Многоклеточный организм развивается из оплодотворённой яйцеклетки (зигота) не только путём увеличения количества клеток (пролиферация). Одновременно определяется судьба образующихся клеток, т.е. клетка выбирает один из многих возможных путей развития. Этот процесс — детерминация. Детерминированные клетки специализируются, т.е. приобретают определённую структуру и оказываются способными выполнять конкретную функцию — дифференцировка. Одновременно осуществляется морфогенез — клетки координированным образом формируют органы и реализуют план пространственной организации тела. Таким образом, детерминация, дифференцировка и морфогенез — ключевые процессы развития многоклеточного организма.
А.              Детерминация. В эмбриогенезе появляются различия между клетками: возникают разные клеточные типы (глава 4 II Б). Конкретные типы клеток образуют ткани (глава 4). Из клеток разной тканевой принадлежности формируются органы. Определение пути развития тотипотентных клеток концептуса и полипотентных клеток концептуса, эмбриона, плода при внутриутробном развитии и организма в постнатальном онтогенезе происходит в ходе детерминации — процесса, в результате которого *компетентная клеточная система выбирает один из многих возможных путей развития» (Hadorn Е, 1965). Такая потенциальная возможность развиваться в разных направлениях обозначается как проспективная потенция.
Б. Дифференцировка — внешнее выражение детерминации. В ходе специализации конкретного клеточного типа (дифферон) формируются разные фенотипы клеток (глава 4 Б 2). Результат дифференцировки — специализированная клетка конкретной морфологии, выполняющая определённую функцию (состояние терминальной дифференцировки). При диф- ференцировке клетки экспрессируют строго определённую при детерминации часть генома: транскрибируют специфические РНК и синтезируют специфичные белки, что и определяет морфологические и функциональные признаки специализации клеток. Следовательно, различия между клетками, обладающими одинаковым набором генов, определяет дифференциальная активность генов.

1. Дифференциальная активность генов. Гены оплодотворённой яйцеклетки репрессированы. Начало развития сопровождается дерепрессией определённых групп генов (в первую очередь генов, контролирующих пролиферацию и общий метаболизм клетки). Первые тканеспецифические гены активируются на стадии гаструляции. Позднее, когда происходит координированная сборка сложных структур (органогенез), включаются другие гены. Разные клеточные типы экспрессируют разные гены.

а.              Эритроидный клеточный тип. Гены глобинов: ранний эмбриональный (НЬ6) эмбриональные Hb -gt; фетальный (HbF) два типа дефинитивных Hb.
б.              Клетки хрусталика. Гены а-, р- и у-кристаллинов.
в.              Миогенный клеточный тип. Гены миозина, тропомиозина, тропонина и других сократительных белков (разные для разных типов мышечной ткани).

2. Ограничение проспективных потенций. По мере дифференцировки постепенно ограничиваются потенции клеток развиваться в различных направлениях.

а.              Эритроидный клеточный тип. Зигота -» бластоциста -gt; внутренняя клеточная масса -» эпибласт -gt; мезодерма -gt; мезенхима -gt; стволовая кроветворная клетка (CFU-blast) -gt; полипотентная клетка-предшественница миелопоэзза (CFU-GEMM) -gt; взрывообразующая единица эритропоэза (BFU-E) -» унипотентный предшественник эритроцитов (CFU-E) -gt; проэритробласт -gt; базофильный эритробласт -gt; полихроматофильный эритробласт -» нормобласт -gt;• ретикулоцит эритроцит. Стволовая кроветворная клетка (CFU-blast) — источник всех клеток крови. Полипотентная клетка-предшественница миелопоэзза (CFU-GEMM) ограничена в потенциях и дифференцируется только в клетки миелоидного ряда. На следующем этапе происходит дальнейшее ограничение потенций. Так, взрывообразующая единица эритропоэза (BFU-E) — предшественница только одного типа клеток, а именно эритроидного.
б.              Клетки хрусталика. Зигота -gt; бластоциста -gt; внутренняя клеточная масса -» эпибласт -у эктодерма -* головная эктодерма -» хрусталиковая плакода —» хруста- ликовый пузырёк -gt; хрусталик -» клетки хрусталика (синтез а- и (5-кристаллинов) -gt; продвинутые клетки хрусталика (синтез а-, (3- и у-кристаллинов). В ряду от зиготы до головной эктодермы происходит ограничение проспективных потенций клеток. Клетки головной эктодермы служат источником различных структур (например, хрус- таликовой и слуховой плакод, зачатков лицевых структур). Потенции клеток хруста- ликовой плакоды ограничены рамками одного дифферона. Они могут дифференцироваться только в клетки хрусталика.
в.              Миогенный клеточный тип. Зигота -» бластоциста -gt; внутренняя клеточная масса
эпибласт —gt; мезодерма —gt; несегментированная мезодерма —gt; сомит —gt; клетки миотома —gt; миобласты митотические —gt; миобласты постмитотические —» мышечная трубочка —gt; мышечное волокно. В приведённой схеме от этапа к этапу ограничивается количество потенциальных направлений дифференцировки. Клетки несегментиро- ванной мезодермы имеют потенции к дифференцировке в различных направлениях и образованию миогенного, хондрогенного, остеогенного и других направлений дифференцировки. Клетки миотома сомитов детерминированы к развитию только в одном направлении, а именно к образованию миогенного клеточного типа (поперечнополо- сатая^мышца скелетного типа).

3. Пролиферация и дифференцировка. Существенная черта дифференцировки состоит в том, что дифференцировка обычно наступает после пролиферации клеток. Быстро размножающиеся клетки, как правило, являются малодифференцированными (например, клетки базального слоя эпителия кожи или мезенхимные клетки). Наоборот, высокодифференцированные клетки, как правило, утрачивают способность к пролиферации (например, эритроциты и нейроны).

а.              Эритроидный клеточный тип. По мере дифференцировки, а её признаком служит способность синтезировать Hb, пролиферативная активность угасает. Проэритроб- ласты не синтезируют Hb и многократно митотически делятся. Базофильный эритробласт активно синтезирует Hb и сохраняет способность к митозу. Полихроматофильный эритробласт содержит значительное количество Hb и также может делиться. Ранние нормобласты, заполненные Hb, по-видимому, ещё могут делиться, но постепенно утрачивают способность к делению и выталкивают ядро.
б.              Клетки хрусталика. В ходе закладки хрусталика предшественники дефинитивных хрусталиковых клеток активно делятся, выходят из клеточного цикла, синтезируют кристаллины и локализуются в центральной области хрусталикового эпителия. Увеличение количества клеток хрусталика происходит на протяжении всего онтогенеза за счёт герминативной зоны,
в.              Миогенный клеточный тип. Жёстко координированная последовательность сначала пролиферации, а затем дифференцировки наглядно проявляется для данного клеточного типа. Миобласты митотически делятся и только после этого переходят в постмитотические миобласты, останавливающиеся в фазе G0 и впредь не синтезирующие ДНК. Подобным митозам Хью Хольцер (1970) дал название квантальные митозы. Они отличаются от обычных митозов (пролиферативные митозы) тем, что приводят к появлению новых морфогенетических свойств у клеточных потомков (в данном случае клетки приобретают способность к слиянию).

4. Необратимость дифференцировки. Дифференцировка необратима и осуществляется только в одном направлении — от менее дифференцированной к более дифференцированной структуре. Для нетрансформированных клеток не следует применять термин дедифференцировка [как правило, речь при этом идёт о границах клеточного типа (см. главу 4 II Б 3) и его пластичности].

В.              Морфогенез — формирование пространственной организации организма и его частей. Морфогенез осуществляется при реализации различных морфогенетических процессов: рост, межклеточные взаимодействия, индукция, направленная миграция клеток, направленный рост частей клеток (например, отростков нервных клеток), гибель клеток.

1. Рост — увеличение массы и, как правило, линейных размеров за счёт увеличения количества клеток, морфофункциональных единиц органов, самих органов, систем органов и т.д. Увеличение массы без клеточных делений наблюдают при гипертрофии клеток в нормальных (например, гипертрофия хрящевых клеток, гипертрофия миометрия при беременности) и патологических условиях. В организме вырабатываются многочисленные гуморальные факторы, стимулирующие рост, а также пролиферацию различных клеточных типов, — факторы роста.
2. Межклеточные взаимодействия и индукция. Эти морфогенетические процессы направляют специализацию клеток и образование новых структур. Природу клеточных взаимодействий в морфогенезе объясняет концепция позиционной информации.

а.              Позиционная информация. При развитии общий план тела определяется очень рано. Позднее, на протяжении всего периода формирования органа или целого организма, детали морфогенеза уточняются при помощи сигналов позиционной информации. Согласно концепции позиционной информации, клетка знает своё местоположение в координатной системе зачатка органа и дифференцируется в соответствии с этим положением. Позиционную информацию клетка получает от других клеток. Более того, клетка достигает состояния терминальной дифференцировки (глава 4 II В) только при условии своевременного получения ею серии последовательных сигналов позиционной информации. Зона, в пределах которой эффективно действуют сигналы позиционной информации, — морфогенетическое поле. В течение ряда последующих клеточных делений клетки морфогенетического поля помнят о своем исходном назначении. Постоянная активность гомейозисных генов определяет в клетке память о позиционной информации.

1. Гомейозисные гены — семейство родственных генов, содержащих гомеобокс и определяющих форму тела. У млекопитающих это семейство представлено 38 генами, сгруппированными в 4 комплекса — НОХА, НОХВ, HOXC и HOXD (по номенклатуре Human Gene Mapping Workshops [рабочая группа картирования генов человека] соответственно Н0Х1, Н0Х2, НОХЗ и Н0Х4). Существуют и другие комплексы, например, Н0Х7. Эти группы генов расположены

в хромосомах 2, 7, 12, 17. Гены экспрессируются в эмбриогенезе и определяют организацию общего плана тела. Экспрессия генов контролирует разделение тела эмбриона по координатным осям на морфогенетические поля. Транскрипты го- мейозисных генов присутствуют в головном и спинном мозге, в почках конечностей и сердце с 5-й по 9-ю неделю развития. Так, региональная специализация структур позвоночного столба направляется гомейозисными генами. Они контролируют пролиферацию и дифференцировку кроветворных клеток. Например, экспрессия генов комплекса HOXB (Н0Х2) зарегистрирована в клетках эритромега- кариоцитарных линий и популяций ранних предшественников гемопоэза. Гомеобокс — эволюционно консервативная последовательность, состоящая примерно из 180 пар нуклеотидов. Гены, содержащие гомеобокс, кодируют ядерные белки, регулирующие экспрессию генов, а гомеобокс кодирует часть ДНК- связывающего белка.

2. Гомейозисные гены и врождённые аномалии. Впервые на связь гомейозис- ных генов и врождённых пороков указал Кэмпбелл (1989) — делеция гена комплекса Н0Х7 у больных с синдромом Вдльфа-Хиршхорна. В частности, существует связь между дефектами гена этого комплекса и возникновением врождённой расщелины нёба.

б.              Индукционные взаимодействия. В органогенезе — координированной сборке разных тканевых структур — важное значение имеют индукционные взаимодействия между эмбриональными зачатками. В ходе индукции клетки одного зачатка (источник) воздействуют на клетки другого зачатка (мишень). Источник инструктирует мишень к дифференцировке в конкретную структуру или разрешает дифференцировку. Возникшая структура оказывает индуцирующее влияние на другую мишень, и появляется новая структура и т.д. Эмбриогенез — сплошная череда индукционных взаимодействий.

1. Первичная эмбриональная индукция — влияние хордомезодермы на дорсальную эктодерму; результат — образование зачатка нервной системы {см. VI Б).
2. Закладка конечностей. В результате индукционного воздействия клеток латеральной мезодермы на эктодерму возникает локальное утолщение эктодермы, вместе со скоплением мезодермальных клеток формирующее почку конечности.
3. Формирование хрусталика. Воздействие выроста переднего мозга (глазного пузыря) на лежащую над ним эктодерму индуцирует образование в ней хрустали- ковой плакоды, дающей начало хрусталику.
4. Дифференцировка склеротома. Хорда и нервная трубка — источники индукционного влияния на клетки вентромедиальной части сомита — склеротома (VI 3 2 а). В результате клетки склеротома начинают интенсивно размножаться и покидают сомит, образуя зачатки позвонков, рёбер и лопаток.

3. Направленная миграция клеток. Зачастую эмбриональные клетки возникают и размножаются в одном месте, а дифференцируются и функционируют в другом. Поэтому из места своего образования клетки мигрируют в места окончательной локализации. Миграцию клеток в нужное место направляют сигналы микроокружения, специальные молекулярные метки. Носителями этих меток служат другие клетки или внеклеточный матрикс.

а.              Выселение клеток из гипобласта и образование внезародышевой энтодермы (V А I а).
б.              Выселение клеток из нервного гребня с образованием меланоцитов, хромаф- финных клеток, вегетативных и чувствительных нейронов и других структур (VI Д).
в.              Выселение клеток из сомита. Клетки дерматома, наружного слоя дорсолатеральной части сомита (VI 3 2 б), выселяются под покровную эктодерму и формируют соединительнотканную часть кожи. Клетки склеротома (VI 3 2 а) также покидают сомит и образуют скелетные ткани
г.              Направленная миграция клеток в нервной трубке. Специальные поддерживающие клетки радиальной глии возникают в раннем нейроонтогенезе и служат направляющими путями для адресной миграции нейробластов из внутреннего (эпендимного) слоя в строго определённые области наружных отделов нервной трубки. Так возникают различные слои нейронов в коре головного мозга.

4. Гибель клеток. Естественная (запрограммированная, физиологическая) гибель клеток — важный морфогенетический процесс на ранних этапах онтогенеза. Способ её реализации — апоптоз (глава 4 V Г).

а.              Нейробласты. На строго определённых этапах развития нервной системы в зачатках различных её анатомических областей погибает от 25 до 75% общей численности популяции нейробластов.
б.              Развитие конечности. Межпальцевые участки почки конечности — зоны массовой гибели клеток. Синдактилия — дефект этого естественного процесса.
в.              Регрессия парамезонефрических протоков. В мужском организме под действием мюллерова ингибирующего фактора клетки парамезонефрических (мюллеровых) протоков (из них в женском организме развиваются маточные трубы, матка и часть влагалища) погибают, и протоки дегенерируют (глава 15.1 Б 2 г (I)).
г.              Дегенерация пронефроса. Пронефрос — временная структура при образовании дефинитивной почки. Он индуцирует закладку мезонефроса — ещё одной промежуточной структуры при закладке почки. Выполнив свою задачу, пронефрос дегенерирует (глава 14 А I).