Временная организация клетки. Динамическая теория внутриклеточных регуляторных процессов - Гудвин Б.
Скачать (прямая ссылка):
те приближенные оценки, которые привели нас к заключению, что периоды
колебаний в эпигенетической системе должны быть порядка 2—8 час или около
того. Стерн [95 ], изучавший процесс развития пыльников лилии, обнаружил
совершенно явные периодические вариации в активности фермента
дезоксирибонуклеазы (ДНК-азы). Измеряя активность фермента при различной
длине бутона, он нашел, что фермент появляется импульсами
продолжительностью от 4 до 6 час. Это время очень мало по сравнению с 25
сутками, требуемыми для перехода микроспор от стадии тетрады к стадии,
когда в пыльниках начинается постмитотический синтез ДНК, так что эта
периодичность не может быть связана с митотической и мейотической
активностью. Более того, создается впечатление, что изменения в
активности фермента вызывают синтез нового фермента, поэтому простой
механизм активации исключается. Обнаружение четко выраженных ритмических
изменений активности индивидуального фермента в дифференцирующихся
клетках высших растений было совершенно неожиданным, и единственное
объяснение, которое мог найти этому явлению Стерн, состояло в том, что
оно отражает определенный механизм морфогенетического развития. С точки
ВРЕМЯ РЕЛАКСАЦИИ ЭПИГЕНЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ 155
зрения настоящего исследования эти результаты, однако, можно
рассматривать как первое подтверждение наших предположений относительно
основ динамического поведения регуляторных механизмов клетки. Очень
интересная особенность этих ритмов активности ДНК-азы состоит в том, что
колебания активности не носят непрерывного характера, как, например,
колебания, изображенные на фиг. 4. Напротив, они носят разрывный характер
в том смысле, что активность ДНК-азы совершенно исчезает в некоторых
участках цикла. Колебания, которые мы рассматривали до сих пор, такой
особенностью не обладают. Однако в гл. 8 мы увидим, что в слабо
взаимодействующих системах особого типа может возникать подобного рода
«статистическая» разрывность колебаний. По-видимому, в исследованиях
Стерна впервые удалось получить данные, имеющие непосредственное
отношение к вопросу о том, составляют ли колебания существенную часть
динамической организации клеток.
Другой очень интересный аспект этих исследований состоит в том, что
периодические изменения активности ДНК-азы наблюдались не на одной
клетке, но на популяции клеток из развивающейся ткани (пыльников лилии).
Следовательно, динамическое поведение этих клеток должно быть очень
строго синхронизировано. Это значит, что временная структура
развивающихся организмов, возможно, создается на уровне, более высоком,
чем уровень одной клетки, как и следовало ожидать, исходя из
эмбриологических явлений компетенции и индивидуализации в тканях.
Необходимо, вероятно, распространить развитые в настоящем исследовании
идеи о взаимодействии внутри клеток на взаимодействия между клетками,
используя понятие большого канонического ансамбля. Возможность
распространения временной структуры описанного типа за пределы одной
клетки и приложения ее к эмбриологическим системам чрезвычайно важна не
только теоретически, но и экспериментально, так как позволяет изучать
динамику развития не одной клетки, а клеточных популяций.
Помимо ДНК-азы Хотта и Стерн [43] исследовали также динамику поведения
других ферментов, связанных с метаболизмом нуклеотидов. Вообще говоря,
они не уви-
156
ГЛАВА 6
дели такой же периодичности, как в случае ДНК-азы; у этих ферментов
периодичность больше была связана с митотическим циклом.Например,
активность тимидинки-назы в микроспорах лилии очень сильно увеличивалась
как раз перед началом синтеза ДНК. Однако было показано, что активность
этого фермента в дифференцирующихся микроспорах изменяется во времени не
гладко; основному пику активности предшествует некоторое количество
меньших пиков. Таким образом, даже здесь как будто можно найти указание
на колебательный регуляторный механизм, лежащий в основе временной
структуры митотического цикла.
Ко второй серии экспериментов, которую следует рассмотреть, относятся
недавние работы Танцера и Гросса [101 ] и Джексона (личное сообщение) по
динамике метаболического фонда пролина в эмбриональных клетках цыпленка и
в коже молодой морской свинки. Эти исследователи неожиданно для себя
обнаружили, что после введения подопытным животным меченого пролина
наблюдаются совершенно отчетливые колебания удельной активности
радиоактивного пролина в свободном состоянии и в коллагене с периодом от
1 до 4 час. Необходимо, конечно, провести дополнительные тщательные
исследования, прежде чем можно будет твердо сказать, что эти авторы
наблюдали действительно эндогенный метаболический ритм с периодом от 1 до
4 час. Однако вариации имели совершенно определенную периодичность,
слишком явную для того, чтобы приписать ее случайным ошибкам
эксперимента. Это подтверждается еще и тем, что вариации можно устранить,
снабжая эмбрион в изобилии намеченым пролином после того, как он
