Многоклеточный организм развивается из оплодотворённой яйцеклетки (зигота) не только путём увеличения количества клеток (пролиферация) и увеличения массы зародыша (рост). Одновременно определяется судьба образующихся клеток, т.е. клетка «выбирает» один из многих возможных путей развития. Этот процесс известен как «детерминация». Детерминированные клетки специализируются (дифференцировка), т.е. приобретают определённую структуру, и оказываются способными выполнять конкретную функцию. Одновременно осуществляется морфогенез: клетки координированным образом формируют органы и архитектуру пространственной организации тела. Формирование пространственной архитектуры зародыша (организма) и его частей (органов) осуществляется при реализации следующих морфогенетических процессов: направленная миграция клеток (в том числе направленный рост частей клеток, например отростков нервных клеток), гибель клеток. Таким образом, пролиферация, рост, детерминация, дифференцировка, миграции клеток и их гибель — важные события (морфогенетические процессы) при развитии многоклеточного организма.
Детерминация
В эмбриогенезе появляются различия между клетками: возникают разные клеточные типы. Конкретные типы клеток образуют ткани. Из клеток разной тканевой принадлежности формируются органы. Определение пути развития клеток концептуса, эмбриона и плода происходит в ходе детерминации — процесса, в результате которого «компетентная клеточная система выбирает один из многих возможных путей развития» (Hadorn E., 1965).
Дифференцировка
Дифференцировка — внешнее выражение детерминации. Клетки разных фенотипов формируются в ходе специализации. Результат дифференцировки — специализированная клетка конкретной морфологии, выполняющая определённую функцию (состояние терминальной дифференцировки). По мере дифференцировки постепенно ограничиваются потенции клеток развиваться в различных направлениях. Дифференцировка осуществляется от менее к более специализированной структуре. При дифференцировке 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.
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.
Морфогенетические процессы
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.
Рост
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.
Межклеточные взаимодействия и индукция
Специализацию клеток и образование новых структур направляют межклеточные взаимодействия и индукция. Природу клеточных взаимодействий в морфогенезе объясняет концепция позиционной информации.
Позиционная информация
Общий план тела определяется очень рано. Позднее, на протяжении всего периода формирования органа или целого организма, детали морфогенеза уточняются с помощью 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 только при условии своевременного получения ею серии последовательных сигналов позиционной информации. Зона, в пределах которой эффективно действуют сигналы позиционной информации, называется морфогенетическим полем. В течение ряда последующих клеточных делений клетки морфогенетического поля «помнят» о своём исходном назначении. Постоянная активность гомеозисных генов определяет в клетке память о позиционной информации.
- Морфоген — сигнальная молекула, действует в морфогенетическом поле, несёт позиционную информацию и оказывает влияние на клетки по концентрационному градиенту. К морфогенам относят многие секретируемые клетками белки, включая представителей различных семейств, в том числе Wnt и TGF-β. Название семейства Wnt происходит от англ. wingless — бескрылый и int — часть названия протоонкогена int1 (integration 1) мыши. Среди морфогенов, участвующих в индукции и спецификации (например, мезодермы), — активины, морфогенетические белки кости (BMP), FGF. Градиенты морфогенов Sonic hedgehog (Shh) и Indian hedgehog (Ihh) продемонстрированы в ходе развития зубов, нервной трубки и сомитов.
Гомеозисные гены — семейство родственных генов, содержащих гомеобокс и определяющих форму тела. У млекопитающих это семейство представлено 38 генами, сгруппированными в 4 комплекса: Hox (Homeobox) A, Hox B, Hox C и Hox D, или соответственно Hox 1, Hox 2, Hox 3 и Hox 4. Гены экспрессируются в эмбриогенезе и определяют организацию общего плана тела. Экспрессия генов контролирует разделение тела эмбриона по координатным осям на морфогенетические поля.
- Гомеобокс — эволюционно консервативная последовательность, состоящая примерно из 180 пар нуклеотидов. Гены, содержащие гомеобокс, кодируют транскрипционные факторы, регулирующие экспрессию генов. Соответствующая последовательность из 60 аминокислотных остатков, кодируемая гомеобоксом, получила название гомеодомен. Гомеодомены входят в состав белков-регуляторов транскрипции, или гомеобелков. Гомеобелки связываются с ДНК, контролируя экспрессию генов.
Гомеозисные гены и врождённые аномалии. Впервые на связь гомеозисных генов и врождённых пороков указал Кэмпбелл (1989). Делеция короткого плеча хромосомы 4 как причина синдрома Вольфа–Хиршхорна сочетается с дефектами гена комплекса Hox 7. В частности, существует связь между дефектами гена этого комплекса и возникновением врождённой расщелины нёба.