Регуляция регенерации гидры и развития конечностей позвоночных
Данные, которые наиболее явно подтверждали идею влияния на развитие веществ- морфогенов , были получены на простом многоклеточном животном - пресноводном полипе, гидре. На одном конце тела гидры находится стебелек с подошвой, которой гидра прикрепляется к дну, - "нога". На другом конце - окруженный щупальцами ротовой конус, - "голова". (Дальше мы будем использовать термины "голова" и "нога" без кавычек, но надо помнить, что настоящих головы и ноги у гидры нет).
Как известно, у гидры хорошо развита способность к регенерации. Если перерезать ее поперек, каждая половинка восстанавливает недостающую часть: у верхней развивается нога, а у нижней - голова ( рис. 168 , 1). Самые показательные результаты были получены при сращивании кусочков тканей разных особей. Если кусочек ткани пересадить на боковую сторону другому полипу, то возможны три варианта: на боку образуется новая голова (как при почковании), новая нога или кусочек ткани просто прирастает, не образуя новой оси тела. Оказалось, что результат пересадки зависит от разных факторов.
На рис. 168 показаны результаты следующих воздействий: 1,А - при отрезании головы или ноги происходит их восстановление; 1,В - при вырезании среднего участка тела голова и нога регенерируют с сохранением полярности; 2 - результат пересадки фрагмента ткани (показан темной полоской) зависит от наличия у хозяина головы. Если голова сохранна (А), пересаженный фрагмент редко образует голову. При отсутствии головы у реципиента (Б) на пересаженном фрагменте чаще формируется добавочная голова, что говорит о "подавлении" головой хозяина процесса формирования "лишних" голов; 3 - результат пересадки зависит от того, куда пересажена ткань: чем дальше от головного конца хозяина, тем чаще формируются добавочные головы (при пересадке А они формируются очень редко, при пересадке С - часто). Это может говорить о наличии вещества-ингибитора, концентрация которого падает от головы к ноге; 4 - результат пересадки зависит от того, откуда взята ткань. Чем ближе к голове донора взят участок ткани, тем чаще он формирует головы. Это говорит о наличии вещества-активатора, концентрация которого наи большая в области головы.
Эти результаты можно суммировать так:
- Во-первых, важно, присутствует ли у реципиента своя голова. Если ее удалить, это вызывает резкое повышение процента образования новых голов из пересаженной ткани ( рис. 168 , 2).
- Во-вторых, важно, куда пересажена ткань донора: чем дальше от головы реципиента, тем больший она дает процент голов ( рис. 168 , 3). Важно также, откуда взята ткань донора: чем ближе от его головы вырезан кусочек ткани, тем чаще он образует головы на боку другого полипа ( рис. 168 , 4).
На основании этих опытов была выдвинута гипотеза, что регенерацией головы управляют два вещества: активатор и ингибитор. Активатор находится внутри ткани и прочно связан с клетками, а ингибитор легко диффундирует и уходит в среду. Концентрация обоих веществ наиболее высока в голове и падает по направлению к ноге. После удаления собственной головы концентрация ингибитора падает сильнее и действие активатора усиливается. По мере регенерации активатор ускоряет собственный синтез и синтез ингибитора.
В 80-е годы благодаря успехам биохимических методов удалось выделить вещества, которые обладали свойствами активатора и ингибитора, и установить их природу. Оказалось, что эти вещества присутствуют в тканях и проявляют биологическую активность в ничтожных концентрациях. Активатор головы при добавлении в среду ускоряет регенерацию головы уже в концентрации 10 в степени минус 13 молей (для его выделения и очистки пришлось вырастить несколько килограммов гидр). Было установлено, что активатор головы - небольшой пептид (известна его аминокислотная последовательность), а ингибитор головы - небелковое вещество (биогенный амин). Активатор в норме синтезируется в нервных клетках и выделяется в межклеточное пространство при регенерации, а ингибитор от клетки к клетке передается через щелевые контакты. Свойства этих веществ соответствовали предсказаниям модели. Например, активатор диффундирует и разрушается медленно, так как он связан с белком большой молекулярной массы. Такие же вещества (активатор-пептид и небелковый ингибитор) управляют развитием ноги. Активатор головы действует как митоген (стимулирует переход клеток к митозу ), а также направляет их дифференцировку.
Несмотря на простую тканевую структуру гидры, клетки в разных частях ее тела различаются по морфологии и биохимическим свойствам. Воздействие активатора головы необходимо для развития клеток, характерных для головного конца.
Механизм действия активаторов и ингибиторов на клетки до конца не изучен. Видимо, они действуют на рецепторы наружной мембраны.
Итак, дифференцировка клеток и развитие частей тела гидры действительно определяется концентрацией специфических веществ- морфогенов . Получены доказательства, что и в развитии более сложных животных градиенты веществ могут играть важную роль.
Один из наиболее изученных примеров морфогенеза - развитие и регенерация конечности позвоночных животных (в первую очередь личинок амфибий и куриного зародыша). Конечности позвоночных развиваются из почки конечности - скопления мезенхимных клеток (см. " ОРГАНОГЕНЕЗ: РОЛЬ ИНДУКЦИОННЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ "). Первоначально все клетки почки и некоторой окружающей области (поля конечности) способны сформировать все ее элементы. Если поле конечности искусственно разделить перегородкой, развивается добавочная конечность. Затем происходит детерминация клеток, и они дают уже только определенные части конечности. Кости первоначально закладываются в виде хрящевых зачатков в определенных участках вдоль передне-задней оси. В частности, в области кисти крыла у куриного зародыша в норме закладывается три пальца - со второго по четвертый ( рис. 169 ). Считается, что первый и пятый пальцы крыла у птиц в ходе эволюции исчезли и ни при каких обстоятельствах они не образуются. Выяснилось, что у заднего края почки конечности есть небольшая группа клеток, которая была названа зоной поляризующей активности (ЗПА) . При удалении ЗПА пальцы не закладываются. Если удалить ЗПА и пересадить ее на передний край почки конечности, то пальцы образуются в обратном порядке (на переднем крае оказывается четвертый палец, а на заднем - второй). Если же на передний край почки пересадить дополнительную ЗПА, то образуется вдвое большее число пальцев ( рис. 170 , 1). Возникла гипотеза, что клетки ЗПА выделяют вещество-морфоген, которое при высокой концентрации индуцирует развитие четвертого пальца, при более низкой - третьего, при еще более низкой - второго ( рис. 170 ). Номер пальца определяется расстоянием до ближайшей ЗПА (на расстоянии от нуля до единицы формируется четвертый палец, от единицы до двух - третий и т. п.), а всего пальцев на конечности может быть не более шести (т.е. единица расстояния - одна шестая часть ширины почки конечности). Эта модель позволяет предсказывать результаты пересадки основной или дополнительной ЗПА на различные участки почки конечности.
Удалось установить, что веществом-морфогеном в данном случае служит ретиноевая кислота (см. " ОРГАНОГЕНЕЗ: РОЛЬ ИНДУКЦИОННЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ "). Если пластиковые бусинки, пропитанные ей, вживить на передний край почки, то это вызывает такое же удвоение пальцев, как при пересадке дополнительной ЗПА. Ретиноевая кислота проникает внутрь клеток и связывается с белками- рецепторами. Ядерный рецептор ретиноевой кислоты - фактор транскрипции, который может включать различные гены, определяющие ход развития. Белок- рецептор появляется на определенных стадиях развития в основном в хрящевых клетках, которые и реагируют на морфоген.
