Деннис Тейлор – Биология. В 3-х томах. Т. 3 (страница 72)

Рис. 22.33. Морская водоросль Acetabularia, использованная Хаммерлингом для того, чтобы продемонстрировать роль ядра. А. Два вида Acetabularia. Б. Эксперименты, проведенные Хаммерлингом

В ряде экспериментов, в том числе таких, в которых "шляпку" отделяли от нижней части "стебелька" (где находится ядро), Хаммерлинг показал, что для нормального развития шляпки необходимо ядро. В дальнейших экспериментах, в которых соединяли нижнюю, содержащую ядро часть одного вида с лишенным ядра стебельком другого вида, у таких химер всегда развивалась шляпка, типичная для того вида, которому принадлежало ядро.

При оценке этой модели ядерного контроля следует, однако, учитывать примитивность организма, использованного в качестве объекта. Метод пересадок был применен позднее в экспериментах, проведенных в 1952 г. двумя американскими исследователями, Бриггсом и Кингом, с клетками лягушки Rana pipiens. Эти авторы удаляли из неоплодотворенных яйцеклеток ядра и заменяли их ядрами из клеток поздней бластулы, уже проявлявших признаки дифференцировки. Во многих случаях из яиц — реципиентов развивались нормальные взрослые лягушки.

22.7. О чем свидетельствуют результаты описанных выше экспериментов?

22.8.2. Роль цитоплазмы

Дальнейшие сведения о роли цитоплазмы дали эмбриологические исследования. У очень многих организмов цитоплазма яйца выглядит неоднородной уже на самой ранней стадии зародышевого развития: в ней можно различить слои и зоны, создаваемые неравномерным распределением зернистого или по-разному окрашенного материала. У тех видов, у которых первые деления дробления происходят в вертикальной плоскости, как, например, у амфибий, каждый из образующихся при этом бластомеров, если отделить его от других, обычно дает начало целому нормальному эмбриону. У других видов, например у моллюсков, изолированные бластомеры не способны к нормальному развитию и образуют только часть зародыша. В первом случае разные зоны цитоплазмы распределяются между обоими бластомерами поровну, тогда как во втором они распределены неравномерно. Яйца, в которых цитоплазма дифференцирована, так что разные их участки всегда дают начало определенным частям зародыша, называют мозаичными. Тем не менее во всех случаях (за редкими исключениями) ядра всех клеток содержат одинаковые наборы генов. Следует поэтому полагать, что различие в дальнейшей судьбе эмбриональных клеток — результат какого-то влияния на гены со стороны цитоплазмы.

В 1924 г. в ряде эмбриологических экспериментов, ставших теперь классическими, Шпеман и Мангольд показали, что дифференцировка в значительной степени контролируется влиянием цитоплазмы клеток одного типа на клетки другого типа. В одном из своих экспериментов эти авторы брали гаструлу амфибии, вырезали кусочек ткани из дорсальной губы бластопора (рис. 22.34) и пересаживали ее в вентральную область другой гаструлы. Клетки дорсальной губы при нормальном развитии образуют хорду и мезодермальные сомиты (миотомы). В этом опыте у гаструлы-реципиента из тканей трансплантата (донора) развивались вторая хорда и миотомы. Над ними из эктодермы реципиента возникала новая, дополнительная нервная трубка, что в итоге приводило к образованию органов второго головастика (рис. 22.34). Структуры, образовавшиеся в эксперименте на необычном для них месте, называют атопическими.

Рис. 22.34. Эксперименты Шпемана и Мангольд по эмбриональной индукции. А. Развивающаяся гаструла (вид сверху); виден бластопор. Б. Гаструла амфибии в продольном разрезе; видна область дорсальной губы бластопора, кусочек которого вырезали и пересадили в гаструлу А. В. Поперечный разрез развивающегося зародыша, у которого образовалось два идентичных набора эмбриональных тканей. Г. Сросшиеся зародыши, возникшие в результате пересадки ткани из дорсальной губы бластопора

На основании этих данных Шпеман и Мангольд выдвинули гипотезу о механизме дифференцировки, получившем название эмбриональной индукции. Согласно этой гипотезе, определенные клетки действуют как организаторы на другие, подходящие для этого клетки. Организатор способен побуждать такие клетки к развитию в направлении, отличном от того, в котором они развивались бы в отсутствие организаторов.

Согласно представлениям Шпемана, в процессе эмбрионального развития организма определенный участок, называемый первичным организатором, детерминирует все дальнейшее течение развития. У амфибий это дорсальная губа бластопора, а у птиц — область, называемая первичной полоской. Эти первичные организаторы определяют положение оси зародыша и побуждают другие ткани действовать как вторичные и третичные организаторы — и так далее, пока не завершится дифференцировка всех органов и систем органов эмбриона на нормальных для них местах[13].

22.8.3. Природа организатора

В ряде экспериментов у зародышей вырезали участки ткани, обладающие свойствами индуктора, и помещали их на несколько часов на кусочки агара. Когда затем эти кусочки агара имплантировали в области зародыша, обладавшие соответствующей компетенцией, эти области дифференцировались так же, как и при воздействии самого индуктора. Таким образом было показано, что организатор выделяет химическое вещество, способное диффундировать в агар. Попытки выделить это вещество пока не дали достаточно ясных результатов. Высказывались предположения, что оно может быть стероидом, белком или нуклеиновой кислотой. Пол и Гилмур обратили внимание на то, что в разных тканях гистоновые и негистоновые белки распределены по поверхности молекул ДНК неравномерно. По их мнению, гистоны "прикрывают" нефункционирующие участки ДНК, т.е. те участки, в которых гены необратимо репрессированы, тогда как негистоновыми белками "прикрыты" гены, которые должны транскрибироваться.[14]

22.8.4. Роль внешней среды

Большую роль в выяснении степени влияния внешней среды на развитие сыграли исследования, подобные экспериментам Жакоба и Моно. Оказалось, например, что лактоза — это внешний фактор, оказывающий прямое влияние на функционирование генов у Е. coli. На развитие и рост растений и животных влияют такие факторы, как свет, температура, снабжение водой, питательными веществами, СО₂ и кислородом (см. гл. 9, 10, 15, 16 и 21). Факторы среды, вероятно, обычно оказывают влияние на дифференцировку, воздействуя через цитоплазму, которая в свою очередь влияет на гены.

22.8.5. Роль генов в развитии

Связь между определенными участками молекулы ДНК и морфологическим развитием усиленно изучалась на организмах, обладающих гигантскими (политенными) хромосомами. Такие хромосомы имеются, например, в клетках слюнных желез у личинок многих двукрылых, в том числе дрозофилы. Как эти политенные хромосомы достигают таких размеров, объясняется в разд. 23.5.1. Гигантские хромосомы относительно легко изучать с помощью светового микроскопа, и окраска по Фёльгену выявляет в них специфическую для каждого участка поперечную исчерченность. В процессе развития личинки дрозофилы проходят несколько стадий ("возрастов"), разделенных линьками-периодами интенсивной активности эпидермиса, за которой следует сбрасывание старой кутикулы. Две последние линьки сопровождаются особенно резкими изменениями; одна из них ведет к образованию куколки, а другая — к выходу взрослой особи (имаго). Для этих стадий характерны интенсивный метаболизм и процессы дифференцировки. Ход развития регулируется гормонами (см. разд. 21.4). На определенных стадиях некоторые из поперечных полос на хромосомах увеличиваются и образуют структуры, известные под названием пуфов или колец Бальбиани (по имени ученого, впервые обнаружившего их в 1890 г.). Специфическое окрашивание, выявляющее РНК, и радиоавтографические исследования с использованием меченых предшественников РНК показали, что в пуфах происходит синтез РНК. Было также установлено, что величина пуфов находится в прямой зависимости от скорости синтеза РНК. Полагают, что пуфы образуются в результате раскручивания молекул ДНК, разделения комплементарных цепей и синтеза мРНК в процессе транскрипции.

В процессе развития особи наблюдается определенная последовательность образования пуфов, регулируемая гормоном линьки — экдизоном. На разных личиночных стадиях и на стадии куколки пуфы возникают в различных участках хромосом; это позволяет предположить, что они соответствуют структурным генам. Доказательства того, что это участки генетической активности, представил Беерман, изучавший личинок двух видов комаров, принадлежащих к роду Chironomus. Некоторые клетки слюнных желез у личинок одного вида зернистые, а у другого вида — нет. Генетические карты, построенные по данным скрещиваний между этими двумя видами, показали, что аллели, определяющие эти признаки, расположены вблизи центромеры одной из хромосом, причем аллель зернистости доминирует. Исследование хромосом этих видов показало, что у вида, обладающего зернистыми клетками, пуфы образуются только в том участке, где локализован этот ген. Кроме того, у личинок, гетерозиготных по признаку зернистости, пуф в этом локусе возникает только в хромосоме, несущей доминантный аллель.

Дальнейшим подтверждением связи между хромосомными пуфами и синтезом мРНК служат результаты введения организмам, обладающим гигантскими хромосомами, актиномицина D. Актиномицин D подавляет транскрипцию, препятствуя синтезу мРНК, и у особей, которым вводили это вещество, пуфы не образуются (рис. 22.35).