В области биологии развития одна из целей состоит в том, чтобы понять, как конкретная клетка развивается в конечный тип клеток, известный как определение судьбы . Внутри эмбриона на клеточном и тканевом уровне происходит несколько процессов, чтобы создать организм. Эти процессы включают в себя пролиферацию клеток , дифференциацию , клеточное движение [1] и запрограммированную смерть клеток. [2] [3] Каждая клетка в эмбрионе получает молекулярные сигналы от соседних клеток в форме белков, РНК и даже поверхностных взаимодействий. Почти все животные претерпевают схожую последовательность событий во время очень раннего развития, консервативный процесс, известный как эмбриогенез . [4] Во время эмбриогенеза клетки существуют в трех зародышевых слоях и подвергаются гаструляции . Хотя эмбриогенез изучается уже более столетия, только недавно (примерно последние 25 лет) ученые обнаружили, что в эмбриогенезе участвует базовый набор тех же самых белков и мРНК . Эволюционная консервация является одной из причин, по которой модельные системы, такие как муха ( Drosophila melanogaster ), мышь ( Mus musculus ) и другие организмы, используются в качестве моделей для изучения эмбриогенеза и биологии развития. Изучение модельных организмов дает информацию, относящуюся к другим животным, включая человека. При изучении различных модельных систем было обнаружено, что судьба клеток определяется несколькими способами, два из которых - это комбинация факторов транскрипции, имеющихся в клетках, и взаимодействие между клетками. [5] Механизмы определения судьбы клеток были разделены на три различных типа: автономно определенные клетки, условно определенные клетки или синцитиальные определенные клетки. Кроме того, судьба клеток определялась в основном с помощью двух типов экспериментов: абляции клеток и трансплантации. [6] Результаты, полученные в ходе этих экспериментов, помогли определить судьбу исследуемых клеток.
Разработка новых молекулярных инструментов, включая GFP , и основные достижения в технологии визуализации , включая флуоресцентную микроскопию , сделали возможным картирование клеточной линии Caenorhabditis elegans , включая ее эмбрион . [7] [8] Этот метод картирования судьбы используется для изучения клеток по мере их дифференциации и приобретения определенной функции. Простое наблюдение за клеткой по мере ее дифференциации во время эмбриогенеза не дает никаких указаний на механизмы, которые управляют спецификацией. Использование молекулярных методов, включая нокдауны генов и белков, нокауты и сверхэкспрессию, позволяет исследовать механизмы определения судьбы. [9] [10] [11] [12] [13] Улучшения в инструментах визуализации, включая живую конфокальную микроскопию и микроскопию сверхразрешения [14], позволяют визуализировать молекулярные изменения в экспериментально манипулируемых клетках по сравнению с контрольными. Эксперименты по трансплантации также могут использоваться в сочетании с генетическими манипуляциями и отслеживанием линии. Более новые методы определения судьбы клеток включают отслеживание линии, проводимое с использованием индуцируемых трансгенных мышей Cre-lox , где определенные популяции клеток могут быть экспериментально картированы с использованием репортеров, таких как brainbow , красочный репортер, который полезен в мозге и других тканях для отслеживания пути дифференциации клетки. [15]
В процессе эмбриогенеза для ряда делений клеток (конкретное число зависит от типа организма) все клетки эмбриона будут морфологически и в плане развития эквивалентны. Это означает, что каждая клетка имеет одинаковый потенциал развития, и все клетки по сути взаимозаменяемы, тем самым устанавливая группу эквивалентности . Эквивалентность развития этих клеток обычно устанавливается с помощью экспериментов по трансплантации и абляции клеток. По мере созревания эмбрионов происходит более сложное определение судьбы, поскольку появляются структуры, и клетки дифференцируются, начиная выполнять определенные функции. В нормальных условиях, как только клетки имеют определенную судьбу и прошли клеточную дифференциацию , они, как правило, не могут вернуться в менее определенные состояния; однако новые исследования показывают, что дедифференциация возможна при определенных условиях, включая заживление ран и рак. [16] [17]
Определение клетки для определенной судьбы можно разбить на два состояния, в которых клетка может быть указана (комитентна) или определена . В состоянии комитента или определена тип клетки еще не определен, и любое смещение, которое клетка имеет в сторону определенной судьбы, может быть обращено или преобразовано в другую судьбу. Если клетка находится в определенном состоянии, судьба клетки не может быть обращена или преобразована. В общем, это означает, что клетка, определенная для дифференциации в клетку мозга, не может быть преобразована в клетку кожи. За определением следует дифференциация, фактические изменения в биохимии, структуре и функции, которые приводят к определенным типам клеток. Дифференциация часто включает изменение как внешнего вида, так и функции. [18]
Существует три основных способа, которыми клетка может специфицироваться для определенной судьбы: автономная спецификация , условная спецификация и синцитиальная спецификация . [19]
Этот тип спецификации является результатом свойств, присущих клетке; он приводит к мозаичному развитию. Свойства, присущие клетке, возникают в результате деления клетки с асимметрично выраженными материнскими цитоплазматическими детерминантами (белками, малыми регуляторными РНК и мРНК). Таким образом, судьба клетки зависит от факторов, секретируемых в ее цитоплазму во время деления. Автономная спецификация была продемонстрирована в 1887 году французским студентом-медиком Лораном Шабри, работавшим с эмбрионами оболочников. [20] [21] Это асимметричное деление клеток обычно происходит на ранних стадиях эмбриогенеза.
Положительная обратная связь может создавать асимметрию из однородности. В случаях, когда внешние или стимулы, которые могли бы вызвать асимметрию, очень слабы или неорганизованы, посредством положительной обратной связи система может спонтанно формировать себя. Как только обратная связь началась, любой небольшой начальный сигнал усиливается и, таким образом, создает эффективный механизм формирования паттерна. [22] Обычно это происходит в случае латерального торможения , при котором соседние клетки вызывают спецификацию посредством ингибирующих или индуцирующих сигналов (см. Сигнализация Notch ). Этот вид положительной обратной связи на уровне отдельной клетки и ткани отвечает за нарушение симметрии , что является процессом «все или ничего», тогда как после нарушения симметрии вовлеченные клетки становятся очень разными. Нарушение симметрии приводит к бистабильной или мультистабильной системе, в которой вовлеченная клетка или клетки определены для разных клеточных судеб. Определенные клетки продолжают свою особую судьбу даже после того, как начальный стимулирующий/ингибирующий сигнал исчезает, давая клеткам память о сигнале. [22]
Конкретные результаты абляции и изоляции клеток, которые выделяют автономно определенные клетки, следующие. Если произошла абляция ткани из определенной клетки, клетка будет иметь недостающую часть. В результате удаленная ткань была автономно определенной, поскольку клетка не смогла восполнить недостающую часть. [19] [20] [23] Более того, если определенные клетки были изолированы в чашке Петри от всей структуры, эти клетки все равно сформируют структуру или ткань, которую они собирались сформировать изначально. [19] [20] [23] Другими словами, сигнал для формирования определенной ткани находится внутри ткани, а не исходит от центрального органа или системы.
В отличие от автономной спецификации, этот тип спецификации является клеточно-внешним процессом, который опирается на сигналы и взаимодействия между клетками или на градиенты концентрации морфогенов . Индуктивные взаимодействия между соседними клетками являются наиболее распространенным способом формирования структуры ткани. В этом механизме одна или две клетки из группы клеток с одинаковым потенциалом развития подвергаются воздействию сигнала ( морфогена ) извне группы. Только клетки, подвергшиеся воздействию сигнала, побуждаются следовать другому пути развития, оставляя остальную часть группы эквивалентности неизменной. Другим механизмом, определяющим судьбу клетки, является региональная детерминация (см. Региональная спецификация ). Как следует из названия, эта спецификация происходит на основе того, где внутри эмбриона расположена клетка, это также известно как позиционное значение. [24] Впервые это было замечено, когда мезодерма была взята из предполагаемой области бедра эмбриона цыпленка, была пересажена в область крыла и не трансформировалась в ткань крыла, а вместо этого в ткань пальца ноги. [25]
В условно определенных клетках, обозначенная клетка требует сигнала от внешней клетки. Таким образом, если ткань была удалена, клетка сможет регенерировать или подать сигнал для реформирования изначально удаленной ткани. [19] [20] [23] Кроме того, если, например, ткань живота была удалена и пересажена на спину, новая формирующаяся ткань будет тканью спины. [19] [20] [23] Этот результат виден, потому что окружающие клетки и ткани влияют на вновь формирующуюся клетку.
Этот тип спецификации является гибридом автономной и условной, которая встречается у насекомых. Этот метод включает действие градиентов морфогенов внутри синцития . Поскольку в синцитии нет границ клеток, эти морфогены могут влиять на ядра в зависимости от концентрации. Было обнаружено, что целлюляризация бластодермы происходила либо во время, либо до спецификации областей тела. [26] Кроме того, одна клетка может содержать более одного ядра из-за слияния нескольких одноядерных клеток. В результате изменчивое расщепление клеток затруднит присоединение или определение клеток к одной клеточной судьбе. [23] В конце целлюляризации автономно специфицированные клетки становятся отличными от условно специфицированных.
Эмбриогенез растений , см. Lau S et al. , Межклеточная коммуникация в раннем эмбриогенезе Arabidopsis. Eur J Cell Biol 2010, 89:225-230. [27]
Для хорошего обзора части истории сигнализации морфогена и развития см. Briscoe J, Making a grade: Sonic Hedgehog signaling and the control of neural cell destiny. [28]
В системной биологии предсказывается, что определение судьбы клетки будет демонстрировать определенную динамику, такую как конвергенция аттракторов (аттрактор может быть точкой равновесия, предельным циклом или странным аттрактором ) или колебательную. [29]