13.3. Проблема обратимости детерминации
Одним из важнейших и интереснейших вопросов биологии развития является вопрос «прочности» детерминации. Наличие стойкой детерминации к определенным направлениям дифференцировки – одна из фундаментальных характеристик тканевой системы. Можно ли изменить детерминированность, переключить развитие клетки в новом направлении?
Одним из направлений поиска ответа на этот вопрос являются эксперименты по клонированию. Клоном называется клеточная популяция, возникающая из одной исходной соматической клетки, а процесс получения клона называется клонированием. Примером клонирования являются эксперименты с трансплантацией ядер, которые показали принципиальную возможность обратимости изменений при дифференцировке.
Однако проблема тотипотентности, т. е. сохранение клетками способности давать целый организм, не настолько проста, чтобы прийти к однозначному решению.
После успешных опытов Дж. Гердона опыты по трансплантации ядер были продолжены на млекопитающих. До стадии 8 бластомеров клетки зародышей млекопитающих тотипотентны, что подтверждают удачные опыты по развитию организмов из одного бластомера. Другим подтверждением является обратное явление – объединение клеток двух эмбрионов. Организмы, полученные агрегацией генетически различных клеток, называются химерами. Химер можно также получить, вводя клетки ранних эмбрионов (даже одну клетку) в чужеродную бластоцисту. Бластоциста представляет собой стадию эмбриогенеза млекопитающих. Введенные клетки включаются в состав клеточной массы эмбриона-реципиента. У такой химеры клетки перемешаны случайным образом, поэтому ее ткани и органы тоже химерны. Это показало, что каждый тип тканей образуется не из одной клетки-предшественницы, а из группы клеток.
Эксперименты по трансплантации ядер млекопитающих в энуклеированные яйцеклетки вначале были неудачными. Всего 5 % ядер 4-клеточных эмбрионов и около 20 % ядер 2-клеточных зародышей мышей развивались до стадии морулы. Это указывает на быструю потерю тотипотентности в ходе эмбриогенеза. Поэтому сообщение о рождении клонированной овечки Долли в 1997 г. стало настоящей сенсацией. Английский эмбриолог Я. Вильмут использовал ядра клеток молочной железы взрослой овцы, вводя их в энуклеированную яйцеклетку и перенося их затем в овцу-реципиента. Из 250 экспериментов успехом увенчался один. В 1998 г. была разработана методика клонирования мышей с вероятностью успеха около 2 % путем воздействия на яйцеклетку специальных стимулирующих веществ.
Однако изучение молекулярно-генетических механизмов клеточной дифференцировки заставляет некоторых ученых усомниться в возможности получения клона из ядер дифференцированных клеток. У многих животных наблюдались изменения определенных участков ДНК в разных тканях. Как уже говорилось выше, показано уменьшение теломерных участков хромосом в ходе онтогенеза в соматических клетках. Таким образом, изменения генома в процессе дифференцировки достаточно глубоки. Причем, чем более высокое место в эволюционной лестнице занимает организм, тем обычно глубже эти изменения.
Как же тогда можно объяснить успешные результаты клонирования: от лягушек Гердона до овечки Долли? Вероятно, успех достигался именно тогда, когда в яйцеклетку случайно попадало ядро стволовой клетки (Корочкин Л. И., 2002). Как оказалось, они представлены в организме шире, чем считалось ранее. Частота их наличия в тканях (0,5–1,5 %) хорошо сопоставима с процентом выхода в экспериментах по клонированию.
Многие важные закономерности биологии развития позволили выявить исследования на классическом объекте экспериментальной генетики – дрозофиле.
У дрозофилы гомеозисные гены направляют развитие особых личиночных структур – имагинальных дисков (ИД). Из ИД образуется тело взрослой мухи. Популяции личиночных и имагинальных клеток разделяются очень рано. Образно говоря, личинку можно рассматривать как капсулу для хранения и питания имагинальных клеток. Дрозофила имеет 19 ИД. После метаморфоза они преобразуются в различные органы мухи. Внешне клетки разных ИД отличить друг от друга невозможно, хотя они различаются биохимически.
В экспериментах по пересадке ИД другим личинкам в различные части тела пересаженный диск на новом месте дифференцировался в структуру, соответствующую его первоначальному положению, т. е. ИД демонстрировал жесткую детерминацию. Пересаженный в тело взрослой мухи ИД не претерпевает изменений, поскольку нет соответствующего гормонального воздействия. Такие ИД при последовательных пересадках живут очень долго, не претерпевая дифференцировки. После любого числа пересадок введенные личинкам ИД дифференцируются в соответствии с их первоначальным происхождением. Это показывает, что состояние детерминации может наследоваться в ряду клеточных поколений неопределенно долго.
Однако иногда пересаженные ИД дифференцируются в структуры, отличные от первоначальных. Например, ИД антенн развивается в конечность. Такое явление, открытое Э. Хадорном, получило название трансдетерминация. Оно похоже на гомеозисные мутации. Феномен трансдетерминации до конца не разгадан, но он демонстрирует возможность изменения детерминации. Процесс трансдетерминации подчиняется определенным закономерностям и происходит в тех же направлениях, что и гомеозисные мутации.
