Гены и развитие организма

Гормонами называют биологически активные вещества, которые синтезируются в одном органе, а действуют на клетки других органов. В отличие от индуцирующих веществ гормоны обычно не распространяются путем диффузии к соседней ткани, а равномерно с кровью или гемолимфой разносятся по всему организму и в принципе могли бы действовать на все виды клеток. Однако гормоны действуют только на определенные клетки («клетки-мишени») и в разных видах чувствительных к ним клеток вызывают различный эффект. Это означает, что, как и в случае контактной индукции, специфика ответа больше зависит от клеток-мишеней, а гормон определяет лишь время наступления эффекта.

Гормоны начинают действовать на довольно поздних стадиях развития, когда уже есть гемолимфа или кровь, и осуществляют свою регуляторную роль во взрослом организме. Вызываемые ими эффекты можно, правда не всегда строго, разделить на регуляцию процессов развития (метаморфоз, дифференцировка клеток, созревание ооцитов, синтез белков яйца и т. д.) и регуляцию обратимых физиологических процессов (взаимопревращения сахаров и гликогена, расширение сосудов, сексуальное поведение и др.). Мы будем здесь говорить только о роли гормонов в развитии. Это обычно осуществляется посредством действия гормонов на активность генов.

1. Роль гормонов в процессах развития

Если гормон равномерно распределяется по всему организму, то он принципиально не может создавать различий между совершенно одинаковыми клетками. Действительно, если клетки одинаковы, то и их реакция на любые внешние воздействия, в том числе и на гормон, будет одинакова. Если же две группы клеток реагируют на один и тот же гормон различно, то это само по себе означает, что чем-то эти клетки отличались и до того, как на них подействовал гормон.

Некоторые наблюдения, казалось бы, не согласуются с этим утверждением. Например, клетки кожи, покрывающей спину и хвост головастика, внешне (под микроскопом) не отличаются друг от друга. Ho под влиянием гормона щитовидной железы — тироксина клетки кожи хвоста лизируются (рассасываются) вместе со всем хвостом. В то же время клетки кожи спины не погибают, а подвергаются характерным изменениям, которые превращают кожу головастика в кожу лягушки: она иначе пигментирована, имеет многочисленные железы и т. д. Если кусочек кожи хвоста пересадить на спину, то после действия тироксина она и на новом месте начинает рассасываться. Эти опыты показывают, что в действительности кожа

Хвоста головастика чем-то отличалась от кожи спины. Отличия клеток-мишеней от клеток, нечувствительных к гормону, или, как в данном случае, от клеток-мишеней, реагирующих на гормон иначе, могут внешне никак не выражаться и обнаруживаться только в реакции на гормон.

Итак, гормоны не вызывают различий между одинаковыми клетками и, следовательно, не вызывают дальнейшей дифференциации организма. Они не могут в принципе увеличить в нем число видов клеток и тканей. Этим гормоны отличаются от индукторов и других факторов дифференцировки. Однако гормоны являются факторами, усиливающими дифференцировку, способствующими продвижению клеток по пути дальнейшей специализации и превращающими небольшие различия между клетками в значительные морфологические и функциональные отличия.

Так, например, гормоны вызывают развитие молочных желез и начало лактации, активируют у птиц синтез яичного желтка в печени и овальбумина в яйцеводе, вызывают метаморфоз у личинок насекомых и амфибий и при этом стимулируют целый ряд процессов разрушения личиночных тканей и дифференцировки тканей взрослого организма. Во всех случаях, когда это было детально исследовано, процессы дифференцировки, стимулированные гормонами, начинались с активации новых, не работавших до того генов. Это было достоверно показано для клеток слюнных желез при метаморфозе у дрозофилы, для клеток печени при метаморфозе у головастиков, для белоксинтезирующих желез в яйцеводе птиц.

В чем же биологический смысл использования гормонов для стимулирования дифференцировок, если и без того эти клетки уже являются клетками-мишенями? Ведь они уже отличаются от других клеток и, казалось бы, могли идти по пути своей специализации и дальше, не нуждаясь в дополнительных стимулах. Дело в том, что гормоны определяют не место, а время дифференцировки. Они появляются или их концентрация возрастает как раз в тот момент, когда дальнейшая дифференцировка необходима: личинки мухи или головастики достигли достаточного размера для метаморфоза, появилась необходимость в функции молочной железы или желез яйцевода, пришло время для созревания и откладки яиц и т. д.

В одних случаях наступление времени действия гормона определяется событиями внутри организма: достижение нужного размера и необходимость метаморфоза у личинок, рождение потомства и необходимость лактаций у млекопитающих.

В других случаях определяющими являются внешние факторы: например, повышение температуры или удлинение светового дня весной стимулирует у многих животных откладку яиц и весь комплекс сексуального поведения.

Мы уже говорили, что обычно, а может быть и всегда, один гормон одновременно вызывает различные эффекты в нескольких видах клеток-мишеней. Половые гормоны сразу влияют на созревание яиц и на синтезы в железистых клетках яйцевода, часто вызывают появление брачной окраски и стимулируют сексуальное поведение. Гормоны щитовидной железы одновременно вызывают у головастика самые разнообразные превращения — резорбцию хвоста, сокращение длины кишечника, появление новых ферментов в печени, стимуляцию развития конечностей и легких и т. д.

Необходимость одновременного действия гормонов на разные ткани очевидна: все эти процессы должны происходить сразу или в быстрой последовательности друг за другом. Таким образом, гормоны координируют во времени те процессы развития, которые, хотя и происходят в разных частях организма, функционально связаны друг с другом и составляют один общий этап развития (например, метаморфоз).

Для выполнения этой роли сами эндокринные железы часто связаны с нервной системой и органами чувств, которые «информируют» их, например, о наступлении сезона размножения. Посредником в этом процессе у позвоночных служит особая эндокринная железа — гипофиз. Она является придатком головного мозга и морфологически связана с особым его отделом — гипоталамусом. От него гипофиз получает стимулирующие сигналы в виде особых действующих местно веществ — рилизинг-факторов, которые вызывают синтез и выделение из гипофиза в кровь «тропных» гормонов, стимулирующих другие эндокринные железы. Так, различают гонадотропный гормон, действующий на половые железы, тиреотропный гормон, стимулирующий щитовидную железу, и т. д.

Итак, биологическая роль гормонов, регулирующих процессы развития, состоит в координации этих процессов и стимуляции их в оптимальные периоды времени. Как мы уже говорили, это их действие осуществляется через активацию и инактивацию генов.

2. Действие стероидных гормонов

Стероидные гормоны являются относительно простыми органическими соединениями с небольшим молекулярным весом. О механизме их действия известно сейчас больше, чем о действии других гормонов. Скелет стероидных гормонов образован четырьмя углеводородными кольцами, и все разнообразие достигается за счет боковых групп — метальных, гидроксильных и др. Хотя сейчас известны десятки стероидных гормонов и их активных аналогов, общее число этих соединений, которые в принципе могут существовать, не превышает двухсот. Тем не менее в это число у позвоночных входят гормоны с совершенно различным действием — мужские половые гормоны (андростероны), женские половые гормоны (эстрогены), а также неполовые стероидные гормоны надпочечников — кортикостероиды.

Половые стероидные гормоны у позвоночных синтезируются в половых железах, и их синтез стимулируется гонадотропными гормонами гипофиза. У личинок насекомых стероидный гормон линьки — экдизон (экдистерон) синтезируется параторакальными железами.

Хорошей моделью действия женских половых стероидных гормонов (например, эстрадиола) служит синтез желточного белка ооцитов — вителлогенина в печени кур или овальбумина в яйцеводе цыплят. Для исследования начала синтеза вителлогенина часто используют петухов или самцов лягушек. У них в норме нет эстрогенов, вителлогенин не синтезируется и кодирующий его ген, очевидно, полностью не активен. Ho при введении эстрадиола синтез этого белка начинается и в печени самцов. Кроме генов вителлогенина, активируется также транскрипция рибосомных РНК и образование новых рибосом, в то время как активность других генов уменьшается. На новых мРНК и новых рибосомах интенсивно синтезируется вителлогенин и происходит его быстрый выход в кровяное русло. Однако, так как ооцитов у самцов нет, этот белок длительное время остается в плазме крови.

Введение эстрадиола молодым курочкам и даже цыплятам стимулирует дифференцировку клеток в их яйцеводах. Часть клеток эпителия яйцевода под влиянием эстрадиола дифференцируется в железистые клетки, в которых активируются гены овальбумина. Через несколько дней начинается синтез самого овальбумина.

В слюнных железах личинок дрозофилы или комара хирономуса (его личинки — это мотыль, живой корм для аквариумных рыб) действие стероидного гормона линьки — экдизона на активность генов можно видеть прямо под микроскопом. Политенные хромосомы значительно длиннее и толще обычных, и активные гены у них выглядят как утолщение хромосомы. Они называются пуфы. Уже через 5—10 мин после введения личинкам экдизона можно видеть появление нескольких новых пуфов (один — у хирономуса, два — у дрозофилы). Ho только через несколько часов у них возникает еще несколько десятков новых пуфов, появление которых характерно для личинки, вступившей в метаморфоз. Можно предполагать, что первые пуфы являются результатом прямого действия экдизона. Недавно при введении радиоактивного экдизона было показано, что он концентрируется в первых активирующихся пуфах. Более позднее включение остальных генов уже не требует прямого влияния экдизона и, вероятно, регулируется теми генами, которые активируются экдизоном в первые минуты. Механизм влияния «гена на ген» пора практически неизвестен, хотя такие влияния хорошо укладываются во многие схемы генной регуляции. Ингибиторы синтеза РНК подавляют включение второй очереди новых пуфов, но не препятствуют появлению первых пуфов.

Механизмы действия стероидных гормонов сейчас хорошо изучены. Эти гормоны проникают в клетки. В цитоплазме клеток-мишеней находится специфический белок-рецептор, который «опознает» тот гормон, к которому клетка компетентна, связывается с ним и образует гормон-рецепторный комплекс. Такие комплексы мигрируют в ядро и связываются, как предполагают, с теми участками хромосом, где находятся гены, которые гормон в этих клетках активирует. Один и тот же стероидный гормон в разных видах клеток активирует разные гены, например эстрадиол активирует в печени гены вителлогенина, а в яйцеводе — гены овальбумина. Следовательно, эти клетки должны отличаться или своими рецепторами, или состоянием хромосом. Сейчас преобладает мнение, что рецепторы в разных видах клеток одинаковы. Если это так, то различными являются хромосомы. Предполагается, что в ядрах клеток-мишеней на соответствующих генах находятся особые белки — акцепторы, с которыми может связываться гормон-рецепторный комплекс и каким-то (пока неясным) образом активировать данный ген.

Таким образом, компетентность клетки к стероидному гормону (ее свойства как клетки-мишени) определяется двумя обстоятельствами: наличием в цитоплазме рецепторного белка, способного «опознать» свой гормон, и наличием на определенных генах акцепторных белков, способных «опознать» гормон-рецепторный комплекс. Если эта схема верна, то наличие рецепторов делает клетку «мишенью», а положение на хромосоме акцепторных белков определяет специфичность реакции на гормон у данного вида клеток.

3. Действие белковых гормонов

Полипептидные гормоны известны, по-видимому, еще далеко не все. Среди них есть настоящие белки, хотя и небольшого молекулярного веса, а есть и полипептиды, состоящие всего из 8—11 аминокислот, замкнутых в кольцо. Настоящие белки синтезируются обычным для белков путем: ген → мРНК → белок. Некоторые же короткие полипептиды синтезируются без трансляции на рибосомах, но при помощи нескольких ферментов, которые последовательно «приставляют» по одной аминокислоте к строящейся цепочке.

Большая часть белковых гормонов синтезируется в гипофизе. Среди них можно назвать уже упоминавшийся гонадотропный гормон, стимулирующий целый ряд процессов, связанных с размножением, и в том числе синтез половых гормонов в половых железах; тиреотропный гормон, активирующий синтез тироксина в щитовидной железе; гормон роста (соматомедин), необходимый для роста животных и человека (без него люди и животные остаются карликами); пролактин, стимулирующий дифференцировку молочных желез и синтез в них казеина — белка молока. Кроме того, в гипофизе образуются и низкомолекулярные полипептидные гормоны, действующие не на дифференцировку клеток, а на физиологические процессы. Это окситоцин и вазопрессин, влияющие на работу сердца и на кровяное давление.

Белковые гормоны, контролирующие углеводный обмен, — инсулин и глюкагон синтезируются в поджелудочной железе. Эта железа является в основном экзокринной и образует многочисленные пищеварительные ферменты, которые выводятся в 12-перстную кишку. Ho около I % ее клеток находится в составе островков Лангерганса, в которые входят два вида особых клеток, работающих как эндокринные железы и выводящих в кровь инсулин (бета-клетки) или глюкагон (альфа-клетки). Оказалось, однако, что действие инсулина не ограничивается, как считали раньше, только стимуляцией превращения в печени глюкозы в гликоген. Он также необходим для ряда процессов клеточной пролиферации и дифференцировки.

В почках синтезируется белковый гормон — эритропоэтин, регулирующий дифференцировку эритроцитов в костном мозгу и селезенке.

Синтез белковых гормонов регулируется сложным образом. В этой регуляции участвует, как мы говорили выше, центральная нервная система, действующая через рилизинг-факторы. Кроме того, советским ученым М. М. Завадовским в 30-е годы была обнаружена система регуляции, которую он назвал «плюс-минус-взаимодействие» и этим намного предвосхитил открытие принципа обратной связи. Этот механизм можно показать на системе синтез тиреотропного гормона в гипофизе — синтез тироксина в щитовидной железе. Тиреотропный гормон стимулирует синтез тироксина (плюс-действие по Завадовскому), но тироксин подавляет в гипофизе синтез тиреотропного гормона (минус-действие). Таким образом поддерживается постоянный уровень тироксина в крови: при его избытке функция щитовидной железы подавляется, при недостатке — стимулируется.

Белковые гормоны не проникают в клетку. Однако на поверхности клеток-мишеней находятся специфические белковые рецепторы, которые «опознают» гормон и связываются с ним. Это связывание активирует фермент, находящийся на внутренней стороне клеточной мембраны, — аденилатциклазу, которая превращает АТФ в циклическую АМФ (цАМФ). Мы уже упоминали цАМФ, когда говорили о сигнале, собирающем миксамебы диктиостелиума в агрегат. Аналогично в других случаях из ГТФ образуется цГМФ. Далее цАМФ (или цГМФ) поступает в ядра, где активирует особые ядерные протеинкиназы — ферменты, фосфорилирующие гистоновые и негистоновые белки хроматина. Как осуществляется выбор протеинкиназ (их более десятка) и как они, в свою очередь, осуществляют выбор фосфорилируемых белков, неизвестно, Ho в итоге происходит активация определенных генов (например, в клетках половой железы активируются гены, ответственные за синтез стероидов) и начинается соответствующая дифференцировка. Мы видим, что здесь, как и в случае стероидных гормонов, нам лучше известны начальные этапы действия гормона на клетку, но по-прежнему неясны процессы, происходящие непосредственно на хромосомах.

4. Другие гормоны

Тироксин (или, точнее, тироксины) представляет собой низкомолекулярное соединение, состоящее из двух молекул тирозина, к которым присоединено несколько атомов йода. Поэтому нехватка йода в пище приводит в некоторых горных районах к тяжелой болезни щитовидной железы — зобу. Эта болезнь, однако, легко предупреждается добавлением в пищу микроколичеств йода. Другие заболевания щитовидной железы, создающие избыток тироксина, вызывают у человека базедову болезнь с характерными выпученными глазами. У взрослых животных тироксин является гормоном, влияющим в основном на интенсивность метаболизма и, в частности, энергетического обмена. Объектом такого действия тироксина являются митохондрии, в которые он проникает. Однако в эмбриогенезе и личиночном развитии действие тироксина совсем иное — он влияет на морфогенез, и это его действие осуществляется через генетический аппарат.

Мы уже упоминали о действии тироксина на метаморфоз личинок амфибий. Он действительно объединяет целый ряд одновременно протекающих процессов, ведущих к превращению головастика в лягушонка. Особенностью этого метаморфоза является то, что он происходит при сохранении всех жизненных функций животного (в отличие от метаморфоза насекомых, который происходит в неподвижной куколке). В связи с этим метаморфоз головастика продолжается более одной-двух недель и нормально происходит при строгом соблюдении последовательности составляющих его процессов. Если головастику дать сразу большую дозу тироксина, то метаморфоз начнется одновременно во всех органах и будет происходить некоординированно. В результате образуется нежизнеспособное существо без хвоста, но еще с короткими конечностями и другими аномалиями строения, не способное жить ни в воде, ни на суше.

При нормальном развитии концентрация тироксина в крови растет постепенно, вместе с ростом всего головастика и особенно щитовидной железы. Чувствительность разных органов головастика к тироксину неодинакова, и благодаря этому они вступают в метаморфоз по определенному расписанию. В результате даже в ходе метаморфоза головастик сохраняет способность к движению, может прятаться от врагов и т. д., пока не выходит на берег маленькой лягушкой.

Кроме тироксина, можно, по-видимому, назвать еще ряд веществ, которые рассматриваются вместе с гормонами лишь условно, хотя роль их в развитии может быть очень велика. Один класс веществ — кейлоны, которые будто бы выделяются различными органами в кровь и концентрация которых регулирует рост и размножение этих органов. Действительно, если у взрослого животного удалить часть печени, то оставшаяся часть восстанавливается в размерах в течение двух-трех дней. Если удалить одну почку, то так же быстро вторая почка достигает двойного размера. При этом в печени и в почках происходит волна клеточных делений, которые до того в них почти отсутствовали. Можно предполагать, что при уменьшении размеров печени концентрация кейлонов печени в крови падает и это стимулирует рост печени. Когда размер печени достигнет нормы, до нормы повысится и концентрация в крови кейлона печени и затормозит дальнейший рост. Эта красивая схема, однако, пока имеет очень немного надежных экспериментальных оснований, и само существование кейлонов остается под вопросом.

Другую группу факторов еще труднее отнести к гормонам, так как они действуют диффузно и местно, хотя, по-видимому, не так локально, как индуцирующие вещества. Речь идет о вполне реальных веществах белковой природы, называемых факторами роста. Лучше других известен «нервный фактор роста», открытый итальянской ученой Леви-Монтальчини. Он может быть получен из различных органов, но особенно много его почему-то в слюнной железе позвоночных. Он стимулирует рост нервных волокон (аксонов) и, как считают, определяет и направляет рост нервов в тканях. Возможно, что он может стимулировать рост и размножение и других типов клеток.

Кроме того, известны «эпидермальный фактор роста» и некоторые другие. «Эпидермальный фактор роста» является небольшим белком. Он стимулирует рост и деление многих видов клеток и, вероятно, играет важную роль в регуляции регенерации поврежденных органов. Ho недавно «эпидермальный фактор роста» был обнаружен в зародышах млекопитающих. Это означает, что он может играть важную роль и в процессах морфогенеза.

Несколько гормонов было открыто и у растений. Это органические вещества небелковой природы, которые стимулируют рост и цветение (ауксины, гиббереллины и др.).