Каким образом из одной-единственной оплодотворенной клетки развивается целый организм? Какой таинственный механизм заставляет принять его именно ту форму, которая свойственна данному виду? Проблема морфогенеза, фундаментальная проблема биологии, до сих пор не разрешена, несмотря на самые изощренные возможности современной науки.
Пути к пониманию процессов возникновения формы ученые ищут теперь на молекулярном уровне. Первичные процессы развития - деление, движение, адгезия (слипание), дифференцировка и гибель клеток - не поддаются анализу, пока мы ограничиваемся лишь перечнем участвующих генов и последовательными взаимодействиями кодируемых ими белков. Любой из этих процессов - результат мириад молекулярных превращений, происходящих не только последовательно, но и параллельно и регулируемых не только взаимодействием генов, но и сопутствующими событиями, которые не определяются непосредственно индивидуальными генами.
Адгезия клеток - один из основных первичных процессов. Адгезия имеет место на каждой стадии индивидуального развития; ведь без прикрепления клеток друг к другу не может возникнуть форма. Для исследователя адгезия привлекательна тем, что она доступна для прямого анализа химическими методами. Кроме того, адгезия обеспечивается взаимодействием молекул белков. Но белки кодируются генетически и поэтому как их синтез (т.е. экспрессия генов), так и роль белков в определении структуры эмбриона задаются одной и той же системой.
Молекулы, посредством которых осуществляется адгезия клеток, располагаются на клеточной поверхности и представляют собой гликопротеины, т.е. белки, содержащие углеводные остатки. С помощью набора специфических антител было выявлено несколько типов молекул адгезии клеток (МАК) и изучено их распределение в тканях эмбриона на последовательных стадиях его развития. МАК выделили, очистили, определили их структуру. Пока что найдены три типа МАК:
- нейтральные (Н-МАК);
- нейроглиальные (НГ-МАК);
- печеночные (П-МАК).
Их структура различна.
Так, в Н-МАК имеется полисиаловая кислота, а в П-МАК ее нет.
На изображении МАК образуют структуры, каждая ветвь которых, как полагают, представляет собой одну белковую цепочку. Но так ли выглядят МАК, когда они находятся в клеточной мембране, пока неизвестно.
Картина распределения различных МАК в тканях эмбриона меняется во времени. Динамические карты экспрессии МАК сравнили с хорошо знакомыми эмбриологам картами, на которых показывается, из каких участков раннего эмбриона сформируются те или иные органы. На основании анализа таких карт и результатов серии тонких экспериментов, в которых изучались особенности адгезии искусственных липидных пузырьков с встроенными в их мембраны МАК, составилось следующее представление о молекулярных механизмах при адгезии.
Перемещение и слепание клеток, ведущее к формированию генетически запрограммированных структур, обеспечивается взаимодействием молекул адгезии клеток. Различных типов МАК не так уж и много, вероятно, не более 100. Разнообразие адгезивных свойств клеток достигается не только варьированием типа МАК, но также существованием нескольких форм (эмбриональных и взрослых) однотипных МАК, переход между которыми совершается в результате и генетической и эпигенетической (не связанной непосредственно с генами) регуляции. Более того, с течением времени одни МАК появляются, другие исчезают, у третьих меняются свойства. В ходе развития гены МАК "включаются" и "выключаются" в определенной последовательности, увязанной с эпигенетическими модификациями различных МАК на клеточной поверхности. Эти события имеют свою топографию, временное расписание и локализацию. Регуляторные сигналы, управляющие экспрессией генов, неизвестны. Впрочем, можно думать, что естественный отбор благоприятствовал особям, у которых спектр и порядок появления МАК были такими, что в ходе индивидуального развития формировались полноценные функциональные структуры.
Ненормальное развитие сетчатки глаза куриного эмбриона возникло, когда в сетчатку ввели антитела, которые связывают МАК и не дают им действовать.