К нашему изложению эта проблема имеет косвенное отношение в том смысле, что системный подход, показывая отсутствие аппарата централизованного управления онтогенезом на всех уровнях организации, начиная от генома многоклеточного организма, позволяет исключить из нашего рассмотрения конкретный анализ механизмов дифференциальной экспрессии генетического аппарата при индивидуал ьном развитии и старении и утверждать, что дифференциальная репрессия (и экспрессия) - это ауторегуля-торный процесс на молекулярном, клеточном и на уровне организма.
Согласно принципу Геделя в биологии, невозможно дать адекватное представление о дифференциальной активности генома в онтогенезе, если мы ограничимся изучением только генетического аппарата. Как было сказано, геном только кодирует молекулы и закладывает в них возможность взаимодействий. Далее эти молекулы ведут себя как самообучающиеся системы и становятся автономными, хотя и имеющими обратные связи с геномом; образуемые ими ансамбли и взаимодействия принимают участие в регулировании активности генетического аппарата. Поэтому относительно механизмов дифференциальной экспрессии генетического аппарата в индивидуальном развитии ограничимся самыми общими представлениями, полученными на основании многочисленных исследований.
Говоря обобщённо, процесс клеточной дифференцировки в онтогенезе частью запрограммирован структурой яйцеклетки в целом, включая, конечно, структуры гомеозисных генов, но в большей степени дифференцировка выступает как результат межгенных и межклеточных взаимодействий, действия и взаимодействия морфогенетических полей, действия градиентов продуктов метаболизма, физического взаимодействия клеточных пластов и др. Другими словами, в онтогенезе общий неспецифический процесс репрессии генома, обусловленный многоповторяемостью генов гистонов, модулируется только что названными факторами диффереицировки. Изложим это несколько подробнее.
Многообразие различных метаболических реакций делает необходимым разграничение пространств, в которых эти реакции происходят. Так в клетке присутствие внутренних мембран ведёт к обособлению не только различных органелл. Показано, что в самый начальный момент на одноклеточной стадии развития оплодотворенного яйца, благодаря определенной физико-химической структуре цитоплазматической сети, закладки будущих органов многоклеточного организма располагаются в строго определенном месте клеточной цитоплазмы: ведь передается по наследству, как выше сказано, вся клетка в целом с её сложной структурой, а не одна только ДНК.
Как было установлено, определенного вида матричные (информационные) М-РНК локализуются в определенных отделах перинуклеарной цитоплазмы {см. в [182]}. А неслучайное распределение ядерных пор по поверхности ядра соответствует расположению разрыхленных (транскрибируемых) и компактных (молчащих) доменов генома [183].
Другими словами, начальная схема построения многоклеточного организма как бы заложена в морфологии оболочки ядра и цитоплазме оплодотворенной яйцеклетки, а не только записана в генетическом аппарате ядра. Эти чрезвычайно интересные наблюдения в какой-то мере возрождают теорию преформизма, но в её современной интерпретации.
Не один геном несёт «... огонь жизни от одного поколения к следующему для любого организма на Земле». Этот Огонь жизни несёт вся клетка [184].
При этом ни ядро, ни такие органеллы, как эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, плазматические мембраны или лизосомы, не могут быть созданы абсолютно заново без наличия хотя бы фрагментов этих структур. Данные органеллы перед клеточным делением распадаются на фрагменты и затем собираются заново из этих фрагментов {см. в [9], Т.3, стр. 194-195}.
В геноме закодированы не все свойства клетки и, тем более, не все свойства организма.
Исследования природы и механизмов реализации наследственной морфогенетической информации прямо указывают на решающую роль непрерывности существования клеточных структур для сохранения этой информации и влияния пространственной организации ядра на регуляцию процессов транскрипции и трансляции [185]. Например, морфогенетическими детерминантами могут служить компартменты в клетках нейронов, которые коррелируют с сегментной организацией нейронов при формировании ими выпячиваний (ромбомеров) во время развития заднего мозга у всех позвоночных [186].
Морфогенетические детерминанты опосредствуют и дальнейшие фазы развития. Например, экспрессия гена сократительного белка в миобластах регулируется архитектурой клетки [187].
Однажды встав в начале пути определенной дифференцировки, клетки продолжают двигаться в этом направлении, даже если индуцирующий эту дифференцировку фактор уже исчез. Показано, в частности, что после 11 суток культивирования клеток CFU-E в присутствии эритропоэтина дальнейшая эритроидная дифференцировка становится независимой от эритропоэтина [188].
Фенотип взрослых (мышей) зависит от эпигенетических событий в ранних эмбрионах, например, определенное ядерно-цитоплазматическое взаимодействие в ранних эмбрионах может программировать дальнейшее функционирование генома [189].
У млекопитающих обнаружено наличие позиционных сигналов, градиент которых определяет у зародыша детерминацию головного и хвостового сегментов и формирование тела вдоль передне-задней оси [190].
Передне-задняя полярность эмбрионов (дрозофилы) инициируется во время онтогенеза через дифференциальную локализацию материнской РНК [191]. Этот процесс можно схематично и кратко изложить следующим образом: Основными детерминантами формирования передне-задней конфигурации эмбриона являются продукты генов bcd и nos. Транскрипция гена bcd осуществляется в специализированных клетках яичника, которые группируются вокруг одного полюса развивающегося ооцита. М-РНК гена bcd переходит в ооцит и захватывается одним полюсом, продукты генов nos локализуются у противоположного полюса. Таким образом, ко времени откладывания яйца оно уже оказывается поляризованным как на молекулярном, так и на морфологическом уровне.
Транслирующиеся от названных М-РНК белки, направляясь навстречу друг другу, создают градиент. В результате перекрывания градиентов в среднем отделе яйца активируется группа генов gap, причём пространственная локализация последних определяется относительной концентрацией продуктов М-РНК bcd и nos.
В свою очередь, пространственная локализация продуктов генов gap опосредует специфическую локальную регуляцию следующей группы генов в иерархическом ряду генов класса pair rule. А различные сочетания продуктов генов pair rule определяют экспрессию гомеотических генов ubx и antp. которые, в свою очередь, регулируют более поздние стадии развития и дифференцировки тканей (мухи) [192].
Итак, каскад сегментационных генов у дрозофилы запускается с помошью полярно локализованных продуктов материнских генов в яйце. [193] Показано, что конечная дифференциальная экспрессия гомеотических генов вдоль передне-задней оси развивающегося зародыша (Drosophila melanogaster) определяет положение и идентичность различных структур
тела [194|.
Необходимо подчеркнуть при этом, что специфичность живого не только в том, что оно асимметрично в молекулярно-структурном отношении. «Живое специфично прежде всего потому, что асимметрично в функциональном выражении» (И. А. Аршавский). - Структура и функция - говорим мы - неразделимы.
Как уже сказано, формирование органов зародыша определяется распределением (градиентом) морфогенетических факторов (специфических М-РНК) в яйце, что, в свою очередь, устанавливается распределением транскрипционных факторов, которые представляют собой продукты транскрипции гомеотических генов. Консервативными элементами гомеотических генов являются гомеодомены (гомеобоксы), имеющие высокий уровень гомологии у разных видов.
Открытие гомеобоксов ознаменовало начало новой эры в биологии развития. В результате был идентифицирован целый класс специфических контролирующих генов, детерминирующих план построения тела [195]. Как оказалось, каждое животное имеет сходные гены, одинаково расположенные на хромосоме, и оно использует эти гены для спецификации тех же самых относительных областей вдоль передне-задней оси, т.е. все животные суть вариации одного и того же генерального плана существования. Иначе говоря, имеют место гомологичные гены и гомологичные пути проведения сигналов у разных организмов и, на определенном этапе, - в разных тканях одного и того же организма. Например, гомеозисный ген Antennapedia у дрозофилы контролирует судьбу клеток и формирование паттерна в эпидермисе, нервной системе и мезодерме торакальных сегментов [196]. Одинаковые по сути механизмы могут задавать пространственную разметку в таких разных системах, как целое туловище зародыша курицы, зачатки его конечности или даже отдельное перо. Продукты гомеобоксных генов являются транскрипционными регуляторами. Все они содержат в своём составе консервативную последовательность из 60 аминокислот - гомеодомен, с помощью которого они способны связываться со специфическими участками ДНК в регуляторных областях других генов и влиять на их транскрипционную активность.
Гомеодоменсодержащие белки - это факторы транскрипции, которые имеют общий ДНК-связывюший домен (гомеодомен) [197]. Эти белки играют важную роль в регуляции развития.
В настоящее время идентифицировано уже более 300 гомеобоксных генов, которые подразделяются примерно на 30 классов на основании характерных консенсусных последовательностей гомеодоменов.
Гомеобоксные гены (например, гомеобоксный ген QUOX-8 перепела) в свою очередь регулируется дорсо-вентральной полярностью и взаимодействием тканей [198].
Гомеозисные гены мыши, человека и других позвоночных расположены на хромосоме в том же порядке, что и комплекс гомеозисных генов у мухи. Паттерн передне-задней экспрессии индивидуальных генов этого комплекса одинаков у мухи и позвоночных.
Итак, каждое животное имеет сходные гены, одинаково расположенные на хромосоме и используемые для спецификации тех же самых относительных областей вдоль передне-задней оси. Как было сказано, имеют место не только гомологичные гены, но и гомологичные пути проведения сигналов у таких разных организмов, как мухи, лягушки и дрожжи. Те же самые белки, которые необходимы для развития ноги насекомого, участвуют и в образовании конечности позвоночного.
В новом синтезе понятий морфогенетических полей, гомологии и генов поля представляют собой дискретные единицы эмбрионального развития, они создаются в результате взаимодействия генов и генных продуктов внутри специфических областей. Поля - это модульные сущности, пределы их компетенции могут быть установлены гомеозисными генами. Гомологичные морфогенетические поля могут существовать в пределах одного и того же организма или у разных организмов. Гомологичные гены/белки могут выполнять разные функции в разных полях.
Поле подобно экологической системе, где ген действует на морфогенез вместе с другими генами и где интерпретируются мутации генов [199].
Итак, описываются два крайне возможных и самых простых способа, с помощью которых клетки могут занимать свое относительное положение в раннем эмбрионе.
Во-первых, как уже сказано, позиционный сигнал передается матерью путем закладки в яйце морфогенетических детерминант.
Другая возможность реализуется с помощью межклеточных взаимодействий, чьи эффекты закрепляются в виде дальнодействующих паттернов внешних сигналов. Те. эмбриональные клетки способны к самоорганизации [200].
Приведем несколько примеров дифференциальной экспрессии генов под влиянием межклеточных взаимодействий.
Экспрессия гена Brachyury у Xenopus происходит в результате мсзодер-мальной индукции, как в ответ на природный сигнал, так и в ответ на индуцирующие мезодерму факторы (активин-А и основной FGF) [201].
Внеклеточные сигналы регулируют факторы транскрипции в печени при дифференцировке печеночных клеток. При этом различные комбинации внешних факторов, создающих дифференцирующие условия, по-разному влияют на экспрессию индивидуальных печень-специфических факторов транскрипции [202].
Межклеточными контактами модулируется связанная с дифференциацией экспрессия цитокератина в альвеолярных эпителиальных клетках легкого [203].
Экспрессия генов регулируется через внеклеточный матрикс [204]. Например, за счет изменения контактов клеток с внеклеточным матриксом контролируются внутриклеточные уровни мономеров тубулина [205].
Ответы исследуемых генов фибробластов кожи, например, на фактор роста эпидермиса зависят от плотности фибробластов в монослое и, следовательно, регулируются межклеточными контактами фибробластов с матриксом и физикой взаимодействий [206].
Внеклеточный матрикс координировано модулирует факторы транскрипции в печени и морфологию гепатоцитов [207].
Нейрональная активность через межклеточные контакты стимулирует экспрессию генов астроглии [208].
Последовательность экспрессии генов миозина в скелетной мышце зависит не только от генетической программы миогенных стволовых клеток, но и от внеклеточных факторов [209]. Продукты генов определенных мышц (дрозофилы) действуют внеклеточными путями, предупреждая дифферен-цировку специфичных для самцов мышц у самок [210].
Тканеспецифическая экспрессия генов носит сложноспецифический характер. Например, в сердечной мышце экспрессируется ген легкой цепи-2 сердечного миозина, который не активен в клетках скелетных мышц. Причем в скелетных мышцах синтезируются ядерные факторы, которые не синтезируются в сердечной мышце, и которые, связываясь с определенным участком в генетическом аппарате клеток сердечной мышцы, экспрессируют ген легкой цепи-2 сердечного миозина [211].
Более того, например, дефект мутантного сердца можно исправить (восстановить нормальное сердцебиение) путем культивирования его в определенных условиях-в присутствии нормальной передней энтодермы (индуктор сердечной дифференцировки) [212].
На примере развития глаза [213] продемонстрирована роль так называемого гена-«архитектора». Дело в том, что региональный формообразовательный процесс начинается с активации определённого гена-«архитектора», включающего каскад вспомогательных генов, реализующих «предписание» этого гена и обеспечивающих синтез белков, который позволяет сформироваться тому или иному органу. Очевидно, спецификация органов и тканей возникает в результате того, что в разных отделах развивающихся зародышей складывается соответствующая, отличная от других областей ситуация, определённая мозаика концентраций градиентов окружающих веществ, проявляющаяся в конечном итоге в активации местного гена-«регулятора» и в блокаде его регуляторных областей, которые позволили бы ему функционировать в других зонах зародыша. Если такой ген-«архитектор» с помощью генно-инженерной техники заставить работать в необычном месте, где он в норме в процессе онтогенеза не функционирует, например, на брюхе, то в этом месте вырастет глаз [214]. По-видимому, также включаются гены апоптоза при отмирании провизорных элементов в онтогенезе. Ключевая роль в этих событиях, по мнению Л. И. Корочкина и др. [214], принадлежит повторяющимся последовательностям.
Процесс отмирания провизорных органов в онтогенезе может выглядеть следующим образом: в любом месте зародыша существует некая мозаика концентраций веществ, вырабатываемых окружающими клетками или тканями. В определённых местах зародыша создается некая такая мозаика концентраций градиентов веществ, которая включает гены апоптоза, и ткань или орган в данном месте отмирает. Как хороший скульптор, создавая шедевр, отсекает от мраморной глыбы всё лишнее, так и механизмы апоптоза отсекают от груды размножающихся клеток излишние клеточные скопления, формируя гармонию остающихся взаимодействующих клеток вызревающего организма. Гармонию в том смысле, что оставшиеся клетки уже не формируют ту мозаику концентраций, которая вызывает апоптоз. Но остаются условия для включения апоптозных генов в клетках, которые имеют отклонения от нормы, существующей в данном месте.
Изучение молекулярных механизмов, обусловливающих такие клеточные программы, как пролиферация, дифференцировка и апоптоз, показывает, что за переход от одной программы к другой отвечает аппарат управления клеточным циклом на основе регуляции экспрессии специфических генов на уровне транскрипции. Такие группы функционально взаимосвязанных генов образуют так называемые генные сети, характеризующиеся многочисленными обратными связями и сложной динамикой поведения.
Выше мы говорили о морфогенетических полях, пределы компетенции которых могут быть установлены гомеозисными генами, говорили и о генах «архитекторах». Другими исследователями, как только что сказано, процессы, регулирующие клеточные циклы, интерпретируются в понятиях генных сетей. Нам кажется, что проще рассматривать становление и функционирование организма, как это было изложено в первой части нашей работы, в терминах и понятиях системного анализа. И тогда морфогенетические поля можно рассматривать как подсистемы, или как некие мезоорганнзмы, или как некие модули, или как элементы сети генома (или как элементы клетки, или как элементы организма в целом). Вообще, понятия и принципы функционирования генетического аппарата, или клетки, или организма в целом, как и принципы построения и функционирования экосистемы одни и те же. А само понятие сложной системы предполагает apriori прямые и обратные связи между элементами сложной системы. Уже на основании вышеприведенных примеров нельзя не согласиться с тем, что оба представления - эпигенеза и преморфизма - отображают одинаково важные механизмы раннего онтогенеза, причем эти представления не могут вступить в явное противоречие друг с другом, поскольку отображают одну и ту же реальность. Как и в принципе дополнительности (введенном в физику Н.Бором) в этих представлениях, якобы противоречащих друг другу, речь идет о различных, но одинаково существенных аспектах единого четко определенного комплекса сведений о биологических объектах (подобно тому, как это имеет место в физике: например, понятие светового дуализма рассматривает свет одновременно и как волну и как частицу).
Необходимость признания в эмбриогенезе принципов как преформации так и эпигенеза отмечена в работе Lovtrup (1985) [215]. Другими словами, при постоянно идущей (вследствие многоповторяемости генов гистонов) репрессии генетического аппарата дифференциальная экспрессия генома модулируется его структурой и его внешним окружением: нуклеоплазмой, процессами, происходящими в оболочке ядра и в клеточной протоплазме, модулируется межклеточными взаимодействиями. Например, показано [216], как одни клетки индуцируют у других новые детерминированные события.
Необходимо подчеркнуть, что, вообще, в процессе развития повсеместно идет обмен информацией между клетками организма [217]. Т.е. дифференциальная регуляция генов в онтогенезе, как уже говорилось, имеет ауторегуляторный характер.
Иначе говоря, на общем фоне постоянно идущей репрессии генетического аппарата, дифференцировка - есть следствие взаимодействия генетического идиотина с окружающей средой [218] (клеточного и надклеточного уровня).
Дифференцировка, созревание ткани сопровождается существенным снижением разнообразия генетической информации, экспрессирую-щейся в этой ткани, как это показано, например, при созревании мозжечка (крыс) [219].
Стоит заметить, что в онтогенезе сужается разнообразие информации, проявляющейся вовне (транскрибирующейся и транслирующейся; скорее, транслирующейся информации), тогда как информационное содержание самого генома на протяжении онтогенеза, как неоднократно упоминалось, не изменяется.
Мы сознательно в подробностях не излагаем иные механизмы клеточной дифференцировки при формировании органов и тканей. Например, влияние на дифференциальную экспрессию генома натяжений в клеточных пластах при нарастании клеточной массы в результате деления клеток или влияний гена hh полярной сегментации и др., как, например, контроль генетической регуляторной сети посредством селекторного гена [220] и пр.
Со временем будут открыты многие другие механизмы дифференциальной активации генов в процессе онтогенеза, но во всех случаях это будут ауторегуляторные процессы, скорее, подобные процессам в экосистемах и абсолютно несхожие со структурами, созданными человеком и управляемыми централизованно.
Другими словами, обобщая можно сказать, что на фоне постоянно идущей репрессии генома (вследствие многоповторяемости генов гистонов и вызванного этим преимущественного синтеза белков-гистонов) дифференциальная экспрессия генов в онтогенезе - это результат действия и взаимодействия топологии, химии, биохимии, механики и колебательных процессов взаимосвязанных (взаимозависимых) биохимических реакций и структур.
Используя понятие (принцип) модуляции в биологических (как и в технических) системах, онтогенез можно представить как процесс, где общий, постоянно идущий процесс репрессии генома постоянно модулируется процессами взаимодействия между элементами организма (между молекулами в клетке, между клетками, между тканями организма и... между организмами в окружающей среде).
Согласно кибернетическим исследованиям, для саморазвития некоторой системы достаточно двух условий: взаимосвязанности элементов системы и колеблющийся характер их взаимозависимости. И то и другое являются имманентными свойствами любых биосистем, поэтому они (биосистемы) «обречены» на развитие. Биосистемы не могут не эволюционировать
Но в любом случае мы не устанем повторять: самое доскональное изучение только генетического аппарата, в принципе никогда не сможет объяс нить ряд процессов онтогенеза (ряд свойств организма). Это идея математической теоремы Гёделя, перенесённая в биологию. На каждом этапе раз вития достигнутое к этому этапу состояние само определяет дальнейшее развитие (изменение). Те. развитие идет не только от гена, развивается поэтапно сама система в целом, начиная от системы оплодотворенной яйцеклетки - этого своеобразного «гомункулуса», несущего первоначальную схему построения биоорганизма.
См. также:
Введение
Биоорганизмы как большие системы
Введение в проблему старения многоклеточных организмов
Основные положения теории онтогенеза
Основной движительный фактор онтогенеза
Репрессия генома гистонами происходит на всем протяжении онтогенеза
Информационный и энтропийный аспект геронтогенеза
Не существует генов старения
К вопросу о теломерной (теломеразной) теории старения
Обсудить на форуме
