Текст книги "Гены и развитие организма"

Автор книги: Александр Нейфах

Соавторы: Елена Лозовская
сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 17 страниц)

5. Бессмертие клеток зародышевого пути

Половые клетки – яйца и сперматозоиды – завершают свое образование в половых железах взрослого животного. Если развитие половых желез проследить назад, к эмбриональным стадиям, можно убедиться, что будущие половые клетки (их называют гоноцитами) у большинства животных не сразу становятся частью половых желез. Гоноциты удается иногда обнаружить уже на самых ранних стадиях развития и проследить их последующую судьбу. Оказалось, что они закладываются самостоятельно и мигрируют в формирующуюся половую железу на более поздней стадии развития зародыша. Этих данных о раннем обособлении половых клеток не мог знать Август Вейсман (1834–1914), но тем не менее еще в конце прошлого века он сформулировал представление о «зародышевом пути» и «зародышевой плазме», во многом сохранившие свое значение до сих пор.

Происхождение и судьбу всех клеток организма в ходе его развития, начиная от яйца, можно представить в виде ветвящегося «родословного древа», в котором яйцо находится в основании, а специализированные клетки органов – на кончиках ветвей. Каждый акт дифференцировки – разделение одного типа клеток на два, отличающихся друг от друга, – выглядит на этой схеме как расхождение одной толстой ветви на две более тонкие. Теоретически, а часто и практически происхождение каждого типа специализированных клеток взрослого организма можно про следить, возвращаясь назад, через все деления, к яйцу. Среди «родословных» различных клеток можно выделить и происхождение половых клеток. Внешне на схеме оно не отличается от путей происхождения остальных клеток. Однако отличия есть, и принципиальные. Дело в том, что половая клетка дает начало новому яйцу, в то время как все остальные – органам и тканям взрослого организма. И судьба их различна: яйца и сперматозоиды дают начало новому организму, т. е. снова делятся и снова образуют все типы клеток, а остальные клетки организма погибают вместе с ним. В этом смысле организм состоит как бы из двух частей: одной – потенциально бессмертной – генеративной, второй – неизбежно погибающей, смертной – соматической (генерацио – размножение, сома – тело).

Если мы теперь на схеме проследим судьбу половых клеток – от яйца и до яйца, то мы вправе продолжить этот «зародышевый путь» и вперед, в будущие поколения, и назад, в прошлое. Судьба же соматических клеток тоже начинается от яйца, но обрывается вместе с гибелью организма. «Зародышевый путь» каждого вида тянется на зад через тысячи поколений до того момента, когда возник данный вид животных. Понятие это весьма условно, и если, например, «зародышевый путь» человека считать назад до появления кроманьонца, то это будет 40 тыс. лет и около двух тысяч поколений, а если до рамапитека (предполагаемое ответвление от линии человекообразных обезьян), то 10–15 млн. лет и соответственно около миллиона поколений.

Для схемы А. Вейсмана не очень важно, отличаются ли принципиально клетки «зародышевого пути» от соматических клеток. Но сам А. Вейсман считал эти различия принципиальными: он полагал, что только в клетках «зародышевого пути» сохраняется носитель наследственности – вся бессмертная «плазма», а в соматические клетки попадают только части этой плазмы. Сейчас, когда мы знаем, что «зародышевой плазмой» Вейсмана являются хромосомы, точнее, ДНК в них, очевидно, что отличия генеративной и соматической частей организма в этом смысле не принципиальны – обычно весь набор хромосом передается всем клеткам развивающегося организма. Однако раннее обособление будущих половых клеток и другие данные (см. ниже) говорят о том, что некоторые изменения в ДНК соматических клеток животных все же могут происходить, в то время как в генеративных клетках такие изменения происходят только в очень редких случаях (мутации) и приводят к изменениям признаков во всех последующих поколениях.

Разделение организма на генеративную и соматическую части в принципе оказалось существенным для создания теоретических основ современной генетики. Не случайно против этих очевидных представлений выступали против ники генетики и дарвинизма – ламаркисты, которые, одна ко, справедливо связали имя Вейсмана с именами основоположников генетики – Менделя и Моргана.

6. Биологический смысл сомы

Если главный или даже единственный критерий для естественного отбора – способность к размножению, а размножаются клетки «зародышевого пути», то для чего существует «сома», т. е. весь остальной организм? Почему в ходе эволюции стало необходимо, чтобы в каждом поколении заново возникала соматическая часть организма, например лев с его гривой, клыками и когтями, сердцем и мозгом? Ответ на этот вопрос однозначен: только для того, чтобы обеспечить размножение клеток генеративной части – защитить их в зародыше, в новорожденном львенке, во взрослой львице и размножить в ее потомстве, которое останется жить и вырастет благодаря материнской заботе. Эта же мысль содержится в таком, несколько парадоксальном, выражении: «Курица – это средство, с помощью которого одно яйцо делает другое».

Соматическая часть организма служит как бы чехлом для генеративных клеток. Половые клетки различных видов животных отличаются несущественно, и общая структура (но не качество и количество заложенной в ней информации) их «зародышевой плазмы», т. е. ДНК, как вид макромолекул в ходе эволюции совершенно не изменилась. Зато «чехол» стал поразительно разнообразен – от оболочки вирусов до человеческого тела.

Соматическая и генеративная части выступают раз дельно уже на доклеточном уровне жизни – у вирусов. Вирус табачной мозаики (ВТМ) – один из простейших. Его генеративная часть – молекула РНК[1]1
  У части вирусов роль наследственного вещества выполняет не ДНК, а сходная с ней по строению РНК.


[Закрыть], а соматическая – трубчатый чехол, собранный из белковых молекул. Он защищает РНК, нужен для переноса ее от одной растительной клетки к другой, способствует внедрению РНК в клетку, но затем белковый чехол «погибает». В клетке хозяина РНК размножается и участвует в синтезе новых молекул белка, которые вновь образуют оболочку ВТМ.

Такое простое устройство вирусных частиц, состоящих из немногих видов белковых молекул, возможно лишь потому, что эти организмы размножаются в сложно устроенных клетках хозяина и используют их аппарат синтеза нуклеиновых кислот и белков для своих нужд, подобно тому как кукушка подбрасывает яйца в чужие гнезда и использует заботу о потомстве других птиц для выведения своего птенца.

У одноклеточных прокариотических организмов (бактерий) соматическая часть намного сложнее вирусной. Здесь молекулу ДНК окружает большая клетка, способная к самостоятельному существованию.

Эукариотические одноклеточные, например амеба, при обретают дополнительные элементы «чехла» – их ДНК входит в состав хромосом, а хромосомы собраны в ядро и отделены от цитоплазмы ядерной мембраной. У инфузории разделение на соматическую и генеративную части еще сложнее: собственно генеративными и бессмертными у них являются лишь микронуклеусы – ядра, участвующие в половом процессе. Макронуклеус – производное микронуклеуса – всего лишь соматическое ядро, в ко тором обычно содержится лишь часть генов микронуклеуса. Таким образом, эволюция у инфузорий пошла тем же путем разделения сомы и генеративной части, что и у многоклеточных. Однако инфузории ухитрились сделать это в пределах одной клетки за счет образования двух типов ядер.

Настоящий «зародышевый путь» Вейсмана (не молекул, а клеток) возникает только с многоклеточностью. У миксомицетов многоклеточными являются только последние стадии жизненного цикла после агрегации миксамеб. Клетки, случайно оказавшиеся недалеко от центра агрегации, в результате ряда перемещений попадут в верхний отдел стебля и образуют споры, т. е. станут генеративной частью. В следующем поколении, когда споры станут миксамебами, только некоторые из них сохраняют свое генеративное значение, в то время как остальные будут играть роль соматической части плодового тела.

Гидра всегда остается многоклеточным организмом. У нее отделение генеративной части от сомы не очень строгое: половые продукты образуются из так называемых i-клеток, которые дают начало и многим другим видам клеток этого животного. Остальные клетки гидры играют сугубо соматическую роль: клетки подошвы обеспечивают прикрепление к субстрату, клетки щупалец помогают хватать добычу и т. д.

Все последующее усложнение соматической части в эволюции многоклеточных животных уже не принципиально. Усложняются только способы защиты «зародышевой плазмы» и способы обеспечения ее размножения. В частности, животные приобретают подвижность, у них усложняются органы чувств, которые помогают им охотиться, защищаться от врагов, а также отыскивать партнера для спаривания. Возникают различные способы за боты о потомстве – от выбора сроков и места откладки яиц до охраны и обучения молодого поколения.

По мере усложнения организации все большую роль играет целесообразное поведение (хотя элементарное по ведение есть уже и у амебы) и развитие нервной системы, которая достигает наибольшего расцвета у человека. Как бы парадоксально это ни звучало, но в чисто биологическом смысле такое совершенное существо, как человек, возникло в ходе эволюции для одной цели – оставить потомство, т. е. наилучшим способом сохранить и распространить свою «зародышевую плазму» – ДНК. Однако в усложнении организации человеческого мозга эволюция, очевидно, перешла некоторый порог. Это выразилось в том, что человек вступил на путь цивилизации и сам поставил перед собой цели, уже не только биологические.

7. Биологический смысл генеративной части

Если назначение соматической части организма – быть «чехлом» для генеративной части, то можно ли говорить о биологическом смысле существования «зародышевой плазмы»? По-видимому, слово «смысл» здесь мало применимо. Однако можно говорить о содержании записанной в ДНК информации и о роли этой информации.

Так, ДНК (или РНК) вирусов кодирует белки оболочки и белки, которые обеспечивают репликацию и сборку вирусной частицы. Белков этих немного и длина ДНК соответственно невелика. Вся остальная информация, нужная для размножения вируса, записана в ДНК клеток хозяина. ДНК бактерий определяет синтез белков, необходимых для осуществления всех функций клетки, в том числе для образования спор и прорастания. Поэтому количество ДНК у бактерий в 10—100 раз больше, чем у виру сов. В ДНК многоклеточных животных содержится информация, необходимая для построения и функционирования всей соматической части организма – от структуры белков до наследуемых особенностей психики. Количество ДНК, способное закодировать эту огромную информацию, должно быть увеличено по сравнению с бактериями еще на порядок. Но фактически оно оказывается больше, чем у бактерий, в 100 или даже в 1000 раз.

Дело, вероятно, в том, что в ДНК высокоорганизованных животных записана информация не просто о строении взрослого организма, но и о его развитии. Взрослый организм многоклеточных лишь одна из стадий жизненного цикла, иногда, как у некоторых насекомых, не самая продолжительная. Генеративная часть кодирует все свойства сомы, т. е. все стадии жизненного цикла и последовательную смену этих стадий. Так, некоторые паразитические черви сменяют в течение жизни несколько разных хозяев и размножаются на нескольких «личиночных» стадиях. Их генетический аппарат, очевидно, должен кодировать до пяти различных, часто мало похожих друг на друга жизненных форм, закономерно сменяющих одна другую.

Итак, в ДНК, в генеративной части организма, не содержится фактически ничего, кроме информации о соматической части. А в ходе естественного отбора удерживаются только те признаки и свойства сомы, которые в конечном итоге способствуют размножению ДНК. В каждом поколении происходит «проверка», насколько хорошо сома приспособлена для выполнения этой своей основной задачи. Тем самым «проверяется» доброкачественность информации о признаках и свойствах соматической части организма, которая заложена в «зародышевой плазме».

Мы закончим эти рассуждения старой загадкой о том, что было раньше – курица или яйцо. С некоторыми оговорками яйцо можно считать генеративной частью (если точнее, то клеткой зародышевого пути). Эволюция кур, как и всех других живых организмов, шла путем появления мутаций в ДНК, их проявления в виде изменений сомы (т. е. изменений в строении цыпленка или курицы) и отбора этих изменений. Следовательно, каждый новый штрих, делающий курицу курицей, сначала появился в виде мутаций в генеративной части. Потом он реализовался в виде признака во взрослом организме. Затем, в случае если признак оказывался полезным в данных условиях, он распространялся среди скрещивающихся между собой птиц (кур) и становился достоянием вида. Поэтому мы вправе утверждать, что куриное яйцо появилось раньше курицы.

Подводя краткий итог этого раздела, можно сказать, что распределение ролей между генеративной частью («зародышевой плазмой» Вейсмана, ДНК по современным представлениям) и соматической частью (всем остальным организмом) нам известно: первая несет информацию о второй, а вторая способствует сохранению и размножению первой.

8. Что же такое развитие?

Все сказанное выше подготовило нас к ответу на основ ной вопрос: что же такое развитие? С одной стороны, развитие – это прохождение организмом последовательных стадий. Чем значительнее они отличаются друг от друга, чем разнообразнее происходящие при этом процессы, тем более сложным можно назвать такое развитие. Самым сложным является развитие многоклеточных животных из яйца. С другой стороны, развитие – это формирование и преобразование соматической части организма на основе информации, содержащейся в его генеративной части – ДНК. Поэтому можно сказать, что развитие – это реализация наследственной информации, которая определяет последовательное прохождение одной стадии за другой. Генеративная часть остается при этом неизменной (не считая редких и случайных мутаций) и передается следующему поколению. У одноклеточных организмов это оказывается возможным потому, что функционирование ДНК никак не отражается на ее первичной структуре, т. е. на последовательности нуклеотидов, в которой и закодированы все признаки и функции организма. Однако уже у инфузорий изоляция генеративной части достигается разделением на два типа ядер – генеративное (микронуклеус) и вегетативное (макронуклеус). При этом в ДНК макронуклеуса происходят некоторые изменения (избирательная репликация), которых нет в микронуклеусе. У многоклеточных это разделение осуществляется на уровне клеток, причем у более высокоорганизованных животных будущие половые клетки, как правило, обособляются раньше и полнее. Таким образом, эволюция шла в направлении большего обособления генеративной части и лучшей ее защиты.

Уже у тех одноклеточных, у которых можно видеть элементы развития, было обнаружено, что разные стадии жизненного цикла связаны с синтезом разных белков и контролируются разными группами генов. Смена стадий предопределяется, следовательно, сменой наборов активных генов, для чего в клетках должен существовать специальный аппарат регуляции. Механизм регуляции подобного типа у бактерий сейчас во многом известен.

Ситуация у многоклеточных сложнее. Генетический аппарат эукариот содержит значительно больше ДНК, которая находится в составе хромосом и связана с особыми белками. Сложность вызвана также и большим числом стадий развития, и главным образом тем, что по мере развития прогрессивно увеличивается число различных типов клеток. И это вместе с увеличением количества ДНК приводит к большему разнообразию наборов активных генов, функционирующих в клетках многоклеточных животных.

Таким образом, развитие, если рассматривать его с точки зрения функционирования генетического аппарата, состоит в последовательной смене наборов активных генов. Такое определение развития, как и большинство определений в биологии, односторонне, так как включает события, происходящие только на уровне ДНК. Оно и не совсем точно: изменения в активности генов у бактерий происходят и без развития, например при смене источников питания. Однако такое определение развития касается самых основных процессов, стоящих сейчас в центре внимания ученых, занимающихся биологией развития.

9. Этапы реализации генетической информации

Основная и, очевидно, непреложная концепция современной генетики и молекулярной биологии заключается в том, что все наследственные признаки передаются через ДНК (будь то ДНК хромосом или митохондрий и пластид). Из этого правила известны лишь одиночные исключения. Например, передача от делящейся инфузории дочерним клеткам некоторых особенностей расположения ресничек на мембране происходит посредством структуры самой мембраны.

ДНК кодирует только структуру белков. Поэтому необходимо объяснить, каким образом наследуемые свойства организма, включая все детали его строения и даже особенности поведения, создаются через белки, синтезируемые в ходе развития. Попытки такого объяснения встречают серьезные трудности. Эти трудности могли показаться непреодолимыми некоторым эмбриологам «домолекулярной» эпохи. Но для современных биологов очевидно, что здесь нет нерешаемых, а есть нерешенные проблемы.

Процессы реализации генетической информации можно условно разделить на три последовательных этапа: от ДНК к белку; от белка ко всем другим молекулам клетки, играющим роль в развитии, и к надмолекулярным структурам клетки, определяющим ее особенности и поведение; и наконец, от клеточных структур к формообразованию органов и всего организма.

Последние годы ознаменованы новыми находками, касающимися строения генов и структуры хромосом. Эти новые данные действительно можно назвать находками, поскольку они оказались совершенно неожиданными. Вопросы о том, как устроены гены и зачем нужна «избыточная» ДНК, стояли давно, но представить, что гены окажутся как бы «разорванными» на части-экзоны, разделенные кусками «бессмысленной» ДНК (нитронами), никто не мог. «Разорванность» генов приводит к другому неожиданному следствию – сплайсингу – вырезанию лишних кусков (копии интронов) из гигантской молекулы РНК, считанной с «большого» гена, и сшиванию отрезков, несу щих информацию о белке (копии экзонов), в одну молекулу информационной PНK (мессенджер, или мРНК). Аналогичным образом до недавних пор при построении моделей хромосом все исходили из того, что ДНК, как шубой, одета специальными хромосомными белками – гистонами. На самом же деле оказалось все наоборот: комплексы, состоящие из восьми молекул гистонов (октамеры), окру жены петлями ДНК и образуют структурные элементы укладки ДНК в хромосоме – нуклеосомы. Стало очевидно, что вопрос о том, как функционируют гены, неразрывно связан с вопросом об организации ДНК и хромосом.

Представления о последующем этапе – от мРНК к белку – за последние несколько лет принципиально не изменились. Именно на этом этапе может происходить накопление (депонирование) мРНК и регулироваться ее присоединение к рибосомам. Как мы увидим, запасание различных мРНК и последующий (иногда через многие дни или даже месяцы) синтез белка на них играют значительную роль в процессах развития. Хотя благодаря успехам молекулярной биологии процессы, происходящие на этом этапе реализации наследственной информации, известны относительно хорошо, остается еще много нерешенных проблем. Мы далеки от понимания механизмов регуляции активности генов и не знаем, для чего нужны интроны. Отсутствует пока и точное описание событий, происходящих на рибосоме во время синтеза полипептидной цепи. Не сложилось еще точных представлений о том, как из вновь синтезированных полипептидов создается сложная трехмерная структура белковой молекулы.

На следующем этапе реализации генетической информации – от молекулы белка до свойств клетки – происходит контролируемый ферментами синтез небелковых соединений, играющих роль в клеточной дифференцировке. В качестве примера можно назвать различные углеводные цепочки, которые присоединяются к белкам клеточной поверхности. Они определяют, по-видимому, специфические свойства поверхности клеток, Которые отличают их друг от друга. А эти свойства, в свою очередь, определяют способность клеток узнавать другие клетки, а затем слипаться друг с другом, образуя клеточные пласты, или, напротив, отталкиваться друг от друга.

Наконец, последний, третий этап – формообразование – является до сих пор наиболее туманной областью в биологии развития. Здесь следует выделить две самостоятельные проблемы. Первая из них заключается в том, как создаются различия между клетками, которые до того были одинаковыми. Вторая проблема – это проблема создания формы органов из клеток, для этого предназначенных. Эти проблемы встают уже при попытке объяснить развитие слизистого гриба диктиостеллума: одинаковые миксамебы, оказавшись вместе, «решают», что одни из них станут клетками базальной пластинки, другие – стеблем, а третьи дифференцируются в споры. Эта задача, по-видимому, требует привлечения представлений о «позиционной информации», когда клетка сначала должна «узнать», где она находится, и затем вести себя в зависимости от этого.

Биология развития тесно связана с рядом биологических дисциплин и фактически складывается из описатель ной, сравнительной и экспериментальной эмбриологии, генетики, молекулярной биологии и др. Мы уже говорили, что развитие можно изучать с разных сторон. Название этой книги – «Гены и развитие организма» – показывает, какая именно сторона ближе нам. Более того, нам кажется, что именно она лежит в центре не только биологии развития, но и биологии вообще.