Как клетки эмбриона находят своё место и строят тело

Как клетки эмбриона находят своё место, если в самом начале организм представляет собой всего одну клетку? После первых делений появляются десятки, затем сотни клеток, очень похожих друг на друга. Но довольно быстро одни оказываются там, где сформируется нервная система, другие — будущий кишечник, мышцы или кожа.

Возникают направления: где будет голова, где хвост, где спина и живот. У клетки нет крошечной карты организма. Она определяет своё положение по сигналам вокруг неё.

В развивающемся эмбрионе молекулы, соседние клетки и даже длительность сигнала создают систему координат, которая постепенно превращает почти одинаковые клетки в организованное тело.

Химическая карта вместо координат

Один из главных механизмов такой ориентации связан с морфогенами — сигнальными молекулами, концентрация которых меняется в пространстве. Представим, что небольшая группа клеток выделяет такую молекулу. Рядом с источником её много, дальше — меньше.

Возникает химический градиент. Клетки способны чувствовать эти различия с помощью рецепторов. Сильный сигнал может включить один набор генов, средний — другой, а слабый — третий.

Поэтому две клетки с практически одинаковой ДНК могут получить разные инструкции только потому, что находятся в разных местах. В 1960-х британский биолог Льюис Вольперт назвал эту идею «позиционной информацией». Для её объяснения он предложил знаменитую аналогию с французским флагом.

Представим ряд одинаковых клеток, на который действует сигнал, постепенно ослабевающий слева направо. Клетки, получающие сильный сигнал, становятся «синими», средний — «белыми», слабый — «красными». Никакая отдельная клетка не видит весь флаг: она реагирует только на локальную информацию.

Подобные системы действительно существуют. У плодовой мушки ранний эмбрион использует пространственные градиенты регуляторных молекул для разметки будущих частей тела. У позвоночных один из наиболее изученных примеров находится в развивающейся нервной трубке — структуре, из которой формируются головной и спинной мозг.

С одной стороны нервной трубки действует сигнал Sonic hedgehog, с противоположной стороны — другие сигнальные системы. В зависимости от сочетания и силы этих сигналов клетки включают разные программы генов и дают начало различным типам нервных клеток. Так постепенно появляется пространственный порядок там, где первоначально находился сравнительно однородный слой клеток.

Градиент — только начало

Красивую картинку легко представить как биологическую линейку: клетка измерила концентрацию молекулы и сразу поняла свой адрес.

Реальное развитие работает сложнее. Градиенты задают исходную асимметрию, но окончательная судьба клетки зависит не только от одной концентрации. Имеет значение, как долго действует сигнал, какие сигналы приходят одновременно, какие гены уже включены и что делают соседние клетки.

Внутри клетки сигнал запускает сети регуляторных генов. Одни гены активируют следующие, другие подавляют конкурирующие программы. Соседние группы клеток могут дополнительно усиливать различия между собой.

Благодаря этому первоначально размытая химическая граница превращается в достаточно чёткую границу между тканями. Именно поэтому современное представление о морфогенах отличается от простой модели «одна концентрация — одна судьба». Обзор Джеймса Брискоу и Стивена Смолла показывает, что точный рисунок тканей возникает из совместной работы сигнальных градиентов, генных регуляторных сетей, обратных связей и времени.

Клетка, другими словами, не столько считывает готовые координаты, сколько постепенно вычисляет своё положение из нескольких источников информации.

Как из координат получается тело

Определить положение недостаточно. После этого клетки должны изменить поведение. Одни начинают делиться быстрее, другие медленнее.

Некоторые меняют форму, начинают двигаться или сцепляться с определёнными соседями. Во время раннего развития огромные группы клеток перемещаются относительно друг друга. Этот этап, гаструляция, превращает сравнительно простой зародыш в систему слоёв и осей, из которых позже возникнут органы.

Поэтому вопрос «где будет голова, а где хвост?» не решается одним геном и не возникает в один момент. Разные сигнальные системы последовательно создают передне-заднюю, спинно-брюшную и левую-правую асимметрию. Затем клетки используют эту информацию вместе со своей предыдущей историей и сигналами соседей.

Есть и другой важный принцип. Развивающийся организм способен частично корректировать ошибки. Если положение клеток немного изменилось или концентрация сигнала колеблется, взаимодействия между клетками и регуляторные сети часто позволяют сохранить достаточно точный общий рисунок.

Развитие поэтому напоминает не печать готового чертежа, а постоянно корректируемый процесс самоорганизации. Эта способность особенно удивительна, если вспомнить, с чего всё начинается. В оплодотворённой яйцеклетке нет миниатюрной головы, позвоночника или сердца.

Есть молекулы, клетки и набор локальных правил взаимодействия. Каждая клетка получает лишь небольшую часть информации: что находится рядом, насколько силён тот или иной сигнал, какие гены уже работают. Но миллиарды таких локальных решений постепенно складываются в глобальную архитектуру организма.

Телу не нужен центральный архитектор. Его форма возникает потому, что клетки умеют превращать химические сигналы пространства в решения о собственной судьбе.