Richard H. Gomer Nature Reviews Molecular Cell Biology2, No 1, 48-55 (2001)
Самой высокой женщиной в мире была китаянка Зенг Джинлиан. Её рост составил 247 см. (Зенг Джинлиан умерла в возрасте 17 лет).
Самым низкорослым человеком была Полин Мастерс, голландская лилипутка, - 59 см.
(Полин Мастерс родилась 26 февраля 1876 года в Оссендрехте (Нидерланды), она дожила до 19 лет и выросла до 61 см.).
Systems where a cell type secretes a specific factor
Как организмы — и их ткани — запрграммированы иметь специфические размеры, как это поддерживается и что вызывает иногда неправильные размеры - ключевая проблема биологии развития. Каковы механизмы, которые регулируют размеры многоелетоных структур?
В этом номереOn Being the Right Size, J. B. S. Haldane подчеркивает, что некоторые факторы затрагивают эволюцию размеров животных. Верхние пределы задаются с помощью физических ограничителей целостности, таких как выносливость костей, спсобность сердца качать кровь в головной мозг или сила, необходимая для поддержания летающих животных. Напр., ограниченная диффузия кислорода из ограничивает размеры. Нижние границы размеров животных создаются факторами, такими как соотношение поврехности к объему, которое затрагивают способность животных поддерживать тепло — большие животные, с относительно небольшим соотноршением поверхности к объему теряют меньший процент теплатела. Так, арктические животные (полярные медведи, тюлени и walruses) стремятся к увеличению размеров. Для эживотных, которые внтри границ размеров, природа экологических ниш имеет тенденцию к определенному зафиксированному размеру животных внутри вида.
Cell size and number determine total size
Размер организма предопределяется средними размерами клеток, умноженными на количство клеток. Эти параметры контролируются путем регуляции скорости роста, деления и гибели клеток. Хорошо известны передающие сигналы machinery внутри клеток, которые контролируют деления и гибель клеток, но мало известно о том, как эти machinery используются для регуляции размеров тела и тканей. Согласно одной из гипотез, т.к. имеется верхний предел скорости транскрипции и трансляции, то имеется и максимальная скорость продукции белка с генов. Необходимо учитывать, что белки имеют ограниченный период жизни, максимальное количество белка, которое м. поддерживаться одиночным геном, и в свою очередь, максимальное количество белка и ассоциированной с белками клеточной массы, поддерживаемой одиночным геномом.
Плоидность четко коррелирует с размерами клеток. Напр., тетраплоидные тритоны имеют большие размеры клеток, чем гаплоидные. Однако, все эти тритоны имеют один и тот же размер. Более того, изменение размеров клеток или скорости клеточных делений (путем interfering с циклинами или др. белками, регулирующими клеточный цикл) в сегментах крыльев плодовых мушек м. вызывать увеличение количества маленьких клеток или уменьшение количества больших клеток. Однако, эти изменения не влияют на действительные размеры сегмента, указывая тем самым, что объем ткани (производное от числа и размеров клеток) регулируется скорее, чем является функцией только или размеров клеток или количества клеток. Следовательно, существуют механизмы, регулирующие размеры организма или структур безотносительно от количества клеток.
Establishing an initial number of cells
Если размеры клеток постоянны, тогда размеры тканей м. контролироваться регуляцией количества клеток. По крайней мере два типа механизмов регулируют количества клеток. Один позволяет клеткам делиться определенное количество раз или в течение определенного количества времени, чтобы сгенерировать некоторое количество клеток (Box 1). Это типично для нематод , у которых есть механизм счета количества клеточных делений и продуцируется специфическое количество клеток, каждая с предопределенным клональным происхождением. Др. примером механизма подсчета является у африканской clawed лягушки Xenopus laevis, у которых яйцеклетка быстро делится 12 раз, чтобы сформировать 2 12 клеток, затем клеточные длеения замедляются. Яйцеклетка стартует с фиксированным количством внутриклеточного фактора и титрует его по отношению к количеству ДНК. Когда количество клеток достигает величины 212, то количество ДНК увеличивается, и все факторы оказываются связаными с ДНК. Не ос тается свободных факторов, позволяющих клеткам 'узнавать', что осуществились 12 раундов репликации и делений. Напротив, специфические количества клеток м. также генерироваться за счет использования внутренне присущего таймера, который останавливает деления клеток после определенного интервала, обеспечивая довольно специфическое количество делений, предполагая примерно одинаковое время клточного цикла. Это, очевидно, что используется предшественниками и кардиальными миоцитами для установления их количества (Box 1).
Counting the number of cells
Lh/ механизм регуляции числа клеток использует путь обратной связи, кторый отслеживает число клеток и индуцирует рост клеток, если их недостаточно. Для этого необходимо, чтобы имелся некоторый способ определять количество клеток в группе и одним из таких методов является секреция фактора, который они суммарно ощущают (Box
2). Примерами являются A- и C-факторы, которые секретируются при высокой плотности, голодании Myxococcus xanthus; аутоиндуктор, продуцируемый световым органом симбионта Vibrio fischeri; внеклеточный фактор дифференцировки А, который стимулирует формирование спор Bacillus subtilis; фактор кондиционированной среды, который координирует развитие социальных амеб Dictyostelium discoideum (Табл.1). Если клетки заключены в пространство, то любой такой секретируемый фактор будет отражать плотность клеток, а следовательно их число. Если размер заключающего пространства (напр., объем крови) фиксирован, то плотность клеток является показателем числа клеток. Если клетки находятся в группе, которая мала по сравнению с остальным организмом, а фактор м. диффундировать прочь от секретируемых клеток, то концентрация фактора м.б. использована для определения количества клеток в группе. Вариации этого механизма м.б. также использованы для определения и регуляции количества клеток (Box
3).
Pathways that regulate organism size
Некоторые гены, в мутантном состоянии, меняют размер тела, но неясно как. Белки, которые регулируют размер тела м.б. отнесены к гормонам (и белкам, участвующим в синтезе и секреции гормонов), компонентам путей передачи сигналов и нижестоящим эффекторам, которые регулируют рост и деления клеток. У млекопитающих, уровень гормона роста регулирует размер тела. Дети у которых отсутствует гормон роста имеют тяжелые нарушения роста и лечение их гормоном роста м. исправлять недостаток. Более того, низкорослые дети с нормальными уровнями гормона роста (возможно дети малого роста из-за пониженной чувствительности их клеток к гормону роста) м. лечиться добавочными количствами гормона роста для увеличения их роста. Исследования клеток млекопитающих и C. elegans показали, что insulin/insulin-like growth factor receptor, insulin receptor substrates, phosphatidylinositol-3-OH kinase (PI(3)K), и S6 kinase (энзим, который фосфориирует белок S6 рибосом) формируют путь передачи сигналов, которые регулируют синтез белков и тем самым рост клеток. У Drosophila, мутации генов insulin receptor, CHICO (гомолог insulin-receptor substrates), PI(3)K и понижают размеры тела. У млекопитающих, инсулин позволяет клеткам чувствовать количество необходимых питательных веществ. Когда личинки Drosophila растут на среде с низким содержанием питательных в-в, то формирующиеся взрослые особи малы, единственная возможность, что инсулиновый путь у Drosophila координирует рост всех тканей, чтобы скомпенсировать имеющиеся в наличии питательные в-ва. Избыточная экспрессия PI(3)K в соотв. зачатках м. увеличивать размеры крыльев и глаз у мух, растущих на богатой среде. PI(3)K регулирует размеры ткани разными способами в разныхъ тканях. У мух, которые избыточно экспрессируют PI(3)K, увеличение крыльев обусловлено увеличением как количества, так и размеров клеток, тогда как в глазах это обусловлено увеличенимем размеров клеток.
Сходные пути, по-видимому, регулируют продолжительность жизни у C. elegans, указывая на возможную молекулярную основу для негативной корреляции между размерами тела и продолжительностью жизни внутри вида.
Рост клеток и деления, в целом, тесно связаны. Поэтому как регуляторы роста, такие как S6 kinase, так и регуляторы клеточного цикла влияют на размеры тела. У мышей, разрушение ингибиторов циклин-зависимой киназы или p18 вызывает усиление клеточной пролиферации и увеличение размеров тела. Мутации cdk4 у Drosophila вызывают уменьшение размеров животных. Напротив, избыточная экспрессия –cdk4 комплекса в некоторых типах клеток Drosophila обюусловливает пролиферацию клеток без изменения размеров клеток, тогда как экспрессия того же самого комплекса в др. такнях вызывает рост клеток без изменения их числа. Единственное обяснение то, что cyclin D–cdk4 индуцирует клеточный рост и что если пролиферирующие клетки м. компенсироваться за счет делений, то пост-митотические клетки не м. больше компенсироваться. У млекопитающих cyclin D, по-видимому, вовлекается сходным образом на путь регуляции размера, контролируя повторный рост клеток почечных канальцев после повреждения.
Мали известно и о регуляции размеров у растений. Различные факторы, такие как дождь, ветер и даже прикосновения к растениям м. регулировать их размеры за счет изменения размеров клеток без заметного увеличения их числа. Избыточная экспрессия cyclin D у растений tobacco увеличивает количество клеток и размеры растения без изменения размеров клеток. Однако, неясно является ли циклин D частью нормального пути, который регулирует размеры растения.
Secreted factors that regulate tissue size
Иеется, по крайней мере, два основных типа размер-регулирующих механизмов в тканях. Первый регулирует размер всей ткани. Примером м. служить поддержание размера печни и как она регенерирует для коррекции размера после частичного удаления. Второй механизм разрывает большой зачаток на группы специфических размеров. Напр., формирование зубов, или сегментов и развитие волос, перьев или зачатков листьев.
У млекопитающих получены доказательства того, что размер ткани регулируется с помощью секретируемых диффундирующих факторов (Box 4). Напр., ксли фрагменты селезенки трансплантировать в разные места хозяина-животного, то эти фрагменты растут до тех пор, пока их интегрированная масса не станет эквивалентна нормальной селезенке.
Это м. указываьб на то, что некоторые факторы обеспечивают передачу сигналов между различными фрагментами селезенки.
Размеры мышц регулшируются петлей обратной связи с использованием секретируемого фактора, который используется для определения количества клеток, секретирующих фактор. Myostatin является полипептидом, относящимся к сверхсемейству факторов роста производных тромбоцитов , который продуцируется и секретируется . Bnfr, так только процент тела, занимаемый мышцами увеличивается, то повышается концентрация myostatin в сыворотке. Myostatin негативно регулирует пролиферацию миобластов и с помощью этой негативной петли братной связи поддерживает количество мышц в теле. Мутации myostatin ведут к аномально большому количеству мышц у мышей и крупного рогатого скота.
Размер щитовидной железы, по-видимому, регулируется с помощью более сложной петли обратной связи. Tироидные клетки секретируют T3 тироидный гормон, который ингибирует высвобождение тироид-стимулирующего гормона ( TSH) из гипофиза. TSH стимулирует рост щитовидной железы, так что если щитовидная железа повреждена, то возникающее в результате снижене уровня T3 делавет возмножным выход большего количества TSH, которое в свою очередь стимулирует рост щитовидной железы.
Процент жировой ткани в теле регулируется с помощью еще более сложной петли обратной связи с вовлечением нейрональных путей. Сывороточная концентрация leptin — полипептидного фактора, секретируемого жировыми клетками — указывает процент жировой ткани в теле. Лептин действует на различные мишени в гипоталямусе, вызывая снижение аппетита с помощью неизвестных путей в головном мозге. Снижение аппетита затем ведет к снижению накопления жировой ткани.
Breaking tissues into subgroups
Многие биологические структуры формируются с помощью примордиальных тканей или групп клеток, подразделеяемых на подгруппы. Размер, при котором группа начинает подразделяться и механизм, который регулирует это, влияет на размеры подгрупп. В яйце
Drosophila градиент морфогенов специфицирует субрегионы яйца и тем самым размеры субгрупп внутри яйца. Alan Turing разработал элегантную математическую модель, используя два разных диффундирующих фактора, которые м. устанавливать пространственные взаимоотноения подгрупп, даже если размер исходной группы эффективно не предопределен и, следовательно, нет внешних или если имеется предопределенная группа, но нет внешних градиентов (Box 5). Др. механизмы м. также генерировать подгруппы в популяции клеток. Напр., клетки Dictyostelium используют лишь один диффузный фактор для регуляции перестройки клеток у группы.
Dictyostelium одна из простейших эукариотических систем для изучения счета клеток. При голодании эти одноклеточные почвенные амебы направляются др. к др. иформируют фруктовое тело, состоящее из массы споровых клеток, поддерживаемое ножкой в 1–2 мм высотой. Если плодовое тело слишком велико, то оно упадет, поэтому имеется строгий верхний предел количества клеток в фруктовом теле.
Одним из способов регуляции размеров плодового тела у Dictyostelium является использование секретируемого фактора для извещения о количестве клеток, уже собравшихся в группу. Если группа достаточно велика (высокая концентрация фактора), то дальнейшее присоединение клеток прекращается. Секретируемый 'counting factor' является 450-kDa комплексом из полипептидов. Одним из его полипептидов является 40-kDa белок, названный countin. В трансформантах, у которых разрушен ген countin , не выявляется секреции фактора счета. Процесс агрегации не прерывается, образуются огромные агрегаты и огромные плодовые тела. Очищенный фактор счета в клетках прерывает приток клеток в аномально малых группах.
Linking adhesion and motility to group size
EDictyostelium и, возможно, в др. системах секретируемый фактор, снжающий межклеточную адгезию или усиливающий случаную клеточную подвижность м. регулировать перестройку набора клеток в группы, регулируя при этом размер группы клеток (Рис. 1). Формирование многоклеточныъх структур нуждается в межклеточной адгезии и многие морфогенетические процессы, по-видимому, используют адгезивные молекулы. Группа клеток — или любой др. объект, такие как молекулы или животные внутри стада (Box 6) — стремятся диспергировать, если адгезия снижается или повышается их случайная подвижность. Усиление межклеточной слипчивости во вреимя развития Dictyostelium ведет к формированию непрерываемых потоков и большим аггрегатам, тогда как снижение адгезии вызывает прерывание потоков и образование малых агрегатов.
Фактор счета у Dictyostelium, по-видимому, регулирует размер группы за счет снижения межклеточной слипчивости. Имеется грубая корреляция между величиной адгезии и размером группы. Если адгезия снижается за счет секретируемого фактора, то петля обратной связи (концентрация факора, позволяющая клеткам узнавать насколько велика группа) делает размеры групп довольно униформными.
Future directions
Мы лишь в начале понимания базовых механизмов регуляции размеров. Необходимо в дальнейшем использовать протеомику для выявления временных механизмов, позволяющих клеткам расти и делиться в течение фиксированного временного промежутка — таких как те, что используются предшественниками олигодендроцитов и кардиальными миоцитами.
Необходимо идентифицировать различные секретируемые факторы, которые обеспечивают определение количества клеток (Box 4). Т.к. некоторые из этих молекул нестабильны, то необходимы очень быстрые методы очистки белков, идентификация путей для ингибирования фактора разрушения или генетические подходы. Изучение у Drosophila пути сигнальной трансдукции insulin receptor/CHICO/PI(3)K указывает на то, что он регулирует размер ткани. Природа сигнала неизвестна, хотя скорее всего это будет гомолог insulin/insulin-подобного ростового фактора. Напротив, для myostatin, leptin и Dictyostelium counting фактора, сигналы известны, нопути их сигнальной трансдукции остаются неизвестными.
