Факультет

Студентам

Посетителям

Методы изучения клеток

Каждая клетка организма фактически является членом клона, происходящего от одной родоначальной клетки — оплодотворенного яйца.

При этом мы не учитываем такое интересное исключение, как возникновение так называемых химер; речь идет о тех дизиготных двойнях у млекопитающих — особенно у крупного рогатого скота, — которые обмениваются клетками по сосудам еще в то время, когда они находятся в матке, и в их организме навсегда сохраняются клетки, имеющие разное генетическое происхождение. Если мы хотим выяснить, каким образом разные типы клеток занимают в теле взрослого животного свое дефинитивное положение и начинают играть особую роль в жизнедеятельности организма, то желательно проследить их историю в обратном направлении до одноклеточной стадии, другими словами — установить клеточную родословную. Если мы обнаруживаем, — а чаще всего именно так и бывает, — что у какого-либо вида животных из определенной группы клеток раннего зародыша в нормальных условиях всегда образуются одни и те же производные, то открывается путь для экспериментального исследования факторов, определяющих судьбу этих клеток.

В некоторых случаях сама природа облегчает нашу задачу тем, что на 2-, 4-, 8- и 16-клеточной стадиях бластомеры различаются настолько, что каждый из них можно распознать, дать ему название или номер и проследить его судьбу и судьбу его потомков на всем протяжении раннего развития до начала дифференцировки тканей. Удобно проводить такого рода наблюдения на так называемых спирально дробящихся яйцах кольчатых червей, моллюсков и свободноживущих плоских червей, у которых каждый бластомер отличается от других по размеру и по положению в зародыше. При нормальном развитии каждый бластомер играет определенную роль в формировании зародыша более старшего возраста и личинки. Как мы позднее увидим, это поспешное утверждение о раннем определении судьбы частей зародыша нельзя считать поверхностным.

У других животных не так легко идентифицировать отдельные клетки, но достаточно просто распознать группы клеток. У морского ежа, например, на 8-, 16- и 32-клеточной стадиях бластомеры четко распределяются до группам соответственно 4+4, 8+4+4, 8+8+84-8 клеток. Внутри группы клетки не отличаются друг от друга, однако из каждой группы при нормальном развитии образуются определенные структуры.

И наконец, есть животные, у которых на ранних стадиях дробления не выявляются такие ясно разграниченные группы клеток. Это справедливо для позвоночных и многих беспозвоночных. Кроме того, в зародышевом развитии всех животных ость периоды, когда клетки трудно различать только по их внешнему виду. В этом случае, для того чтобы распознать клетки, мы можем воспользоваться искусственными приемами. Поскольку у зародыша существует несколько четких «географических» ориентиров, можно определить положение каждой точки на ее поверхности с помощью двух координат — долготы и широты; таким образом, любую группу клеток можно однозначно определить в разных зародышах. Ее можно также пометить красителями. Для того чтобы получить желаемый эффект, эти красители должны быть безвредны для клеток, достаточно хорошо связываться с ними, не переходить из окрашенных клеток в соседние, но передаваться потомкам. Применение таких прижизненных красителей в 20-х и 30-х годах произвело революцию в наших знаниях относительно морфогенетических движений клеток в зародышах позвоночных животных и позволило построить очень точные карты презумптивных зачатков, т. е. зачатков, имеющих определенную судьбу. Такая карта, составленная на основе сотен наблюдений за поведением маленьких групп окрашенных клеток, отражает дальнейшую судьбу всех участков зародыша.

Если внимательно присмотреться к карте презумптивных зачатков типичной бластулы хвостатых амфибий, то станет вполне очевидно, что для превращения бластулы в гаструлу необходимы определенные перемещения клеток. Будущая эктодерма должна, разумеется, распространиться с тем, чтобы покрыть всю гаструлу, и ее клетки в хамом деле перемещаются по направлению к вегетативному полюсу, причем на дорзальной стороне зародыша это перемещение происходит более активно, чем на вентральной. Кроме того, те клетки вентральной стороны, которые не лежат точно на средней линии, смещаются к дорзальной стороне. Впячивание в области губы бластопора может в принципе представлять собой пассивное вворачивание в ответ на давление, оказываемое общим разрастанием анимального полушария. На самом же деле наблюдения за клетками, взятыми из зоны вворачивания и пересаженными в другие области зародыша или культивируемыми отдельно, показывают, что клетки перемещаются активно. Клетки будущей хорды и мезодермы, которые вворачиваются через губу бластопора, также сначала двигаются к вегетативному полюсу, а затем, после прохождения через губу бластопора, меняют направление движения на противоположное. Сравнивая очертания области презумптивной хорды — полумесяца, рога которого заходят на вентральную сторону бластулы, — с ее окончательной формой — также лежащим вдоль передне-задней оси зародыша, — можно видеть, что при его перемещении также происходит стягивание клеток к средней линии спинной стороны. Ясно, что, если клетки, лежащие сбоку, перемещаются к спинной стороне зародыша, должно происходить удлинение или растяжение закладки в передне-заднем направлении, для того чтобы они могли в ней разместиться.

Мы еще очень мало знаем о том, что приводит в движение клетки во время гаструляции, как координируются их перемещения и каков механизм их движения. Известно, однако, что в этот период меняется форма клеток. Могут также происходить изменения в сцеплении клеток друг с другом и в протяженности зон их взаимных контактов. По-видимому, даже на этих ранних стадиях развития клетки могут «узнавать» своих соседей и соответственно регулировать свое поведение.

Бластула многих рыб, всех пресмыкающихся и птиц значительно отличается от бластулы амфибий тем, что клетки, составляющие бластодерму, расположены на массе желтка. Однако карты презумптивных зачатков у этих животных и хвостатых амфибий в общем схожи, а в период гаструляции происходят такие же морфогенетические движения. Следует упомянуть, однако, об одном значительном различии между низшими позвоночными, с одной стороны, и рептилиями и птицами — с другой. У рыб клетки, расположенные на краю обрастания, составляют губу бластопора. Это справедливо даже для тех видов рыб, которые продуцируют крупные яйца, а при развитии этих яиц бластодерма медленно обрастает желток. Другими словами, клетки вворачиваются через край бластодермы. У пресмыкающихся и птиц распространение покрывающей желток бластодермы не зависит от гаструляции.

Красители, если их применять в безвредных концентрациях, через несколько дней выводятся из клеток, а часто бывает желательно проследить судьбу клеток и их потомков в течение более длительного срока. В таких случаях можно, удалив хирургическим путем определенную группу клеток зародыша, пересадить на их место равноценную группу клеток другого зародыша, помеченную тем или иным способом. Например, зародыш, культивируемый в разбавленном растворе тимидина, может использовать это основание для синтеза ДНК. Если тимидин метят радиоактивным водородом (3Н), а длительность обработки превышает длительность одного полного клеточного цикла (хотя продолжительность цикла может быть разной в различных частях зародыша), то можно ожидать, что все ядра клеток окажутся мечеными. Клетки, пересаженные от таких меченых зародышей к необработанному, позднее выявляют с помощью метода радиоавтографии. Этот метод находит успешное применение, однако и у него есть серьезные недостатки. Радиоактивный водород в больших дозах не безвреден, так как испускаемые им бета-частицы могут повреждать клетки, в которых он находится. При каждом митотическом делении меченых клеток количество 3Н, приходящееся на ядро каждой дочерней клетки, будет уменьшаться вдвое. После нескольких делений количество меченого водорода будет настолько мало, что обнаружить его уже не удается. Увеличение исходной радиоактивности пересаженных клеток, которое привело бы их к гибели или повреждению, не позволило бы достигнуть цели опыта. Поэтому метод радиоавтографии лучше всего применять для изучения родословных клеток, которые активно делятся до стадии операции, а затем совсем прекращают деление или делятся менее интенсивно.

В некоторых случаях, однако, в качестве постоянных маркеров можно использовать особенности клеток, которые сохраняются в ряду поколений и безвредны для них. Например, можно использовать видоспецифичные различия в величине клеток, ядер или в числе ядрышек и внутривидовые различия в плоидности. Могут быть также использованы половые различия, которые выражаются в появлении половых хромосом во время митоза и полового хроматина во время интерфазы, а также хромосомные перестройки, видимые только в период митоза. Используя такие маркеры при изучении клеточных родословных, мы создаем химеры, и поэтому к результатам таких опытов следует относиться с осторожностью. Пересаженные клетки могут вести себя не так, как вели бы себя замещенные клетки, и поэтому каждый случай необходимо рассматривать критически, имея в виду такую возможность.

Подобную осторожность следует проявлять при интерпретации результатов опытов другого типа, опытов, которые также имеют важное значение в изучении клеточных родословных: это простое изъятие группы зародышевых клеток. Проще всего допустить, что удаление зародышевых клеток приведет к тому, что на более поздних стадиях развития у животного, если оно выживет, будет недоставать как раз тех клеток, которые явились бы потомками удаленных. Необходимо, однако, сделать две оговорки. Например, после удаления значительной части зародыша из оставшегося материала может развиться совершенно нормальное животное (хотя временно меньших размеров), Ярким примером такого процесса регуляции служит опыт по разделению бластомеров зародыша лягушки, тритона или морского ежа на двухклеточной стадии развития. В норме каждый из двух бластомеров дает половину зародыша, а в удачных опытах из каждого бластомера образуется совершенно нормальный зародыш. В этом случае удаление какой-либо части приводит к развитию зародыша, у которого недостает меньше тканей, чем могла бы дать удаленная часть. С другой стороны, иногда удаление какой-либо части приводит к тому, что в зародыше отсутствует больше структур, чем следовало бы ожидать, исходя из высказанного выше простейшего допущения. Например, известно, что у позвоночных сетчатка и пигментный эпителий глаза развиваются из определенной эмбриональной структуры — глазного бокала, тогда как линза (хрусталик) возникает из отдельной группы клеток. Несмотря на это, при удалении глазного бокала у некоторых позвоночных не развивается не только сетчатка и пигментный эпителий, но также и линза. Процесс дифференцировки линзы зависит от контакта линзообразующих клеток с глазным бокалом, поэтому, если удалить глазной бокал, линза не развивается. И все же метод удаления частей зародыша, несмотря на настороженное к нему отношение, естественно возникающее в связи с описанными выше отклонениями, может быть полезен при изучении судьбы клеток в развитии. Рассмотрим несколько хорошо изученных клеточных родословных.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: