Дифференцировке клеток, приобретению ими морфологических и функциональных отличий предшествует детерминация (от лат. determinatio — ограничение, определение) — предопределение судьбы клеток, которое осуществляется благодаря возникновению качественных различий между ними. Под детерминацией подразумевается предназначение клеток к тому, чтобы в конечном счете дифференцироваться именно в этот, а не какой-нибудь иной клеточный тип. Никаких явных структурных или функциональных изменений в клетках на этой стадии не происходит. Клеточный материал считают детерминированным, начиная со стадии, когда он впервые обнаруживает способность при пересадке в чуждое место дифференцироваться в тот тип клеток, который из него образуется при нормальном развитии.
Детерминация отдельных клеток и клеточных комплексов неразрывно связана с детерминацией зачатков органов и структур организма, которая предшествует дифференциации частей (структур) развивающегося организма. При этом первоначально детерминируется общее — целый зачаток, а затем определяется судьба отдельных клеток. Под детерминацией частей организма также понимают возникновение качественных различий, которые предопределяют дальнейшую судьбу этих частей, прежде чем возникают морфологические различия между ними (дифференциация).
В последнее время получил распространение термин коммитация. По сути, он означает то же, что и детерминация. Термин «детерминация» относят преимущественно к ранним эмбриональным стадиям развития, а о коммитации говорят чаще всего применительно к отдельным клеткам, судьба которых определяется на относительно поздних стадиях развития. Так, например, говорят о коммитации различных типов клеток крови, возникших из первичной (родоначальной стволовой) кроветворной клетки.
Предшествующая процессам дифференцировки, дифференциации и морфогенеза, наблюдаемым на протяжении всего развития, детерминация также реализуется на протяжении всего онтогенеза особи. Объем детерминируемых областей с возрастом уменьшается. В раннем эмбриогенезе
детерминируются области, соответствующие зародышевым листкам, затем определяется общий план строения организма зародыша. На более продвинутых фазах эмбрионального развития и даже в постэмбриональном периоде под действие этих процессов подпадают более ограниченные области — зачатки органов или отдельных структур организма.
Детерминированность элементов развивающегося организма тесно связана с понятием потенций развития. Потенции (проспективные потенции) — это все возможные направления развития элементов организма, которые могли бы осуществиться при определенных условиях, в том числе и отличных от нормальных. То, во что данный элемент развивается при нормальных условиях, называют его проспективным (презум-птивным) значением. Очевидно, что проспективные потенции некоторой части зародыша не могут быть уже ее проспективного значения.
На каждом этапе развития элементы организма — отдельные клетки, клеточные комплексы, зачатки органов и структур характеризуются определенными потенциями. В ходе развития организма по мере усиления детерминации происходит изменение (сужение) потенций его элементов. Другими словами, наблюдается рестрикция — ограничение возможностей выбора путей развития, предоставляемых развивающемуся элементу. Пример, иллюстрирующий рестрикцию потенций клеток мезодермы зародыша, представлен на рис. 8.51.
Рассмотрим, как происходит изменение потенций элементов развивающегося организма на примере Хордовых. Как говорилось выше, на стадии дробления в клетках зародыша первоначально синтез белков осуществляется на матрицах, запасенных в ходе овогенеза. Когда происходит активация собственных генов зародыша, экспрессирует-ся максимальное за весь период онтогенеза количество генетического материала. Все клетки зародыша на этой стадии развития синтезируют только общеклеточные белки («house keeping» proteins) и проявляют активность одних и тех же генов. Вследствие этого (напомним, что на указанной стадии) зародыш является однослойным, поскольку все его клетки однородны с генетической и биохимической точек зрения. Бла-стомеры в фазе дробления эквипотенциальны (равнонаследственны), т.е. все они имеют одинаковые возможности развития. Эти возможности максимальны, что определяет способность отдельного бластомера дать начало целому зародышу и, следовательно, всем типам клеток сформированного организма. Это свойство клеток получило название тоти-(омни) потентность. Доказательством служат опыты Дриша, который разделял бластомеры 2-, 4- и даже 8-клеточных зародышей морского
Рис. 8.51. Схема дифференцировки мезодермы (по В.В. Яглову, с упрощениями)
ежа. Отдельные бластомеры впоследствии давали начало полноценному организму. Сходные эксперименты были предприняты и на других животных, в том числе относящихся к различным классам Хордовых. Было установлено, что у тритона тоти(омни)потентность сохраняется до стадии 16 бластомеров, у кролика — до стадии 4-8 бластомеров, у человека — 24 бластомеров. Доказательством последнего утверждения является рождение у человека однояйцевых близнецов (см. также полиэмбриония).
У большинства хордовых клетки утрачивают тоти(омни)потентность к концу дробления. На стадии бластулы и в фазе гаструляции начинают работать гены терминальной дифференцировки, кодирующие специфические белки. Вследствие этого происходит детерминация клеток и начинаются проявления дифференцировки клеток зародыша, образующих к концу гаструляции зародышевые листки. На этом этапе
наблюдается рестрикция потенций клеток зародыша, что подтверждают опыты по пересадке в развивающийся «неокрашенный» зародыш клеток, взятых из различных областей другого зародыша той же стадии развития и помеченных флуоресцентным красителем. Было установлено, что отдельные энтодермальные клетки до стадии средней бластулы практически тоти(омни)потентны: будучи пересаженными в соответствующую область, они могут дать все другие клеточные типы, происходящие в норме как из экто-, так и из мезодермы. Например, если одну меченую энтодермальную клетку пересадить на территорию глазного зачатка, то она даст одну из клеток сетчатки глаза. Однако если отдельные энтодермальные клетки пересаживали на стадии поздней бластулы, они сохраняли потенции к формированию мезодермальных клеток, но утрачивали потенции к образованию эктодермальных. Наконец, к стадии ранней гаструлы они сохраняли потенции только к образованию эн-тодермальных производных. В целом к концу гаструляции возможности дифференцировки клеток зародыша ограничиваются компетенциями конкретных зародышевых листков.
Однако круг возможных направлений развития клеток все еще довольно широк, клетки мульти(плюри)потентны. Благодаря этому клетки на стадии ранней гаструлы оказываются способны при определенных условиях к трансдетерминации — смене направления развития, переопределению своей судьбы. В этом случае говорят о состоянии лабильной детерминации. В ходе последующего развития лабильная детерминация сменяется стабильной, которая необратимо и прогрессивно сужает круг возможных направлений развития данного элемента организма. В ходе гисто- и органогенеза наблюдается дальнейшее ограничение возможных путей развития элементов зародыша, вплоть до момента, когда сохраняется лишь единственный путь специализации — подобное состояние определяется как унипотентность. Процесс прогрессивного ограничения потенций в ходе онтогенеза получил название канализация развития (рис. 8.52).
Из вышесказанного следует вывод, что детерминация элементов развивающегося организма — это процесс, пользуясь языком эмбриологов и биологов, развития, ограничения проспективных потенций до проспективных значений.
Как уже указывалось, детерминация идет от общего к частному: сначала детерминируется судьба целого зачатка развивающегося организма, а в дальнейшем определяется судьба клеток его конкретных (частей) элементов. Именно поэтому трансдетерминация на более ранних
Рис. 8.52. Изменение потенций элементов зародыша в процессе развития
фазах развития возможна в более крупных масштабах, а в ходе дальнейших преобразований — во все более ограниченных. На стадии ранней гаструлы детерминируется судьба клеток целого зародышевого листка. Так, проспективные потенции любой клетки эктодермы обеспечивают возможность каждой из них войти в состав любого производного данного зародышевого листка: нейральных структур, эпителиальных структур кожи и начальных и конечных отделов кишечной трубки, элементов органов чувств и т.д. На стадии ранней гаструлы пересадка клеток пре-зумптивной нервной пластинки в область будущего эпидермиса живота приводила к тому, что они становились эпидермальными и наоборот, пересадка любого участка презумптивного эпидермиса в область будущей нервной пластинки вызывала его превращение в нервную ткань. На стадии поздней гаструлы клетки оказываются уже жестко детерминированными к образованию только конкретных структур, например клетки нейроэктодермы уже не способны к образованию эпителиальных структур кожи, передней и задней кишки. Они участвуют в формировании элементов центральной и периферической нервной системы, дают начало некоторым костям черепа, пигментным клеткам кожи, элементам органов чувств и др. В дальнейшем потенции определенных групп клеток нейроэктодермы еще более ограничиваются, причем каждая клеточная популяция характеризуется своим направлением развития. Однако и в
пределах ограниченных клеточных групп, если их потенции еще не уникальны, возможны явления трансдетерминации, конечно, в более узких масштабах, чем на более ранних фазах развития. В частности, в ходе органогенеза выпячивание переднего мозга формирует глазной пузырь, из которого образуется глазной бокал, представляющий собой двустенную чашу. При формировании последнего внутренняя стенка сжимается и образует сетчатку, а внешняя растягивается и формирует пигментный эпителий. Но эти участки эквипотенциальны — равнонаследственны. Если воздействия поменять, то и дифференцировка поменяется, т.е. довольно длительное время они могут превращаться друг в друга, что и было доказано в экспериментах на амфибиях.
Практически у всех животных в раннем развитии можно найти такую стадию, когда проспективные потенции частей шире их проспективных значений. Отличие состоит в том, в какой момент детерминация становится необратимой. У животных с регуляционным типом развития тоти(омни)- и мульти(плюри)потенциальность сохраняется довольно длительное время, что делает возможным трансдетерминацию. Потенции эмбриональных клеток при мозаичном типе развития существенно сужаются уже в период дробления, иногда в самом его начале. В этом случае клетки быстро теряют тоти(омни)потентность и зародыш представляет собой как бы мозаику самодифференцирующихся частей.
Считают, что одним из механизмов детерминации является избирательная трансляция мРНК в клетках. Как отмечалось в п. 8.2.5.2, предсинтезированные мРНК для многих белков запасаются в виде ин-формосом. Их трансляция начинается на более поздних стадиях развития, при этом часть из них подвергается деградации и в трансляции не участвует. Потенции клетки зависят от набора мРНК в ней, определяющих возможные пути дифференцировки. Эмбриональная детерминация наступает тогда, когда происходит синтез белка на одних матрицах из этого (существующего) набора и разрушение других. В целом, в зародышах транскрипция генов, отвечающих за последующие этапы диф-ференцировки, происходит в более широкой области (в большем числе клеток), чем последующая трансляция.
Другим механизмом может служить непосредственная активация или блокирование генов. Так, в опытах с использованием эмбриональных стволовых клеток было показано, что одним из генов, обусловливающим тоти(омни)потентность является OCT-4. Он экспрессируется в зрелых ооцитах и в делящихся эмбрионах до стадии морулы. Специализация клеток бластоцисты — формирование трофобласта — приво-
дит к исчезновению экспрессии OCT-4 в клетках последнего, тогда как в клетках внутренней клеточной массы экспрессия гена сохраняется. К 7-й неделе развития экспрессия OCT-4 определяется только в первичных половых клетках. В экспериментах на стволовых клетках установлено, что активация генов, обеспечивающих образование зародышевых листков, сопровождается прекращением экспрессии всех генов, контролирующих тоти(омни)потентность. Выяснено также, что существует антагонизм развития зародышевых листков. Например, главные индукторы гаструляции и мезодермы Nodal, Cripto, TGFβ являются сильнейшими блокаторами образования нейроэктодермы. Лишняя доза гена FoxA2 вызывает избыточное развитие эндодермы за счет мезодермы. Выключение гена-регулятора эктодермы EED приводит к перепродукции мезодермы за счет эктодермы зародыша.
В целом, детерминация тесно связана со свойствами развивающегося организма как интегрированной системы, которая включает взаимосвязанные и взаимозависимые части. Главное в понятии детерминации — проблема соотношения целостности организма и автономности, или способности его частей к самодифференцировке.