Индукция

Введение.

Клеточная поверхность играет важную роль в обеспечении прилежащих клеток пространственной информацией. Органы представляют собой сложные образования, состоящие из тканей многих типов.

Изучая такой орган, как, например, глаз, мы обнаруживаем, что свет, проникая через прозрачную ткань роговицы,

фокусируется тканью хрусталика, диаметр которого регулирует мышечная ткань, и, наконец, падает на ткань

нейтральной сетчатки. Расположение тканей в этом органе нельзя изменить, не нарушив при этом его функции.

Такая координация в строении органов достигается благодаря  тому, что одна группа клеток может  изменить

поведение соседнего набора клеток, а именно изменить форму  клеток, митотическую активность или

дифференцировку.

Взаимодействие на близком  расстоянии, или ближнее взаимодействие, дает возможность одной группе

клеток реагировать на другую группу клеток и, изменившись, часто  приобретать способность изменять третий

набор клеток. Это явление  было названо вторичной индукцией.  

Поперечные  связи и индукция.

Нам еще не известен механизм, с помощью которого одна популяция  клеток индицирует изменения в другой. Вполне вероятно, что индукция, как  и оплодотворение, является «препрограммированным» ответом, который активируется каким-либо тригенным событием. Изучение активации В-лимфзитов позволяет предположить, что таким триггером для дифференцировки плазматических клеток служат поперечные связи антител клеточной поверхности.  Кроме того, более поздние исследования, выполненные на других индуцибельных тканях, свидетельствуют о том, что агрегация рецепторных молекул может   обеспечить общий путь запуска индукции.

При развитии В-клеток в плазматические клетки молекулы антител на клеточной  поверхности служат рецепторами  антигенов. Связав антиген с помощью  рецепторов, В-клетки приступают к пролиферации и дифференцировке. Исследования, проведенные в лаборатории Джералда Эделмана показали, что антигенная стимуляция может быть имитирована агентами, действующими на уровне клеточной поверхности путем объединения определенных рецепторов. Антитела клеточной поверхности могут быть связаны вместе другими антителами, полученными на эти исходные поверхностные антитела. Анти-антитела вызовут агрегацию рецепторов антигенов на одной из сторон клетки наподобие шапочки. И кэппинг, и митогенная активность зависят от способности связывать вместе рецепторы клеточной поверхности. Если антитела расщепить так, чтобы они не могла вызывать образование поперечных связей между молекулами рецепторов антигена, то они теряют способность стимулировать клетки к пролиферации и дифференцировки.

Если небольшие молекулы антигена связаны вместе линейно, то они могут непосредственно индуцировать дифференцировку В-клеток. Динцис и др. приготовили полимеры разной длины из простых молекул динитрофенола. Затем эти линейные полимеры смешивали с изолированными                          В-лимфацитами . В тех случаях, когда связывали вместе 12 или менее молекул ДНФ, ответа не было. Однако если полимеризовались 20 или более молекул ДНФ, то смешанные с ними В-клетки, узнающие ДНФ, начинали пролиферацию и дифференцировку. На этой основе авторы пришли к выводу, что для индукции Т-независимых В-клеток требуется определенное количество поперечных связей.

Было показано, что поперечные связи поверхностных антител  служат ключевым активатором их дальнейшей дифференцировки. Образовав поперечные связи между молекулами поверхностных  антител, В-клетки экспрессируют набор рецепторов для растворимых лимфокинов, секретируемых Т-хелперами. Они приобретают способность отвечать на продуцируемый Т-клетками интерлейкин, в результате чего происходит их деление и дифференцировка в секретирующие антитела плазматические клетки.

Подобное перераспределение  молекул на клеточной поверхности  может иметь  существенное значение для дифференцировки. Поляризация  компонентов мембраны на одной стороне  клетки приводит к компактизации. В некоторых работах были получены исходные результаты: при культивировании эмбриональных мышечных клеток Xenopus резко изменяется распределение их рецепторов к лектину соевых бобов. Сначала эти рецепторы случайно распределены на клеточной мембране,но при слипании клеток происходит аккумуляция этих гликопротеинов в месте контакта клеток друг с другом.

Известно, что поперечные связи рецепторов клеточной поверхности  опосредуют изменения двумя основными  способами. Один заключается в активации  ферментов клеточной поверхности, изменяющей внутреннюю биохимию клетки. Такие изменения наблюдаются  при инициации секреции гистамина  тучными клетками во время аллергической  атаки. Гранулы гистамина располагаются  в тучных клетках непосредственно  под поверхностной мембраной. На поверхности тучных клеток локализуется рецепторами к иммуноглобулину Е-типу антител, характерному для аллергических реакций. IgE связан со специфическими рецепторами на поверхности тучной клетки, где он может соединятся с веществом, вызывающий аллергию. Аллерген  обуславливает образование поперечных связей между двумя или более молекулами IgE, в результате чего рецепторы объединяются. После этого – и только после этого – происходит выделение гистамина. Полагают, что образование поперечных связей активируют связанные с мембранной метилтрансферазы, которые изменяют липидную структуру мембраны путем метилирования некоторых фосфолипидов. Это изменение в строении мембраны обусловливает поток ионов кальция в клетку. Гистаминвысвобождающий аппарат находится в состоянии готовности, и для его активации нужны только ионы кальция. Итак, клеточные процессы, к которым уже потенциально готова цитоплазма.

Формирование поперечных связей может также влиять на клеточную  дифференцировку путем перестройки  цитоскелета. Связанные мостиками молекулы клеточной поверхности иногда оказываются соединенными с микротрубочками или микрофиламентами в цитоплазме. В результате реоганизация молекул клеточной поверхности отражается на реорганизации внутреннего цитоскелета. Поперечно связанные поверхностные антитела В-клеток соединены с актиновыми микрофиламентами внутри клетки, и процесс петчинга фибробластов может быть приостановлен с помощью препаратов, ингибирующих полимеразацию актина. Элизабет Хэй и ее коллеги показали, что внеклеточный матрикс капсулы хрусталика может индуцировать дифференцировку клеток роговицы у куриного зародыша путем фиксации белков клеточной поверхности в определенной конфигурации. Добавление коллагена к культивируемому на фильтре эмбриональному эпителию, из которого образуется роговица, вызывает уплощение его клеток и инициируют изменения, сопровождающие развитие роговицы. Вполне вероятно, что клетки  будущей роговицы продуцируют коллаген, положение которого фиксируется фибронектином. Последний не синтезируется эпителиальными клетками, а является продуктом мезенхимы, мигрирующей в области роговицы из нервного гребня. Следовательно,индукция роговицы может быть обусловлено секрецией мезенхимой фибронектина, который фиксирует коллаген в определенной конфигурации, что в свою очередь изменяет пространственную организацию внутреннего цитоскелета. Подробные перераспределения цитоскелета могут привести к вхождению в клетку новых ионов или к реализации препрограммированного набора инструкций, которыми обладает данная детерминированная клетка.

Такое программирование ядерных  событий поперечными связями  между молекулами клеточной поверхности  наблюдается при устойчивой вирусной инфекции. Вирус кори, инфицировавший клетки, синтезирует гликопротеиновые антигены, которые затем выстраиваются в клеточную мембрану инфицированной клетки. Антитела против этих антигенов связываются с вирусными антигенами на клеточной поверхности и служат триггером реакции кэппинга. После того как это произойдет, сигнал, каким-то образом переданный в клетку, изменит внутриклеточный синтез продукта вирусного генома. Один из продуктов становится слишком фосфорилированным, тогда как синтез другого прекращается совсем. Большая часть других клеточных функций продолжает осуществляться как обычно. Описанный эффект специфичен для гликопротеина кори, а что касается антител к гликопротеинам  клетки-хозяина, то они его не имитируют.

Итак, вполне возможно, что  процесс индукции включает связывание определенных молекул с клеточной  поверхностью отвечающей клетки. Этот тип молекул может «замораживать» движение некоторых мембранных молекул в плоскости мембраны и каким-то образом изменять внутреннюю химию клетки. В настоящие время дифференцировка лимфоцитов служит наилучшей модель такого процесса, и исследователям предстоит выяснить, работают ли подобным образом другие индуцибельные системы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Индукция на уровне одной клетки.

Об эмбриональной индукции мы говорим тогда, когда взаимодействия между индуцирующими и отвечающими  клетками приводят к изменению пути развития отвечающей клетки. Если клетка не подвергается индукционному воздействию, то она становится клеткой одного типа, если же индукционное воздействие имеет место, то она становится клеткой другого типа. До сих пор мы обсуждали индукцию на уровне тканей, а не клеток. Современные исследования в области генетики развития Drosofila и Caenorhabditis показали, что индукция может происходить на уровне клетка-клетка. В качестве наиболее яркой иллюстрации можно провести формирование фоторецепторов сетчатки в глазу Drosophila. В состав сетчатки входит около 800 единиц, называемых омматидиями. Каждый омматидий состоит из 20 определенным образом расположенных клеток. Глаз развивается в слое плоского эпителия имагинального диска глаза личинки. Сверху и снизу этот эпителий не имеет непосредственно связанных с ним клеток, поэтому взаимодействия ограничиваются только соседними клетками. Дифференцировка случайно расположенных эпителиальных клеток в фоторецепторы сетчатки и окружающих их клеток в ткань хрусталика происходит у личинки последнего возраста. На задней границе имагинального диска образуется борозда, которая распространяется по эпителию к переднему краю. По мере распространения борозды соседствующей с ней клетки начинают дифференцироваться в определенном порядке. Первая из развивающихся клеток становится центральным фоторецептором. Полагают, что клетка R8 индуцирует клетку над ней и клетку под ней к превращению их соответственно в фоторецепторы R2 и R5. Фоторецепторы R8 и R5 функционально эквивалентны, поэтому предполагается, что сигнал, направляющийся от R8 к этим клеткам, один и тот же. Сигналы от этих клеток индуцируют еще четыре соседние клетки к превращению в фоторецепторы R3,R4 и затем R1 и R6. Последним появляется фоторецептор R7. Клетки, располагающиеся вокруг фоторецепторов, становятся клетками хрусталика. Детерминация хрусталика является результатом «невыполнения условий», т.е. результатом отсутствия индукции.

Обнаружена серия мутаций, блокирующая некоторые из этапов этого индукционного каскада. Так, мутация rough блокирует индукцию фоторецепторов R3 и R4. Мутация sevenless и мутация bride of sevenless препятствуют дифференцировки клетки R7. Анализ этих мутаций показал, что они связаны с процессом индукции. Ген sev необходим самой клетки R7. Если создать мозаичный зародыш так, что одни клетки глаза принадлежат дикому типу, а другие гомозиготные по мутации sav, то фоторецептор R7 развивается лишь в том случае, когда клетка-предшественница R7 имеет аллель sevenlles дикого типа. С помощью антител к этому белку было обнаружено, что он локализуется в плазматической мембране, а последовательность гена sevelles свидетельствует о том, что это трансмембранный белок с тирозинкиназным сайтом в цитоплазматическом домене. Указанные призанки дают некоторое представление о функции данного белка: вероятно, он служит рецептором некоего сигнала.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Эмбриональная индукция.

Эмбриональная индукция —  это взаимодействие частей развивающегося зародыша, при котором один участок  зародыша влияет на судьбу другого  участка. Явление эмбриональной  индукции с начала XX в. изучает экспериментальная эмбриология.

Классическими считают опыты  немецкого ученого Г. Шпемана и его сотрудников (1924) на зародышах амфибий. Для того чтобы иметь возможность проследить за судьбой клеток определенного участка зародыша, Шпеман использовал два вида тритонов: тритона гребенчатого, яйца которого лишены пигмента и потому имеют белый цвет, и тритона полосатого, яйца которого благодаря пигменту имеют желто-серый цвет.

Один из опытов заключается  в следующем: кусочек зародыша из области дорсальной губы бластопора на стадии гаструлы тритона гребенчатого пересаживают на боковую или вентральную  сторону гаструлы тритона полосатого (рис. 8.8). В месте пересадки происходит развитие нервной трубки, хорды и  других органов. Развитие может достичь  довольно продвинутых стадий с образованием дополнительного зародыша на боковой  или вентральной стороне зародыша реципиента. Дополнительный зародыш  содержит в основном клетки зародыша реципиента, но светлые клетки зародыша-донора тоже обнаруживаются в составе различных  органов.

Из этого и подобных опытов следует несколько выводов. Во-первых, участок, взятый из спинной  губы бластопора, способен направлять или даже переключать развитие того материала, который находится вокруг него, на определенный путь развития. Он как бы организует, или индуцирует, развитие зародыша как в обычном, так и в нетипичном месте. Во-вторых, боковая и брюшная стороны гаструлы обладают более широкими потенциями к развитию, нежели их презумптивное (предполагаемое) проспективное направление, так как вместо обычной поверхности тела в условиях эксперимента там образуется целый зародыш. В-третьих, достаточно точное строение новообразованных органов в месте пересадки указывает на эмбриональную регуляцию. Это означает, что фактор целостности организма приводит к достижению хорошего конечного результата из нетипичных клеток в нетипичном месте, как бы управляя процессом, регулируя его в целях достижения этого результата.

Г. Шпеман назвал спинную губу бластопора первичным эмбриональным организатором. Первичным потому, что на более ранних стадиях развития подобных влияний обнаружить не удавалось, а организатором потому, что влияние происходило именно на морфогенез. В настоящее время установлено, что главная роль в спинной губе бластопора принадлежит хордомезодермальному зачатку, который назвали первичным эмбриональным индуктором, а само явление, при котором один участок зародыша влияет на судьбы другого,— эмбриональной индукцией.