Оси полярности: как выстраивается трехмерная модель роста эмбриона

МОСКВА, 5 сен — РИА Новости, Анна Урманцева. Почти сто лет назад немецкий эмбриолог Ханс Шпеман, демонстрируя удивительное терпение и мастерство, проводил эксперименты на эмбрионах шпорцевой лягушки. С помощью тончайших иголочек и микропипеток он пересаживал зачаток глаза одного зародыша в различные участки тела другого. Удивительно, но кожа пересаженного зачатка везде превращалась в роговицу. Это навело Шпемана на мысль, что различные части эмбриона выделяют вещества, влияющие на развитие соседних областей. В результате ученый сформулировал теорию "организующих центров", описав различные точки зародыша, за что получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1935 году. Таким образом, стало понятно, что иногда встречающиеся "чудища" с двумя головами — это не всегда сросшиеся близнецы, а, возможно, единый организм со сбившейся программой "организующего центра". Ханс Шпеман описал эту ситуацию так: возникает дополнительный "организующий центр", который посылает сигналы о том, что голова должна вырасти в такой-то точке, несмотря на наличие на противоположном конце такой же формирующейся головы. Сейчас, через 100 лет после опытов Шпемана, ученые полностью убедились в его правоте. Кроме того, они уже знают, какие именно гены отвечают за появление "организующих центров". Они могут определить эти гены, понять, какой "продукт", то есть белок, они производят, и вколоть его в любое место на формирующемся теле. И именно там начнет развиваться дополнительный орган, например, вырастет голова! Как же это происходит? Задача развития достаточно трудная: нужно сформировать сложный многоклеточный организм в трехмерном пространстве, точно определив, в каком месте и в какую сторону будут расти ноги, руки, голова. Ошибка такого трехмерного моделирования может привести к непоправимым последствиям. Получается, что в сгустке клеток, которые поначалу и представляют собой эмбрион, должен быть вмонтирован некий "компас", который не только определяет, где находятся север, юг, верх и низ, но и координирует передвигающиеся и делящиеся клетки в онлайн-режиме. Схема формирования осей полярности в эмбрионе Как выяснили ученые, эта работа происходит с помощью "прокладывания" осей полярности, которые представляют собой "дорожки" веществ с постепенно снижающейся концентрацией (градиент концентрации). Первая такая ось прокладывается еще в зиготе — самой первой клетке, содержащей полный двойной набор хромосом в результате слияния яйцеклетки и сперматозоида. Дальше образование этих осей сопровождает все этапы развития — становится понятно, где располагаются спина, живот, где должны быть голова и ноги. Оси полярности есть и у каждого органа. Именно так клетки координируются между собой, перемещаясь по "выложенным дорожкам" нужных веществ, которые называются морфогенами. Концентрация морфогена — это и есть понятная для клеток позиционная информация. Каждая клетка, реагирующая на "индивидуальный" градиент концентрации, "понимает", где она находится, и активирует работу совершенно уникального набора генов, которые запускают развитие нового органа, вначале представлявшего собой бугорок. На этой схеме показано, как работают НОХ-гены в бугорках, из которых потом сформируются конечности курицы Так кто же запускает оси полярности? Кто является "руководителем" в "организующих центрах", о которых писал еще Ханс Шпеман почти 100 лет назад? На этот вопрос пока убедительных ответов у ученых нет. Однако во многих лабораториях ведутся опыты, в которых экспериментаторы пробуют на самом раннем этапе развития эмбриона отключить тот или иной ген, формирующий ось полярности. На слайде показаны конечности, которые сформировались при нарушениях в работе осей полярности Поясняет профессор кафедры генетики биологического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова Татьяна Ежова: "Пробовали отключать ось "плечо — кончики пальцев"(дистально-проксимальную ось) — закономерно идет недоразвитие всех отделов кисти. Если нарушается работа одного из генов, который отвечает за ось "ладонь — тыльная сторона" (дорзо-вентральную ось), прямо на тыльной стороне у лабораторных мышей начинают расти подушечки пальцев. Если экспериментировать с задне-передней осью ("большой палец — мизинец"), вызвав усиленную работу генов полярности, — образуется симметричная структура кисти: так было бы, если по двум сторонам человеческой руки мы имели бы мизинцы или большие пальцы. Если отключить работу гена, прокладывающего эту же ось, то вместо разных по строению костей предплечья, запястья и пальцев образуется по одной кости в каждом отделе. Больше всего таких исследований проведено генетиками на курах и мышах. Но те же гены действуют и при образовании конечностей человека". Получается, что можно вырастить сколько угодно голов, рук, ног — и клеток на все это хватит? На самом деле, если идет развитие по "сценарию нормы", известно, сколько именно клеток формирует зачаток органа. А вот если происходят отклонения в развитии, могут запуститься любые процессы, в частности, клетки могут начать делиться в неконтролируемых объемах. Таким образом, теоретически зная, как работают "организационные центры", ученые могут смоделировать создание существа любой конфигурации, однако оно будет нежизнеспособным. Ведь эволюция уже давно "опробовала" все эти варианты и остановилась на самых удачных из них.