БИОРЕГЕНЕРАЦИЯ - ОРГАНИЗМЫ – МОДЕЛИ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ РЕГЕНЕРА

ЧАСТЬ 1. РЕГЕНЕРАЦИЯ У НАИБОЛЕЕ ПРОСТО УСТРОЕННЫХ ОРГАНИЗМОВ. ОРГАНИЗМЫ – МОДЕЛИ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ РЕГЕНЕРАЦИИ Способность различных организмов к регенерации не одинакова. Наиболее просто устроенные организмы имеют, как правило, большие способности к регенерации, чем более сложно устроенные. Поэтому целесообразно начать знакомство с регенерацией на примере более простых организмов, что облегчит понимание этих процессов у более сложно устроенных организмов и в частности у млекопитающих и человека. Приведенные ниже в качестве примеров организмы достаточно легко размножать в условиях самой простой институтской, школьной и даже домашней лаборатории, поэтому они удобны для экспериментального изучения процессов происходящих при регенерации. 1.1. Доказательство ведущей роли генетической регуляции в процессах морфогенеза при регенерации на примере одноклеточных. Понятие цитоплазматической сегрегации. Полярность цитоплазмы. Замечательную способность организма – замещать утраченные части тела вновь образованными отмечал еще Ч. Дарвин [5]. Он приписывал это свойство действию специфического фактора, присущего всем живым существам, который он называл координирующей силой организма «постоянно стремящейся вновь приводить все части ко взаимной гармонии». Сегодня мы уже знаем, что большинство клеток организма содержит всю необходимую информацию для построения организма заново. Большая часть этой информации заключена в генетическом материале хромосом. Так, например: необходимым условием регенерации амеобы является наличие генетического материала в оставшейся части ее тела, которая может составлять лишь 1/80 ее первоначального объема (Vorontsova, Liozner, 1960[6]). Инфузория трубач способна регенерировать из 1/64 ее исходного размера при условии, что этот фрагмент сохранил хотя бы одно звено макронуклеуса (аналог ядра), некоторое количество внутриклеточного материала и часть клеточной оболочки с ресничками (Tartar,1961[7]). В опытах Г. Хеммерлинга (Hammerling 1953[8]) на одноклеточной зеленой водоросли Acetabularia была доказана важная роль нуклеиновых кислот в процессах морфогенеза при регенерации. Хотя весь организм этой водоросли состоит из одной клетки и имеет лишь одно ядро, ацетабулярия достигает нескольких сантиметров в высоту и состоит из трех морфологически хорошо отличимых друг от друга частей:

Рис.1. ацетабулярия A. Mediterranea

Рис.2 Если у ацетабулярии A. Mediterranea удалить шляпку, а затем «стебель» водоросли отсечь от своего ризоида содержащего ядро и пересадить на ризоид A. Wettstein, то примерно через месяц шляпка регенерирует

похожей на корень ризоидальной части, которой она прикрепляется к придонным камням, тонкого растущего вверх «стебля» и, похожей на шляпку структуры, расположенной на его вершине. Цитоплазма всех трех частей водоросли не прерываетсяс (см. рис.1 ). Известно несколько видов ацетабулярии, различающихся по строению шляпки, что позволяет легко их идентифицировать. Если у ацетабулярии A. Mediterranea удалить шляпку, а затем «стебель» водоросли отсечь от своего ризоида содержащего ядро и пересадить на ризоид A. Wettstein (старое название) содержащий «чужое» ядро, то примерно через месяц шляпка регенерирует. При этом вновь образованная шляпка будет иметь черты сходства с обеими родительскими формами. Однако если эту регенерировавшую шляпку удалить, все последующие регенераты внешне ничем не отличаются от того вида, которому принадлежало пересаженное ядро т.е. от A. Wettstein (см. рис.2) Таким образом, информация по строению регенерирующей шляпки находится в ядре и передается от ядра через цитоплазму к вершине стебля, где осуществляется регенерация. Образование первоначально шляпки промежуточного типа являлось, очевидно, следствием стабильности рибонуклеопротеидов (РНП) от старого ядра, в результате чего реализовалась комбинированная инструкция: запасенная в виде РНП информация от старого ядра и вновь образованная информация от нового ядра. При подавлении синтеза РНК актиномицином Д (антибиотик подавляющий синтез нуклеиновых кислот) и обработке стебля ферментом рибонуклеазой, расщепляющей молекулы РНК, формирование шляпки не происходит (Понятно, что наряду с выводом о необходимости синтеза РНК для осуществления процесса формообразования при регенерации шляпки ацетобулярии, возникает и закономерный вопрос о том каким образом синтезированная в ядре РНК приводит к образованию именно шляпки, а не дополнительных ризоидов или стебля. Откуда клетка узнает о том, что повреждена именно шляпка и именное необходимо реставрировать. Четкого ответа на этот вопрос пока, к сожалению нет. Интересно отметить, что регенерация шляпки у ацетобулярии происходит и в том случае если через некоторое время после удаления шляпки перерезатьстебель и удалить ризоидальную часть растения, то есть сиюминутного присутствия ядра для регенерации не требуется – достаточно той информации, которую ядро передает стеблю в промежуток между удалением шляпки и удалением ризоидов вместе с ядром (Рис. 3)

Рис. 3 Регенерация шляпки у ацетобулярии происходит и в том случае если через некоторое время после удаления шляпки перерезатьстебель и удалить ризоидальную часть растения, то есть сиюминутного присутствия ядра для регенерации не требуется.

Таким образом РНК необходимая для регенерации , запасенная в виде РНП стабильна и имеет достаточно длительный период жизни. Закладка специфической организации шляпки происходит намного раньше той стадии, на которой эта форма реализуется. Следовательно, для формообразования помимо регуляции на уровне транскрипции в ядре требуется еще и регуляция на уровне цитоплазмы. Регенерация шляпки на обрезанном с обеих сторон стебле происходит всегда с той стороны стебля, где раннее находилась шляпка, а не ризоиды, что четко свидетельствует о полярной организации цитоплазмы в стебле ацетобулярии. Здесь мы сталкиваемся с явлениями цитоплазматической сегрегации (от лат. Segregare – различие), то есть с различиями цитоплазмы в разных частях клетки. Цитоплазматическая сегрегация проявляющаяся в полярности цитоплазмы связана с направленным транспортом РНП, важную роль в котором выполняет цитоскелет (Vogel et al. 2002[9]). Полярная ориентация микротрубочек и микрофиламентов цитоскелета по неизвестному пока механизму обеспечивает направленный транспорт необходимых РНП к месту регенерации. Этот же механизм транспорта задействован, очевидно, и тогда когда, по завершении развития ацетобулярии ее ядро делится примерно на 10 000 вторичных ядер, которые мигрируют вверх по стебельку и в радиальные лучи шляпки, где образуются цисты, которые после отмирания шляпки превращаются в снабженные жгутиками гаметы (Bonotto (1994[10]). 1.2. Цитоплазматическая сегрегация MDR белков предопределяет продолжительность жизни клетки и ее способность делиться. На примере пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisieае. Семейство белков, отвечающих за транспорт молекул через клеточную мембрану, известных под названием MDR ( multidrug resistance proteins ) за их способность помогать раковым клеткам избежать гибели от противораковых лекарств, а в нормальных клетках помогающие избавиться от токсинов, было найдено практически во всех известных организмах от одноклеточных дрожжей до высокоорганизованных организмов включая человека. Эволюционная консервативность этих белков свидетельствует об их важнейшей роли в жизнедеятельности клеток. Было показано, что при делении дрожжевых клеток происходит неравномерное распределение MDR белков. У материнской клетки остаются все старые MDR белки, тогда как дочерней клетке достаются все новосинтезированные MDR белки. Запас MDR белков у материнской клетки, таким образом, не обновляется – она вынуждена использовать только те MDR белки, которые достались ей при рождении. За время жизни клетки эти белки распадаются и перестают выполнять свою функцию, в результате чего в клетке начинают быстрее накапливаться токсины ограничивающие продолжительность ее жизни и способность делиться. Так, «материнская» клетка дрожжей может дать начало лишь 20-30 дочерним клеткам, прежде чем она теряет способность делиться и погибает (Willyard C. 2010[11]). Механизм цитоплазматической сегрегации, посредством, которого происходит неэквивалентное распределение старых и новосинтезированных MDR белков между материнской и дочерней клеткой пока не ясен. Не исключено, однако, что подобный механизм лежит в основе потери старыми многоклеточными организмами, включая человека, способности эффективно обновлять ткани и клетки, что, в частности, обусловлено потерей стволовыми клетками способности к делению после 30-50 циклов образования дочерних клеток. 1.3. Дифференциация клеток направляется с помощью механизмов цитоплазматической сегрегации на примере нейробластов кузнечика и клеток нематоды. В 1952 году был проведен эксперимент, наглядно демонстрирующий важнейшую роль цитоплазматической сегрегации в механизмах клеточной дифференцировки (специализации). Используя очень тонкую иглу экспериментатор сумел повернуть метафазное веретено делящихся нейробластов таким образом, что хромосомы, которые должны были мигрировать в дочернюю клетку, предназначенную для специализации в ганглий, попали в ту клетку, что была предназначена для образования нейробласта и наоборот, хромосомы, предназначенные для нейробласта, попали в то место где должна была образоваться клетка ганглия. Несмотря на то, что хромосомы оказались не в своей клетке ничего не изменилось в специализации клеток (Carlson, 1952[12]).Таким образом, дифференциация определяется не хромосомами, а той частью цитоплазмы, которая достается при делении дочерним клеткам. Очевидно, что еще до самого деления участок цитоплазмы предназначенный для ганглия получил необходимую информацию-инструкцию для детерминации (от лат.determinare – предопределять) в ганглий, а участок предназначенный для нейробласта инструкцию для образования нейробласта. Следовательно, клетка дифференцируется в соответствии с механизмами цитоплазматической сегрегации. Очевидно, что цитоплазматические факторы предопределяют дальнейшую активность генов хромосомы. Вместе с тем, как мы видели ранее, хранилищем информации необходимой для морфогенеза являются хромосомы. Молекулы, ответственные за детерминацию, переходят при делении только в одну из дочерних клеток, что связано с крайне ассиметричным неслучайным распределением цитоплазмы и клеточных органелл при делении клеток (Errington et al., 2010[13]). Такие молекулы наделяют клетку способностью к экспрессии (от лат. Expressio - выражать) определенного набора генов необходимого для ее специализации. На примере нематоды C. elegans было показано, что дифференцировка клеток может продолжаться даже после блокады клеточного деления смесью колхицина и цитохолазина В. в результате которого разделение цитоплазмы прекращается, но не затрагивается синтез нуклеиновых кислот. При этом у одной клетки появляется целый набор свойств, в норме характерных для разных специализированных потомков этой клетки (Laufer J., Barricalupo P., Wood W.B ,1980[14]). 1.4. Некоторые соматические клетки многоклеточных организмов содержат достаточно информации для построения целого организма. Понятие плюрипотентности на примере растительных клеток. В определенных условиях многие из зрелых растительных клеток сохраняют способность делиться и способность менять свою специализацию. Если культивировать растительную ткань в среде, содержащей необходимые питательные вещества и гормоны (в первоначальных экспериментах к культуральной среде добавляли молоко кокосовых орехов) многие из ее клеток начинают бурно делиться и в конце концов образуют массу относительно неспециализированных клеток называемую каллусом (Steward, 1968[15] ). В зависимости от соотношения фитогормонов культивируемые клетки могут дать начало клеткам корней или побегов. Каллус можно разделить на одиночные клетки и выращивать в суспензионной культуре. Из одиночных клеток, выделенных из суспензии, иногда удается вырастить целое растение. Часто для этого требуется использовать растение-«няньку», которое снабжает росток необходимыми питательными веществами и фитогормонами. Выращивание растений из каллуса или суспендированных клеток сейчас нередко используют для быстрого размножения ценных растений, например женьшеня. Способность одной единственной зрелой соматической (не половой) клетки дать начало целому растению, в котором можно найти все обычные для данного растения типы специализированных (дифференцированных ) клеток, показывает, что при специализации ( дифференцировке ) у этих соматических клеток растения не происходит утраты или необратимой инактивации каких – либо генов. Клетка, способная дать начало целому организму называется плюрипотентной (от лат. pluralis – множественность и от лат. potential – возможность, скрытая способность). Позднее мы увидим, что плюрипотентность свойственна не только культивируемым растительным клеткам, но и некоторым, особым образом обработанным, культивированным соматическим клеткам взрослого организма животных и человека, что имеет очень важное значение для медицины. 1.5. Механизмы копирования утраченных частей организма при регенерации на примере плоских червей – планарий. Позиционная память. Роль стволовых клеток и апоптоза (программируемой гибели клеток) в регенерации. Плоские черви, известные биологам под названием планария, обладают удивительной регенерационной способностью. Планарии имеют длину примерно 1 – 2 сантиметра. На спинной поверхности в области головы у них имеется пара глаз, тогда как на брюшной поверхности в центральной части тела у них выпирает трубчатая глотка (фаринкс) выполняющая роль рта и ануса. Нервная система их состоит из головного мозга (ганглия) и пары нервных цепочек. Внутреннее брюхо, состоящее из трех отделов, снабжает организм питательными веществами без посредства кровеносной системы, которая у планарий отсутствует (Рис.4). Несмотря на достаточно сложную морфологию любой даже небольшой фрагмент кроме мозга и глотки, вырезанный на участке от глаз до хвоста может регенерировать за период, не превышающий двух – трех недель в полностью восстановленное животное (Рис.5). Новообразованное животное в начале, как правило, значительно меньше по размерам, но при этом повторяет пропорции исходного организма (Brondsted , 1969[16]).

Рис. 4. Планарии имеют достаточно сложную морфологию: на спинной поверхности в области головы у них имеется пара глаз, а на брюшной поверхности в центральной части тела у них выпирает трубчатая глотка (фаринкс).

Рис.5. Каждый фрагмент регенерирует в новое животное

. Важно отметить, что при этом точно копируется полярность организма, т.е. со стороны фрагмента изначально более близкого к голове образуется голова, а со стороны более близкой к хвосту образуется хвостовая часть. Головная часть фрагмента, как правило, регенерирует первой и только потом начинается регенерация хвостовой части. Время необходимое для регенерации головы при рассечении планарии на различных уровнях зависит от удаленности места разреза от головы (Рис.6). Быстрее всего регенерирует голова, если разрез делается у переднего конца червя и медленнее у заднего – хвостового (Dubois, 1949[17]).

Рис.6 Время необходимое для регенерации головы при рассечении планарии на различных уровнях зависит от удаленности места разреза от головы.

Рис.7 А.- Существо именуемое «двуликим Янусом». Б.- «Двуликий Янус» не возникает, если нижний разрез сделать не сразу, а через некоторое время после первого.

Это очевидно свидетельствует о наличии полярно ориентированного градиента «голова-хвост». Обмануть эту полярность удается в том случае, если сделать очень тонкие поперечные ломтики в области «шеи» планарии. В этом случае в результате регенерации появляется очень странное существо именуемое «двуликим Янусом» в честь римского бога с двумя лицами. У этого существа с обеих сторон ломтика образуются головы, одна из которых там где ей и следовало быть, а другая в том месте, где должен был образоваться хвостовой отдел (рис.7). «Двуликий Янус» не возникает, если нижний разрез сделать не сразу, а через некоторое время после первого, когда уже достигнут определенный уровень регенерации и голова, которая начинает развиваться на переднем конце ломтика становится способной оказать регулирующее влияние на формирование хвоста на противоположном срезе ломтика. (Goss, 1969[18]), Регенерация планарии подчиняется закону позиционной памяти. Клетки запоминают свою позицию в исходном организме и стремятся при регенерации окружить себя клетками с соответствующими позиционными номерами. Это вроде как человек, стоящий в очереди с номерками на руке. Если очередь разбежалась, то при ее восстановлении он вперед себя он поставит того кто по порядку был впереди, а позади того, кто по порядку был позади. Если этому человеку завязать глаза и повернуть его на 180 градусов то он начнет строить очередь в обратном порядке, нарушая общий порядок. Нечто похожее происходит, если небольшой ломтик из середины тела планарии подсадить в его первоначальную позицию, но при этом повернуть на 180 градусов его дорзо-вентральную ориентацию. Тогда на теле планарии в месте, где был подсажен трансплантант, нередко формируются эктопические (от гр. ektopos – смещенный) добавочные головы или хвосты (Kato et al 2001[19],Carlson, 2007[20]). Удивительная способность планарии к регенерации связана с особыми клетками, называемыми необластами. Эти клетки являются стволовыми соматическими клетками (Adult Somatic Stem Cells – ASSC). ASSC это клетки, которые сами не являясь терминально дифференцированными (т.е. прошедшими специализацию до конца) предназначены для производства специализированных клеток. Они способны много кратно делиться. При делении каждая дочерняя клетка стоит перед выбором: остаться стволовой клеткой, какой была родительская или встать на путь, необратимо ведущий к полной дифференцировке. Это отличает их от дифференцированных клеток, которые обычно сами делиться не могут. Те стволовые клетки, которые порождают только один вид дифференцированных клеток, называют унипотентными, те которые порождают несколько видов дифференцированных клеток мультипотентными, а способные дать начало целому организму – плюрипотентными. Необласты планарий во время регенерации способны дать начало не только всем типам соматических клеток необходимых для восстановления морфологии планарии, но даже зародышевым клеткам необходимым для полового размножения планарий (Sato et al 2006[21] Wang et al 2007[22]). Необласты составляют примерно 25-30 % всех клеток организма планарии (Shibata et al, 2010[23]), что примерно в несколько тысяч раз больше чем число ASSC у млекопитающих. (Для сравнения: у человека, например, количество взрослых мезенхимальных стволовых клеток обеспечивающих постоянную замену твердых тканей организма к 15 годам не превышает одной – двух клеток на 100 тысяч, а к 60 годам падает до одной клетки на миллион (Caplan A.I. 2008[24])).Если облучить планарии рентгеновскими лучами то при определенной дозе облучения они теряют способность к регенерации, что связано с повреждением необластов (Wolf and Dubois, 1948[25]). Способность к регенерации у облученных планарий удается восстановить инъекциями выделенных необластов (Kobayashi et al 2008[26]). Это с одной стороны свидетельствует об отмеченной выше плюрипотентности необластов, а с другой говорит о том, что необласты способны реагировать на запросы организма. Особенностью необластов является увеличенное соотношение ядро- цитоплазма. В тонкой прослойке цитоплазмы можно различить помимо свободных рибосом и митохондрий еще и так называемые цитоплазматические хроматоидные тельца, представляющие собой округлые, плотные структуры, не окруженные какой либо мембраной. Хроматоидные тельца являются отличительной особенностью необластов. Их число и размеры сильно уменьшаются при дифференцировке. Можно поэтому предположить, что хроматоидные тельца поддерживают способность необласта оставаться ASSC (Solana et al.2010[27]). Эти структуры являются РНП гранулами так как они разрушаются при обработке рибонуклеазой. Предполагается, что хроматоидные тельца необластов участвуют в посттранскрипционной регуляции. В этих механизмах принимают участие несколько РНК-связывающих белков и микро РНК (miRNA) хроматоидных телец (Friedländer et al, 2009[28]). Изучение последовательных этапов регенерации планарии показало, что вначале в месте разреза начинает вырастать образование, напоминающее по форме купол. Это образование, названное регенерационной почкой или бластемой (от греч. Blastos- росток) первоначально представляющее собой скопление внешне совершенно одинаковых на вид клеток, начинает расти и после нескольких последовательных стадий дифференцировки формируют те части тела, которые требуют восстановления (Reddien, Sanches Alvorado, 2004[29]). Образованию бластемы предшествует повышение скорости деления необластов в ответ на ампутацию и их направленная миграция к месту ранения (Salo and Baguna, 1984[30]). Наряду с образованием бластемы идет и другой процесс наиболее хорошо заметный при регенерации планарий из особенно маленьких фрагментов – это перестройка оставшегося фрагмента, необходимая для воспроизведения прежних пропорций в меньшем масштабе. Например, головной фрагмент, полученный отсечением на уровне «шеи» не только формирует бластему, но и становится уже и удлиняется. При этом на нем образуется новый фаринкс (глотка) в месте, где его раньше не было, но где он должен быть в уменьшенной копии. Одновременно размеры глаз и мозга (церебрального ганглия) пропорционально уменьшаются в соответствии с новыми масштабами (Oviedo et al, 2003[31]; Pellettieri et al, 2010[32]). Аналогичную перестройку можно наблюдать и при длительном голодании планарий, когда размеры животного могут уменьшиться почти в 20 раз. Показано, что уменьшение размеров животного как при голодании, так и при регенерации, связано с сокращением числа клеток, а не с уменьшением размеров клеток (Romero & Baguna, 1991[33]; Oviedo et al, 2003[34]). Примечательно, что анатомические пропорции сохраняются, несмотря на столь значительное изменение размеров животного и числа его клеток. При восстановлении питания размеры животного возвращаются в норму за счет увеличения числа клеток путем интеркаляции (вставки) недостающих клеток опять же с соблюдением анатомических пропорций. Сокращение числа клеток при голодании или же связанной с регенерацией перестройкой тела планарии обусловлено апоптозом (генетически запрограммированной гибелью клеток) и автофагией (Gonzales-Estevez et al., 2007[35]). Это сокращение необходимо для реорганизации в соответствии с изменившимися порядковыми номерами клеток в общем плане позиционной информации организма, координирующем его анатомические пропорции (Agata et al., 2007[36]). Каким образом изменяется позиционная идентичность клеток после ампутации, каким образом она скоординирована в соответствии с анатомическими и физиологическими запросами организма, с процессом регенерации пока не известно. Как будто неведомый скульптор, ваяя живое существо, не только перераспределяет, но и удаляет ненужный материал, чтобы воплотить то, что намечено генетической программой. Так же как и во времена Чарльза Дарвина, мы остаемся в неведении, каким образом клетки четко координируют свои действия, хотя исследования в этом направлении ведутся, и определенные успехи уже есть (Yazawa et al., 2009[37], . Forsthoefel and Newmark 2009[38], Gurley et al 2009[39], Eivers et al 2008[40]). Какая клетка, какую роль будет выполнять? В каком месте, в какой позиции она будет находиться? Какой способ она использует для ориентации и навигации? В каком виде представлен общий целостный план развития, анатомии и морфологии организма? Как он записан? Все что мы знаем это то, что ядро живой клетки содержит всю необходимую генетическую информацию для осуществления развития и функционирования организма. Образно выражаясь, ядро выполняет в организме ту же роль, что и винчестер с жестким диском в ПК на котором записана программа. В ходе дифференцировки в разных органах начинает работать та часть генетической программы, которая командует синтезом белков в этом конкретном органе или отдельной клетке. А вот как все это скоординировано в целостный организм, увы, не ясно. Как это ни поразительно, но клетки, строящие организм, не только точно вовремя перестают расти, делиться, и принимают разную форму, они дифференцируются, а порой даже отмирают, чтобы получилась необходимая пространственная структура (Friedl P., Gilmour D. 2009[41]). Еще в 1825 году удалось провести эксперименты, демонстрирующие на планариях особенности механизмов регенерации. Если удалить голову животного и через переднюю часть тела – «шею» сделать продольный разрез до глоточного отверстия, расположенного в середине нижней брюшной поверхности, то через некоторое время в результате регенерации на каждой из половинок «шеи» образуется своя голова и получается двухголовая планария. (рис. 4). Интересно отметить, что если отрезать у двухголовой планарии одну из двух голов, то она вновь не регенерирует. Точно также не регенерирует

Рис.8. На каждой из половинок «шеи» образуется своя голова и получается двухголовая планария

Рис. 9. Если у планарии с двумя хвостами (1 и 3) или двумя головами (6 и 7) отрезать лишнее ( 2, 4, 6, 7) то на их месте лишние хвосты и головы не восстанавливаются. Вместе с тем отрезанные хвосты и головы регенерируют в нормальную планарию. Нормальная регенерация происходит и в том случае, когда после удаления лишнего отсекают и оставшуюся голову (8, 9) или хвост (5).

дополнительный хвост(Herbert et al,1926[42]). Оставшаяся культя постепенно деградирует и образуется нормальная планария (Рис. 10). Отрезанная голова или хвост также регенерируют в обычную планарию. Если отрезать одновременно обе головы выше «шеи», то обе и регенерируют. Неспособна к регенерации отделенная от тела глотка (фаринкс) и головной мозг (ганглий) отрезанный выше глаз (Gentile et al., 2011[43]). 1.6. Пути изучения морфогенеза на примере слизистого грибка миксомицета Dictyostelium discoideum. В генетической программе живых существ записаны присущие им и их потомкам черты, вплоть до крохотного пятнышка на раковине моллюска или папиллярного узора на пальцах человека (который с фантастической точностью восстанавливается после небольших повреждений, свидетельствуя о том, что заданная генетическим кодом, трехмерная структура тканей организма сугубо индивидуальна). Мы легко различаем своих знакомых и родственников по характерным чертам их лица. С помощью генного анализа можно точно установить на уровне ДНК родственные связи. А вот каким «языком» запрограммирована пространственная запись, которая "переводит" химический язык генетического кода в реальную объемную структуру, в тело? Как клетка «узнает», где ей надо остановиться, когда перестать делиться и какую форму принять, чтобы войти в состав того или иного органа? Удобным объектом для изучения механизмов морфогенеза является слизистый грибок миксомицет Dictyostelium discoideum, генетический код которого примерно в 100 раз проще, чем у человека, размещается только на шести хромосомах и полностью «прочитан» еще в 2005 году. У этого грибка любопытный жизненный цикл, благодаря чему он является излюбленной моделью для изучения процессов морфогенеза и, в частности, процесса образования бластемы (Goss, 1994[44]). Сначала его клетки передвигаются в виде "амеб" по почве и делятся через каждые несколько часов. Затем, при истощении запасов пищи, одна или несколько клеток образуют центр агрегации и выделяют цАМФ, что служит сигналом «все ко мне». В ответ на секрецию цАМФ сотни и даже тысячи "амеб" начинают скоординированное движение к центру агрегации, при этом у них еще активируются тысячи новых генов, и они начинают синтезировать вещества необходимые для узнавания и межклеточной адгезии их мембран. "Амебы" сползаются, слипаются и образуют многоклеточный плазмодий, который выглядит червеобразным слизнем. Этот слизень выползает на сухое место, ориентируясь на тепло и свет. По мере передвижения в нем запускается процесс дифференцировки клеток(Takeuchi et al., 1994[45]). В плазмодии

Рис 10. В плазмодии происходят сложные миграции клеток: клетки задней части слизевика образуют подошву для закрепления на почве; клетки передней части слизня перемещаются вниз и образуют ножку, а клетки средней части мигрируют вверх и дифференцируются в споры, образующие плодовое тело

Рис.11 Жизненный цикл слизистого грибка миксомицета Dictyostelium discoideum. Сначала его клетки передвигаются в виде "амеб"по почве затем при истощении запасов пищи, одна или несколько клеток образуют центр агрегации и выделяют цАМФ, что служит сигналом «все ко мне». В ответ на секрецию цАМФ тысячи "амеб" начинают скоординированное движение к центру агрегации, слипаются и образуют многоклеточный плазмодий, который выглядит червеобразным слизнем. Этот слизень ползет к свету и затем превращается в маленький тонконогий грибок с круглой головкой, где находятся споры. Из спор прорастают новые амебы.

происходят сложные миграции клеток: клетки задней части слизевика образуют подошву для закрепления в выбранном месте; клетки передней части слизня перемещаются вниз и образуют ножку, а клетки средней части мигрируют вверх и дифференцируются в споры, образующие плодовое тело (рис 8). Так слизень превращается в маленький тонконогий грибок с круглой головкой, где находятся споры. Прямо-таки на глазах из клеток собирается причудливый организм (рис.9). Если наполовину сократить количество сливающихся клеток, получается той же формы грибок, только вдвое меньше. Если оставить 1/4 клеток, они, опять, слившись, дают грибок со всеми присущими ему формами, только еще меньших размеров. Как принимается коллективное решение о форме, которую им надо сложить, собравшись вместе? Очевидно, здесь действует та же программа что и в случае регенерации планарии из ее небольших кусочков (см. раздел 1.5.). Пропорция между клетками слизня четко регулируется. Удаление какого–либо типа клеток ведет к компенсаторной трансдифференциации. Вместе с тем существуют определенные пределы такой трансдифференциации - «зоны толерантности» к повреждению, разные для разных частей слизня. Так, после ампутации всего заднего участка, трансдифференциация прекращается, если число клеток из которых должен образоваться стебелек сокращается до 10-20% от нормы, тогда как трансдифференциация при удалении переднего участка (клеток, которые образуют подошву) прекращается, только если число клеток, ниже 10%. При этом морфология слизня регулируется всегда таким образом что соотношение длины к ширине переднего участка постоянно (Rafols et al , 2001[46]). Недавно выяснилось, что важную роль в преобразовании слизня в грибок играет эволюционно консервативный (а значит выполняющий важную функцию как у низших, так и у высших организмов) связанный с клеточной мембраной кальций-зависимый белок Копин А (Copine A).). Мутанты не имеющие гена Копина А не способны перейти от стадии слизня к образованию грибка и остаются на стадии слизня. Если их выращивать в условиях дефицита ионов Са, то они образуют грибки с очень коротенькой ножкой. Очевидно, морфогенез стебелька регулируется каким-то кальций зависимым негативным механизмом (Smith T.H. 2010[1]) Интересно отметить, что для правильного расположения и формирования комплексной структуры грибка D. Discoideum необходим апоптоз. Около 20% клеток в D. discoideum альтруистично самоуничтожаются при формировании зрелого плодового тела. Клетки, образующие ножку формируют вакуоли и удлиняются, поднимая плодовое тело. По достижении определенной высоты предопределенной «планом» они претепевают апоптоз и отмирают. Клетки плодового тела, превратившись в споры, рассеиваются ветром и становятся новыми «амеобами» (рис.9). По мнению Симакова (2008[2]) и Гаряева П. (1997[3]) поле, управляющее развитием, порождено взаимодействием спиральной структуры ДНК, где хранится изначальная генетическая запись, с окружающим пространством. Развивая это предположение можно спекулировать, что суперспирализованная ДНК в хромосомах может работать как настроенный контур, антенна и приемник-передатчик примерно так, как это происходит в мобильном телефоне или ноутбуке, а процесс морфогенеза управляется наподобие Интернета с программой распределяющей задачи по локальным сетям и адресам. Назовем эту сеть, где пользователями могут быть как индивидуальные клетки, так и РНК-содержащие органеллы - Анатомнет, и предоставим неуемным программистам попытаться смоделировать хотя бы простейший процесс морфогенеза. Необходимо учитывать как минимум три особенности подобной сети: 1. Как и всякий компьютер, она должна иметь тактовую частоту – биоритм. С одной стороны это обусловлено тем, что между принятием сигнала и испусканием ответного сигнала необходимо какое-то время на реагирование и выполнение задачи. (В случае D. Discoideum это время между реакцией на цАМФ и выбросом собственного цАМФ). С другой стороны, биоритм является условием синхронизации действий многочисленных клеток – «пользователей» сети (см. рис.10 ). Биоритмов может быть несколько: медленный – где сигналом служит химический агент (например, цАМФ) и быстрый, где сигналом служит свечение клеток и в целом организма – аура. (В случае слизевика D. Discoideum первичный внешний источник свечения не только служит ориентиром для передвижения, но и задает полярность последующей дифференциации клеток). 2. В отличие от Интернета «пользователи» Анатомнета постоянно меняют свой «телефонный номер» (теоретически после каждого такта) и соответственно меняется их статус-специализация, хотя на практике мы эту дифференциацию замечаем только после значительных изменений. 3. Анатомнет должен иметь громадный объем памяти о трехмерной структуре тканей организма и о том, как они анатомически взаимосвязаны. Способом оценки динамики метаболических процессов, "слежения” за движущимися внутриклеточными структурами, а также за крупномасштабной динамикой морфогенетических тканевых перестроек могли бы быть сверхслабые радиоизлучения (в качестве носителя волновой информации) (Goodman et al 2009[4]). Взаимодействуя с "некодирующими” последовательностями ДНК хромосом, которые составляют более 90% генома, и возможно являются носителями информации о трехмерной структуре тканей организма, они создают нечто подобное динамичной голограммы задающей организму пространственно-временные векторы развития и работающей как биокомпьютер (Levin M.2009[5]). В отличие от обычной голограммы она должна постоянно изменять размер (но не анатомические пропорции) «изображения» в зависимости от числа «пользователей» - клеток. Примитивной моделью демонстрирующей зависимость от числа «пользователей» может быть программа ссылок Microsoft Word: при сокращении или увеличении числа ссылок соответственно меняются их номера. При этом оставшаяся ссылка (А[6]) «берет на себя» поле, принадлежавшее удаленной ссылке (В[7]).

		Пятница, 19.04.2024
	БИОРЕГЕНЕРАЦИЯ