Например у вас есть ячейка или уже куча ячеек. Эти клетки делятся, и через несколько недель у вас есть взрослый организм, например, человек с конечностями, несколькими различными органами и т. д. Однако откуда клетки знают, где верх, низ, лево, право и т. д.? Я знаю, что левое и правое можно четко определить в физике, например, с помощью эксперимента Ву, подтверждающего, что нарушение четности действительно имеет место.
Однако как клетки определяют эти направления? Каковы механизмы их роста в определенном направлении и указания другим клеткам приобрести определенное свойство?
Вы можете заглянуть в «Эволюционную биологию развития» , в которой рассматривается, как эмбрион превращается во взрослый организм.
Таким образом, путем комбинаторной спецификации идентичности определенных областей тела Hox-гены определяют, где будут расти конечности и др. сегменты тела у развивающегося эмбриона или личинки. Образцом гена инструментария является Pax6/eyeless, который контролирует формирование глаз у всех животных. Было обнаружено, что он производит глаза у мышей и дрозофилы, даже если мышиный Pax6/eyeless экспрессируется у дрозофилы.
Короче говоря, существует последовательность генных активаций, которые постепенно распределяют тело по различным областям. Сначала есть только 3 области (голова, тело, хвост), затем они разбиваются на все более и более четко определенные части.
Вы можете думать об этих участках как о GPS-координатах тела. Комбинация генов в определенной точке означает, что там вырастет конечность.
Вы можете заглянуть в ген «Sonic Hedgehog», который позволил ученым получить пушистый рост на голове плодовой мушки.
Самое интересное, что каждое живое существо картируется/построено с использованием одного и того же набора генов . Гены, которые определяют, где находится крыло плодовой мушки, также определяют, где находится человеческая рука.
Эмбриональные клетки «знают», где они находятся относительно друг друга, по химическим сигналам, как и у взрослых. Эти молекулы известны как морфогены (конкретные примеры включают звуковой ежик и β-катенин). Количество морфогена в области клеток определяет, какой ген включается и, следовательно, во что он превращается. И количество зависит от того, насколько далеко они находятся от источника морфогена. Хотя, насколько я знаю, ученые еще не до конца понимают их механизмы (например, как они рассеиваются, как жестко сохраняются разные концентрации и т. д.).
Что касается рук и т. д., то самые ранние клетки неспециализированы (стволовые клетки). Они «определяют», что становится тем на раннем этапе, по тому, как они устроены. Помните, что их «вверх, вниз, влево и вправо» относится к ним, а не к их окружению. Первый многоклеточный полый шар стволовых клеток, бластула, в процессе гаструляции разделяется на отчетливые зародышевые листки - эктодерму, мезодерму, энтодерму. Каждый из этих слоев при дальнейшем разделении развивается в нечто иное. То, что развивается после этого, в основном представляет собой червя, состоящего из серии повторяющихся «сегментов» (сомитов) с отчетливой головной и хвостовой областями. Сомиты изначально недифференцированы. Работа по определению того, какой сегмент становится тем, что ложится на гены Hox. Так, чтобы, например, один сегмент стал головой, другой — рукой и грудным поясом, другой становится ребром + позвонком и т. д. Hox-гены расположены кластерами внутри ДНК относительно того, какой из них экспрессируется первым. Например, первый ген hox отвечает за голову, а последний — за кончик хвоста (самый верхний сегмент копчика у человека). Хотя сами эти кластеры часто повторяются в виде избыточных отказоустойчивых систем.Эта страница из Университета Юты объясняет это довольно хорошо . Полезно, если вы рассматриваете эмбриогенез как более или менее эхо эволюции в быстрой перемотке вперед.
Я хотел добавить несколько полезных ссылок. Шестое издание учебника Гилберта по биологии развития доступно на книжной полке NCBI . Он немного устарел (2000 год), но большая часть информации по-прежнему актуальна. Вы можете искать в этом учебнике определенные термины, но не просматривать.
Существует также совместный научно-модный проект сестер Стори под названием Primitive Streak , который документирует ранние этапы человеческого развития.
Для любого данного процесса развития на этой стадии активируется и/или инактивируется ряд генов, которые определяют, как и когда растут структуры. События тоже могут определять оси; например, дорсальная/вентральная ось эмбриона определяется тем, как бластоциста эмбриона имплантируется в стенку матки. Лево-правая ось тела определяется направлением, в котором жидкость проходит через структуру, называемую узлом, которая направляется волосовидными структурами, называемыми ресничками. Если узловой поток направлен назад, ваши внутренние органы поменяются местами, что называется обратным расположением.
Вернемся к примеру с конечностями... у четвероногих, или животных с 4 конечностями, область, где появляются конечности, основана на экспрессии гена Hox, и станет ли она передними (руки) или задними (ноги) конечностями, определяется либо Экспрессия генов Tbx5 или Tbx4 соответственно.
Проксимально-дистальная ось (проксимальная = к туловищу; дистальная = от туловища) определяется экспрессией гена FGF, который индуцирует образование структуры, называемой апикальным эктодермальным гребнем (AER).
Передне-задняя ось (от головы до хвоста) определяется экспрессией гена Sonic hedgehog в области, называемой зоной поляризующей активности (ZPA).
Дорсально-вентральная ось (зад-перед; или тыльная сторона кисти/руки - ладонь/внутренняя часть руки) определяется геном Wnt7a, экспрессируемым на дорсальной стороне.
Рост конечности определяется экспрессией гена Hox.
Формирование пальцев (пальцев) зависит от гибели клеток между пальцами — руки начинают перепончато, как у уток, а затем такие гены, как BMP, вызывают гибель клеток между пальцами.
Условия для поиска более подробной информации, так как у меня недостаточно уличного авторитета, чтобы опубликовать более 2 ссылок:
да, гены hox необходимы для определения местоположения, но фактический рост конечностей определяется рядом белков и другими факторами. проксимальная конечность содержит fgf (факторы роста фибробластов) wnt (путь поиска wnt) и высокие уровни ретоновой кислоты, тогда как дистальные конечности демонстрируют высокий уровень fgf, высокий wnt и практически полное отсутствие RA. Звук, о котором ген ежа говорил в другом ответе, связан с оперением (вверх) / постериозом (вниз) аутопода (цифры, запястья). что касается дорсально-вентрального wnt, то он был бы виновником
Корнелиус