Рис. 12. Пересадка в икринку лягушки клеточных ядер эпителия кишечника и из опухоли почки
Во всех этих опытах прослеживается основная мысль — цитоплазма клетки воздействует на генетический аппарат и заставляет заново работать репрессированные участки ДНК. Что же касается ядер, взятых из опухолевых клеток, то опыты показывают, что само заболевание часто возникает из-за разладки генетического программирования, а не из-за нарушения в самом аппарате генов. В этом случае возникает нежелательная для организма дифференцировка или, может, даже разлад дифференцировки. Правда, некоторые ученые в этом сомневаются, потому что Р. К. Маккиннэлл не дорастил головастиков, полученных из икринок с ядрами, взятыми из злокачественных опухолей, до лягушек, как это сделал Гёрдон при пересадке в икринку ядер из нормально дифференцированных клеток. Кто знает, может быть, после того как лягушка доросла бы до взрослого состояния, у нее в почке появился бы рак. Сомнения обоснованны.
Но опыты с канцерогенными химическими веществами все-таки подтверждают, что гипотеза о нарушении генетической активности из-за раздифференцировки клеток или их репрограммирования ближе всего к разгадке сущности рака.
А на очереди опыты по пересадке ядер из дифференцированных клеток в яйцеклетки млекопитающих. Правда, технически это сделать труднее, чем с икринками лягушек или рыб: яйцеклетки у млекопитающих в сотни раз мельче, и развитие зародыша идет внутри материнского организма. Но и эти трудности ученые стараются обойти и уже работают над эктогенезом, то есть конструируют специальные аппараты и выращивают в них зародыши. Другое направление — подращивание дробящейся яйцеклетки в пробирке, а затем подсадка ее в полость матки приемной матери. В принципе самая необычная вещь открыта: из большинства клеток взрослого организма можно вырастить точные копии того существа, от которого взяты ядра клеток. Биологи уже начинают широко использовать этот процесс, называемый клонированием.
Итак, перед исследователями стоит задача раскрыть механизм воздействия организующего центра на наследственный аппарат. Возможно, что после раскрытия этих связей человек вплотную подойдет к управлению дифференцировкой клеток. Так как же устроен организующий центр — прибор, определяющий порядок работы генов, а может быть, и ведающий пространственной дифференцировкой?
Эмбриологи давно обратили внимание, что в яйцеклетках есть важная зона, после удаления которой развитие приостанавливается. Эта зона часто выявляется морфологически как у беспозвоночных, так и у позвоночных, правда, строение ее может быть различным.
У моллюска денталиума еще до начала деления оплодотворенной яйцеклетки на одном из полюсов выявляется обособленная часть. Она светлее других частей яйцеклетки и отделена от нее небольшой перетяжкой (рис. 13). Это и есть «живой прибор», следящий за развитием. Его называют полярной лопастью, или организующим центром. Без организующего центра так же, как и без генетической программы, развитие организма прекращается. Простой опыт подтверждает это: если микроскальпелем удалить полярную лопасть, развитие остановится.
Рис. 13. Полярная лопасть в яйцеклетках моллюска денгтилиума:
а — морской еж — пигментированная полоса; б — асцидия и лягушка — серп
Казалось бы, бери эту лопасть и исследуй. А между тем посмотреть, как циркулируют вещества между яйцеклеткой и лопастью, пока не удалось. Трудно, не повреждая клетку, вести исследование внутри нее. Видимо, не в одном химическом составе дело — сама структура организующего центра тоже важна. Пока это образование остается загадочным.
В яйцеклетках других животных организующий центр может и не быть так четко выделен, как у моллюска денталиума. Так, у асцидий и амфибий на одной стороне яйцеклетки можно различить образование желтого или серого цвета — желтый или серый серп У морских ежей это уже не серп, а полоска. Почти в каждой яйцеклетке можно найти образование, которому предназначено быть прибором, следящим за развитием. Химический анализ этой области показывает, что в ней сосредоточено большое количество нуклеиновых кислот (РНК), здесь же накапливаются запасы желтка и другие высокоэнергетические вещества.
Если яйцеклетку разделить на две части, в одну из которых попадет весь организующий центр, а вторая часть останется без него, то судьба этих частей будет различна (рис. 14). Та часть, где окажется организующий центр, даст нормально сформированный зародыш, только меньших размеров. Часть, где организующего центра не было, округлится, клетки в ней еще некоторое время будут делиться, но никогда нормального зародыша не получится, будет только комок клеток.
Рис. 14. Опыты с развитием перевязанного зародыша стрекозы
Вот пример такого разделения. Яйцеклетка лягушки после первого деления образует два бластомера. Каждому из бластомеров достается ядро, а вот организующий центр — необязательно. Все зависит от того, как прошла борозда дробления. Если она пройдет через серый серп, то его части попадут в оба бластомера. Если такие бластомеры разделить микроинструментами, каждый из них разовьется в полноценный зародыш. Другое дело, когда борозда дробления прошла мимо серого серпа, тогда в один бластомер попадает весь организующий центр, а другой оказывается без материала серого серпа. Если не отделять бластомеры, то развитие будет нормальным. Но при разделении бластомеров друг от друга искусственным путем получим картину, о которой уже говорили. Бластомер с серым серпом даст нормального головастика, а впоследствии — лягушку, бластомер без серого серпа не будет развиваться.
Сходная картина наблюдается у насекомых, например у стрекозы. У нее удлиненное яйцо, и организующий центр лежит как бы в хвостовой части. Если после нескольких делений тонким волоском перевязать яйцо пополам, то нижняя часть с организующим центром даст хотя и карликовый, но нормально развитый эмбрион, в то время как верхняя часть, не получая нужных команд, приостановит свое развитие (рис. 15).
Рис. 15. Полоса митозов повторяет конфигурацию травмы в эпителии хрусталика лягушки: а, б — митозы в эпителии при различной конфигурации травмы; 1 — центральная зона; 2 — герминативная зона; 3 — предэкваториальная зона (точки — отдельные посттравматические митозы)
Среди ученых нет полной договоренности, что считать критерием дифференцировки или специализации. Во всяком случае, дифференцировка заканчивается тогда, когда клетка перестает подучать сигналы от организационного центра или от других клеток, а главное — перестает перестраивать свою генетическую программу. В полностью дифференцированной клетке работают только строю определенные гены, то есть в ней работают те участки ДНК, которые ответственны за синтез белков в том органе, где находится эта клетка. Если этот порядок нарушить и в клетке начнут работать гены, которым надлежит «молчать», то тут-то и возникают опухоли. В дифференцированных клетках они возникают чаще, ведь на них уже не оказывает влияния организующий центр, который в раннем детстве ведет клетки «за ручку».
Информационное поле жизни
Картина развития организмов, или морфогенез, постоянно Протекает на наших глазах. И не зря видный американский биолог Э. Синнот сказал, что «морфогенез, поскольку он связан с самой отличительной чертой живого — организацией, — это перекресток, куда сходятся все пути биологических исследований… Именно здесь, вероятно, нужно ожидать в будущем самых крупных открытий».
Какие же знаки есть на этом перекрестке? Где хранится «живой прибор», следящий за тем, как генетическая запись с химического языка переводится в реальную объемную структуру, в тело?.Генетической программе в одиночку выполнить это невозможно. Да и опыты, о которых говорилось ранее, подтверждают, что не обойтись без организационного центра. Ведь в каждой клетке организма заложена одинаковая генетическая программа, в каждой клетке есть вещества, поступившие из организационного центра. А как совершается общее руководство пространственным расположением и формой клеток?
Клетки, строящие организмы, специализируются, а порой даже отмирают, чтобы получить необходимую пространственную структуру. Например, так образуются пальцы на конечностях зародыша, когда ткани между будущими пальцами гибнут, а из пластинки — зачатка кисти — формируется пятипалая рука. Неведомый скульптор, ваяя живое существо, не только перераспределяет, но и даже удаляет ненужный материал, чтобы создать то, что намечено генетической программой.