Глава 5. МОРФОГЕНЕЗ: ОДНОМЕРНАЯ АПЕРИОДИЧЕСКАЯ УПОРЯДОЧЕННОСТЬ

Введение

Я остановлюсь в этой главе на образовании одномерной осевой упорядоченности в организмах и ее связи с процессами, рассмотренными нами ранее. Исследуя мир гомеостаза, находящегося вне времени и пространства, где основное внимание уделяется устойчивости в гомогенных системах, и обнаружив, что механизмы отрицательной обратной связи и аллостерической регуляции, используемые для достижения устойчивости и дискриминации, обусловливают возможность существования колебательного режима и, следовательно, временной организации, мы подошли к вопросу о том, как из нелинейной кинетики и временной упорядоченности возникает пространственная структура. Этот вопрос уже затрагивался в гл. 3 в связи со структурным гомеостазом эпидермиса. Мы увидели, что временная упорядоченность процессов дифференцировки, связанная с перемещением клеток из базального слоя эпидермиса, дает модель, объясняющую устойчивость тканевой структуры к таким воздействиям, как нанесение раны или кратковременная аппликация канцерогена. Эта глобальная устойчивость была обусловлена пространственным распределением молекулярного управляющего вещества — эпидермального кейлона. Этот белок, как предполагалось, воздействует на состояние дифференцировки клеток и на скорость прохождения клеточного цикла благодаря перекрестному взаимодействию между процессами клеточного цикла и клеточной дифференцировки (см. рис. 3.8). В данной главе мы всюду будем считать, что любые молекулы, неравномерно распределенные по пространству в пределах развивающейся системы и ответственные за возникающие изменения формы, а следовательно, действующие как морфоген, функционируют аналогично кейлону. Таким образом, предполагается, что морфоген воздействует прямо или косвенно на молекулярный управляющий аппарат клеток и влияет на скорость синтеза различных веществ, которые связаны с процессом дифференцировки. Никакого разрыва при движении от гомеостаза и устойчивости к временной организации и наконец к временной и пространственной упорядоченности не существует. На протяжении всего этого анализа продолжают работать иерархические принципы, поэтому так называемые системы более высоких уровней включают в свою работу все соответствующие активности систем более низких уровней. При рассмотрении механизмов,

с помощью которых достигается упорядоченная гетерогенность молекулярной активности в развивающихся и регенерирующих системах, молекулярные процессы по-прежнему будут играть большую роль.

Начнем анализ пространственной упорядоченности с извлечения из модели гомеостаза эпидермиса некоторых общих принципов. Устойчивость и пространственная организация ткани, согласно этой модели, определяются дифференциальным распределением скорости образования диффундирующих молекул — эпидермального кейлона и наличием границы, действующей как сток, т. е. базальной мембраны вместе с системой кровообращения.

Рис. 5.1. Качественное изображение профиля концентрации кейлона в эпидермисе.

Верхняя граница сформировавшейся ткани образована непроницаемыми кератинизированными чешуйками, которые задерживают выход кейлона и, следовательно, приводят к его накоплению в этой области. Предполагаемое распределение концентрации кейлона от поверхности кожи до базального слоя выглядит приблизительно так, как показано на рис. 5.1. В этой модели каждая клетка служит источником кейлона, а также может быть стоком, если белок разрушается, а сами клетки мигрируют от базального слоя к поверхности. Точная форма градиента определяется скоростями образования и разрушения кейлона в клетке в различных областях, проницаемостью клеточных мембран для кейлона, скоростью его диффузии, скоростью выхода через базальную мембрану и скоростью дистального движения клеток. Вся система находится в динамическом равновесии. Детали процессов неизвестны, поэтому построить точную модель не удается. Однако можно рассмотреть общий класс систем, частным случаем которого является эта модель, и обсудить данные о разных экспериментальных системах как разные варианты в пределах одного класса. Во всех этих системах в качестве основных особенностей процессов,

упорядочивающих пространство, выступают метаболические градиенты, диффузия и движение клеток. Таким образом, нам необходимо переключиться с исследования проблем, связанных с устойчивостью в гомогенных системах, на анализ динамических полей и их пространственную устойчивость.