Текст книги "Гены и развитие организма"

Автор книги: Александр Нейфах

Соавторы: Елена Лозовская
сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 17 страниц)

2. Действие стероидных гормонов

Стероидные гормоны являются относительно простыми органическими соединениями с небольшим молекулярным весом. О механизме их действия известно сейчас больше, чем о действии других гормонов. Скелет стероидных гормонов образован четырьмя углеводородными кольцами, и все разнообразие достигается за счет боковых групп – метальных, гидроксильных и др. Хотя сейчас известны десятки стероидных гормонов и их активных аналогов, общее число этих соединений, которые в принципе могут существовать, не превышает двухсот. Тем не менее в это число у позвоночных входят гормоны с совершенно различным действием – мужские половые гормоны (андростероны), женские половые гормоны (эстрогены), а также неполовые стероидные гормоны надпочечников – кортикостероиды.

Половые стероидные гормоны у позвоночных синтезируются в половых железах, и их синтез стимулируется гонадотропными гормонами гипофиза. У личинок насекомых стероидный гормон линьки – экдизон (экдистерон) синтезируется параторакальными железами.

Хорошей моделью действия женских половых стероидных гормонов (например, эстрадиола) служит синтез желточного белка ооцитов – вителлогенина в печени кур или овальбумина в яйцеводе цыплят. Для исследования начала синтеза вителлогенина часто используют петухов или самцов лягушек. У них в норме нет эстрогенов, вителлогенин не синтезируется и кодирующий его ген, очевидно, полностью не активен. Ho при введении эстрадиола синтез этого белка начинается и в печени самцов. Кроме генов вителлогенина, активируется также транскрипция рибосомных РНК и образование новых рибосом, в то время как активность других генов уменьшается. На новых мРНК и новых рибосомах интенсивно синтезируется вителлогенин и происходит его быстрый выход в кровяное русло. Однако, так как ооцитов у самцов нет, этот белок длительное время остается в плазме крови.

Введение эстрадиола молодым курочкам и даже цыплятам стимулирует дифференцировку клеток в их яйцеводах. Часть клеток эпителия яйцевода под влиянием эстрадиола дифференцируется в железистые клетки, в которых активируются гены овальбумина. Через несколько дней начинается синтез самого овальбумина.

В слюнных железах личинок дрозофилы или комара хирономуса (его личинки – это мотыль, живой корм для аквариумных рыб) действие стероидного гормона линьки – экдизона на активность генов можно видеть прямо под микроскопом. Политенные хромосомы значительно длиннее и толще обычных, и активные гены у них выглядят как утолщение хромосомы. Они называются пуфы. Уже через 5—10 мин после введения личинкам экдизона можно видеть появление нескольких новых пуфов (один – у хирономуса, два – у дрозофилы). Ho только через несколько часов у них возникает еще несколько десятков новых пуфов, появление которых характерно для личинки, вступившей в метаморфоз. Можно предполагать, что первые пуфы являются результатом прямого действия экдизона. Недавно при введении радиоактивного экдизона было показано, что он концентрируется в первых активирующихся пуфах. Более позднее включение остальных генов уже не требует прямого влияния экдизона и, вероятно, регулируется теми генами, которые активируются экдизоном в первые минуты. Механизм влияния «гена на ген» пора практически неизвестен, хотя такие влияния хорошо укладываются во многие схемы генной регуляции. Ингибиторы синтеза РНК подавляют включение второй очереди новых пуфов, но не препятствуют появлению первых пуфов.

Механизмы действия стероидных гормонов сейчас хорошо изучены. Эти гормоны проникают в клетки. В цитоплазме клеток-мишеней находится специфический белок-рецептор, который «опознает» тот гормон, к которому клетка компетентна, связывается с ним и образует гормон-рецепторный комплекс. Такие комплексы мигрируют в ядро и связываются, как предполагают, с теми участками хромосом, где находятся гены, которые гормон в этих клетках активирует. Один и тот же стероидный гормон в разных видах клеток активирует разные гены, например эстрадиол активирует в печени гены вителлогенина, а в яйцеводе – гены овальбумина. Следовательно, эти клетки должны отличаться или своими рецепторами, или состоянием хромосом. Сейчас преобладает мнение, что рецепторы в разных видах клеток одинаковы. Если это так, то различными являются хромосомы. Предполагается, что в ядрах клеток-мишеней на соответствующих генах находятся особые белки – акцепторы, с которыми может связываться гормон-рецепторный комплекс и каким-то (пока неясным) образом активировать данный ген.

Таким образом, компетентность клетки к стероидному гормону (ее свойства как клетки-мишени) определяется двумя обстоятельствами: наличием в цитоплазме рецепторного белка, способного «опознать» свой гормон, и наличием на определенных генах акцепторных белков, способных «опознать» гормон-рецепторный комплекс. Если эта схема верна, то наличие рецепторов делает клетку «мишенью», а положение на хромосоме акцепторных белков определяет специфичность реакции на гормон у данного вида клеток.

3. Действие белковых гормонов

Полипептидные гормоны известны, по-видимому, еще далеко не все. Среди них есть настоящие белки, хотя и небольшого молекулярного веса, а есть и полипептиды, состоящие всего из 8—11 аминокислот, замкнутых в кольцо. Настоящие белки синтезируются обычным для белков путем: ген → мРНК → белок. Некоторые же короткие полипептиды синтезируются без трансляции на рибосомах, но при помощи нескольких ферментов, которые последовательно «приставляют» по одной аминокислоте к строящейся цепочке.

Большая часть белковых гормонов синтезируется в гипофизе. Среди них можно назвать уже упоминавшийся гонадотропный гормон, стимулирующий целый ряд процессов, связанных с размножением, и в том числе синтез половых гормонов в половых железах; тиреотропный гормон, активирующий синтез тироксина в щитовидной железе; гормон роста (соматомедин), необходимый для роста животных и человека (без него люди и животные остаются карликами); пролактин, стимулирующий дифференцировку молочных желез и синтез в них казеина – белка молока. Кроме того, в гипофизе образуются и низкомолекулярные полипептидные гормоны, действующие не на дифференцировку клеток, а на физиологические процессы. Это окситоцин и вазопрессин, влияющие на работу сердца и на кровяное давление.

Белковые гормоны, контролирующие углеводный обмен, – инсулин и глюкагон синтезируются в поджелудочной железе. Эта железа является в основном экзокринной и образует многочисленные пищеварительные ферменты, которые выводятся в 12-перстную кишку. Ho около I % ее клеток находится в составе островков Лангерганса, в которые входят два вида особых клеток, работающих как эндокринные железы и выводящих в кровь инсулин (бета-клетки) или глюкагон (альфа-клетки). Оказалось, однако, что действие инсулина не ограничивается, как считали раньше, только стимуляцией превращения в печени глюкозы в гликоген. Он также необходим для ряда процессов клеточной пролиферации и дифференцировки.

В почках синтезируется белковый гормон – эритропоэтин, регулирующий дифференцировку эритроцитов в костном мозгу и селезенке.

Синтез белковых гормонов регулируется сложным образом. В этой регуляции участвует, как мы говорили выше, центральная нервная система, действующая через рилизинг-факторы. Кроме того, советским ученым М. М. Завадовским в 30-е годы была обнаружена система регуляции, которую он назвал «плюс-минус-взаимодействие» и этим намного предвосхитил открытие принципа обратной связи. Этот механизм можно показать на системе синтез тиреотропного гормона в гипофизе – синтез тироксина в щитовидной железе. Тиреотропный гормон стимулирует синтез тироксина (плюс-действие по Завадовскому), но тироксин подавляет в гипофизе синтез тиреотропного гормона (минус-действие). Таким образом поддерживается постоянный уровень тироксина в крови: при его избытке функция щитовидной железы подавляется, при недостатке – стимулируется.

Белковые гормоны не проникают в клетку. Однако на поверхности клеток-мишеней находятся специфические белковые рецепторы, которые «опознают» гормон и связываются с ним. Это связывание активирует фермент, находящийся на внутренней стороне клеточной мембраны, – аденилатциклазу, которая превращает АТФ в циклическую АМФ (цАМФ). Мы уже упоминали цАМФ, когда говорили о сигнале, собирающем миксамебы диктиостелиума в агрегат. Аналогично в других случаях из ГТФ образуется цГМФ. Далее цАМФ (или цГМФ) поступает в ядра, где активирует особые ядерные протеинкиназы – ферменты, фосфорилирующие гистоновые и негистоновые белки хроматина. Как осуществляется выбор протеинкиназ (их более десятка) и как они, в свою очередь, осуществляют выбор фосфорилируемых белков, неизвестно, Ho в итоге происходит активация определенных генов (например, в клетках половой железы активируются гены, ответственные за синтез стероидов) и начинается соответствующая дифференцировка. Мы видим, что здесь, как и в случае стероидных гормонов, нам лучше известны начальные этапы действия гормона на клетку, но по-прежнему неясны процессы, происходящие непосредственно на хромосомах.

4. Другие гормоны

Тироксин (или, точнее, тироксины) представляет собой низкомолекулярное соединение, состоящее из двух молекул тирозина, к которым присоединено несколько атомов йода. Поэтому нехватка йода в пище приводит в некоторых горных районах к тяжелой болезни щитовидной железы – зобу. Эта болезнь, однако, легко предупреждается добавлением в пищу микроколичеств йода. Другие заболевания щитовидной железы, создающие избыток тироксина, вызывают у человека базедову болезнь с характерными выпученными глазами. У взрослых животных тироксин является гормоном, влияющим в основном на интенсивность метаболизма и, в частности, энергетического обмена. Объектом такого действия тироксина являются митохондрии, в которые он проникает. Однако в эмбриогенезе и личиночном развитии действие тироксина совсем иное – он влияет на морфогенез, и это его действие осуществляется через генетический аппарат.

Мы уже упоминали о действии тироксина на метаморфоз личинок амфибий. Он действительно объединяет целый ряд одновременно протекающих процессов, ведущих к превращению головастика в лягушонка. Особенностью этого метаморфоза является то, что он происходит при сохранении всех жизненных функций животного (в отличие от метаморфоза насекомых, который происходит в неподвижной куколке). В связи с этим метаморфоз головастика продолжается более одной-двух недель и нормально происходит при строгом соблюдении последовательности составляющих его процессов. Если головастику дать сразу большую дозу тироксина, то метаморфоз начнется одновременно во всех органах и будет происходить некоординированно. В результате образуется нежизнеспособное существо без хвоста, но еще с короткими конечностями и другими аномалиями строения, не способное жить ни в воде, ни на суше.

При нормальном развитии концентрация тироксина в крови растет постепенно, вместе с ростом всего головастика и особенно щитовидной железы. Чувствительность разных органов головастика к тироксину неодинакова, и благодаря этому они вступают в метаморфоз по определенному расписанию. В результате даже в ходе метаморфоза головастик сохраняет способность к движению, может прятаться от врагов и т. д., пока не выходит на берег маленькой лягушкой.

Кроме тироксина, можно, по-видимому, назвать еще ряд веществ, которые рассматриваются вместе с гормонами лишь условно, хотя роль их в развитии может быть очень велика. Один класс веществ – кейлоны, которые будто бы выделяются различными органами в кровь и концентрация которых регулирует рост и размножение этих органов. Действительно, если у взрослого животного удалить часть печени, то оставшаяся часть восстанавливается в размерах в течение двух-трех дней. Если удалить одну почку, то так же быстро вторая почка достигает двойного размера. При этом в печени и в почках происходит волна клеточных делений, которые до того в них почти отсутствовали. Можно предполагать, что при уменьшении размеров печени концентрация кейлонов печени в крови падает и это стимулирует рост печени. Когда размер печени достигнет нормы, до нормы повысится и концентрация в крови кейлона печени и затормозит дальнейший рост. Эта красивая схема, однако, пока имеет очень немного надежных экспериментальных оснований, и само существование кейлонов остается под вопросом.

Другую группу факторов еще труднее отнести к гормонам, так как они действуют диффузно и местно, хотя, по-видимому, не так локально, как индуцирующие вещества. Речь идет о вполне реальных веществах белковой природы, называемых факторами роста. Лучше других известен «нервный фактор роста», открытый итальянской ученой Леви-Монтальчини. Он может быть получен из различных органов, но особенно много его почему-то в слюнной железе позвоночных. Он стимулирует рост нервных волокон (аксонов) и, как считают, определяет и направляет рост нервов в тканях. Возможно, что он может стимулировать рост и размножение и других типов клеток.

Кроме того, известны «эпидермальный фактор роста» и некоторые другие. «Эпидермальный фактор роста» является небольшим белком. Он стимулирует рост и деление многих видов клеток и, вероятно, играет важную роль в регуляции регенерации поврежденных органов. Ho недавно «эпидермальный фактор роста» был обнаружен в зародышах млекопитающих. Это означает, что он может играть важную роль и в процессах морфогенеза.

Несколько гормонов было открыто и у растений. Это органические вещества небелковой природы, которые стимулируют рост и цветение (ауксины, гиббереллины и др.).

Глава VII
Гибриды животных и гибриды клеток

Разнообразные методы гибридизации заключаются в объединении в яйце различных хромосом (половая гибридизация), в одной клетке – двух ядер разного происхождения (гибриды соматических клеток) или в одном организме – клеток с разным генотипом (химеры). Создание необычных, неестественных комбинаций как бы размыкает невидимые до того связи между генами, между ядром и цитоплазмой и между клетками. Это позволяет исследователю увидеть взаимоотношения частей того, что выглядело как неразрывное целое, – генотип, клетка или организм. Несколько в стороне стоят методы и задачи другого уровня гибридизации – молекул ДНК и РНК, их мы рассмотрим в следующей главе.

При половой гибридизации взаимодействие двух генотипов в одном ядре зависит от того, одинаково ли гены двух видов отвечают на сигналы цитоплазмы, «понятные» для генов материнского вида, но, может быть, чужеродные для генов отцовского вида. Это взаимодействие будет зависеть и от продукции этих генов, т. е. от совместимости кодируемых ими белков. Таким образом, проблема гибридизации животных – это во многом проблема совместимости двух генотипов.

При гибридизации соматических клеток путем их искусственного слияния сначала возникают гетерокарионы – клетки, содержащие по два различающихся ядра. Это могут быть ядра двух видов, иногда очень далеких, или ядра двух типов клеток одного вида. На таких гетерокарионах можно исследовать многие проблемы ядерно-цитоплазматических взаимоотношений, и прежде всего влияние цитоплазмы на работу ядер. Аналогичные проблемы можно решать в опытах, когда ядра, полученные из зародышей разных тканей, переносятся (трансплантируются) в цитоплазму ооцита или оплодотворенного яйца.

В ходе первых делений гетерокарионы часто образуют клетки с объединенным ядром, содержащим хромосомы двух видов. Так, удается, правда только в культуре тканей, получить гибридные клетки между очень далекими видами, такими, например, как мышь и человек. Этот метод сейчас широко используется для картирования хромосом человека – установления того, какие гены находятся в каждой из хромосом.

На гибриды животных несколько похожи химерные организмы, искусственно создаваемые путем смешивания на ранней стадии развития клеток двух линий одного вида. Эти работы сейчас в основном проводятся на млекопитающих, но химерные организмы получают на дрозофиле, а также у зародышей морских ежей и амфибий. У химер также происходит взаимодействие двух генотипов, но уже не в одном ядре, а на уровне целых клеток. В этих случаях соединяют клетки очень похожих зародышей. Поэтому развитие химер обычно происходит нормально, а различия между клетками могут служить хорошим маркером для решения некоторых проблем эмбриологии.

1. Гибриды животных

Изучение гибридов в биологии развития обычно состоит в обнаружении проявления отцовских признаков на различных стадиях развития. При выборе скрещиваемых пар исследователь сталкивается с противоречием: чем ближе скрещиваемые особи, тем лучше развивается гибрид, но тем труднее обнаружить различия между материнским и отцовским видами, особенно в раннем развитии. Действительно, различия между близкими видами обычно затрагивают лишь детали строения, которые проявляются на поздних стадиях развития.

Несовместимость при скрещивании близких и более далеких видов сама по себе может быть предметом изучения, так как позволяет понять многие важные особенности процессов развития. На пути развития гибридов существует несколько препятствий, или порогов. Первый из них: невозможность оплодотворения из-за несовместимых свойств поверхности яйца и сперматозоидов. Это препятствие мешает скрещиванию многих, даже близких, видов амфибий. Его, однако, иногда удается обойти, если зрелые ооциты одного вида поместить в полость тела лягушки другого вида. Такие ооциты проходят через яйцевод, окружаются чужими наружными оболочками и после этого становятся доступными для оплодотворения. Вместе с тем, например у рыб, оплодотворение часто удается не только между близкими видами, но и между видами из разных родов и даже отрядов и не требует специальных ухищрений.

Если оплодотворение осуществилось и хромосомы обоих видов оказались в одном ядре, их последующая судьба может быть различной. При отдаленном скрещивании часто происходит элиминация (потеря) всех или некоторых чужеродных отцовских хромосом. Механизмы элиминации до конца неизвестны, но элиминируются в первую очередь хромосомы, которые сильнее отличаются по размеру от хромосом материнского вида. Элиминация, как предполагают, происходит из-за того, что нити веретена «не умеют» растаскивать в митозе чужие хромосомы, или из-за того, что репликация отцовских хромосом происходит в иное время, чем синтез ДНК в материнских хромосомах. В результате элиминации зародыш по многим хромосомам, а значит, и генам оказывается гаплоидным. Поэтому развитие таких зародышей нарушается, а отцовские признаки не проявляются.

О других препятствиях для гибридизации мы можем только догадываться. Вероятно, одним из них является отсутствие «общего языка» между отцовскими генами и активирующими сигналами материнской цитоплазмы. Из-за этого отцовские гены вообще не активируются или активируются не те, которые нужны. Однако, как мы уже рассказывали выше (гл. 6), у андрогенетических гаплоидных гибридов рыб (материнское ядро убито и в ядрах находится лишь один набор отцовских чужеродных хромосом) гибель разных гибридов происходит в разные сроки. Это указывает на какое-то участие ядер в процессе развития и скорее согласуется с тем, что в отцовских хромосомах активируются «неправильные» гены.

Другой порог гибридизации может состоять в том, что чужеродные белки, которые синтезируются под контролем отцовских генов, в лучшем случае не способны обеспечить осуществление процессов развития, а в худшем – нарушают нормальный и сбалансированный ход метаболизма, что приводит к остановке развития и гибели зародьшей. Этим можно объяснить то, что в обычных диплоидных гибридах самок вьюна с самцами из другого отряда, т. е. в присутствии собственных хромосом, развитие ранних стадий протекает относительно нормально, но позже нарушается и в конце концов завершается гибелью всех зародышей или ранних личинок. Развитие же андрогенетических гибридных гаплоидов, лишенных материнских хромосом, обычно останавливается на стадии бластулы.

Наконец, последним порогом гибридизации может быть полноценное участие геномов обоих родителей, в результате чего создаются организмы с «промежуточными» признаками, не способные к жизни. Об этом говорят многочисленные опыты, когда кусочки тканей гибрида, пересаженные на один из родительских организмов, жили нормально, в то время как целые гибридные организмы погибали.

Интересной особенностью многих гибридных комбинаций является различная судьба реципрокных гибридов, когда, например, курица скрещивается с перепелом и перепелка – с петухом. В то время как в первом варианте выводятся жизнеспособные птенцы, во втором они погибают в яйце. Различна судьба у реципрокных гибридов ручьевой и озерной форели. В некоторых случаях было показано, что появление определенных признаков (например, пигментация глаз) у реципрокных гибридов происходит на разных стадиях. Все эти случаи можно объяснить, если предположить, что гены одного вида чувствительны к регуляторным белкам другого вида, а гены второго вида плохо воспринимают регуляцию со стороны первого вида.

Выше мы уже подробно рассматривали, как в биологии развития гибриды используются для установления времени начала работы генов. Возможности, которые они открывают для других исследований, еще далеко не исчерпаны. Дело тут, очевидно, в том, что при гибридизации взаимоотношения между двумя видами происходят одновременно на многих этажах: между хромосомами и генами двух видов, между генами одного вида и цитоплазмой другого, между белками двух видов и т. д. Разобраться в этом обычно не просто. Поэтому метод гибридизации, так много давший для генетики, гораздо меньше мог пока дать для решения проблем биологии развития.