Эпигенетическая регуляция онтогенеза

До сих пор подход генетики к исследованию онтогенеза основан на представлении о том, что процессы дифференциации, то есть усложнения организации по мере развития, и изменчивость этих процессов, определяются действием генов.

Однако экспериментальной эмбриологией накоплен не менее обширный арсенал данных и обобщений, описывающих эпигенетические процессы онтогенеза (см., например, Иванова-Казас, 1977; Белоусов, 1993; Гилберт, 1994).

Понятие эпигенетических процессов как характеристика процессов, происходящих в организме на посттранскрипционном уровне, было предложено Уоддингтоном (1957). Инициация и реализация этих процессов, лишь опосредованно связана с экспрессией генов, и регулируется факторами, которые невозможно напрямую закодировать в геноме, такими как пространственная структура (топология).

Однако четкого разграничения генетического и эпигенетического пути развития не существует, поскольку регуляция экспрессии генов может осуществляться эпигенетически. Например, набор генов, экспрессирующийся в фибробласте зависит от того, какая часть клетки контактирует с субстратом. Это в свою очередь определяется свойствами субстрата, например материалом из которого сделан искусственный субстрат или набором белков внеклеточного матрикса, синтезирующегося окружающими клетками. Зависит это и от набора и особенностей структуры белков фибробласта, принимающих участие в формировании контакта с субстратом.

Эпигеномность морфогенетических процессов проявляется в различных индукционных взаимодействиях, характерных для эмбрионального развития как позвоночных, так и беспозвоночных животных.

Собственные

осевые

структуры

Индуцированные

осевые

структуры

Рис. 9. Дополнительные осевые структуры при пересадке верхней губы бластопоров в брюшную область гаструлы обыкновенного тритона Triturus vulgaris (по Токину, 1970)

можно получить пересадками дорсальной губы бластопора не в полость бластулы, а в рану на поверхности эмбриона, в том числе на его брюшной стороне. Выяснилось, что трансплантация дорсальной губы бластопора не только от одного вида к другому, но и от представителей других отрядов и классов животных стимулирует развитие дополнительного осевого комплекса. Такой эффект дали трансплантация дорсальной губы бластопора бесхвостой амфибии жерлянки или гомологичной ей структуры (гензеновского узелка) курицы в раннюю гаструлу тритона. Эти результаты наводили исследователей на мысль о действии каких-то химических веществ, вызывающих специфическую реакцию эмбриона-реципиента. Для проверки этой гипотезы была предпринята серия опытов по пересадке убитых трансплантатов, зафиксированных спиртом, высушенных при 120°С, обработанных соляной кислотой и т. п. В этих экспериментах также происходило формирование дополнительно комплекса осевых структур. В конце концов выяснилось, что тот же результат можно получить, имплантируя измельченные проростки овса или инъецируя витальный гистологический краситель метиленовый синий. Другими словами, оказалось, что нет специфических агентов-индукторов осевого комплекса, но есть компетенция клеток эктодермы, т.

В какой-то степени причиной такого подхода к данным экспериментальной эмбриологии является недостаток данных о связи процессов морфогенеза с экспрессией генов. Например, расположение серого серпа у шпорцевой лягушки (Xenopus Iaevis) можно изменить, перевернув яйцо анимальным полюсом вниз. В результате этого, в сторону смещается уже существующий серый серп или возникает новый дополнительный. Поскольку организация цитоплазмы, в том числе и расположение серого серпа, маркирует будущие процессы гаструляции, подобные изменения приводят к формированию нового или дополнительного набора осевых структур. Как это увязать с присутствием продуктов гомеобокс-содержащих и многих других генов в дорсальной области зиготы амфибий — неизвестно.

Таким образом, существует незаполненный пробел наших знаний между данными молекулярной биологии и экспериментальной эмбриологии.

Тем не менее, в настоящее время уже понятно, что эпигенетические процессы, регулирующие онтогенез, действуют, наряду с генетическими, начиная с самых ранних этапов развития и на всех уровнях организации. На субклеточном (молекулярном) уровне ярким примером эпигенетических явлений может служить процесс формирования третичной и четвертичной структуры белка. Так, показано, что молекулы некоторых негомологичных белков (кадгерины—белки межклеточной адгезии, иммуноглобулины, цитохромы растений, бактериальные целлюлазы и транскрипционные

факторы эукариот) формируют практически идентичную третичную структуру. Это объясняется не общностью первичных структур белков, а тем, что такая конформация наиболее выгодна с энергетической точки зрения и ее формирование требует меньше времени. Другой пример — реорганизация цитоскелета и межклеточных контактов как ответ на изменение внешних (по отношению к клетке) условий. Например, изменение степени поляризации соседних клеток, адгезия клеточных мембран друг с другом или с межклеточным матриксом и т.

Эпигенетические процессы порождают отдельный тип изменчивости, не обусловленный генетическим и средовым факторами, влияющими на взаимодействия развивающихся структур. Эта изменчивость может быть очень сильно выражена. Так, с помощью красителей, не способных диффундировать в соседние клетки (Moody, 1987) на стадии 16 бластомеров шпорцевой лягушки, было показано, что потомки двух дорсальных клеток верхнего яруса в основном входят в состав хорды, но часть клеток-потомков этих бластомеров, индивидуально очень варьирующая, оказывается в составе нейральной пластинки или головной эктодермы Другими примерами могут служить данные по изменчивости начальных процессов гаструляции у бесхвостых амфибий (Черданцев, 2002) или изменчивость процессов дробления и формы эмбриона гидроидного полипа Dynamena ритйа (Краус, Черданцев, 1999) (рис.

Способность эмбриона или его части (той или иной закладки) восстанавливать нормальное строение и нормальный дальнейший ход развития после нарушений, вызванных как эндогенными, т. е. генетическими, так и экзогенными причинами — неблагоприятными изменениями внешней среды, или экспериментатором, называется регуляцией развития. Например, можно сделать суспензию из клеток бластулы морского ежа. Эти клетки соберутся снова вместе, восстановят организацию бластулы и продолжат развитие. Хотя этот эксперимент удается далеко не в 100% случаев, он достаточно нагляден. Если на стадии закладки хрусталика глаза у амфибий удалить эту закладку, ранка быстро заживает и зачаток сетчатки — глазной бокал индуцирует новую закладку хрусталика из той эктодермы, которая в отсутствие хрусталика стала бы роговицей глаза.

Подобные регуляции характерны для животных с так называемым регуляторным типом развития, в первую очередь для вторичноротых, а также для кишечнополостных. У животных с детерминированным развитием, таких как Annelidae и Articulata, эмбриональная регуляция развита несравненно слабее. Однако, ее элементы свойственны и этим животным. Например, у полихеты Chaetoplectrus при разъединении двух первых бластомеров А и В развитие нарушается полностью— формируются две неорганизованные группы клеток, которые затем гибнут. Однако, из бластомера CD получается практически нормальная трохофо- ра. Надо добавить, что ослабление эмбриональной регуляции не означает ее исчезновения. У кольчатых червей, и не только у них, регуляторные процессы в полной

мере проявляются у личинок и(или) у взрослых организмов в форме регенерации. У тех же полихет регенерационные способности развиты очень сильно — животное можно разорвать на несколько частей, каждая из которых восстановится до целого организма.

И. И. Шмальгаузен был, по-видимому, одним из первых, кто понял, что и дифференциация — усложнение строения организма в процессе онтогенеза и регуляция развития представляют собой два аспекта одного и того же явления — взаимодействия развивающихся закладок. Устойч! вость признаков рассматривается здесь «не как свойство генов, а как выражение взаимозависимости частей развивающегося организма» (Шишкин, 1988, с. 147; Шмальгаузен, 1982, с. 57). При этом устойчивость процессов дифференциации и регуляции — следствие эволюции онтогенеза, выражающейся, главным образом, в повышении надежности процессов индивидуального развития, что необходимо для достижения конечного результата—стадии половой зрелости, и оставления потомства в количестве, достаточном для поддержания численности популяции.

На основе этой концепции появилась сформулированная Шмальгаузеном (1938 цит по 1982) теория онтогенетических корреляций — взаимодействий развивающихся частей организма, основанных на принципе обратной связи. Эти же взаимодействия для уровня морфогенезов Д. П. Филатов (1939) назвал формообразовательным аппаратом, а К. Г. Уоддингтон (Waddington, 1957) — креодом развития. Подход Шмальгаузена шире, так как он охватывает три уровня коррелятивных взаимодействий: геномные корреляции — взаимодействия между генами развивающегося организма; морфогенетические корреляции, соответствующие терминам «формообразовательный аппарат» Филатова и «креод развития» Уоддингтона; эргон- тические корреляции—взаимодействия на уровне уже функционирующих подсистем организма (а не зачатков структур).

Геномные корреляции представляют собой взаимодействия молекулярного уровня, определяющие развитие организма как целостной системы. Шмальгаузен, выделяя эту группу корреляций в 1938 г., основывался на существовании явлений сцепления, плейотропии и аллельных взаимодействий генов. Теперь к проявлениям геномных корреляций можно отнести и эффект положения гена, и последствия встраивания мобильных генетических элементов, и конверсию генов, и все неаллельные взаимодействия, такие как эпистаз или супрессия. Межгенные взаимодействия поддерживают нормальный ход индивидуального развития, а их нарушение — искажают.

Морфогенетические корреляции обеспечивают устойчивость морфогенезов, задействованных в формировании пространственной структуры многоклеточных животных. Они работают как в самых общих дифферен

циациях, таких как формирование осей тела и образование зародышевых листков, так и в органогенезах, при формировании закладок органов и их дифференцировке. В целом, система морфогенетических корреляций представляет собой набор все более частных формообразовательных аппаратов, подготавливающих органы, ткани и клетки к функционированию, направленному на обеспечение жизнедеятельности и приспособленности организма как целого. Примеры морфогенетических корреляций приведены выше, как примеры эпигенетических взаимодействий развивающихся зачатков. Следует еще раз подчеркнуть, что они действуют одновременно с геномными корреляциями. Однако, связь геномных и эпигеномных морфогенетических корреляций не ясна.

Важной чертой морфогенетических зависимостей является их устойчивость. Связь между подсистемами формообразовательного аппарата сохраняется даже при сильных внешних воздействиях и эндогенных нарушениях работы самих подсистем. Эту устойчивость можно проиллюстрировать как результатами экспериментов, так и наблюдениями в природе.

На молодых головастиках травяной лягушки Rana temporaria было изучено влияние рентгеновского облучения на индукцию роговицы хрусталиком глаза (Попов, 1967). Индукция проявляется в том, что над хрусталиком эктодерма депигментируется и ее клетки дифференцируются в прозрачные плоские клетки роговицы глаза. В опыте на место эктодермы, которая в норме должна стать роговицей, пересаживали эктодерму, вырезанную из других частей зародыша, а затем зародыш подвергался рентгеновскому облучению. В контроле индукционные взаимодействия между хрусталиком и пересаженной эктодермой осуществлялись с 9 по 20—25 день развития головастика (от оплодотворения). Такой длительный период индукционной способности хрусталика повышает надежность формирования нормального глаза, защищая этот процесс от возможных экзогенных и эндогенных нарушений. Оказалось, что слабые дозы облучения 10—15 P стимулировали индукцию. Она проходила с 5 по 14 день развития головастика. Доза разового облучения 100Р не влияла на индукционный процесс. Доза 300P смещала индукцию на период с 13 по 16 день развития, причем у 5 % облученных головастиков индукции не наблюдалось совсем. Доза 600 P смещала индукцию на 18—28 дни развития, причем она наблюдалась лишь у 10 % головастиков. Доза 700Р полностью блокировала индукцию роговицы. При облучении повреждающий эффект обусловлен, главным образом, появлением большого количества свободных радикал в — обломков молекул, поврежденных квантами излучения. Радикалы химически активны, они нарушают метаболизм клеток и являются мутагенами. Обращает на себя внимание устойчивость индукционных взаимодействий по отношению к очень высоким дозам облучения, иллюстрирующая прочность морфогенетических корреляций.

Аналогичная ситуация наблюдается в природе. В загрязненной воде водоемов, находящихся в черте города Москвы, икра травяной (Rana temp- oraria) и остромордой (R. arvalis) лягушек подвергается интоксикации комплексом химических веществ, в который входят поваренная соль, смываемая талыми водами с московских улиц, ионы Al3+, ионы тяжелых металлов, нефтепродукты и т. п. Методами статистической обработки данных, полученных при измерении признаков эмбриона на стадии гаструлы, показано, что в таких условиях увеличивается изменчивость процесса гаструляции (рис. 11). Однако, из приведенных иллюстраций видно, что при увеличении изменчивости признаков, усиливаются и коррелятивные зависимости между ними. Вероятно, именно это обеспечивает достижение эмбрионами нормального конечного результата развития. Это, по-видимому, одно из немногих, если не единственное наблюдение в природе, подтверждающее прочность морфогенетических корреляций.

Схема промеров              Попарные              корреляции

alt="" />

Рис. 11. Коррелированность процессов гаструляции у травяной лягушки Rana temporaria в зависимости от качества среды обитания (по Северцову, Северцовой, 2001)

Морфогенез создает основу для дальнейшей «дошлифовки» или «доводки» организма на основе аллометрического роста его подсистем и эргонти- ческих корреляций, которые регулируют м рфофункциональны связи органов, тканей, клеток, органелл и биологических молекул в течение всего жизненного цикла.

Эргонтические корреляции—третий тип онтогенетических корреляций, выделенный Шмальгаузеном (1938, цит. по 1982)— начинают проявляться по мере начала функционирования подсистем организма. По определению, эти корреляции представляют собой весь комплекс функциональных связей между подсистемами организма. Надо отметить, что эрг нтические корреляции на внутриклеточном уровне организации начинают действовать практически одновременно с геномными и морфогенетическими. Такие процессы, как перестройка цитоскелета, функционирс вание мембранных насосов клетки, взаимодействие внутриклеточных органелл, митоз и т. п. обеспечиваются эргонтическими корреляциями. На более высоких уровнях организации, например на органном, эргонтические корреляции начинают действовать до полного завершения морфогенеза. Например, ребенок начинает ходить раньше, чем заканчивается рост и морфогенез ног, в частности, окостенение скелета конечностей и рост костей.

У животных морфогенетические и эргонтические корреляции различаются довольно четко. Морфология сердца—образование четырехкамерно- сти у млекопитающих или птиц, формирование клапанов, дифференциация кардиомиоцитов и т. д. — результат морфогенеза. Сила сердечной мышцы, определяющая интенсивность кровотока в легочных артериях и аорте, коррелированная с ней степень развития коронарного кровообращения, индивидоспецифическая частота сердечного ритма—результат эргонтических корреляций, в просторечии — тренированности сердца.

У растений граница между геномными, морфогенетическими и эргонти- че кими корреляциями не выражена. Фитогормоны, определяющие морфогенез высших растений (ауксины, гибберлины, абсицизовая кислота и др.) действуют в течение всего жизненного цикла. Так, например, гормоны роста растений, гибберлины, стимулируют рост стебля. У культурных злаков (пшеница, рис, кукуруза) — это гибберлин А. Он вызывает удлинение междоузлий, что приводит к высокорослости растений. Есть два типа мутаций, вызывающих карликовость культурных злаков: мутации, нарушающие биосинтез гибберлина, и мутации, нарушающие восприимчивость тканей растения к этому гормону, например, мутация Rht (reduced height). Второй тип мутаций был использован в селекции при создании карликовых сортов с короткой соломиной. Эти сорта более продуктивны, особенно в засушливом климате (Мексика, Индия). Они требуют меньше влаги, а питательные вещества, полученные в результате фотосинтеза, расходуются не столько на рост соломины, сколько на формирование зерна.

Можно добавить, что и у животных гормональную регуляцию процессов онтогенеза можно с равным успехом считать проявлением как морфогенетических, так и эргонтических корреляций. Например, сложные морфогенезы, обеспечивающие преобразование строения головастика в процессе метаморфоза, то есть превращение его в лягушонка, происходят под действием гормонов щитовидной железы, главным образом, тироксина. Перестраиваются череп и позвоночник, исчезает хвост, исчезают жаберные щели, перестраивается весь пищеварительный тракт, меняется строение кожи, в которой появляются многоклеточные слизистые железы, словом, меняется вся организация. Ho у головастика все перечисленные (и неупомянутые) подсистемы организма уже функционировали. Поэтому трудно судить, к какому классу корреляций относится гормональная регуляция метаморфоза.

Чрезвычайная сложность внутриорганизменных связей, являющихся предметом изучения биохимии, физиологии, функциональной морфологии и ряда других наук, не позволяет дать даже поверхностный обзор эргонтических корреляций. Их значение выявляется, прежде всего, при анализе последствий морфологических или функциональных нарушений. Так, пороки сердца—неполное смыкание сердечных клапанов, может быть в значительной степени компенсировано усилением кровотока, обусловленным увеличением силы сокращения сердечной мышцы. Наглядным примером последствий нарушения функциональных связей (эргонтических корреляций) может служить череп ондатры (Ondatra zibethica) (рис. 12). На фотографии, опубликованной в журнале «Охота и охотничье хозяйство», представлен череп с аномально разросшимися левыми резцами верхней и нижней челюстей и правыми резцами нормального размера. У грызунов резцы растут непрерывно и непрерывно стачиваются в процессе потребления пищи, оставаясь при этом острыми, так как наружный эмалевый слой тверже дентина и стачивается медленнее. У ондатры, изображенной на фотографии, произошло минимальное нарушение морфогенеза—была незначительно нарушена билатеральная симметрия черепа.

Левые резцы утратили контакт друг с другом и перестали истираться, а правые сохранили этот контакт и нормально функционировали. Таким образом, нарушение эргонтической зависимости левых резцов привело к их неограниченному росту. По сообщению автора фотографии и заметки, охотника С. Гоголева, добывшего этот экземпляр, при этом ондатра была нормально упитана — весила 920 г при длине тела 30 см, то есть правые резцы, сохранившие

эргонтическую зависимость, обеспечивали ей нормальное питание. Этот случай иллюстрирует не только нарушение системы эргонтических корреляций, но и наличие у организма компенсаторных механизмов, некоторого «запаса прочности», обеспечивающего выживание в экстремальных условиях.

Функциональные взаимодействия подсистем организма обеспечивают его целостность и приспособленность в течение всей жизни. Однако, основу для них создает морфогенез.

Предложенная Уоддингтоном концепция креодов развития, так же как и концепция морфогенетических корреляций Шмальгаузена, основана на представлении об эпигеномности и устойчивости морфогенеза. Креод, согласно Уоддингтону—устойчивый канал развития, который можно представить себе в виде оврага, по которому течет ручей. Исток оврага —- начало развития, русло — сам процесс развития. Устье — окончание данного морфогенеза, дающее начало либо новому морфогенезу, подобно тому, как завершение гаструляции дает начало нейруляции, либо оканчивающееся формированием органа, готового к функционированию. Берега оврага — пороги устойчивости, обеспечиваемые прочностью морфогенетических связей внутри креода, то есть морфогенетическими корреляциями внутри данного формообразовательного аппарата, а также относительной автономностью друг от друга синхронных морфогенетических процессов.

В эмбриологии давно сформировалось представление о зависимых диф- ференцировках, характерных для ранних этапов того или иного мофоге- неза, и независимой дифференцировке уже сформировавшегося формообразовательного аппарата. Примером может служить влияние окружающих тканей на направление роста закладки конечности тритона (рис. 13).

Нормальная ориентация

Полярность зачатка конечности

Рис.13. Направление роста конечности при повороте его закладки на 180°(по Токину 1970)

Из рисунка видно, что на направление роста конечности влияет ее окружение, то есть начальные этапы дифференцировки конечности зависят от взаимодействия с другими креодами. Однако, начав развиваться, закладка формирует нормальную конечность, то есть происходит ее независимая дифференцировка, определяемая взаимодействиями внутри креода.

Переключение креодов может происходить под действием генетических факторов, например, в результате изменения генетических взаимодействий или эпигенетических взаимодействий. Примером последнего может служить гаструляция у морского гидроида Phialidium gregarinum. В норме гаструлядия осуществляется путем униполярной иммиграции клеток из стенки эпителиальной бластулы в бластоцель. В эксперименте клетки эмбрионов диссоциировали, а затем реагрегировали. В агрегате клеток полости бластулы не образуется, а гаструляция происходит за счет эпители- зации наружных клеток — как у других гидроидов, у которых в норме нет стадии бластулы. Переключение креодов может происходить и под действием внешних факторов. В этом случае наиболее наглядно формирование дискретных адаптивных модификаций, вызываемых пороговыми или сигнальными воздействиями внешних условий (см. 2.4.2).

Классическим примером сигнального действия могут служить три модификации, а значит три креода развития, листьев у водного растения стрелолиста (Sagittaria sagittifolia) (рис. 14). Если стрелолист растет в мелкой воде, у него развиваются стоячие воздушные листья со стреловидной пластинкой и толстыми черешками. В более глубокой воде развиваются плавающие листья, округлой формой напоминающие листья кувшинки и обладающие тонкими длинными черешками. В еще более глубокой воде

Рис. 14. Три модификации листьев у ам-

фибиотического растения стрелолиста Sa- gittaria sagittifolia (из Шмальгаузена, 1969)

развиваются лентовидные подводные листья без черешков Каждую из трех модификаций вызывает интенсивность освещенности почек, закладывающихся в предыдущем сезоне. Хорошая освещенность стимулирует развитие воздушных листьев, ухудшение освещенности — плавающих, дальнейшее ухудшение освещенности — подводных.

Модель креода наглядно демонстрирует принцип эпигеномной регуляции развития. Подобно тому, как брызги ручья стекают с берегов оврага обратно в поток, слабые нарушения морфогенеза, независимо от причин их вызывающих, регулируются благодаря прочности морфогенетических корреляций. Так, несмотря на увеличение изменчивости процессов гастру- ляции у эмбрионов лягушек, развивающихся в загрязненной воде московских водоемов, их развитие обычно завершается формированием нормального головастика. Смертность на стадии гаструлы составляет около 4,2 %.

Несмотря на то, что относительная роль генетической и эпигенетической регуляции морфогенеза еще не выявлена, очевидно, что мутации могут повлиять на него либо ускорив, либо замедлив, либо исказив формирование тех или ifflbix компонентов формообразовательного аппарата, что влечет за собой более или менее сильное нарушение морфогенетических корреляций.

Только сильные изменения начальных условий развития могут перевести морфогенез в другой креод, то есть исказить его или сделать дальнейшее развитие невозможным. Подобные изменения могут быть в той или иной степени компенсированы, благодаря существованию обратных связей между креодами, или в результате действия эргонтических корреляций. Однако, при отсутствии компенсации, они понижают приспособленность организма, в пределе до летали.

Из сказанного следует одно из важнейших положений эпигенетического подхода к трактовке микроэволюции, развитого Шмальгаузеном и Уодингтоном (см. также Шишкин 1984а, б, 1988). Согласно этому положению, материалом для отбора служат не отдельные мутации или комбинации аллелей, а комплексы малых по своему фенотипическому выражению наследственных изменений. Крупная мутация нарушает нормальное развитие. Последствия малой мутации регулируются взаимодействиями на уровне креода. Комплекс малых мутаций способен изменить креод, не ломая его. Следует только подчеркнуть, что сам этот комплекс аллелей формируется под действием отбора. Накапливаются те наследственные уклонения, которые либо регулируются, либо компенсируются, либо нейтральны.

Это представление имеет косвенные подтверждения со стороны генетики. Добжанский (Dobrzhansky, 1970) противопоставлял чрезвычайную изменчивость генотипов, выявляемую методами генетического анализа, фенотипическому, как он выразился, мономорфизму популяций.

После полного секвенирования генома человека (около 3 млн п. н.) выяснилось, что он содержит около 26—30 тыс. структурных генов, почти

в 2 раза меньше, чем считалось ранее. Следовательно, вся сложность строения и функционирования нашего организма обусловлена эпигенетическими взаимодействиями.