Эмбрионы, гены и эволюция - Рудольф Рэфф

Такой тип регуляции относится к классу эпиморфозов, потому что при этом необходимо клеточное деление. Для проверки этой гипотезы были произведены реципрокные пересадки предполагаемой прогрессивной зоны между «молодыми» и «старыми» почками конечности. Очень показательные результаты этих экспериментов схематически представлены на рис. 9-2. Если использовать в качестве донора почку конечности, у которой детерминированы только плечевая кость и проксимальные части лучевой и локтевой костей, а более «старую» почку, у которой детерминация достигла уровня запястья, - в качестве реципиента, то разовьется конечность с тандемно дуплицированными плечевой, лучевой и локтевой костями. При реципрокной пересадке наблюдаются нехватки элементов, которые дуплицировались в предыдущем эксперименте; образуется конечность, у которой запястье выступает прямо из боковой поверхности тела. Эти результаты полностью согласуются с гипотезой прогрессивной зоны и позволяют считать возможным, что положение определяется (специфицируется) не только в пространстве, но и во времени. Еще один момент, касающийся процесса спецификации, состоит в том, что позиционная информация не ограничивается только спецификацией судьбы данной клетки в чисто морфологическом аспекте. К такому выводу можно прийти, изучив область запястья крыла. Рассмотрение рис. 9-2 показывает, что развитие сравнительно маленького запястья занимает довольно много времени по сравнению с другими более крупными костями верхней конечности. Изучение относительной величины зачатков для каждого отдела верхней конечности показало, что изначально все они имеют одинаковые размеры; это означает, что миграция из прогрессивной зоны протекает равномерно во времени, различия же касаются динамики пролиферации разных отделов после спецификации. Запястье растет меньше, чем другие отделы крыла. Поэтому один из аспектов спецификации состоит, очевидно, в детерминации относительной скорости роста, а не только различной морфологии.

Спецификация передне-задней полярности

Можно представить себе, что спецификация передне-задней полярности развивающегося крыла устанавливается позиционной информацией примерно таким же образом, как устанавливается проксимально-дистальная ось. Однако, хотя спецификация этой полярности происходит во взаимодействии с прогрессивной зоной, уточнение местоположения осуществляется, скорее, в форме градиента - от высокой концентрации в задней части почки крыла до низкой в ее передней части. Поэтому предполагается, что передне-задняя ось детерминируется системой, сходной с системой, участвующей в регуляции типа морфоллаксиса. Считают, что позиционная информация, обеспечивающая спецификацию передне-задней оси, содержится в группе мезодермальных клеток, расположенных на заднем краю почки конечности, которая примыкает к задней некротической зоне, упоминавшейся в гл. 7. Эта группа клеток была открыта Сондерсом (Saunders) и его сотрудниками и получила название зоны поляризующей активности (ЗПА). Если пересадить ЗПА на передний край развивающейся почки конечности, у которой в результате окажутся две ЗПА, то у развившегося из этой почки крыла возникнет зеркально-симметричная дупликация таких дистальных структур, спецификацию которых осуществляет прогрессивная зона в какое-то время после трансплантации ЗПА. Элементы, которые ко времени пересадки уже были специфицированы, не дуплицируются. Результаты этих экспериментов схематически представлены на рис. 9-3. На нем показаны также результаты пересадки ЗПА в середину почки конечности. Это также приводит к дупликации, но не зеркально-симметричной. Полученные результаты были интерпретированы как свидетельство того, что ЗПА служит источником позиционной информации. Передне-задняя упорядоченность в расположении, например, пальцев крыла определяется в результате считывания клеткой концентрации соответствующей информации: высокая концентрация соответствует 4-му пальцу, а низкая - 2-му. Как показано на рис. 9-3, Б, если поместить трансплантат на передний край почки конечности, то возникает градиент с двумя вершинами и впадиной в середине; это и приводит к зеркально-симметричной дупликации. Если же поместить трансплантат в центр почки, то возникает двойной градиент, расположенный тандемом, что приводит к примерно тандемной же дупликации пальцев. Небольшая впадина между двумя ЗПА приводит к зеркально-симметричной дупликации 4-го пальца; 2-й же палец вообще не образуется, потому что ни в одной точке градиента концентрация не достигает такого низкого уровня, который необходим для спецификации этой структуры.

Число дуплицирующихся структур зависит от возраста почки конечности в момент трансплантации; при этом дуплицируются только те элементы, которые к этому времени еще не мигрировали из прогрессивной зоны. Следовательно, передне-задняя ось на самом деле детерминируется двумя взаимодействующими параметрами позиционной информации: расстоянием от ЗПА и временем выхода клеток из прогрессивной зоны. Эта двойственная природа позиционной информации присуща не только данной системе; она была использована при попытке объяснить тип эпиморфной регуляции, наблюдаемой при регенерации конечностей у таракана и тритона, и в имагинальных дисках дрозофилы. Френч, Брайант и Брайант (French, Bryant, Bryant) высказали гипотезу, интересную в том отношении, что она позволяет в значительной степени объяснить явления, связанные со всеми этими тремя системами.

Рис. 9-3. Детерминация передне-задней оси конечности курицы зоной поляризующей активности (ЗПА). А. Нормальная конечность и гипотетический градиент позиционной информации, источником которой служит ЗПА (область, покрытая пунктиром), расположенная на заднем краю почки конечности. Б и В. Результаты пересадок ЗПА на передний край и в середину почки конечности, в остальном нормальной (Ede, 1978).

Становление пространственной организации и полярные координаты

Хадорн (Hadorn) и его ученики обнаружили, что если у личинки третьего возраста дрозофилы удалить один из имагинальных дисков и пересадить его путем инъекции новой личинке-реципиенту, то он будет дифференцироваться вместе с этим реципиентом. Более того, если диск разрезать на части, то каждый его фрагмент самостоятельно дифференцируется, образуя часть тех структур, которые образовал бы этот диск при нормальных обстоятельствах, причем из каждого отдельного фрагмента развиваются специфичные для него структуры. Часть такого рода карты для диска крыла представлена на рис. 9-4. Эти эксперименты показали также, что в имагинальных дисках не происходит регуляции типа морфоллаксиса. У них наблюдается, однако, эпиморфоз. Если фрагменты имагинального диска поместить не в личинку, а в брюшко взрослой самки дрозофилы, то в результате клеточных делений они растут, но не дифференцируются. Если выращивать фрагменты на протяжении недели, а затем пересадить их в метаморфизирующую личинку, то они дифференцируются, образуя вполне согласованные структуры. Если разрезать диск на две неравные части, то из большего фрагмента дифференцируются и те структуры, которые в норме образуются из клеток меньшего фрагмента. Что касается меньшего фрагмента, то он образует собственный зеркально-симметричный дубликат. Результаты двух таких экспериментов схематически изображены на рис. 9-4.

Можно представить себе, что положение клеток в пространстве определяется набором радиальных и угловых координат, причем положение каждой клетки задается особой парой сигналов. Если имагинальный диск разрезать на две части, то в результате смыкания поверхностей разреза в каждой части приходят в соприкосновение такие позиционные значения, которые обычно не примыкают друг к другу. При наличии подходящих условий (например, при выращивании в брюшке взрослой самки) это соприкосновение индуцирует рост и клеточное деление. Рост, согласно модели, возникнет в том случае, если различные угловые либо радиальные значения позиционной информации окажутся в непосредственном контакте. Клетки, образующиеся в результате этого процесса, воссоздадут недостающую позиционную информацию в общем таким же образом, как прогрессивная зона моделирует почку конечности цыпленка. Чтобы объяснить результаты, наблюдаемые при разрезании имагинального диска на два неравных фрагмента, Френч, Брайант и Брайант сформулировали правило кратчайшей интеркаляции. Его легче всего понять на примере, приведенном на рис. 9-4, В. Маленький фрагмент интеркалирует (восстанавливает) позиционные значения 4 и 5, потому что это кратчайший путь по отношению к двум сохранившимся на данном фрагменте угловым значениям (6 и 3). Концептуально эта модель сходна с моделью линейного градиента, в которой данный участок градиента способен регенерировать только более низкие позиционные значения. Большой фрагмент интеркалирует ту же самую недостающую информацию (позиционные значения 4 и 5 на окружности), но тем самым он восстанавливает полную окружность и создает всю необходимую позиционную информацию. Маленький фрагмент дуплицируется, а большой регенерирует; это и дает требуемый экспериментальный результат. Необходимо ввести еще одно правило - правило полной окружности; согласно этому правилу, для создания дистальных структур (участки, специфицируемые в центре круга) необходимо регенерировать все угловые позиционные значения. Из этого последнего правила есть несколько исключений. Однако они не умаляют фундаментальной полезности данной модели как способа представить себе, каким образом процесс онтогенеза извлекает пространственную организацию из видимого отсутствия формы. При этом не следует забывать, что такие модели представляют собой абстракции очень сложных клеточных и генетических событий и в лучшем случае могут дать лишь приближенное представление о процессах, происходящих в действительности. Необходимо постоянно помнить слова Уоддингтона о том, что «...эмбриональное поле - это, в сущности, концепция, пригодная в сфере рассуждений, относящихся к многомерным пространствам. Любую попытку свести ее к трем или даже четырем измерениям плюс одна переменная поля следует рассматривать как решительное абстрактное упрощение, которое может быть оправдано для некоторых особых целей, но к которому всегда следует относиться с большой осторожностью».