Як клітини розуміють команди?

Відео: Команда до мене, три правила, які необхідно знати кожному

 

Вивчаючи шкільний курс анатомії, розділ запліднення, сестричка запитала: як частини вже розділеної на кілька частин яйцеклітини «розуміють», що одні повинні стати волоссям, інші кістками, треті мізками і т. П.? Органи утворюються послідовно, деякі продовжують формуватися протягом усього життя, як-то повинна подаватися команда «почати формування» і «завершити формування». І якщо ці команди будуть формуватися не з єдиного центру - виникне хаос. А де тоді цей центр?

Це питання - зовсім не дитячий. Це насправді не один, а кілька питань, і вони зачіпають всі найголовніші проблеми, вирішенням яких займається велика, дуже складна і швидко розвивається наука - біологія розвитку. Добре і детально відповісти на ці питання в декількох словах просто неможливо. Відповіді на них містяться у великих і товстих книгах і в тисячах наукових статей. Багато що в цій науці до цих пір залишається неясним, і нові відкриття здійснюються мало не кожен день. Але деякі загальні принципи можна спробувати пояснити.

Почнемо з «єдиного центру», без якого «виникне хаос». Дивно, але це не так. Безліч клітин, які діляться може вести себе цілком осмислено і формувати складні структури, навіть якщо у них немає єдиного керуючого центру. Такі процеси називають «самоорганізацією». На жаль, людський розум так влаштований, що йому страшенно важко зрозуміти подібні процеси. Коли ми стикаємося з прикладами самоорганізації, нам завжди це здається якимось незбагненним дивом. Наприклад, як з безладно рухаються молекул водяної пари утворюються красиві крижані візерунки на склі або сніжинки? Де зберігається «програма створення сніжинки» або її «креслення»? Креслення немає ніде, а ось програма - існує, це ті фізичні властивості молекули води, від яких залежить утворення крижаних кристалів.

Але повернемося до грудочки клітин - крихітному зародку, який утворився з яйцеклітини в результаті декількох перших поділів. Кожна клітина зародка має один і той же геном (набір генів). Геном визначає всі властивості клітини, це її «програма поведінки». Програма у всіх клітин зародка однакова. Однак незабаром клітини починають вести себе по-різному: одні перетворюються в клітини шкіри, інші - в клітини кишечника, і так далі. Це відбувається завдяки тому, що клітини обмінюються інформацією - посилають один одному хімічні сигнали і змінюють свою поведінку залежно від того, які сигнали вони отримали від сусідів. Сигнали можуть бути і фізичними: клітини можуть «відчувати» своїх сусідів, куди вони її тягнуть або штовхають. Крім того, деякі сигнали приходять і з зовнішнього світу. Наприклад, клітини зародків у рослин відчувають земне тяжіння і приймають його до уваги, коли вирішують, як їм себе вести. Наприклад, ті клітини, у яких клітини-сусіди є тільки зверху, починають перетворюватися в корінь, а ті, у яких сусіди тільки знизу, - в стебло. Нарешті, яйцеклітина може з самого початку мати простеньку «розмітку»: один її полюс може відрізнятися від іншого по концентрації яких-небудь речовин.

Програма поведінки у всіх клітин спочатку одна і та ж, але вона може бути досить складною і складатися з кількох окремих наборів правил. Те, який з наборів правил дана клітина буде виконувати, залежить від одержуваних клітиною сигналів. Кожне окреме «правило» виглядає приблизно так: «якщо виконуються такі-то умови, зроби таке-то дію». Основні дії, які роблять клітини, - це включення або виключення певних генів. Включення або виключення гена змінює властивості клітини, і вона починає по-іншому себе вести, по-іншому реагувати на сигнали.
Як же виходить, що клітини, які мають однакову програму поведінки і знаходяться, здавалося б, в однакових умовах, все-таки поводяться по-різному? Справа в тому, що клітини зародка насправді знаходяться в різних умовах - це просто само собою так відбувається в процесі ділення клітин. Хтось опинився всередині, хтось зовні, хтось знизу, хтось зверху, в когось концентрація речовини А висока (тому що дана клітина сформувалася з тієї частини яйцеклітини, де цієї речовини було багато), а в кого -то речовини А мало.
Ще у клітин може бути «лічильник поділів», який повідомляє їм, скільки разів яйцеклітина вже поділилася. Цей лічильник теж хімічний: в яйцеклітині спочатку були певні речовини, запас яких не поповнюється під час розвитку зародка, і по тому, скільки в клітці залишилося цих речовин, можна зрозуміти, скільки поділок пройшло з моменту початку розвитку.

Програма поведінки клітини може містити, наприклад, такі команди:

«Якщо ти зовні,
і якщо концентрація речовини А в тебе така-то (знаходиться в таких-то межах),
і якщо концентрація речовини Б навколо тебе дорівнює нулю,
і якщо з моменту початку розвитку пройшло вже 10 поділок,
то почни виділяти речовину Б ».

До чого призведе виконання такої команди? Воно призведе до того, що на поверхні зародка в певний момент (після десяти поділів) з`явиться одна-єдина клітина, що виділяє речовину Б. Вона буде розташована на строго певній відстані від одного з полюсів зародка, тому що в нашому прикладі речовина А служило для початкової розмітки яйцеклітини. Отже, по концентрації речовини А клітина може визначити, на якій відстані від полюсів зародка вона знаходиться. Чому така клітина, що виділяє речовину Б, буде тільки одна? А тому, що була інструкція: «Якщо концентрація речовини Б навколо тебе дорівнює нулю». Як тільки перша клітина, в якій виконуватися поставлені умови, почне виділяти речовину Б, концентрація цієї речовини перестане бути дорівнює нулю, і тому інші клітини не почнуть його виділяти.

А що буде, якщо ми приберемо з програми інструкцію «Якщо концентрація речовини Б навколо тебе дорівнює нулю»? Тоді речовина Б почне виділятися не однієї-єдиної кліткою, а цілої смужкою клітин, що оперізує зародок на певній відстані від полюсів. Ширина паска і його положення (ближче або далі від того полюса, де концентрація А максимальна) будуть залежати від того, які концентрації речовини А вказані в інструкції «Якщо концентрація речовини А в тебе така-то».

Тепер наш зародок розмічений вже набагато складніше і цікавіше, ніж раніше. У нього є «передня частина», в якій багато А, а концентрація Б зростає спереду назад-у нього є центральний поясок, де максимальна концентрація Б і у нього є задня частина, де мало А і де концентрація Б убуває спереду назад. Наш зародок розділився на різко відмежовані одна від одної частини, в яких клітини знаходяться в різних умовах і тому будуть виконувати різні підпрограми своєї вихідної загальної програми.

Ми розділили зародок на передній, середній і задній відділи. Вони можуть стати, наприклад, головою, тулубом і хвостом. Але хотілося б ще зрозуміти, де у нього буде спина, а де живіт. Як це зробити? А дуже просто, ми вже це проходили. Потрібна інструкція, яка веде до появи тільки однієї клітини або маленької групи клітин, що виділяють якусь речовину (наприклад, В) на будь-якому «боці» зародка, де-небудь посередині між головою і хвостом. І нехай ця речовина В запустить програму зростання красивого зеленого спинного гребеня там, де його багато, і програму формування м`якого рожевого животика там, де його мало.

Коли зародок вже так добре і детально «розмічений», кожна група клітин може без праці визначити, де вона знаходиться, і активізувати заготовлену на цей випадок підпрограму (набір правил поведінки).

В ході розвитку зародка дійсно то тут, то там з`являються особливі «керуючі центри» - групи клітин, що виділяють ту чи іншу речовину, яке служить для інших клітин сигналом і впливає на їх поведінку. Але при цьому всі клітини як і раніше поводяться в суворій відповідності з початкової генетичною програмою, яка у всіх одна і та ж. Керуючі центри виникають самі, шляхом самоорганізації, ніхто їх навмисне туди не вставляє. І ніякого «єдиного централізованого керівництва», тим більше осмисленого, розумного, для цього не потрібно.
У розвитку справжніх тварин все складніше, ніж в нашому уявному прикладі, але, як не дивно, не набагато. Наприклад, у більшості тварин для «поздовжньої розмітки» зародка використовується близько десятка сигнальних речовин (в нашому прикладі ми обійшлися двома - А і Б). За виробництво цих речовин відповідає особлива група генів - так звані «хокс-гени». А для поділу зародка на тканини (нервову, м`язову, епітеліальну і т. Д.) Використовується ще три десятка інших сигнальних речовин - вони називаються мікроРНК. Але це - тільки найголовніші регулятори розвитку, а є ще дуже багато допоміжних, і вчені поки що не з`ясували всі їх властивості та функції.
Сигнальні речовини, що керують поведінкою клітин зародка, дуже могутні. Наприклад, якщо відрізати пуголовки хвіст і капнути на рану одне з цих речовин, то замість нового хвоста у пуголовка виросте пучок маленьких ніжок. Такі жорстокі експерименти проводилися на початку XX століття. Потім за справу взялися генетики, які навчилися змінювати роботу генів в окремих частинах зародка. У тому числі і тих генів, які виробляють речовини - регулятори розвитку. Одне з найцікавіших відкриттів генетиків полягає в тому, що гени, що керують розвитком, виявилися дуже схожими у всіх тварин. Їх навіть можна пересаджувати від однієї тварини до іншої, і вони будуть працювати. Наприклад, якщо взяти мишачий ген, який включає підпрограму освіти очі у миші, і змусити його працювати в зародку ноги у мухи, то на Мушина нозі починає формуватися очей. Правда, не мишачий очей, а мушачі.

Отже, ми зрозуміли, що в геномі немає «креслення» дорослого організму, а є тільки програма поведінки окремої клітини. Дорослий організм «самоорганізується» просто за рахунок того, що кожна клітина строго слід однієї і тієї ж програми поведінки. Математики кажуть, що закодувати в геномі креслення дорослої тварини було б набагато складніше, ніж таку програму. Ця програма, як не дивно, сама по собі набагато простіше, ніж виходить в результаті організм. А ще, якби наш розвиток йшло не шляхом самоорганізації на основі програми, а за кресленням, нам було б набагато важче еволюціонувати.

Років сто тому, коли вчені ще не знали законів розвитку ембріона, багато в еволюції здавалося їм незрозумілим. Наприклад, деякі вчені дивувалися, як можуть в процесі еволюції подовжиться всі чотири ноги одночасно - адже для цього, міркували вони, потрібно, щоб мутації одночасно змінили довжину відразу всіх чотирьох ніг! Дійсно, якби в геномі був записаний креслення дорослого організму, то треба було б внести в цей креслення цілих чотири поправки, щоб збільшити довжину чотирьох ніг. Тепер-то ми знаємо, що розвиток йде за програмою, в яку досить внести всього одна зміна, щоб довжина всіх чотирьох кінцівок змінилася, причому змінилася однаково.


Увага, тільки СЬОГОДНІ!