Градиентные модели позиционной информации

Каким образом клетки получают информацию относительно своего положения в зародыше и как они используют эту информацию для дифференцировки в соответствующий клеточный тип? Чтобы объяснить это, были предложены различные гипотезы. В основе одной из них лежит представление о градиентах морфогенетических веществ (Бовери, 1901; Чайлд, 1941; Волперт, 1971). Предполагается, что растворимое вещество (морфоген) диффундирует от «источника» (где оно продуцируется) к «стоку» (где оно разрушается), образуя в области диффузии постепенный спад концентрации. Согласно теоретическим расчетам, такие градиенты могут проявлять свое действие на относительно небольших расстояниях (менее 100 клеточных диаметров).

Модель французского флага (Волперт, 1978)

Волпертиллюстрировал возможное действие отдельного градиента, представив плоскую ткань в виде французского флага (рис.). Предположим, что источник морфогена располагается на левой границе синей полосы, а на другом конце флага на правой границе красной полосы - находится место выведения морфогена. Таким образом, перед нами - градиент концентрации, причем на одном конце флага/ткани концентрация самая высокая, а на другом - самая низкая. Все клетки полипотентны, т. е. каждая может стать либо синей, либо белой, либо красной, и эта спецификация коррелирована с концентрацией морфогена. Клетки, получившие наибольшее количество морфогена, становятся синими. Однако существует порог концентрации морфогена, ниже которого клетки становятся белыми. При падении концентрации ниже следующего порога клетки становятся красными.

Двухградиентная гипотеза эмбриональной индукции (Саксен, Тойвонен, 1961)

Согласно этой гипотезе, в развивающемся яйце существуют два типа эмбриональных индукторов – мезодермальный и нейральный. Первый индуцирует нейральные структуры, второй – мезодермальные. Региональная специфичность зависит от количественного соотношения концентраций этих индукторов в соответствующей области зародыша.

Как мы увидим, в действительности механизм индукции более сложен. Индукторы (морфогены) образуются еще в период оогенеза и распределяются по объему яйца неравномерно, формируя градиенты распределения, важные для нормального процесса эмбрионального развития. Кроме того, индуктор обычно находится в связанном с белком-ингибитором инактивированном состоянии, так что акт индукции сопровождается высвобождением индуктора из этой связи.

Клетки, занявшие определенное положение в развивающемся зародыше, получают некую, как принято говорить, позиционную информацию. Как выяснилось в последнее время, позиционная информация есть не что иное как соотношение различных белковых молекул (морфогенов, индукторов), неравномерно распределенных вдоль развивающегося зародыша и обозначающих судьбу соответствующих его частей. Специфические градиенты распределения этих продуктов активируют в разных клетках различные наборы генов, вследствие чего эти клетки под влиянием поступающих в них сигналов приступают к выполнению программы детерминации и дифференцировки.

Генетика формирования пространственной организации

У дрозофилы

Из всех эукариот генетика именно дрозофилы была изучена наиболее полно. Анализ путей, посредством которых мутации оказывают влияние на пространственную организацию, стал ключом к пониманию механизмов морфогенеза.