биомолекула.ру. Взгляд изнутри.
 

Логин:
Пароль:


Уточнен механизм, по которому развиваются конечности у куриного эмбриона

[30 октября, 2011 г.]

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Куриный эмбрион, пожалуй, самая любимая модель у эмбриологов и биологов развития. Тем не менее, даже для столь досконально изученного организма существует множество загадок и белых пятен. Например, в течение десятков лет не было до конца понятно, каким именно способом регулируется развитие конечностей куриного эмбриона. И вот, кажется, сейчас эта проблема, наконец, разрешена — в недавнем номере Science вышло две статьи, убедительно показывающих, что правильное развитие конечностей у цыплят по проксимально-дистальной оси управляется с помощью градиентов двух веществ, одно из которых имеет наибольшую концентрацию в основании конечности, а другое — возле ее кончика.

Обратите внимание!

Эта статья представлена на конкурс научно-популярных работ «био/мол/текст» в номинации «Лучшее новостное сообщение».

Об общих принципах, по которым одна-единственная оплодотворенная клетка превращается в сложное высокоорганизованное существо, уже замечательно рассказал Александр Марков [1]. Теперь же речь пойдет о более конкретной проблеме, а именно о правильном развитии конечностей по проксимально-дистальной оси. Как так получается, что проксимальные (то есть, расположенные ближе к туловищу) и дистальные (то есть, наоборот, более удаленные от туловища) участки конечности не перепутываются в процессе развития? Почему пальцы вырастают у нас на кисти, а не на плече, как получается, что у нас на каждой ноге только одна ляжка, а не несколько штук, соединенных в цепочку? Каковы механизмы, по которым участки конечности выстраиваются вдоль проксимально-дистальной оси в нужном порядке? Эти вопросы уже много лет занимают умы ученых, занимающихся биологией развития.

Почти тридцать лет назад, в 1973 году, английский биолог развития Льюис Вольперт*,** и его сотрудники выдвинули изящную теорию образования конечностей у куриного эмбриона. По ней, в клетках развивающейся конечности работает что-то вроде автономных часов, которые «считают» клеточные деления, и в зависимости от того, сколько прошло этих делений, запускают образование того или иного участка конечности из недифференцированных клеток. При этом проксимальные участки образуются первыми, и чем больше прошло времени, тем дистальнее будут возникающие структуры.

* — Вольперту принадлежит афоризм «Главное событие вашей жизни — это не рождение, свадьба или смерть. Это гаструляция».

** — На эту тему вспомнилась ЛЭШевская шутка: «Памятник Геккелю на стадии бластулы». — Ред.

Казалось бы, гипотеза эта (она получила название «модель прогрессивной зоны») достаточно простая и легко проверяемая — однако не тут-то было. В течение последующих десятилетий исследователям не удалось ни подтвердить, ни опровергнуть это предположение. Зато возникло несколько других гипотез — и одна из них постулировала, что никакие внутренние часы для верного развития конечности не нужны, а нужен правильный градиент некоторых веществ вдоль проксимально-дистальной оси, причем одни из этих веществ имеют наибольшую концентрацию со стороны основания конечности, а другие — со стороны ее кончика.

У каждой теории были косвенные подтверждения и ярые сторонники в научном мире, но прямых доказательств верности ни у одной из них не было.

И вот наконец-то две группы ученых — одна смешанная американо-голландско-испанская, другая чисто испанская — убедительно показали, что модель прогрессивной зоны не верна, внутренних часов у развивающихся конечностей нет, а регулируется их образование градиентами определенных веществ вдоль проксимально-дистальной оси.

Вообще, в управлении развитием конечностей уже давно были заподозрены ретиноевая кислота, которая влияет на растущую конечность с проксимального конца, и факторы роста фибробластов (FGF), которые, наоборот, действуют дистально. Самый простой способ проверить, верны ли эти подозрения, — просто «выключить» данные вещества с помощью блокаторов и посмотреть, как будет развиваться конечность. Но, к сожалению, это невозможно, поскольку в результате прекращается развитие конечностей как таковых.

Однако данную проблему можно обойти, если использовать недавно разработанную методику, которая позволяет сохранить клетки «почки» конечности (участки, из которых у эмбриона развиваются конечности) в культуре в недифференцированном и пролиферирующем состоянии. Для этого необходимо выдерживать их в среде с белком FGF8 — одним из членов FGF-семейства — и белком Wnt3a, который также вовлечен в регуляцию эмбриональных процессов (см. путь Wnt).

При наличии этой методики достаточно добавить к культивируемым клеткам исследуемые вещества, а потом собрать из них так называемую «рекомбинантную конечность», трансплантировать ее в развивающийся эмбрион и посмотреть, какая в результате вырастет конечность и чем она будет отличаться от нормальной.

Итак, исследователи из первой — американо-голландско-испанской — группы создали три варианта рекомбинантных конечностей:

  1. клетки которой вообще не держали в культуре, а сразу, едва диссоциировав, собрали из них рекомбинантную конечность (первый контроль);
  2. на клетки которой НЕ действовали ретиноевой кислотой, а просто содержали 36 часов в культуре (второй контроль);
  3. на клетки которой в культуре действовали ретиноевой кислотой в течение 36 часов (опыт).

Результаты данного эксперимента показаны на рис. 1. Видно, что хотя «ретиноевая» конечность не совершенно безупречна (например, у нее нарушены соотношения размеров сегментов), но в ней, по крайней мере, развиты все три сегмента, в то время как при отсутствии ретиноевой кислоты вместо полноценной конечности развивается всего один палец.

Рисунок 1. A. «Свежедиссоциированные» клетки (первый контроль), образуют все три сегмента конечности через 14 дней после трансплантации. B. Клетки, которые 36 часов культивировали в Wnt3a, FGF8, и ретиноевой кислоте (WFR), способны сформировать все три сегмента конечности, хотя проксимальный сегмент этой конечности удлинен по сравнению с нормальным, а средний — наоборот, укорочен. На Е показана фотография этой конечности, а на F,и H — фотографии ее участков, из которых видно, что проксимальный и средний сегменты покрыты перьями, а дистальный — чешуйками. Тип покрытия свидетельствует об истинной «проксимальности» и «дистальности» сегментов. C. Клетки, которые 36 часов культивировали только в Wnt3a и FGF8 (WF) без ретиноевой кислоты (второй контроль), могут сформировать только один палец, «сидящий» на хрящевом узелке. На D видно, что палец этот покрыт чешуйками, как и положено самому дистальному сегменту (иными словами, это не недоразвитый проксимальный участок). F — femur, бедро; T/F — tibia и fibula, большая и малая берцовые кости; M — metatarsal, плюсна; D — digits, пальцы. Масштаб: 5 мм в (A) и (E), 2.5 мм в (B) и (C), 1.6 мм в (D), и 1 мм в (F—H). Картинка из [2].

Этот эксперимент явно свидетельствовал о «проксимализующей» роли ретиноевой кислоты, а, кроме того, наносил сокрушительный удар по модели прогрессивной зоны. Ведь если в клетках развивающейся конечности работают автономные часы, то при содержании в культуре они должны отсчитывать прошедшие деления, и, после трансплантации в эмбрион, запустить образование сразу дистальных структур. Но если под влиянием ретиноевой кислоты в конечности все же развиваются проксимальные сегменты, это означает, что автономных часов в клетках нет, и развитие конечности определяется градиентом веществ вдоль проксимо-дистальной оси, а отнюдь не прошедшим с начала ее образования временем. Кроме того, в данном эксперименте выработана методика сохранения в культуре клеток, которые могут дать начало почти полноценной новой конечности, что открывает огромные возможности для дальнейших исследований.

Итак, как же развивается конечность? Вначале, еще в почке, ее клетки находятся под влиянием сразу двух веществ — ретиноевой кислоты и факторов роста фибробластов (последние, как уже было здесь замечено, среди прочих своих свойств обладают способностью сохранять клетки в недифференцированном состоянии). Ретиноевой кислоты больше в основании почки, а факторов роста фибробластов — в кончике, и поэтому клетки основания могут дифференцироваться и образуют под воздействием ретиноевой кислоты проксимальные структуры. Клетки растут и дифференцируются, конечность удлиняется, и вот расположенные на ее кончике клетки уже сильно удалены от источника ретиноевой кислоты. «Проксимализующее» влияние ретиноевой кислоты затухает, и клетки начинают образовывать все более дистальные структуры.

Хорошо, но какова же тогда роль FGF? Позволяют ли эти белки образоваться дистальным структурам при отсутствии влияния ретиноевой кислоты — или заставляют их образоваться, каким-то образом на них влияя? Судя по всему, все-таки заставляют — по крайней мере, об этом свидетельствуют результаты экспериментов, проведенных второй — испанской — группой исследователей. В этих экспериментах в почке конечности затормаживали активность факторов роста фибробластов с помощью блокировки одного из рецепторов, на которые они действуют. В результате прекращалась экспрессия маркеров дистальных участков конечности. Это означает, что для развития дистальной части конечности необходимо влияние FGF. Иными словами, факторы роста фибробластов имеют «дистализирующий» эффект, а ретиноевая кислота — «проксимализующий». В таком случае развитие того или иного участка конечности определяется балансом между концентрациями FGF и ретиноевой кислоты.

Итак, роль ретиноевой кислоты в образовании конечностей в «цыплячьих» экспериментах показана достаточно убедительно. Но, увы, триумф биологов развития омрачается одним обстоятельством. В недавних экспериментах было обнаружено, что у мышей ретиноевая кислота, наоборот, НЕ играет важной роли в развитии конечности по проксимально-дистальной оси. Может быть, так оно и есть, и млекопитающим для правильного развития конечностей не нужна ретиноевая кислота. А может быть, картина сложнее, и на самом деле ретиноевая кислота действует не сама по себе, а через цепочку неисследованных пока посредников. В любом случае, тема нуждается в дальнейших исследованиях.

Первоначально эта статья была опубликована на «Элементах» [4].

Литература


  1. «Детские вопросы» на Элементах: «Как клетки понимают, что одни должны стать волосами, другие костями, третьи мозгами и т. п.? И из какого центра им подаются команды?»;
  2. Cooper K.L., Hu J.K.-H., ten Berge D., Fernandez-Teran M., Ros M.A., Tabin C.J. (2011). Initiation of Proximal-Distal Patterning in the Vertebrate Limb by Signals and Growth. Science 332, 1083–1086;
  3. Roselló-Díez A., Ros M.A., Torres. M. (2011). Diffusible Signals, Not Autonomous Mechanisms, Determine the Main Proximodistal Limb Subdivision. Science 332, 1086–1088;
  4. Элементы: «Уточнен механизм, по которому развиваются конечности у куриного эмбриона».

Автор: Башмакова Вера.

Число просмотров: 828.

Вернуться в раздел «Новости»

Комментарии

(Оставить комментарий) (показывать сначала старые комментарии)

Яндекс.Метрика

© 2007–2015 «биомолекула.ру»
Электропочта: info@biomolecula.ru
О проекте · RSS · Сослаться на нас

Дизайн и программирование —
Batch2k15.

Сопровождение сайта — НТК «Биотекст».

Условия использования сайта
Об ошибках сообщайте вебмастеру.