Рудольф Рэфф - Эмбрионы, гены и эволюция

В случае обсуждавшегося выше хрусталика глаза процесс индукции вызывает вытягивание клеток хрусталика в длину и синтез белков хрусталика - кристаллинов. Эти два процесса, как показали Биб и Пятигорский (Beebe, Piatigorsky), можно отделить один от другого. Биб и Пятигорский приготовляли эксплантаты из хрусталикового эпителия шестидневного куриного зародыша. Эксплантаты выращивали на среде с добавлением сыворотки плода коровы; их клетки вытягивались и синтезировали как кристаллиновую мРНК, так и сами кристаллины. Обработка этих эксплантатов колхицином подавляла вытягивание клеток, но не оказывала влияния на синтез мРНК или белка. Диссоциация несколько иного рода была обнаружена в тех случаях, когда эксплантаты хрусталикового эпителия выращивали сначала на среде без сыворотки плода коровы, а спустя несколько часов добавляли сыворотку. В этих случаях наблюдалась стимуляция клеточного деления, но не происходило ни вытягивания клеток, ни усиления синтеза кристалликов, хотя содержание кристаллиновой мРНК повышалось. Эти результаты свидетельствуют о диссоциации между делением клеток и морфогенезом и, что более неожиданно, о диссоциации даже в процессе экспрессии кристаллиновых генов.

У позвоночных ряд внутренних органов, в том числе легкие, печень, поджелудочная железа, кишечник и щитовидная железа, образуется из энтодермального эпителия в сочетании с мезенхимными клетками. Эти органы могут служить удобными экспериментальными системами для исследования индукционных взаимодействий, ответственных за их дифференцировку, потому что эпителий и мезенхимные клетки, предназначенные для образования этих органов, можно извлечь из зародыша и выращивать in vitro . При совместном выращивании эпителия и мезенхимы, которые при нормальном развитии ассоциированы друг с другом, наблюдается нормальная дифференцировка. Но можно также выращивать эпителий вместе с мезенхимой, взятой из зачатков других органов. Такие эксперименты, обзоры которых опубликовали Вольф (Wolff) и Дьюкар (Deuchar), убедительно показывают, что для дифференцировки эпителия необходимы индукционные сигналы со стороны мезенхимы. Еще более интересно, что то или иное течение дифференцировки эпителия зависит исключительно от типа мезенхимы, с которой его выращивают. Так, легочная энтодерма при выращивании с легочной мезенхимой образует (в соответствии с ожиданием) эпителий бронхов, однако при выращивании с печеночной мезенхимой из нее развиваются печеночные балки. Аналогичные результаты получены и в других эпителиально-мезенхимных комбинациях.

При дифференцировке в этих экспериментальных системах происходит как становление формы данною органа, так и его цитодифференцировка, обеспечивающая последовательность его биохимической специализации. Особенно подходящей системой для экспериментального отделения морфогенеза от цитодифференцировки может служить поджелудочная железа млекопитающих. Этот сложный орган содержит эндокринные клетки двух типов: α-клетки, вырабатывающие глюкагон, и β-клетки, вырабатывающие инсулин; кроме того, в нем есть экзокринные клетки, синтезирующие и выделяющие ферменты, которые обеспечивают гидролиз жиров, белков, полисахаридов и нуклеиновых кислот в пищеварительном тракте. Формирование поджелудочной железы у зародыша мыши начинается примерно на 9-й день внутриутробного развития в виде выроста кишечной энтодермы, выступающего в окружающую мезенхиму. Примерно на 10-11-й день зачаток поджелудочной железы имеет вид эпителиальной луковицы с сужающимся основанием, окруженным слоем мезенхимы. В течение нескольких следующих дней в результате быстрого роста и морфогенеза образуются многочисленные дольки - ацинусы, а также островки, содержащие β-клетки. Как показали Руттер (Rutter) и его сотрудники, цитодифференцировка начинается в этот период слабо выраженным синтезом характерных панкреатических ферментов. Между 15-м и 19-м днями происходит резкое усиление ферментного синтеза до уровня, наблюдаемого в полностью дифференцированной железе. Весселс (Wessels) и его сотрудники описывают соответствующую этому периоду внутриклеточную дифференцировку, наиболее заметным элементом которой служит появление в цитоплазме скоплений зимогеновых гранул; эти гранулы содержат ферменты, предназначенные для выведения из ацинозных клеток.

Голосов и Гробстейн (Golosov, Grobstein) обнаружили, что зачаток поджелудочной железы при выращивании in vitro способен нормально дифференцироваться; с точки зрения экспериментальных исследований это оказалось большой удачей. Используя эту хорошо разработанную систему, Спунер (Spooner) и его сотрудники решили выяснить, можно ли отделить процесс цитодифференцировки поджелудочной железы от ее морфогенеза. Они извлекали зачатки поджелудочной железы из 10- и 11-дневных мышиных зародышей и помещали их в культуральную среду. Интактные зачатки выполняли ожидаемую программу: рост, морфогенез ацинусов и цитодифференцировка. Если же при изоляции зачатков железы от их эпителиальной части отделяли мезенхиму, то ни у одного из них не развивались ацинусы и не происходил рост путем митотических делений, но, несмотря на отсутствие морфологических изменений, уровень фермента амилазы в клетках повышался и в цитоплазме своевременно появлялись зимогеновые гранулы.

Разобщение, или диссоциация, цитодифференцировки и морфогенеза возможно не только в лабораторных условиях. Аналогичное разобщение произошло в процессе эволюции у некоторых оболочников. Развитие большинства асцидий протекает так, как это показано на рис. 4-4, т.е. с образованием головастикоподобной личинки, обладающей типичными для хордовых дорсальным нервным стволом, хордой и сегментированной мускулатурой; мышечные клетки хвоста у них богаты ацетилхолинэстеразой. Некоторые виды оболочников, принадлежащие к сем. Mogulidae, живут на плоском песчаном или илистом дне, где личинкам практически не нужно выбирать себе место, а поэтому им не требуется сложная морфология, которой обладают подвижные головастикообразные личинки. Соответственно у таких представителей Mogulidae, как Moyula arenata, отсутствуют типичные для оболочников личиночные структуры, в частности сенсорные органы, хорда и хвостовые мышцы. Тем не менее, как это установил Уиттейкер (Whittaker), у зародышей М. arenata клетки, гомологичные тем клеточным линиям, которые у других оболочников, имеющих головастикообразную личинку, дают начало хвостовым мышцам, все еще продуцируют ацетилхолинэстеразу. У личинок другого вида, М. pilularis, нет ни хвоста, ни вырабатываемой хвостовыми мышцами ацетилхолинэстеразы; однако у этого вида ацетилхолинэстераза продуцируется в мышечной и нервной тканях взрослой особи, позволяя предположить какое-то регуляторное изменение генной экспрессии: ген, определяющий синтез ацетилхолинэстеразы, сохраняется, но экспрессируется на иной стадии жизненного цикла.