Вопросы биологии

Поскольку я не так давно стал заниматься моделированием биологических систем, у меня возникает куча самых разных вопросов. Может быть, ivank и другие специалисты могут внести некоторую ясность. Мне интересны явления, связанные с коллективным поведением большого числа клеток. Пожалуй, наиболее фундаментальное из них - морфогенез (morphogenesis). Я так себе представляю, что в начале все клетки организма - приблизительно одинаковы, а потом происходит дифференцирование и формируются разные ткани и органы. Я представляю себе два возможных механизма такого дифференцирования.

Первый связан с "differential adhesion hypothesis": клетки взаимодействуют друг с другом (в частности) при непосредственном контакте. Можно себе представить, что из-за случайных процессов (или генетически?) в какой-то момент клетки становятся не совсем идентичными, так, что сила сцепления между соседними клетками (cell-cell adhesion) начинает быть разной для разных клеток. В результате этого, клетки с одинаковой силой сцепления собираются в отдельные кластеры. (Так как сила сцепления напоминает поверхностное натяжение, можно увидеть аналогию с каплями масла на поверхности воды).

Второй механизм может быть основан на химии. Клетки выделяют и пожирают разные молекулы, которые быстро диффундируют в разные стороны. Тем не менее, более или менее однородное распределение этих молекул может быть неустойчивым состоянием, что приводит к patterns, - то есть неоднородностям в концентрациях этих молекул. Дальше возможно движение клеток по градиентам конценраций этих молекул. В результате разные клетки будут находиться в областях с разными концентрациями, что создает почву для дифференциации.

Может ли кто-нибудь прокомментировать эти механизмы, или привести какие-то другие? Заранее спасибо.

Этим вопросам были в стародавние времена посвящена деятельность Марка Цетлина. После его безвременной смерти его работы были собраны в замечательной книге "Исследования по теории автоматов и моделированию биологических систем"
http://www.alib.ru/findp.php4?author=%D6%E5%F2%EB%E8%ED
Конечно, с тех пор видимо многое было сделано( в частности, через несколько лет вышла книга Варшавского
http://www.softcraft.ru/bel/vvi/index.shtml)
В книге Цетлина особенно интересна(для меня по крайней мере) идеология - там есть его совершенно неформальная лекция "О математическом моделировании простейших форм поведения", прочитанная им для физиологов.

Посмотрите современные представления, обьяснённые на пальцах:
http://en.wikipedia.org/wiki/Morphogenesis
Если будут конкретные вопросы - постараюсь помочь

Спасибо. На самом деле, я, наверное, еще не в той стадии понимания, чтобы задавать конкретные вопросы. Пока я хочу уловить общую картину и пытаюсь понять основные механизмы и проблемы. Собственно, над чем люди работают? В моей базе данных есть 18530 статей (по слову morphogenesis) за последние 10 лет. Какие проблемы люди решают? Например, что именно контролируется генетикой, а что - местоположением клетки? Я привел два механизма, один - со сцеплением, другой - с химией (неоднородностями концентрацией всяких морфогенов). Насколько они общеприняты? Какой важнее (и на какой стадии)? В вики (и в статьях) пишут, что "сells sort out in different layers due to the differential adhesion model or thermodynamic model. This model states that cells sort based upon differences in adhesion between the cells" Но неясно, каким образом получается изначальная разница в сцеплениях между клетками.

Если попытаться ответить очень просто.
Уже в яйцеклетке видны два разных полюса и заложена неоднородность белков (в виде запасённых матриц, mRNAs), которые будут синтезироваться в той или иной части её цитоплазмы после оплодотворения и дробления - в унаследовавших эту часть цитоплазмы маленьких клетках (при дроблении общий обьем клеток практически не меняется - получается всё больше всё более мелких клеток). В каждой клетке, полученной дроблением, находится одинаковая информация, записанная в виде ДНК и идентичная исходной (в оплодотворённой яйцеклетке), однако последующий синтез в ней определённых белков (mostly, transcription factors) на запасённын mRNAs в комбинации с поступающими извне сигналами определит конкретный спектр активируемых в ней генов (including genes coding for new transcription factors) и её дальнейшую судьбу (дифференцировку). Взаимодействие с соседними клетками также чрезвычайно важно для правильной дифференцировки, этот процесс особенно интенсивно и успешно изучается последнее время на модели стволовых клеток (stem cells).

Спасибо. Я подумаю и почитаю побольше.

Да, без хорошего учебника, ИМХО, не обойтись.

Классический учебник по биологии развития - это Гилберт. Последнее издание - 2006 года. http://www.amazon.com/Developmental-Biology-Eighth/dp/087893250X
(в сети есть только древнее русское издание, его я немного читал). Эту

Классический учебник по молекулярной и клеточной биологии - это Альбертс. Последнее издание - 2002 года (т.е. уже не очень свежее). Русское издание я читал.
http://www.amazon.com/Molecular-Bio...2181/ref=pd_bxgy_b_text_b/103-2713518-6486265
Кстати, amazon.com полностью согласен со мной и рекомендует купить эти два учебника одновременно .
Есть и другие хорошие учебники о клетке. Например, Лодиш - последнее издание 2003 года, есть в сети: http://web.archive.org/web/20030714...asp?disc=&id_product=1149000205&compType=PREV (эту книжку я тоже читал)

Но рекомендовать читать эти книги начинающему не очень гуманно, т.к. они большие по объему, а Гилберт еще и не всегда понятен.

Есть еще книжка Корочкина по генетике развития 2002 года. Написана несколько темно, требует изрядной биологической подготовки, но содержит массу фактической информации. http://urss.ru/cgi-bin/db.pl?cp=&page=Book&id=15399&lang=Ru&blang=ru&list=260

ИМХО, оптимальный вариант - это учебник Л.В. Белоусова "Основы общей эмбриологии" (2005). http://urss.ru/cgi-bin/db.pl?cp=&lang=Ru&blang=ru&list=260&page=Book&id=34494
Книга сравнительно небольшого объема, написана очень ясно, показано столкновение идей, фактическая информация - только самая необходимая, есть некоторый минимум сведений по молекулярной биологии клетки.
Только как Вы сможете ее достать - не знаю . Наверное, можно заказать.

В дальнейшем я буду ориентироваться на Белоусова и обозначать его "Б", а иногда - на Корочкина (и обозначать его "К").

ivank, я вижу Вы не оставили эту идею. Это просто здорово! Особенно меня порадовала последняя фраза. Жду упоминаний как "Б", так и "К"

Вначале уточним терминологию. Процессы развития можно подразделить на три относительно независимые категории (Б, 12):
1) морфогенез - процесс образования новых форм и структур из отдельных клеток и клеточных коллективов (двумерных пластов и трехмерных клеточных скоплений);
2) клеточная дифференцировка - процесс, в результате которого клетки зародыша приобретают стойкие и, как правило, необратимые различия между собой, основанные на способности к преимущественному синтезу специфических белков. В результате дифференцировки изменяется не только химический состав, но и внутренняя структура клеток.
3) процессы роста - увеличение массы и/или размеров тела, характерны в основном для постэмбрионального развития.

Сходная классификация дана в Википедии.


Вообще есть два подхода к индивидуальному развитию (т.е. онтогенезу) организма:
геноцентрический и морфоцентрический (Б, гл. 12). В последние десятилетия наиболее успешно развивается геноцентрический подход: определяют какие гены и каким образом влияют на процессы развития. Однако этот подход имеет свои ограничения:
1) Оказалось, что у разных видов гомологичные гены часто отвечают за развитие разных систем. И наоборот, разные (негомологичные) гены отвечают за развитие одних и тех же систем.
2) Геноцентрический подход мало что может сказать о формообразовании (морфогенезе).
3) В то же время по данным сравнительной эмбриологии типов эмбриогенеза не так много. Можно выделить т.н. "зародышевые узлы сходства" - стадии развития, общие для очень широких групп животных (они называются узлами, т.к. как более ранние так и более поздние стадии внутри этих групп могут различаться). Например, есть зародышевый узел сходства для всех позвоночных, есть для всех членистоногих, есть и для более крупных групп (для первичноротых, для вторичноротых).

Таким образом, у морфогенеза есть свои закономерности, не очевидным образом связанные с генотипом и устойчивые к его изменениям. Изучение этих закономерностей определяет морфоцентрический подход. Женя, ИМХО, Ваша работа лежит в русле именно этого подхода.

Как по отношению к этим двум подходам распределяются упомянутые мною учебники?
Геноцентрический подход: Альбертс, Лодиш, Корочкин и Гилбертс (по крайней мере, преимущественно).
Скорее морфоцентрический подход - Белоусов.

Согласно принятой терминологии, описываемые в приводимой ниже цитате механизмы - это механизмы морфогенеза:

Белоусов называет эти явления - "регуляции путем сортировки клеток".

Первый механизм был обнаружен в простых опытах (Б, 150): зародыши амфибий на стадии гаструлы или нейрулы диссоциировали на отдельные клетки и перемешивали. Через несколько десятков часов наблюдалось отмешивание разных типов клеток друг от друга, причем энтодерма располагалась в виде плотного шаровидного комка в центре агрегата, эктодерма - на поверхности, а мезодерма занимала промежуточное положение. Т.е. структура агрегата примерно соответствовала расположению зародышевых листков в нормальном развитии. В дальнейшем, как я понял, выяснилось, что такие агрегаты образуются за счет дифференциальной адгезии клеток (у разных типов клеток наружу экспонированы разные типы молекул адгезии).
Информацию по терминам можно найти здесь:
http://en.wikipedia.org/wiki/Embryogenesis


Классическая модель для изучения второго механизма - образование плодового тела у миксомицет (Б, 152). Миксомицеты большую часть жизненного цикла проводят в виде отдельных клеток (миксамеб). Но при некоторых условиях (например, при недостатке пищи) миксамебы начинают образовывать скопления. Отдельные амебы начинают выделять цАМФ, а остальные ползут по градиенту концентрации. В результате образуется ползающее образование из нескольких тысяч амеб. Клетки этого образования случайным образом дифференцируются на предстеблевые и предспоровые. Дальше и те и другие ползут по градиенту цАМФ (к переднему концу образования), но наиболее активно это делают предстеблевые. В результате происходит разделение предстеблевых и предспоровых клеток, и в дальнейшем образуется плодовое тело, состоящее из спор, сидящих на длинной ножке.

Регуляции сортировки клеток основываются на том, что участвующие в них клетки устойчиво сохраняют свою исходную дифференцировку (или свои исходные возможности дифференцировки - проспективные потенции). Однако существует другой тип эмбриональных регуляций - т.н. дришевские регуляции (Б, 143). Название дано в честь Г. Дриша, который в конце XIX века разделил зародыш морского ежа на стадии двух бластомеров (двух клеток) на два отдельных бластомера. Каждый из двух бластомеров дробился и давал "полубластулу". Но затем такая "полубластула" замыкалась, образовывалась нормальная бластула и в результате развились два нормальных ежа! Дриш сформулировал вывод так: "Проспективное значение каждого элемента системы есть функция его положения в целом". В дальнейшем было обнаружено множество аналогичных регуляций на самых разных стадиях развития. В результате дришевских регуляций происходит восстановление нарушенного хода эмбрионального развития, причем путь, по которому идет восстановление может отличаться от нормального, и в ходе такого восстановления происходит изменение проспективных потенций клеток (определенных при помощи специальных критериев).

И каково соотношение дришевских и недришевских регуляций?

(Б, 152) "У большинства многоклеточных организмов основанные на сортировке клеток недришевские регуляции в нормальном развитии существенной роли не играют: они отражают скорее резервные механизмы, вступающие в дело, когда нужно обеспечить "чистоту тканей от чужеродных клеток". Интересно, что механизмы клеточной сортировки в определенной степени нарушаются при раковых заболеваниях, что способствует инвазивному росту раковой ткани в другие ткани организма".
(Б, 153) "Регуляции же дришевского типа возникли в ходе эволюции позже. Необходимой предпосылкой к их развитию было появление крупных яйцеклеток и эпителизованных зародышевых листков, клетки которых не способны в нормальных условиях к перемешиванию и должны поэтому в ходе развития подчиняться занятому ими положению".

Существует два общих подхода к объяснению онтогенеза. Первый основан на концепции позиционной информации, изложенной в приводимой ниже цитате (примерно то же самое пишет и Корочкин):

Классический пример развития, согласующегося с концепцией позиционной информации - это развитие дрозофилы. Его описание и приводится в Википедии: http://en.wikipedia.org/wiki/Morphogenesis

Однако, развитие дрозофилы - довольно специальный случай, т.к. в течение нескольких первых делений клетки зародыша дрозофилы не разделяются оболочками, т.е. образуют синцитий. В результате градиенты веществ яйцеклетки преобразуются в градиенты веществ синцития. Кроме того, "недавно было обнаружено, что градиент концентрации белка bicoid даже в нормальных условиях (и тем более в экспериментально измененных) может быть весьма изменчивым, а локализация генов группы gap тем не менее весьма точной" (Б, 260).

Далее, очевидно, что и существование дришевских регуляций противоречит концепции позиционной информации. Альтернативой является концепция морфогенетических полей (Б, 149). Она предполагает, что либо зародыш целиком (на ранних стадиях развития), либо отдельные его части (на более поздних стадиях) представляет собой единое целое, элементы которого (клетки), участвуют в ближних и дальних взаимодействиях и в результате координируют поведение друг друга.

P.S. Продолжение следует...

Спасибо! Все внимательно посмотрю.

Рассмотрим вначале примеры ближних взаимодействий.
В ходе развития некоторых моллюсков бластомер, обозначаемый индексом 3D, увеличивается в размерах и устанавливает контакты со всеми другими бластомерами. Впоследствии этот бластомер дает начало мезодерме и значительной части энтодермы. Но если искусственно установить контакты со всеми бластомерами для любого другого бластомера, то его морфогенетическая судьба будет такая же, как у 3D (Б, 108). Этот пример иллюстрирует важность топологии дробления и степени связности клетки для ее дальнейшей судьбы. Степень связности также является определяющей для дифференциации оогониев дрозофилы на проооциты и вспомогательные клетки-кормилки (Б, 51). Другой пример - дифференцировка клеточного пласта личинки дрозофилы на нервные и эпителиальные клетки. Изучен молекулярный механизм этого процесса. Исходно все клетки этого пласта экспонируют наружу рецептор Notch и его лиганд Delta. В на мембранах некоторых клетках плотность лигандов Delta случайным образом несколько возрастает. В результате их соединения с рецепторами Notch соседних клеток эти белки Notch расщепляются, и один из их фрагментов идет в ядро и там как транскрипционный фактор активирует гены, направляющие клетку в сторону эпителиальной дифференцировки. В результате первоначально однородный клеточный пласт превращается в мозаику из одиночных нервных клеток, окружающих себя сплошными "венчиками" эпителиальных клеток (Б, 273-275).

Между клетками осуществляются и дальние взаимодействия, что и дает возможность говорить о "полях". Природа дальних взаимодействий - химическая, механическая или электрическая.

Хуже всего изучены и, наверное, наименьшее значение имеют электрические поля. Они имеют определенное значение для ориентации роста аксонов и некоторых типов эмбриональных клеток. Установлено, что вне организма аксоны растут в сторону катода. Наличие слабых (но достаточных, согласно упомянутым экспериментам in vitro для ориентации аксонов) электрических полей в зародышах показано прямыми измерениями. Другие виды эмбриональных клеток (нервного гребня, миобласты, эндотелиальные) определенным образом ориентируются в электрических полях (чаще всего боком к вектору поля) и затем начинают двигаться к какому-либо полюсу (обычно к катоду). Тем не менее (еще?) не доказано, что именно гальванотропизм является решающим фактором, определяющим направление движения клеток.

Согласно гипотезе хемотаксиса клетки или окончания аксонов растут по градиентам определенных диффундирующих веществ. Для аксонов нервных клеток описан ряд таких веществ, причем часть их них действует на относительно далеких расстояниях (у насекомых: семафорин, нетрин-1 и нетрин-2), а часть - на более близких. Примечательно, что функции нетринов изменяются, если они связываются с веществами межклеточного матрикса (Б, 229). Градиент на более близких расстояниях участвует, например, при установлении точных связей между окончаниями аксонов зрительного нерва и нервными центрами зрительной области среднего мозга. Точность этих связей жизненно необходима для животного, и она не только устанавливается в ходе развития, но и восстанавливается (у лягушки) после перерезки зрительного нерва. Некоторое время назад считалось, что каждая точка зрительной области имеет свою химическую специфику, которая и узнается строго определенным нервным окончанием. Однако оказалось, что здесь действует более "целостная" стратегия. В сетчатке развивающегося глаза в определенном направлении формируется градиент мембранных рецепторов к белкам-эфринам. В это же время в зрительной области также в определенном формируется градиент мембранных белков-эфринов. Затем от различных зон сетчатки отрастают аксоны, "наследующие" градиент эфриновых рецепторов (ЭР). Оказалось, что аксоны с большой плотностью ЭР лучше всего взаимодействуют с областями зрительной области, содержащими мало эфринов, а с малой плотностью ЭР - одинаково хорошо со всем зонами зрительной области. В результате устанавливается первоначальная разметка связи между зрительным нервом и зрительной областью (Б, 229-231).

Механотаксис: было показано, что эмбриональные фибробласты, высаженные на определенным образом растянутый субстрат, ориентируются (в отличие от ситуации с нерастянутым субстратом) и движутся вдоль линий механического натяжения. Это явление было названо "контактным ведением" (contact guidance). Причем они движутся в область самой высокой концентрации натяжений - тензотаксис (Б, 231-232).

Также есть многочисленные данные о влиянии неоднородностей субстрата и молекулярного состава внеклеточного матрикса на движение и образование скоплений клеток (Б, 232).

Все рассмотренные выше случаи дальних взаимодействий относились к миграции не связанных между собой клеток (или росту аксонов). Однако основную роль в морфогенезах высших животных, как я уже упоминал, играет согласованное поведение обширных клеточных образований, в ходе которого отдельные клетки перемещаются и меняют своих соседей сравнительно мало. Какие типы движений имеются в виду?

1) Радиальная, или изотропная, интеркаляция клеток. Происходит, например, с самого начала гаструляции у бесхвостых амфибий, вдоль всей крыши бластоцеля. Исходно крыша состоит из 3-4 слоев клеток. Клетки всех слоев (кроме наружного) смещаются радиально относительно бластулы (т.е. перпендикулярно крыше) во встречных направлениях. Число клеточных слоев при этом уменьшается, а общая площадь крыши бластоцеля возрастает. Причем это увеличение происходит изотропно (Б, 120-121).

2) Чаще встречается планарная конвергентная интеркаляция. Она происходит и при гаструляции, после окончания радиальной интеркаляции. Клетки начинают двигаться в плоскости поверхности зародыша (т.е. планарно), но перпендикулярно дорсомедиальной линии (т.е. будующей продольной оси тела, проходящей по "спине" зародыша). Клетки, встретившиеся на этой линии, вставляются друг между другом (интердигитируют). Очевидно, что этот процесс приводит к сильному анизотропному растяжению вдоль дорсомедиальной линии.
Именно благодаря планарной конвергентной интеркаляции формируется продольная ось тела и весь комплекс осевых органов (Б, 121-122).

Вообще почти все органы и структуры позвоночных формируются из участков столбчатого (поляризованного) эпителия. Наиболее существенными исключениями из этого правила являются элементы скелета и кровеносные сосуды, строящиеся из мезенхимных клеток. Другие закладки, даже если они возникают из отдельных, разрозненных клеток мезенхимных клеток мезодермального происхождения (сомиты, зачатки органов выделения), по ходу своего развития непременно проходят эпителизацию, т.е. превращаются в участки эпителиальных пластов. Эпителизация мезенхимы, а также усиление контактов между эпителиальными клетками (происходящее при их эпителизации) связаны с синтезом в даных клеках молекул клеточной адгезии - CAM (cell adhesion molecules) и кадгеринов. Поляризация также связана со сложными преобразованиями мембран клеток и их цитоскелета (Б, 226-227).

3) Каким же образом эпителиальные пласты участвуют в образовании органов? Например, в ходе нейруляции плоская нервная пластинка, расположенная на дорсальной (спинной) стороне зародыша вдоль медиальной линии должна (путем приподымания и сближения своих краев) свернуться в нервную трубку, которая затем даст начало спинному и головному мозгу. Каков механизм этих процессов?
Вначале происходит кооперативная поляризация клеток дорсальной эктодермы: они сильно вытягиваются в радиальном направлении (за счет сборки в этом направлении микротрубочек), а их обращенные к наруженой среде стенки сокращаются (вначале за счет сокращения актиновых микрофиламентов, а затем за счет резорбции соответствующего участка мембраны). Данная поляризация начинается от дорсо-медиальной линии зародыша и распространяется в стороны (латерально). Такой характер распространения поляризации приводит к тому, что клетки оказываются скошенными в сторону дорсо-медиальной линии: образуется т.н. клеточный веер. На этой стадии нервная пластинка еще плоская. Ее последующее скручивание вызывается спрямлением скошенных клеток (в результате работы их цитоскелета), которое также идет от дорсо-медиальной линии латерально.
Описанная последовательность событий: поляризация клеток, образование "клеточного веера" и последующее скручивание клеточного пласта в результате спрямления клеток "веера" является типичным сценарием морфогенеза из эпителиальных пластов для позвоночных (Б, 128-130).

Какие факторы могли бы осуществлять контроль за целостность процессов морфогенеза, связанных с эпителиальными пластами? Одним из таких факторов могут быть механические напряжения в тканях зародыша. Они имеют два основных источника (Б, 134).

Первый - это тургорное давление в бластоцели (полости бластулы), которое возникает за счет работы ионных насосов в клетках бластулы и плотных контактов между этими клетками, недопускающими утечку ионов (в основном Na и Cl). (Б, 110-111). Это давление обуславливает изотропное растяжение крыши бластоцеля.

Второй источник - это сами морфогенетические клеточные движения. Можно составить карты механических натяжений для периодов гаструляции и нейруляции. Одни морфогенетические движения могут вызывать натяжения, по определенным закономерностям вызывающие другие морфогенетические движения. Искусственное нарушение определенных натяжений приводит к нарушение формы и объемных отношений определенных осевых зачатков, а искусственное восстановление нужных натяжений - к уменьшению или полному исчезновению аномалий.
На чем основаны морфогенетические эффекты механических движений? Их первичной мишенью являются структуры цитоскелета и межклеточные контакты: ослабление натяжений приводит к деполимеризации актиновых микрофиламентов и "разборке" клеточных контактов, а усиление натяжений - к противоположным результатам (Б, 134-136).

Есть много примеров влияния механических факторов на экспрессию генов и клеточную дифференцировку (Б, 276-278). Более того, по представлениям ряда авторов ткани зародышей и взрослых организмов буквально "прошиты" сетью фибрилл (своебразной "паутиной"), находящейся в напряженном состоянии. В межклеточном пространстве эта сеть состоит из элементов межклеточного матрикса. Напряжения, возникающие во внеклеточном матриксе, через белки интегрины могут передаваться на участки мембраны (преимущественно на фокальные контакты). Около них сосредоточены многие важные ферментативные комплексы (начальные звенья внутриклеточных сигнальных цепей) и элементы цитоскелета. (Б, 278) Материальную непрерывность фибриллярных структур можно проследить вплоть до ядра: давно известно, что существует ядерный матрикс, но лишь в последние годы начали понимать, как пространственная организация ядра и ее изменения влияют на активность генов.

Исторически большое внимание в процессах развития уделяли эмбриональным индукциям - таким воздействиям одной части зародыша (индуктора) на другую, реагирующую часть, в результате которых последняя изменяет направление своего морфогенеза и дифференцировки (Б, 153). Механизм индукции связан с экспрессией определенных белков и их секрецией наружу или экспонированием на клеточной мембране. Белки-рецепторы реагирующей части при наличии лиганда от индуктора вызывают определенные изменения активности генов в клетках реагирующей части зародыша. Т.е. эмбриональная индукция - это пример химического воздействия.

По крайней мере для части белков, участвующих в индуцирующих процессов можно проследить, что их распределение в зародыше связано еще с определенным распределением мРНК в яйцеклетке, так что эмбриональная индукция связана с концепцией позиционной информации (Б, 159) и геноцентрическим подходом.

В ряде случаев индукционные процессы следуют один за другим, как бы образуя цепь индукций. В результате возникло предположение, что весь ход эмбрионального развития может быть представлен в виде цепи последовательных индукций. Однако необходимо иметь в виду следующее:

1) Не для всех органогенезов обнаружен индуктор (например, для закладки парных конечностей позвоночных)

2) Большинство индукций являются пермиссивными, т.е. индуктор лишь осуществляет запуск процесса, исход которого уже предопределен свойствами самой ткани (Б, 233). Одной из иллюстраций этого тезиса является эффект коммунальности (зависимость направления и возможности дифференцировки от количества клеток). Японский исследователь Асашима помещал разные количества клеток зародыша со стадии бластулы в растворы активина (белка, вызывающего индукцию) и наблюдал (в зависимости от концентрации активина и количества клеток) образование хорды, сердца, мышц и других закладок.

Белоусов предполагает, что пермиссивные индукции и опыты Асашимы говорят о том, что химические воздействия на клетку носят прежде всего дестабилизирующий характер, выводя ее из исходного недифференцированного состояния. А к какому конечному состоянию она придет - это в большой степени зависит от клеточных взаимодействий, геометрии клеточных групп, их движений, механических напряжений и т.д. (Б, 164)

Известен пример влияния морфогенетических движений на индукцию. Т.н. первичная эмбриональная индукция - это индукция нейральной ткани из эмбриональной эктодермы под влиянием подстилающей ее хордомезодермы. Было известно, что "туловищная" часть хордомезодермы индуцирует туловищные и хвостовые отделы тела, а "головная" - преимущественно головные. При этом для туловищного индуктора в норме характерны движения конвергентной интеркаляции клеток, в то время как в головном индукторе они отсутствуют. Оказалось, что если вовлечь головной индуктор в движения конвергентной интеркаляции, то он проявит свойства туловищного индуктора, а если последний не будет вовлечен в эти движения, то его индукционные свойства сдвинутся в "головную" сторону (Б, 156-157).

Рассмотрим теперь целостный характер детерминации зачатков органов.

Для подавляющего большинства зачатков можно сказать, что даже если они вступили в фазу независимой дифференцировки (могут полноценно дифференцироваться, даже будучи пересаженными в другое окружение), то судьба их отдельных частей (вплоть до клеток) еще не детерминирована. Можно удалить значительную часть клеток (для конечностей амфибий - до 3/4) или добавить извне, и тем не менее разовьется нормальный орган, но другого размера.

Однако постепенно судьба частей зачатка детерминируется. Впервые это было показано в опытах Гаррисона около 100 лет назад. Гаррисон вырезал зачатки конечностей хвостатых амфибий (в виде дисков), когда они как целое уже были детерминированы (но внешних признаков дифференцировки еще не было). У каждого такого зачатка можно было мысленно выделить передне-заднюю и дорсо-вентральную ("спинно-животную") оси. Затем Гаррисон возващал зачатки в те же области тела, но инвертировал их относительно одной или обеих осей, а затем прослеживал развитие конечности. Оказалось, что если проводить эксперимент с зачатками на относительно ранней стадии, то ни одна из осей не детерминирована, на средней стадии оказывается детерминирована передне-задняя ось, а на относительно поздней стадии - и дорсально-вентральная ось. Позднее выяснилось, что такой же порядок детерминации характерен для зачатков сетчатки глаза и для внутреннего уха (Б, 237).

Эмбриональные территории, на которые распространяется состояние целостной детерминации, называются полями органов. Поля органов обладают следующими свойствами:

1) Унитарность: внутри поля развивается лишь один данный зачаток, а если пересадить в него второй, то его развитие подавляется (или он сливается с первым)

2) Регуляционность: из уменьшенного участка поля (не слишком малого) возникает столь же целостный орган (хотя, как правило, и меньшего размера), как из всего поля

3) Автономность: соседние поля не влияют друг на друга (принцип мозаичности зародыша).

4) Границы полей являются, как правило, границами экспрессии определенных генов. Возможно даже образование целого органа в нетипичном положении (например, глаза на ноге дрозофилы), если вызвать экспрессию в небольшой группе клеток одного единственного гена (в данном случае - гена ey). Такие гены называются гены-господА (master genes).

5) Поперечник полей органов не превышает 1 мм (или около 100 клеточных диаметров). Очевидно, это связано с тем, что лежащие в основе поля сигналы (химические, механические, электрические) на бОльшие расстояния не распространяются.

Пока зародыш сам не выходит за эти пределы, его развитие происходит в рамках единого эмбрионального поля. Затем возникает несколько таких полей - полей органов (Б, 238-239).

1) Как Вы понимаете, чем проще текст читается читателями, тем сложнее (времязатратнее) его написать.
2) У меня вначале была проблема написать вообще хоть какой-нибудь текст на тему морфогенеза, т.к. общей картины у меня не было. Сейчас она (какая-никакая) появилась.
3) Я исхожу из того, что если что-то непонятно, то спросят. Это нормально, я и сам по прошествии времени не всегда точно понимаю, что хотел сказать
4) Пересказывать сведения, которые есть в школьных учебниках, я принципиально не хочу (только если меня конкретно не попросят).

Знаете, есть известный анекдот:
23 февраля на ТВ приходит замминистра обороны и бубнит текст поздравления, не отрываясь от бумажки. Его просят хотя бы посмотреть в камеру, для зрителей, на что он отвечает: "У меня один зритель - министр обороны ".

Так вот и у меня есть главный читатель - jenya . Ждем ответа.

Ну, все клетки на наружной стороне мембраны имеют рецепторы - молекулярные комплексы (обычно белки), чувствительные к каком-то классу молекул - к лигандам. (Термин "лиганд" идет из химии, а "рецептор", наверное, из физиологии). В данном случае лиганд - тоже белок, причем мембранный. Разные виды белков (т.е состоящие из разных последовательностей аминокислот) имеют разные названия. В данном случае я упоминаю название рецептора - Notch. Вообще названий белков огромное количество, и я бы не стал упоминать данное конкретное название (и описывать в первом приближении механизм), но белок Notch (и его лиганд) - одни из самых известных белковых игроков в биологии развития, поэтому полезно, чтобы чтобы при обсуждении морфогенеза они были на слуху.

Попробую переформулировать:
"Delta таких клеток (т.е. тех, в которых повысилась их плотность на мембране) соединяются с Notch соседних клеток, в результате чего эти Notch (соседних клеток) расщепляются (каждый - на три фрагмента), и один из этих фрагментов (от каждой молекулы Notch) идет в ядро (соседних же клеток).

Именно так.

А в данном случае мембранного транспорта и не было! Дело в том, что Notch пронизывает мембрану, а его расщепление (после контакта с Delta) происходит внутри мембраны. В результает фрагмент, находившийся с "внутренней" (цитоплазматической) стороны мембраны высвобождается. Потом он "идет" в ядро (на ядерной мембране есть специальная система, пропускающая только белки, несущие сигнал ядерной локализации). На самом деле и эта схема, конечно, упрощенная. Но для понимания общих принципов морфогенеза это, кажется, непринципиально.

Спасибо за внимание.

P.S. Вообще все это обычно на картинках ("на пальцах") объясняется. Присоединил две такие картинки:
1) Delta-Notch взаимодействие
2) Последовательность событий при описанном мной латеральном (т.е. боковом) ингибировании: как будущая нервная клетка заставляет соседние клетки дифференцироваться в эпителиальные.

ivank, Вы простите, что я сразу не отвечаю, ладно?
Вы вообще гигант, что такую огромную работу делаете.
Вопросы еще будут - и в большом количестве

Я же во многом для себя стараюсь . Сейчас в молекулярной биологии вроде бы есть тенденция - переориентироваться с "чистой молекулярки" (которая, кажется, развивается последние лет 10 хотя и быстро, но в основном экстенсивно) на более сложные области - иммунологию, молекулярные механизмы биологии развития и, наверное, еще более сложные - молекулярные механизмы работы мозга. Поэтому наш разговор для меня не только интересен, но и полезен.

Спасибо. Я читаю, но не успеваю реагировать, надо подумать.

Если под сетью подразумеваются контакты между клетками в клеточном пласте, о котором идет речь, то они существуют и до дифференциации, и во время нее, и после (за счет других экспонированных белков, не Delta и Notch). Без таких межклеточных контактов нельзя было бы говорить о клеточном пласте - это было бы более рыхлое образование.

Что имеется в виду? Напишите в личку, пожалуйста.

P.S. Спасибо всем читателям за внимание

Спасибо, ivank, я тоже читаю.

Очень интересно.

Чего сходу не понимаю, смотрю в интернете ..

Нобелевскую премию по физиологии и медицине в этом году, как вы уже знаете , присудили за разработку метода направленного изменения генов млекопитающих, позволившего создавать мышиные модели генетических заболеваний человека.
http://www.medportal.ru/mednovosti/main/2007/10/08/mice/
http://elementy.ru/news/430609
http://nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2007/adv.html

Вспомнилось, как на первом курсе я немного поучаствовал в переводе книжки по молекулярной генетике человека, которая должна была выйти (но кажется, так и не вышла ) в издательстве "Мир". Я тогда голову сломал, пытаясь корректно перевести выражения вроде "mouse models" или "knockout mice" .

edavydov-у и ivank-у спасибо за интересную информацию. Отдельная благодарность за относительную доступность при изложении.

Экспрессия зависит от экспрессии в предыдущий момент времени и от сигналов внешней (по отношению к клетке) среды. Плюс флуктуации концентрации, которые будут довольно большими, т.к. белков одного вида в клетке в среднем всего лишь несколько тысяч. Еще есть колебательные процессы (изменения концентраций), которые какое-то время не затухают даже в отсутствие изменений во внешней среде.

И то, и другое. Есть "гены смерти" и "гены долголетия". Есть запрограммированная клеточная смерть (programmed cell death, PCD) и есть смерть "от несчастного случая" (некроз). PCD может наступить в результате "накопления поломок" внутри клетки, а может - из каких-то "высших" соображений. Например, уничтожение "лишних" клеток в ходе морфогенеза - исчезновение перепонок между пальцами в ходе эмбриогенеза человека. Или "созревание" головного мозга человека: грубо говоря, вначале образуются самые разнообразные нейронные связи, а затем многие связи разрушаются, в том числе в результате гибели миллионов нейронов. Или уничтожение клеток иммунной системы, вырабатывающих антитела против белков собственного организма.

PCD лучше всего изучена у многоклеточных и у них ее роль понятна. Одна из важнейших и, возможно, первичная функция - это уничтожение потенциальных раковых клеток (а это клетки с определенными "поломками"). Есть несколько разновидностей PCD, самые известные - это апоптоз (в котором участвуют протеазы - каспазы) и аутофагия (когда клетка пожирается своими "пищеварительными" органеллами - лизосомами). В отличие от некроза, при PCD мембрана клетки разрушается поздно. Обычно до этого не доходит - остатки гибнущих от PCD клеток поглощаются клетками иммунной системы. То есть при PCD не происходит опасного выброса содержимого клеток в межклеточное пространство.

У одноклеточных (по крайней мере, некоторых) PCD тоже есть, но изучена хуже. В некоторых ситуациях она может быть полезна: при голодании часть клеток популяции самоотверженно гибнет, зато оставшимся хватает пищи для нормального существования.

ivank, спасибо, очень интересно!

Не попадалась ли Вам современная информация о поведении целлюлозы в клетках растений?
В паре здешних тем, где разговор идет про радиоуглеродный метод датирования органики, есть некая тенденция оспорить вроде бы очевидный факт, что с гибелью растения процесс образования целлюлозы останавливается, и "посторонние" атомы углерода уже не могут встроиться в ее полимерную цепочку ..

PS. При ответственном датировании растительной органики выделяется именно целлюлоза и датируют только ее ..

Не вижу причин в этом сомневаться.

Но мне показалось, что речь шла о другом - о возможности усвоения растениями углерода из почвы. Это более запутанный вопрос. В нормальных условиях растения поглощают атмосферный углекислый газ в процессе фотосинтеза и в итоге выделяют его в почву в процессе дыхания корней (таков суммарный баланс).
В то же время у некоторых растений есть механизмы концентрации неорганического углерода. В результате повышается эффективность работы "главного" фермента фотосинтеза - Рубиско (за счет уменьшения доли конкурирующей реакции - присоединения кислорода, т.н. "фотодыхания"). Зеленые водоросли и другие водные растения способны "закачивать" СO2 и HCO3 из воды, а растения, живущие в жарком климате - "запасать" атмосферный СO2 в результате образования органических кислот. Все эти механизмы требуют затрат энергии, поэтому применяются не всеми растениями и не во всех условиях.

В условиях повышенного содержания неорганического углерода в почве растения, по-видимому, действительно способны его ассимилировать при помощи корней. Согласно цитируемой ниже статье для этого как раз используется образование органических кислот. Затем высвобожденный СO2 может идти на синтез углеводов, а значит, и целлюлозы.
New Phytol. 2005 Jan;165(1):157-69.
The influence of root assimilated inorganic carbon on nitrogen acquisition/assimilation and carbon partitioning.
Viktor A, Cramer MD.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/sites/e...ez.Pubmed.Pubmed_ResultsPanel.Pubmed_RVDocSum

Однако в учебниках по физиологии растений ассимиляция неорганического углерода корнями не рассматривается. ИМХО, это связано как с плохой изученностью, так и с незначительностью вклада.

Вот эта работа, конечно, сомнительная. http://hbar.phys.msu.ru/gorm/wwwboard/messages120/60108.html В таких исследованиях нужно использовать радиоактивные метки.

У меня дома есть кусочек окаменелого дерева, там остались годовые кольца, сучки, дырки от вредителей, но при этом всё замещено опалом (кремнезёмом). Интересно целюлоза там осталась? Не знаю. Наверное что-то осталось, а м.б. и нет.
А если нет, то и целюлёза способна уходить... Т.е. я к чему: я вижу причины сомневаться... Хотя показалось вам правильно, речь шла не о том

С плохой изученностью, я полагаю. Насчёт незначительности вклада — нужно уточнять, 90% углерода (радиогенного) уходит в воду. Нерадиогенного — видимо — тоже? . Т.е. в грунтовых водах больше (не меньше) углекислоты, чем в воздухе. И брать его растениям вместе с водой в больших количествах — весьма возможно. Совокупность поверхности корней вряд ли меньше поверхности листьев...
А среда вокруг корней — гораздо более концентрированная...

Я-то отвечал на другой вопрос: не могут ли в процессе деградации к целлюлозе присоединяться "посторонние" углеродсодержащие вещества (с сохранением общей структуры целлюлозы). Прямого ответа я не нашел, но представить такое сложно.

А я все-таки предполагаю, что вклад ассимиляции углерода корнями (в естественных условиях) незначителен, и не просто из вредности:
1) Суммарный баланс, как я уже говорил, это все-таки поток СО2 через растение (от листье к корням) в почву. В том числе в лесах.
2) На фиксацию в корнях и транспортировку к листьям тратится дополнительная энергия. Поэтому чтобы такой процесс сделать выгодным, нужно, по-видимому, как-то повышать концентрацию СО2 в почве - что и делали в цитированной статье.
3) Повышение концентрации СО2 в почве подкисляет ее. Сильное подкисление до добра не доведет.

Но я попробую узнать побольше.