Пейсмекеры и волны активности

Среди огромного разнообразия доступных для исследования организмов имеются такие, которые воплощают в особенно простой форме примеры организации, рассматриваемой как основа или прототип некоторых процессов, связанных с развитием. Такими объектами при изучении аксиальной организации и регенерации у млекопитающих представляются гидроиды; при исследовании синхронности ядер и митотического цикла — миксомицеты Physarum polycephalum, при рассмотрении тканевого гомеостаза эту роль играет эпидермис. При выборе идеальных экспериментальных моделей процессов, которые в действительности осуществляются в целом ряде форм, исследователя может подвести его мировоззрение, но, поскольку мы осознаем это, такой подход представляется полезным. Здесь мы рассмотрим организм, представляющийся идеальным объектом с точки зрения перехода от пространственной и временной неупорядоченности к четырехмерной организации, характерной для процесса развития. Это миксомицет Dictyostelium discoideum. Из его исследования мы узнали о типе связи между клетками, не встречавшемся нам ранее, который может играть важную роль в морфогенезе.

В миксомицетах фаза роста резко отличается от фазы развития и дифференцировки. Пока в изобилии имеются бактерии, которыми миксомицеты питаются, организм представлен популяцией

миксамеб, которые передвигаются, заглатывая бактерии, с места на место с помощью псевдоподий, образующихся при движении в любой части клеточной поверхности. Следовательно, эти вегетативные амебы неполярны. Время клеточных генераций равно примерно 3 ч, и каждая амеба ведет себя совершенно независимо от соседей. Никаких указаний на какую-либо пространственную или временную упорядоченность популяции, помимо той, которая может быть обусловлена пространственным распределением источника пищи или особенностями геометрии поверхности, не существует. При исчерпании источника пищи рост прекращается, клетки становятся менее подвижными и клеточные деления происходят значительно реже, хотя эпизодически и наблюдаются. После периода длительностью около 8 ч, известного как интерфаза, при достаточно высокой плотности амеб выявляется новая форма поведения. Отдельные клетки, распределенные случайно по всей популяции, начинают периодически выделять химическое соединение, названное первоначально акразином, которое распространяется от клетки к клетке, так как клетки, получившие сигнал, сами стимулируются к выделению этого химического соединения (Schaffer, 1962). Сопутствующая появлению сигнализации среди клеток полярность проявляется в развитии у амеб переднего и заднего концов. По-видимому, это необходимое условие эффективного хемотаксиса. Таким образом, восприятие сигнала клеткой приводит к двойственному ответу: выделению акразина, с помощью которого сигнал передается соседним клеткам, и хемотаксису, в результате которого клетки перемещаются к источнику сигнала с помощью амебоидного движения.

Сейчас акразин идентифицирован: это циклический 3,5-АМФ (Konijn et al., 1968), с которым мы уже встречались как с сигналом глюкозного истощения у бактерий, лишенных источника углерода. По-видимому, голодающие амебы D. discoi-deum имеют подобную метаболическую систему, которую они использовали для выработки системы передачи сигналов между клетками в отсутствие пищи. Время между последовательными сигналами отдельных клеток изменяется от 3 до 7 мин; среднее значение составляет примерно 5 мин. Это именно те периоды, которые мы обычно ожидаем для колебаний в метаболической системе, и Гольдбетером (Goldbeter, 1975) была построена интересная модель генерации этих колебаний, основанная на принципах аллостерического управления, описанных в гл. 1. Генетически эти клетки такие же, как и все остальные; все дело просто в случайном распределении клеточных состояний в первоначально дезорганизованной популяции.

Важным аспектом передачи сигнала является то, что после выделения порции цАМФ амебы вступают в рефрактерную фазу

нечувствительности длительностью от 2 до 7 мин в зависимости от возраста. Кроме того, цАМФ быстро разрушается внеклеточной фосфодиэстеразой, секретируемой амебами (Bonner et al., 1969). Таким образом, динамика распространения сигнала совершенно аналогична соответствующим процессам в нейронах, где нейропередающее вещество (медиатор), например ацетилхолин, выделяется в нервных окончаниях и здесь же быстро разрушается ацетилхолинэстеразой, обеспечивая таким образом возможность повторения сигнала. Рефрактерный период обусловливает односторонность распространения сигнала, а также устанавливает вполне определенные границы между пейсмекерами, конкурирующими за амеб, так что никакая амеба не может одновременно служить двум хозяевам. Динамика конкурентного взаимодействия между пейсмекерами определяется как рефрактерным периодом амеб, так и относительными частотами, причем более «быстрый» пейсмекер имеет преимущество. Эти взаимодействия приводят к довольно равномерному разделению исходной популяции амеб между некоторым количеством пейсмекеров с вполне определенными областями доминирования между ними (Cohen, Robertson, 1971а, b). Рядом исследователей в этой области сняты цейтраферной съемкой прекрасные фильмы процесса агрегации, в которых видны волны амебоидного движения, распространяющиеся от пейсмекеров, и установление границ между ними. Волны могут иметь вид концентрических окружностей или спиралей, динамика которых описана и проанализирована Дарстоном (Durston, 1973).

Во время процесса агрегации амебы сливаются, вступая в контакты друг с другом в тот момент, когда они достигают пейсмекерной клетки. Затем образуется сплошная масса клеток, собирающихся в кучу с пейсмекерной клеткой наверху, куда последняя вытесняется вновь прибывающими амебами (Gerisch, 1968). Это скопление опрокидывается и превращается в вытянутую в форме сосиски массу клеток, находящихся теперь в тесном контакте; получившееся образование называется слизевиком. Пульсирующие волны сокращения продолжают распространяться от передних участков слизевика к задним и могут быть связаны с его движением, которое представляет собой беспорядочную миграцию и продолжается в течение нескольких часов. Затем слизевик прекращает движение в горизонтальном направлении и изменяет его на вертикальное перемещение, направляя вверх стебель и формируя на верхушке стебля конус спор. Периодическое движение наблюдается на протяжении всего развития. В результате возникает плодовое тело, состоящее из стебельковых и споровых клеток, причем соотношение между ними (1:2) в широком диапазоне размеров остается постоянным. Однако очень маленькие плодовые тела имеют непропорпоционально

большое число спор, подобно тому как очень маленькие гидроиды имеют непропорционально большие головы или гидранты. Результатом полного процесса развития, который занимает в целом 30-40 ч, оказывается превращение неорганизованной популяции необщающихся амеб в пространственно организованные, дифференцированные плодовые тела.

Особенностью этого процесса, который привлекает наше внимание к важному морфогенетическому механизму, не рассматриваемому статическими градиентными моделями, является периодическая сигнализация, которая имеет место на протяжении всего развития D. discoideum. Это наиболее простой способ собрать вместе амеб, рассеянных по пространству. Поскольку сигнал активно распространяется клетками, расстояние, на которое он может передаваться, фактически неограниченно в отличие от жестких пространственных ограничений, которые накладывались бы, если бы клетка-источник привлекала соседей, поддерживая статический градиент хемотактического вещества. Однако возможен другой механизм: клетки могут подавать сигналы непрерывно, а не периодически, так что каждая из них является и источником, и стоком; в результате процесс становится в какой-то степени аналогичным процессу, описываемому моделью Гирера и Мейнарта (Gierer, Meinhardt, 1972). Этот макропод-ход к клеточной агрегации развит Келлером и Сегелем (Keller, Segel, 1970) (см. также Segel, 1972), которые анализируют процесс в терминах, описывающих непрерывное поле, в отличие от микроскопической точки зрения, принятой здесь и в статьях Коэна и Робертсона (Cohen, Robertson, 1971, 1972). Имеется работа (Nanjundian, 1974), где проведен интересный анализ этих альтернативных подходов к проблеме агрегации и морфологии у слизевика. В ней показано, что для D. discoideum значения величин, определяющих относительную эффективность двух вариантов (константа диффузии, величина импульса цАМФ, пороговый уровень ответа и период сигнализации), таковы, что пульсирующий механизм оказывается значительно более эффективным.

Система из элементов, способная к распространению периодических волн этого типа, имеет свойства возбудимой среды. Тогда возникает вопрос: не являются ли вообще развивающиеся системы возбудимыми в этом смысле и каковы последствия таких свойств для их пространственной и временной организации. Можно ли выработать единую точку зрения на морфогенез, объединяя особенности поведения D. discoideum с аспектами, полученными из анализа поведения гидроидов, и затем построить общую теорию, которая могла бы объяснить происхождение полярной упорядоченности и периодических явлений, одновременно объясняя возникновение, регуляцию и стабилизацию градиентов? Цель такого обобщения состоит, очевидно, в

создании более или менее универсального подхода, позволяющего затем приступить к исследованию трудных и многоплановых проблем морфогенеза у высших организмов и в особенности к проблемам нейроэмбриологии. Но прежде чем пытаться строить такую теорию, нужно принять во внимание очень важную особенность морфогенеза, состоящую в том, что некоторые одноклеточные организмы способны осуществлять морфогенетические превращения, регенерацию и регуляцию способами, неотличимыми от способов, используемых многоклеточными. Кроме того, существуют фазы развития многоклеточных (например, ранние стадии развития насекомых), где морфогенез происходит в отсутствие разделения клеток.

Итак, если мы хотим, чтобы наша морфогенетическая теория была хоть в какой-то степени универсальной, она не должна зависеть от взаимодействий между клетками. Совершенно аналогично тому, как решение вопроса о механизме биологических часов нужно искать в процессах, происходящих внутри отдельных клеток, основы морфогенетических процессов могут быть найдены во внутриклеточной организации. Тогда многоклеточность становится стратегией для увеличения размеров организмов и для создания тонких деталей дифференцировки в тканях и органах, а не для самого морфогенеза.