Факторы дифференцировки

Проблема факторов, определяющих направление дифференцировки клеток, поставлена давно. Ее решение было основной задачей механики развития (см. главу 14). Тем не менее, успехи в этой области еще не очень велики: выяснены факторы, определяющие лишь несколько десятков направлений из сотен дифференцировок, составляющих весь процесс развития. Еще меньше данных о химической природе этих факторов. Известные сегодня факторы дифференцировки можно разделить на несколько типов. Первым из них, действующим уже на самых ранних стадиях, следует назвать ооплазматическую сегрегацию.

Неоднородность цитоплазмы яйца у большинства видов обнаруживается еще в оогенезе и внешне выражается в неравномерном распределении желтка, пигмента, положении ядра и др. Эти различия создают одну анимально‑вегетативную ось, обычно соответствующую передне‑задней оси будущего зародыша. Однако у некоторых животных, например, асцидий, неоплодотворенное яйцо совершенно изотропно, т. е. не имеет никаких видимых отличий, позволяющих определить полюса и оси. Если такое яйцо разрезать пополам в любой плоскости, то из каждой половины после ее оплодотворения разовьется по одному целому зародышу (один нормальный диплоидный из той половины, где окажется женское ядро, другой – гаплоидный). Основные процессы, определяющие разделение цитоплазмы яйца на зоны – ооплазматическую сегрегацию, происходит после оплодотворения перед первым делением дробления. У амфибий это выражается в появлении серого серпа – будущей мезодермальной области – и в обособлении эктодермальной зоны над серпом и энтодермальной под ним. У асцидий образуется несколько таких зон (5–6), у червей и моллюсков создается довольно сложная картина, образованная полярными плазмами и другими участками яйца, имеющими свои особенности. В ходе делений дробления клеточные стенки обособляют ооплазматические зоны друг от друга, как бы фиксируя их сегрегацию, а ядра клеток оказываются окруженными цитоплазмой, несколько отличающейся в разных частях бластулы. Предполагается, что именно эти отличия определяют различия дифференциальной активности генов в этих частях и тем самым направление дифференцировки.

Механизмы ооплазматической сегрегации почти неизвестны. Расположение некоторых ее элементов, например, распределение желтка, вначале определяется положением ооцита в яичнике, а затем удерживается силой тяжести, так как желточные гранулы тяжелее других компонентов яйца. Появление серого серпа после опытов А. Кертиса, пересадившего тонкий поверхностный слой яйца, связывают со структурой поверхности. Многочисленные опыты по центрифугированию яиц также показали, что искусственные перемещения компонентов цитоплазмы обычно обратимы и что наиболее жесткой структурой в яйце является его поверхностный слой – кортекс. Вместе с тем сами различия между зонами яйца, по‑видимому, невелики; они могут легко смещаться, восстанавливая каким‑то образом искусственно нарушенные количественные соотношения между ними. Так, если из яйца или бластулы лягушки удалить часть эктодермальной зоны, зародыш развивается вполне пропорциональным, хотя и соответственно меньшего размера. Еще более это заметно при разделении бластомеров: из каждого бластомера, если он содержит все три зоны (экто‑, мезо‑ и энтодермальную), хотя бы и в нарушенных пропорциях, также образуется нормальный зародыш.

В пределах каждой из зон можно обнаружить некоторые количественные различия, также влияющие на судьбу клеток, получивших эту цитоплазму. Так, в зоне серого серпа можно выделить центральный участок, с которого начинается гаструляция и который дифференцируется в хорду и оказывает индуцирующее влияние на эктодерму. По сторонам от этой зоны располагаются участки серого, серпа с несколько иными свойствами, которые впоследствии определяют дифференцировку мезодермальных производных.

Допускают, что в яйце морского ежа существует два противоположно направленных градиента – постепенные изменения свойств, идущие от анимального полюса к вегетативному и обратно. И хотя в нем вообще трудно различить обособленные зоны, а о природе ооплазматических различий почти ничего не известно, можно полагать, что последние состоят в различиях концентрации веществ, связанных со структурами цитоплазмы яйца, что и определяет их локализацию. Если действительно будет доказано, что различий в концентрации достаточно, чтобы направить дифференцировку по иному пути, это будет означать, что такие факторы морфогенеза малоспецифичны.

Вторым фактором дифференцировки является индукция – химическое влияние одного зачатка на другой. Примеров индукции сейчас известно довольно много, но ни в одном из случаев точная природа индуцирующего вещества не была установлена. Дольше и тщательнее других изучался механизм первичной индукции – образования нервной ткани воздействием зачатка хордо‑мезодермы на эктодерму, причем установлено, что в этом случае индуцирующее влияние может быть осуществлено при помощи веществ, возможно, и близких по своей химической природе, но полученных из источников, весьма далеких от естественного индуктора (см. главу 14).

Недавно Г. Тидеман (1967) выделил из ткани цыпленка белок с молекулярным весом 25 000, обладающий индуцирующим действием на эктодерму лягушки. Весьма вероятно, что действующим началом других индукторов также являются белковые вещества той или иной природы. Можно полагать, что при индукции нервной системы активным оказывается целый класс веществ, имеющих, очевидно, что‑то общее с тем естественным индуктором, который синтезируется в клетках зачатка хордо‑мезодермы лягушки и действует на ее эктодерму. Биохимические исследования, проведенные различными исследователями за последние десять лет, позволили сделать вывод, что индукционные вещества могут обладать различной природой, а их специфичность не может быть особенно высокой. Раскрытие природы этих веществ и их роли в индукционных процессах – дело ближайшего будущего.

Другие факторы дифференцировки изучены значительно хуже, но и в этих случаях очевидна их невысокая специфичность. Так, по данным Г.В. Лопашева (1963), дифференцировка клеток зачатка глаза на сетчатку и пигментный эпителий может, по‑видимому, определяться различными условиями обмена: распластанные клетки, обладающие возможностью свободного обмена со средой, дифференцируются в пигментный эпителий, клетки же, находящиеся внутри зачатка, – в сетчатку. Аналогичным образом на дифференцировку оказывают влияние также такие факторы, как концентрация клеток, наличие волокон коллагена и др.

Гормоны формально нельзя отнести к факторам дифференцировки. Равномерно распределяясь по организму, они сами по себе не могут увеличить дифференцированность, т. е. определить разные направления развития у одинаковых клеток. Выяснилось, однако, что гормоны оказывают свое влияние не на все ткани, а лишь на способные на них реагировать, (так называемые органы‑мишени), причем в одном организме могут оказаться ткани, по‑разному отвечающие на действие одного гормона. Характер действия гормонов в принципе не отличается от действия других морфогенетических агентов: они также являются причиной перехода клеток к новым этапам развития посредством включения новых генов.

Xenopus laevis