.е. что это автономная особенность межпальцевой мезодермы, которая может проявиться или не проявиться в зависимости от среды, в которой окажутся презумптивные некротические клетки.

Рис. 7-16. Развитие задней конечности цыпленка и утки. Участки гибели клеток на задних и передних краях ноги зародышей, а также некроз в межпальцевых участках у зародышей цыпленка (но не утки) показаны точками. Мутация talpid, по-видимому, элиминирует некроз на большей части участков, что приводит к образованию широкой веслообразной конечности со сросшимися пальцами, схематически изображенной в центре рисунка. Темные участки на нормальной и мутантной конечности цыпленка соответствуют участкам образования хряща (Saunders Jr., Fallen, 1966; Hinchliffe, Thorogood 1974; с изменениями).

Хинчлифф и Торогуд (Hinchliffe, Thorogood), проведя анализ мутации ta (talpid) у цыпленка, показали, что гибель клеток в процессе развития конечности действительно находится под генетическим контролем. Мутация ta наследуется как простой аутосомный рецессивный признак и в гомозиготном состоянии обусловливает костную полидактилию и синдактилию мягких тканей в крыле и ноге. Полидактилия возникает в результате слияния лучевой и локтевой костей и большой и малой берцовых костей. Образующиеся при этом конечности, особенно нога, широкие и веслообразные, и на них бывает по 6-7 пальцев вместо четырех нормальных (рис. 7-16). Для развития этих конечностей характерно почти полное отсутствие гибели клеток. Ширина мутантной лапы объясняется отсутствием передней и задней некротических зон, поскольку при этом не происходит определения контуров, которые у нормальных особей сужают эту часть конечности. Слияние костей предплечья или голени - результат отсутствия темного пятна. Это несостоявшееся разделение костей может быть также результатом расширения дистальных частей конечности и кажущейся зеркальной симметрии ее строения (рис. 7-16). Кроме того, у мутантов отсутствуют межпальцевые некротические зоны, имеющиеся в нормально развивающейся конечности, и в дальнейшем пальцы у них не отделяются друг от друга. Интересно отметить, что синдактилию сходного типа наблюдал Джонсон (Johnson) у мутантных мышей polysyndactylous, но без костной полидактилии. Остается еще установить, оказывает ли мутация talpid воздействие на «часы смерти» или же она дает возможность «спасающему фактору», продуцируемому дорсальной мезодермой, достигнуть обреченных на гибель клеток. Какой бы ни была непосредственная причина, ясно, что процесс некроза клеток регулируется генетически и что в создании дефинитивной морфологии конечности позвоночных гибель клеток играет важную роль. В связи с этим последним моментом следует указать, как это делают Хинчлифф и Торогуд, что простые раздвоенные структуры, наблюдаемые в конечностях мутантов talpid, напоминают по своему характеру элементы, имеющиеся в плавниках древних кистеперых рыб, таких как Eusthenopteron и Sauripterus. Возможно, поэтому, что сложный тип развития конечностей, обнаруженный у высших четвероногих позвоночных, мог возникнуть в результате процесса клеточного некроза, регулируемого и моделируемого генетически.