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 сложнейшей архитектуры того или иного органа? Удобным объектом для изучения механизмов морфогенеза (строительства тканей) 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[i]) . 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.

 

 

Рис. 4 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.5 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 выползает на сухое место, ориентируясь на тепло и свет.

Интересно отметить, что внешний источник свечения не только служит ориентиром для передвижения, но и задает полярность последующей дифференциации клеток D. Discoideum.

По мере передвижения в нем запускается процесс дифференцировки клеток(Takeuchi et al., 1994[ii]). В плазмодии 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 4). Так слизень превращается в маленький тонконогий грибок с круглой головкой, где находятся споры. Прямо-таки на глазах из клеток собирается причудливый организм (рис.5). 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? 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[iii]). 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[iv]) 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 претерпевают апоптоз и отмирают. Клетки плодового тела, превратившись в споры, рассеиваются ветром и становятся новыми «амебами» (рис.5).

Механическую прочность высокой и тонкой ножке придает центральная (осевая) трубка, содержащая целлюлозу и некоторые белки. Эти вещества выделяются клетками, образующими нечто похожее на окружающий трубку однослойный эпителий - один из основных типов тканей, характерных для многоклеточных животных (Metazoa). Эпителий состоит из слоя прочно сшитых друг с другом клеток, способных к направленному поглощению и выделению различных веществ. Главной особенностью этих эпителиальных клеток является их поляризованность - расположение внутриклеточных структур и мембранных белков в них строго упорядоченно - центросома и аппарат Гольджи в них всегда располагаются между ядром и поверхностью, обращенной к осевой трубке, на этой же поверхности расположены молекулы фермента, синтезирующего целлюлозу (cellulose synthase). Ключевую роль в формировании этого эпителия играют альфа- и бета-катенины (β-Catenin), белки которые, как известно, участвуют в агрегации и поляризации эпителиальных клеток и у животных. Известно,что альфа-катенины (Alpha-catenin), у животных связываются с актином - одним из основных двигательных белков цитоскелета. Гомолог альфа-катенина.найден и у D. Discoideum. Выяснилось, что этот белок производится в малых количествах, пока амёбы живут поодиночке, но его синтез резко усиливается при формировании многоклеточных структур. Как и альфа-катенин животных, этот белок способен прикрепляться, во-первых, к волокнам актина, во-вторых - к бета-катенину (в опытах использовался, с одинаковым успехом, бета-катенин диктиостелиума и мыши). В экспериментах с поочередным отключением генов альфа- и бета-катенина было показано что оба эти белка необходимы для нормального развития эпителия. Без них клетки не могут должным образом поляризоваться и самоорганизоваться в эпителий, а без эпителия не формируется осевая трубка. В итоге развитие плодового тела обрывается на ранней стадии (Dickinson et al 2011[v]).

 [i] Goss R.J.(1994) Developmental decisions in D. Discoideum. Ann Rev. Physiology. 58, 330-357.
[ii] Takeuchi I., Tasaka M., Okomoto K.,Maeda Y.(1994) Regulation of cell differentiation and pattern formation in Dictyostelium development. Int J.Dev.Biol ;38(2):311-319
[iii] Rafols I. Amagi A. Maeda Y., MacWilliams H.K., Sawada Y. (2001) Cell type proportioning in Dictyostelium slugs: lack of regulation within a 2.5-fold tolerance range. Differentiation 2001 Jun;67(4-5):107-116
[iv] Smith T.S., Pineda J.M., Donaghy A.C., Damer C.K. (2010) Copine A plays a role in the differentiation of stalk cells and the initiation of culmination in Dictyostelium development. BMC Dev Biol. 2010; 10: 59.
[v] Daniel J. Dickinson, W. James Nelson, William I. Weis.(2011) A Polarized Epithelium Organized by а- and β -Catenin Predates Cadherin and Metazoan Origins. Science. 2011. V. 331. P. 1336-1339.