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. 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.

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. 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.

Гены, вступающие в действие на более поздних стадиях развития и в процессе роста

Ясно, что мутации генов, непосредственно определяющих морфогенетические пути, в особенности тех генов, которые действуют на ранних стадиях, могут вызывать чрезвычайно резкие изменения развития. Однако существуют также гены, действующие на более поздних стадиях, и, хотя эти гены оказывают влияние на общую морфологию данного организма, оно во многих случаях не влечет за собой явных вредных последствий. К таким генам относятся гены, контролирующие особенности роста организма после становления общей морфологии и органогенеза. Они были обнаружены по экспрессии мутаций, которые влияют на действие гормонов, что приводит к гигантизму или карликовости. Изменения формы (например, относительных размеров конечностей) могут быть результатом изменений характера роста, вызываемых плейотропными эффектами, сопровождающими основной гормональный эффект мутации. Изменения такого типа несомненно приводили к эволюционным изменениям, однако подобные поздние изменения развития не вызывали коренных перестроек морфологии. Несмотря ни на что, карликовый слон – это все-таки несомненно слон. Известна, однако, одна мутация, изменяющая размеры организма, которая демонстрирует пластичность процесса развития и заслуживает поэтому особого внимания. Это – мутация gt (giant) у Drosophila melanogaster. Этот сцепленный с полом рецессивный признак был впервые обнаружен Бриджесом (Bridges) и Габерчевски (Gaberchevsky) в 1928 г. Весь процесс развития дрозофилы – от оплодотворения до достижения половозрелости – обычно занимает 10 дней. У мутантов gt этот процесс продолжается на 2–5 дней дольше. Образующиеся при этом особи морфологически не отличаются от обычных мух, но они вдвое крупнее. Способ возникновения этого изменения представляет значительный интерес. Развитие мух gt протекает нормально на протяжении всего эмбрионального периода и вплоть до приближения личинок к концу третьего возраста. Однако в тот момент, когда нормальные особи окукливаются и начинают метаморфоз, особи gt продолжают оставаться в личиночном состоянии. Именно на личиночных стадиях и в начале стадии куколки происходит пролиферация имагинальных дисков – клеток, предназначенных для формирования тканей взрослой мухи, а от числа этих клеток зависят размеры имаго. У личинок gt в течение этого растянутого периода личиночного развития, по-видимому, происходит по меньшей мере одно дополнительное клеточное деление. Об этом можно судить потому, что те клетки личинки, которые политенны (например, клетки слюнных желез), участвуют по крайней мере в одном, а иногда и в двух дополнительных циклах синтеза ДНК. Личинки gt после этого 2–5-дневного добавочного периода роста образуют куколку, которая примерно вдвое крупнее обычной. Затем происходит метаморфоз и после несколько удлиненной стадии куколки появляется на свет морфологически нормальная взрослая особь двойного размера. Следовательно, насекомое способно регулировать свое развитие, так что, несмотря на явную дополнительную пролиферацию, предшествующую дифференцировке, никаких дополнительных элементов (органов) не образуется. В эволюции ранних событий онтогенеза у оболочников и низших хордовых. У этих организмов число и сроки делений дробления изменялись в зависимости от относительного значения личиночной стадии у разных видов.