CC BY
164
ОБЗОРЫ
СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ РАСТЕНИЙ И ЖИВОТНЫХ: ДВЕ СТОРОНЫ ОДНОЙ МЕДАЛИ. ЧАСТЬ 2
ДА. Зубов
Институт генетической и регенеративной медицины НАМН Украины, Киев, Украина Биотехнологическая лаборатория ilaya.regeneration, Медицинская компания ilaya®, Киев, Украина
Plant and animal stem cells: two sides of the same medal
D.A. Zubov
State Institute of Genetic and Regenerative Medicine, National Academy of Medical Sciences of Ukraine, Kiev, Ukraine
Biotechnology laboratory ilaya.regeneration, Medical company ilaya®, Kiev, Ukraine
В обзоре представлен современный анализ данных по биологии стволовой клетки растений, функционированию меристем, в том числе по механизмам регенерации и процессам опухолеобразования, а также биотехнологическим методам культуры растительных тканей. Сравниваются стволовые клетки растений и животных, рассматривается их возможное полифилетическое происхождение в аспекте дивергентной эволюции многоклеточных модулярных и унитарных организмов в обоих царствах.
Ключевые слова: модулярные и унитарные организмы, стволовые клетки растений, меристемы, клональное микроразмножение, каллус, многоклеточность, растительные опухоли, фитогормоны, Arabidopsis thaliana, Agrobacterium tumefaciens.
The review offers up-to-date analysis on plant stem cell biology, meristems functioning, including plant regeneration mechanisms and tumorigenesis, as well as biotechnology methods of plant tissue culture. There were also compared the plant and animal stem cells, their probable polyphyletic origin in aspect of divergent evolution of modular and unitary organisms in both plant and animal kingdoms.
Keywords: modular and unitary organisms, plant stem cells, meristems, clonal micropropagation, callus, multicellularity, plant tumors, phytohormones, Arabidopsis thaliana, Agrobacterium tumefaciens.
Регуляция самообновления и дифференцировки стволовых клеток в меристемах.
Опухолеобразование у растений
Как было указано в первой части обзора, фитогормоны, в частности ауксины и цитокинины, оказывают противоположное действие на развитие апикальной меристемы побега (АМП) и апикальной меристемы корня (АМК). Ауксины играют роль в поддержании пула стволовых клеток и обеспечивают их активность в АМК, но оказывают противоположный эффект на стволовые клетки АМП. Основные сигнальные пути, а именно — ауксиновый, цитокининовый и Rb путь (RETINOBLASTOMA (Rb)-RELATED (RBR)-E2F-DP-cyclin D pathway), вовлеченные в процесс регуляции ниши стволовых клеток растений, также вовлечены и в процессы растительного опухолеобразования [1]. Подобное перекрывание сигнальных путей канцерогенеза и самообновления наблюдается и у животных. При трансформации регулярного роста в опухолевый, клеточная популяция становится независимой от регуляторных систем пролиферации. Однако клетки растений менее подвержены он-когенной трансформации, по сравнению с клетками животных, ввиду наличия у них жесткой клеточной стенки и отсутствия подвижности соматических клеток, а также в связи с высокой пластичностью генома растений [2]. У растений известны летальные мутанты с утерянными функциями регуляции клеточного цикла. Так, потеря функции гена RB является летальной мутацией для резушки [3].
e-mail: zoubov77@yahoo.com
Таким образом, для изучения генетического контроля пролиферации и дифференцировки клеток у высших растений валидной моделью является модель опухолеобразования. Но перед тем, как перейти непосредственно к рассмотрению процесса опу-холеобразования у растений, следует рассмотреть механизмы регуляции самообновления и дифферен-цировки клеток в нишах апикальных меристем побега и корня.
Ниша стволовых клеток в АМП. Стволовые клетки находятся в меристемах конусов нарастания побегов и корней. Они активны в течение всей жизни растения и являются основным источником практически всех органов и тканей взрослого растения. Как и у животных, растительные стволовые клетки находятся в определенном микроокружении, известном как ниша [4], в которой внеклеточные сигналы поддерживают популяцию этих клеток в недифференцированном, покоящемся, состоянии, а также обеспечивают их симметричное и асимметричное деление с образованием дочерних транзиторных амплифи-цирующих клеток, которые и вносят основной вклад в рост тканей и органов растения (рис. 1).
Центральная зона (ЦЗ) АМП состоит из организующего центра (ОЦ) с практически неделящимися инициалиями и вышележащего региона со стволовыми клетками, которые генерируют либо такие же дочерние стволовые клетки при симметричном делении, либо при асимметричном — дочерние тран-зиторные амплифицирующие клетки. Последние пролиферируют при прохождении периферической
зоны (ПЗ) меристемы перед их дифференциров-кой и включением в латеральные органы, такие как листья. Колончатая (стержневая) зона (КЗ) лежит ниже центральной зоны (ЦЗ) и ПЗ; деление и удлинение клеток колончатой меристемы ведет к формированию стели (центральной части побега или корня, которая содержит сосудистые пучки). Наружный клеточный слой меристемы в центральной части конуса нарастания побега L1 (layer 1) состоит из прогениторных клеток эпидермы (покровной ткани растения), следующий за ним слой L2 дает начало субэпидермальным тканям и гаметам. Слой L3 дает начало основной ткани растения, которая вносит вклад в растущий стебель. Деление клеток в слоях L1 и L2 происходит строго антиклинально (клетки располагаются перпендикулярно основной оси побега), в слое L3 — по всем направлениям, но без инвазии в слой L2 (рис. 2) [4, 5].
В нише стволовых клеток АМП (рис. 2) транскрипционный фактор гомеодомена WUSCHEL (WUS) из подсемейства генов WOX (WUSCHEL-RELATED HOMEOBOX) экспрессируется в ОЦ и активирует индукцию экспрессии стволовыми клетками одного из своих 44 генов-мишеней — CLAVATA 3 (CLV3). В свою очередь, CLV3 подавляет экспрессию WUS через его рецепторы, которые экспрессируются в ОЦ. Ген STM (SHOOT MERISTEMLESS, подсемейство KNOX генов) предотвращает дифференцировку клеток в ОЦ. Сложившийся контур обратной связи WUS-CLV3 в дальнейшем подвергается влиянию белков семейства рецепторных киназ ERECTA (ER) для подавления эффектов WUS сигналлинга (белые стрелки ингибирования).
WUS также ингибирует экспрессию транскрипционного фактора HEC1 (basic helix-loop-helix, bHLH), который обеспечивает баланс между пролиферацией и дифференцировкой клеток в ЦЗ. То есть гены WUS
и STM позитивно регулируют размер АМП, в то время как гены CLV — негативно. Иными словами, продукт гена STM необходим для формирования и поддержания АМП, тогда как транскрипционный фактор WUS требуется для поддержания пула стволовых клеток в ЦЗ АМП. То есть, избыток стволовых клеток в меристеме ведет к избытку продукции CLV3, что, в свою очередь, способствует снижению уровня экспрессии WUS и стволовые клетки перестают пролиферировать. Но если вдруг стволовых клеток в меристеме окажется слишком мало, то дефицит CLV3 приведет к усилению экспрессии WUS и, соответственно, к увеличению количества стволовых клеток. Далее потомки стволовых клеток (транзи-торные амплифицирующие клетки) выталкиваются на периферию меристемы побега, где они активно делятся, дифференцируются и формируют новые органы — листья и цветки. При этом фитогормон ауксин работает на периферии АМП, способствуя органогенезу [5].
Следует отметить высокую пластичность клеток в меристематических регионах. В эксперименте лазерная абляция всей меристемы побега, включая ОЦ, запускала механизмы формирования новой меристемы из окружающих неповрежденных тканей, что быстро приводило к регенерации de novo функциональной АМП у томата (Solanum lycopersicum L.) в течение четырех суток. Было достаточно всего 24 часов, чтобы окружающие погибшую меристему клетки ПЗ начинали экспрессировать WUS [6].
Ниша стволовых клеток в АМК. В кончике корня ниша стволовых клеток организована вокруг небольшой группы почти неделящихся клеток — центра покоя (ЦП )(рис. 2). Так, например, АМК корня резушки состоит из концентрически расположенных слоев тканей (показаны на рисунке различными цветами).
Б
Ж
Клетка ниши ■ ТА клетка Стволовая клетка Дифференцированная
Рис. 1. Пространственные взаимоотношения между клетками в меристеме: А — апикальная меристема побега резушки, окруженная листовыми зачатками (примордиями); Б — схематическое изображение взаимоотношений между различными популяциями клеток в меристеме; ТА клетка — транзиторная амплифицирующая клетка. А — из [5], Б — худ. М. Костюк
А
Стволовые клетки Организующий центр Периферическая зона
Б
Рис. 2. Строение и молекулярная регуляция функционирования ниши стволовых клеток в апикальных меристемах побега (А) и корня (Б) у высших растений:
А — побег: кривые линии указывают на соотношения клеточных клонов в различных тканях конуса нарастания побега с антиклинально делящимися стволовыми клетками в клеточных слоях 1_1 и 1_2 меристемы (пунктирные линии указывают плоскости деления); стволовые клетки в слое 13 делятся во всех направлениях, и их потомки вносят вклад в растущий стебель; Шив+ организующий центр, С1_У3 + стволовые клетки, периферическая зона с транзиторными амплифицирующими клетками; 11-13 — клеточные слои меристемы в центральной части конуса нарастания побега; ЦЗ — центральная зона, КЗ — колончатая (стержневая) зона;
Б — корень: Ш0Х5 + центр покоя с инициалиями, С1_Е+ транзиторные амплифицирующие клетки, дающие начало стели, основной ткани, эпидерме, корневому чехлику и колумелле. Худ. М. Костюк
В рассматриваемой нише (рис. 2) транскрипционный фактор гомеодомена WOX5 экспресси-руется в ЦП, окруженном инициалиями, дающими начало стели, основной ткани корня, эпидерме, корневому чехлику и колумелле. Сигналы от ЦП ингибируют дифференцировку дистальных ранних потомков стволовых клеток — инициалей. Пептид, вырабатываемый дифференцированными клетками колумеллы (специализированными клетками, вовлечёнными в механизмы восприятия гравитации корнем) CLAVATA3/ESR-RELATED 40 (CLE40) взаимодействует со своими рецепторами (ACR4-CLV1), которые экспрессируются ниже ЦП с целью регуляции активности WOX5 и благоприятствования диф-ференцировке клеток, и, как следствие, росту корня. Активность CLE40 нивелируется воздействием CLV1 на ACR4-опосредованный путь передачи сигнала (белая ингибирующая стрелка). Активность стволовых клеток также ограничивается сигнальным путем AUXIN RESPONSE FACTOR (ARF10-ARF16). Ген SCARECROW (SCR) обеспечивает спецификацию клеток ЦП посредством поддержания стволовых
клеток и контроля дифференцировки их ранних потомков — инициалей и С1_Е-позитивных транзиторных амплифицирующих клеток (пунктирная ингибирую-щая стрелка). Следует также отметить, что в корневой меристеме, в отличие от АМП, роли ауксина и цитокинина противоположны: высокая концентрация ауксина определяет положение ЦП, что важно для самоподдержания меристемы, в то время как ци-токинин способствует дифференцировке дочерних клеток. Развитие сосудистых тканей, обеспечиваемое работой камбия, также регулируется ауксином и цитокинином [5].
Опухолеобразование у растений. Нарушение системного контроля клеточной пролиферации является главной причиной инициации процесса опухоле-образования как в растительном, так и в животном организме. У растений существует три системных уровня контроля пролиферации клеток: 1) контроль механизмов, непосредственно регулирующих стадии клеточного цикла; 2) контроль генов, управляющих развитием меристем; 3) фитогормональный контроль клеточного цикла и развития меристем.
Взаимодействия между этими компонентами формируют сложную регуляторную сеть. Нарушение контроля любого из компонентов сети может привести к неконтролируемому делению клеток и инициации канцерогенеза в растительной ткани. Следует также учитывать, что кроме собственно растительных про-тоонкогенов и генов-супрессоров опухолевого роста, с регуляторной сетью могут быть сопряжены гены Т-ДНК агробактерий (см. ниже), экспрессия которых способствует развитию гиперплазий при инфицировании ими растений [7].
Как правило, опухоли у растений являются ин-дуцибельными и могут вызываться разными патогенными микроорганизмами и симбионтами: бактериями, вирусами, нематодами, насекомыми [7]. В местах инвазии фитопатогена (раны, устьица, чечевички, гидатоды и пр.) происходит формирование эктопических зон меристематической активности гиперпластического типа. Но также известны и генетически детерминированные неопластические опухоли растений.
Общей характеристикой бактерий, вызывающих опухоли, а точнее гиперплазию растительных тканей побегов и корней, является их способность к биосинтезу цитокининов и ауксинов, определяемая плазмидными или хромосомными генами. Сверхпродукция ауксинов и цитокининов вызывает неконтролируемую пролиферацию клеток с результирующей гиперплазией инфицированной ткани. Например, фитопатогенные бактерии из рода Agrobacterium могут переносить часть вирулентной плазмиды, включающей гены метаболизма фитогормонов, в геном растения-хозяина.
Галловые опухоли (группа распространенных экономически значимых заболеваний фруктовых деревьев), такие как корончатый галл, вызываемый Agrobacterium tumefaciens и родственными видами бактерий, могут развиваться у многих видов растений на побегах («ведьмины метлы») или в области перехода ствола в корневую систему (рис. 3). Корончатый галл характеризуется активной пролиферацией клеток, способностью к гормон-независимому росту и полной утратой способности к регенерации. Такие гиперплазии (аберрантное израстание тканей) редко приводят к гибели растительного организма, но могут значительно снизить интенсивность ростовых процессов или помешать сращению привоя с подвоем при прививках. Три вида агробактерий
(А. tumefaciens, А. vitis, A. rubi) вызывают израстание тканей в пораженном органе растения с формированием опухоли, состоящей из недифференцированных активно пролиферирующих клеток. Заражение растения А. rhizogenes способствует формированию большого количества придаточных корней, характеризующихся агравитропическим ростом, на пораженном органе [7]. Также на деревьях встречаются и листовые галлы (аберрантное разрастание тканей листовой пластинки или черешка), еще называемые «чернильными орешками» (рис. 3).
При инфицировании растения-хозяина агробакте-риями, некоторые белки и Т-ДНК (одноцепочечный участок ДНК, T-DNA) из бактериальной опухоль-ин-дуцирующей вирулентной плазмиды (200—800 kbp; tumour-inducing (77) plasmid у A. tumefaciens и root-inducing (Ri) plasmid у А. rhizogenes) попадают в ядро клетки-хозяина. T-ДНК, содержащая ключевые гены для индукции опухоли, интегрируется в геном клетки-хозяина. Эти гены меняют уровни продукции таких фитогормонов, как ауксин и цитокинин, что ведет к аберрантной пролиферации клеток, комплексным изменениям в транскрипции, нарушениям физиологических процессов в зараженной ткани и нарушению васкуляризации затронутого бактерией участка. Все это создает идеальную среду для обитания и размножения возбудителя. Экспрессия генов Т-ДНК в растительных клетках наряду с израстанием тканей вызывает продукцию клетками опинов — производных аминокислот, которые используются агробак-териями в качестве источника питания. Разделение природных штаммов видов Agrobacterium основано на их способности к синтезу разных опинов. Так, штаммы А. tumefaciens и ее Ti-плазмиды делятся на четыре типа, которые синтезируют октопин, нопа-лин, агропин и сукцинамопин [7, 8].
В данном контексте следует отметить, что ави-рулентная Ti-плазмида агробактерий в настоящее время широко используется в качестве векторной системы, в которой гены биосинтеза фитогормонов удалены и заменены на целевой химерный трансген, для получения трансгенных растений. С помощью генной пушки (метод биобаллистики), которая позволяет доставлять микрочастицы тяжелых металлов, покрытые авирулентной Ti-плазмидой, каллус подвергается «бомбардировке» микрочастицами с целевым вектором с дальнейшей эффективной селекцией трансформантов. Такая технология переноса
Рис. 3. Корончатые и листовые галлы у высших растений, возникающие как реакция аберрантного израстания (гиперплазия) поврежденной ткани на проникновение фитопатогена:
А — корончатые галлы на ветвях оливы Olea europaea L., окр. пос. Плумари, о-в Икария, Греция; Б — «чернильные орешки» (листовые галлы) на листьях вяза Ulmus glabra Huds., пос. Пердики, о-в Икария, Греция; В — гигантский корончатый галл на стволе сосны Pinus sylvestris L., парк в окр. Кисловодска, Россия. Ориг. фото
генов у растений с помощью 7/-плазмиды агробакте-рий привела в 1983 г. к получению первых трансгенных растений табака, устойчивых к антибиотику канамицину, и, как следствие, к интенсивному развитию целой отрасли применения генной инженерии — биотехнологии генетически модифицированных растений [9].
К известным на сегодня у А. tumefaciens онкогенам Т-ДНК относятся гены tmr (ipt), tmsl, tms2, 5, 6a, 6b, е и f. Три гена Т-ДНК А. tumefaciens ответственны за биосинтез ауксинов и цитокининов. Мутации по локусам tms, tmr и tml влияют определенным образом на морфологию опухоли [7].
А. rhizogenes, вызывающая болезнь косматого, или волосяного, корня, за счет стимуляции деления перицикла, передают растению-хозяину Т-ДНК с Ri-плазмидой, несущей различные гормон-зависимые rol гены (rolA, В, С, D), а также гены auxl, аих2, ORF13 и ORF14, которые обеспечивают аберрантный гистогенез тканей корня. Однако вместо опухолевого израстания, они вызывают количественную сверхпродукцию функциональных корней, то есть они вызывают гиперплазию корневых тканей [1, 7].
Кроме того, известно, что агробактерии могут трансформировать не только растения, но и грибы (классы Ascomycetes и Basidiomycetes), а также клетки беспозвоночных и млекопитающих, в том числе и человека [7, 10]. Некоторые авторы, вообще выдвигают гипотезу о том, что Т-ДНК А. tumefaciens может вызывать опухолеобразование в тканях млекопитающих [11].
Итак, в связи со сбалансированным действием ауксина и цитокинина в меристемах, манипуляции с различными концентрациями ауксина и цитокинина в культуре тканей способны привести к активации деления клеток и органогенезу во фрагментах зрелых растительных тканей. Такой же фитогормональный баланс тесно связан и с галлообразованием. Паттерн экспрессии генов при регенерации органов побега in vitro повторяет таковой при формировании меристем в эмбриогенезе, и приводит к созданию новых ниш стволовых клеток. Таким образом, соче-танное действие ауксина и цитокинина играет главную роль в регуляции клеточной пролиферации и органогенеза, как при формировании ниш стволовых клеток в эмбриогенезе, так и при регенерации растений in vitro и Agrobacterium-индуцированном формировании опухолей у растений.
Кроме того, следует отметить, что Rb сигнальный путь также регулирует состояние стволовых клеток в меристемах. Растительный RBR белок является гомологом RB белка-супрессора опухолевого роста млекопитающих. Как и у животных, RBR ингибирует продвижение клетки по циклу посредством взаимодействия с гомологом транскрипционного фактора E2F. У резушки RBR экспрессируется в зародышах, меристемах и в ранних зачатках органов (приморди-ях). Стволовые клетки АМК чувствительны к изменению уровня RBR: ингибирование экспрессии RBR увеличивает количество стволовых клеток, но не влияет на длительность клеточного цикла в них или в их ранних потомках. Сверхэкспрессия RBR истощает популяцию стволовых клеток. Иными словами, Rb путь контролирует переход клеток от стволового состояния к дифференцированному. Подобным образом, локальная сверхэкспрессия RBR вызывает преждевременную дифференцировку клеток в АМП. То же самое мы наблюдаем и у млекопитающих,
у которых Rb путь способствует дифференцировке транзиторных амплифицирующих клеток, а также может участвовать в поддержании состояния покоя в стволовых клетках. В настоящее время RBR является единственным известным консервативным белком, вовлеченным в функционирование стволовых клеток и животных, и растений [1, 3].
Тот факт, что сигнальные пути ауксина/цитокини-на и Rb играют ключевую роль в регуляции функционирования ниш стволовых клеток и в формировании опухолей у растений, говорит о том, что и у растений, и у животных процесс канцерогенеза направлен на дерегуляцию клеточных функций, в норме обеспечивающих баланс покоя стволовой клетки и ее выхода в клеточный цикл. Поэтому эктопически индуцированные с помощью Т-ДНК меристемоподобные области в различных тканях растений, похоже, обеспечивают рост корончатых галлов и спонтанных опухолей, а клетки, которые выселяются/мигрируют из такой области, аберрантно дифференцируются. Как и у животных, опухоли растений, похоже, поддерживаются группой самообновляющихся клеток (cancer stem cells), они гетерогенны и включают множество дифференцированных клеточных типов. Но как для животных, так и для растений остается нерешенным вопрос, происходят ли опухоли из мутантных стволовых клеток или они формируются путем дедиффе-ренцировки специализированных клеточных типов. Однако последние исследования говорят о том, что каллус, возможно, образуются из небольшого количества стволовых клеток, разбросанных по всем тканям растительного организма, а не путем репро-граммирования терминально дифференцированных клеток в тканевых эксплантатах [12].
Кроме того, анатомические исследования показывают, что растительные опухоли происходят из камбия. Как уже упоминалось выше, эта группа стволовых клеток вносит вклад в образование сосудов стебля и(или) побега, именно по этой причине стеблевые галлы продуцируют огромное количество аберрантной сосудистой ткани. Эксперименты в культуре тканей показали, что способность к пролиферации и органогенезу в ответ на ауксин и цитокинин может быть ограничена определенными клеточными типами: регенерация в корневых эксплантах резушки начинается с пролиферации клеток перицикла — специализированной боковой меристемы корня, в норме наиболее активной при формировании боковых корней. То есть, вероятнее всего, как и в случае с животными, инициация канцерогенеза у растений связана с нарушением функционального контроля стволовой клетки со стороны ниши. Независимо от того, инициируют стволовые клетки канцерогенез или нет, их длительная пролиферация, вероятно, способствует накоплению в них мутаций, что является субстратом для инициации канцерогенеза, либо непосредственно в самих стволовых клетках, либо в их ранних потомках. Интересно будет отметить, что стволовые клетки растений и их ранние потомки обладают повышенной чувствительностью к повреждению ДНК и в ответ на такое повреждение подвержены включению программы апоптоза, так же как это происходит у животных. Апоптоз, как известно, может предотвратить накопление мутаций в популяции стволовых клеток [1].
Таким образом, процесс опухолеобразования у растений, индуцированного различными фитопа-тогенными бактериями, обеспечивается продукци-
ей большого количества ауксинов и цитокининов за счет экспрессии бактериальных генов, кодирующих ферменты биосинтеза данных фитогормонов. Эти гены могут экспрессироваться как в самих галлоо-бразующих бактериях, инфицирующих растительные ткани, так и включаться в геном растения-хозяина в случае агробактерий.
Кроме того, у растений известны генетически детерминированные, или генетические, опухоли неинфекционной природы, спонтанно возникающие у растений определенного генотипа. Спонтанное опухолеобразование отмечено у целого ряда видов, межвидовых гибридов и в инбредных линиях. Причиной спонтанного опухолеобразования у растений могут являться мутации по генам, участвующим в системном контроле деления клеток. Например, у резушки получены несколько моногенных мутаций, приводящих к развитию опухолей (14 опухолевых линий, полученных посредством обработки прорастающих семян резушки этилметансульфонатом), ведущих себя в культуре как активно пролифери-рующий гормон-независимый каллус [13]. Также предполагается, что изменение уровня экспрессии протоонкогена CHRK1 является одной из причин опу-холеобразования у межвидовых гибридов табака — род Nicotiana [14]. В общем, растения обладают функциональными ортологами многих генов-супрес-соров опухолевого роста и протоонкогенов млекопитающих, но мутации в этих генах, похоже, не являются онкогенными для растений [1].
Принципы полифилетической эволюции систем
стволовых клеток у растений и животных
Все живое на Земле, независимо от своей организации, одноклеточной, колониальной или многоклеточной, для обеспечения нормальной жизнедеятельности должно сохранять как физическую, так и генетическую целостность на протяжении индивидуальной жизни, и обеспечивать гомеостаз организма на молекулярном и клеточном уровнях. При этом в обеспечение такой целостности основной вклад вносят механизмы как физиологической, так и ре-паративной регенерации, которые, в свою очередь, обеспечиваются определенными видами стволовых клеток.
Например, у эукариотных одноклеточных организмов (парафилетическое царство Protozoa), существует пул стволовых клеток в самой популяции таких организмов. Для клеток дрожжей (группа одноклеточных грибов из класса Ascomycetes), как впрочем, и для стволовых клеток многоклеточных животных и растительных организмов, характерен механизм асимметричного наследования ДНК, согласно обоснованной гипотезе бессмертной цепочки ДНК британского биохимика John Cairns (1975) [15]. При этом во время процесса репликации матрица родительской молекулы ДНК остается в делящейся стволовой клетке, а вновь синтезированная копия ДНК постоянно передается более коротко живущей дочерней транзиторной амплифицирующей клетке, которая и вносит основной вклад в гистогенез и наращивание массы той или иной ткани многоклеточного организма, или в увеличение численности популяции любых одноклеточных эукариот. Таким способом стволовые клетки, используя матричную цепочку, могут защитить свой геном от ошибок репликации, а любые последующие ошибки репликации попадут
в дочернюю клетку. Такое асимметричное деление, связанное с асимметричной ДНК сегрегацией, является одним из ключевых свойств стволовых клеток [16, 17]. Однако известно, что стволовые клетки сохраняются и нормально функционируют только в своих нишах, которые также эволюционируют в зависимости от уровня организации того или иного организма. И, если для одноклеточных эукариот применимо понятие экологической ниши, то есть регулятором их жизнедеятельности является сама среда обитания, то, уже с возникновением многоклеточ-ности, начиная с колониальных форм, мы говорим о тканевой нише, как о компартменте стволовых клеток, которая приобретает определенные очертания и свойства в пределах многоклеточного организма.
Как указывает В.В. Малахов (2003), многоклеточные формы возникали во всех основных эволюционных линиях эукариотных водорослей, которые появились около 1 млрд лет назад [18]. Тело (таллом, слоевище) водорослей представлено всеми четырьмя типами строения, вообще известными для организмов: одноклеточным, колониальным, многоклеточным и неклеточным. Различают также 8 основных типов морфологической структуры тела водорослей, из них 4 — одноклеточные формы, 1 — неклеточные, и 3 — многоклеточные [19]. Амебоидная структура характерна для подвижных одноклеточных водорослей без твердой оболочки и с псевдоподиям, как у простейших животных — амёб; иногда клетки сливаются в плазмодии (отделы Pyrrophyta, ОЬ^орЬ^а, Хап^орЬ^а). Амебоидная структура считается первым этапом при возникновении клеточного уровня жизни, однако она же может быть и следствием вторичного упрощения структуры монадных форм. Монадная структура свойственна подвижным одноклеточным организмам с твердой клеточной оболочкой и жгутиками (отделы Pyrrophyta, ОЬ^орЬ^а, Еид!епорЬ^а, Xanthophyta, ОЫогорЬ^а). Коккоидная структура характеризуется наличием отдельных неподвижных клеток, снабженных твердой оболочкой без жгутиков и(или) псевдоподий. Считается, что на основе этой структуры стало возможным возникновение многоклеточных талломов водорослей (все отделы водорослей с одноклеточными формами, в т.ч. Оhlorophyta, Bacillariophyta). Пальмеллоидная структура представляет усложненный вариант кок-коидной. Она выражается в формировании крупных прикрепленных к субстрату слизистых тел со множеством коккоидных клеток внутри без плазматических связей (отделы ОЫогорЬ^а, ОЬ^орЬ^а). Нитчатая или разнонитчатая структура представлена простейшей формой многоклеточного слоевища — талломом, состоящим из нескольких (многих) клеток в виде нитей — простых или ветвящихся, свободных или прикрепленных, объединенных в слизистые колонии (отделы Оyanophyta, Оhlorophyta, ОЬ^орЬ^а, Phaeophyta, Rhodоphyta). Интересно, что в пределах этой структуры впервые наблюдается формирование меристемоподобных зон роста таллома: апикальной на верхушке нити (сине-зеленая водоросль Бс^опета), интеркалярной в средней части нити (сине-зеленая водоросль Gloeotrichia) и базальной у основания нити (сине-зеленая водоросль Galothrix). Пластинчатая структура характеризуется многоклеточными прикрепленными/неприкрепленными к субстрату слоевищами в форме пластинок из од-ного-нескольких слоев клеток (отделы ОЫотрЬ^а, Phaeophyta, Rhodоphyta). Сифональная, или не-
клеточная, структура встречается редко и представлена слоевищем с ризоидами без клеточных перегородок с большим количеством ядер, как результат усложнения одноклеточного или упрощения многоклеточного строения (отделы Chlorophyta, ХапЬЬврЬуЬа). Харофитная структура представлена крупными многоклеточными ветвящимися слоевищами линейно-членистого строения с мутовками членистых боковых побегов и ризоидами (отдел Charophyta) [19].
Золотистые водоросли (отдел Chrysophyta) являются наиболее древней группой водорослей, произошедшей от каких-то первичных амебоидных организмов. Вероятно, Chrysophyta дали начало бурым водорослям (отдел Phaeophyta), талломы которых достигают 60-ти метровой длины. Сложно-расчленённый многоклеточный таллом характерен и для красных водорослей (отдел Rhodоphyta). В пределах зеленых и харовых водорослей (отделы Chlorophyta, Charophyta), от которых берут начало высшие растения, многоклеточные формы возникали независимо несколько раз. Зеленые водоросли вообще отличаются наибольшим биоразнообразием. Они могут быть одноклеточными, колониальными и многоклеточными. Также у Chlorophyta известны все морфологические формы дифференциации таллома, кроме амебоидной и тканевой: монадная, коккоидная, паль-меллоидная, нитчатая, пластинчатая и неклеточная. Иными словами, все перечисленные выше отделы водорослей являются полифилетическими таксонами, а наличие колониальных форм прослеживается практически во всех отделах [18, 19].
Рассматривая эволюцию инициальных клеток и образовательных тканей в разных классах и отделах растений, включая одноклеточные, слоевцовые и листостебельные структуры, можно заметить, что, например, у жгутиковых форм зеленых водорослей (порядок Chlamydomoпadales) процесс бесполого размножения связан с простым делением материнской клетки на два новых организма. У нитчатой зеленой водоросли Spirogyra (порядок Zygпematales) может делиться пополам любая вегетативная клетка. Таллом бурых водорослей интенсивно нарастает за счет деления единственной верхушечной инициальной клетки, которая регулярно функционирует как апикальная меристема. Эта инициальная клетка периодически делится в поперечном направлении (периклинально) и образует со временем дихотомически ветвящийся таллом. Далее идут высшие растения, характеризующиеся исключительно листосте-бельным типом строения тела. Так, у мхов и плаунов (отделы Bryophyta и Lycopodiophyta) на верхушке находится одна инициальная клетка, которая делится в латеральном направлении. У хвощей (отдел Equisetophyta) на верхушке побега находится одна инициальная клетка тетраэдрической формы. Она систематически отчленяет от себя боковые клетки, которые тоже способны делится, но интенсивность их деления ниже, чем у инициалей. У папоротников (отдел Polypodiophyta) на верхушке побега и корня выделяются инициальные клетки, которые постоянно делятся. Они располагаются в один ряд параллельно оси побега и образуют конус нарастания. У всех голосеменных и цветковых растений (отделы Piпophyta и Magпoliophyta) образуется конус нарастания, состоящий из постоянно делящихся клеток, которые образуют клеточные слои и зональную структуру апикальных меристем. Они находятся на
верхушках побегов и корней, и защищены листьями и корневым чехликом, соответственно [20].
Несколько слов следует сказать о колониальных формах у водорослей. Такие формы представляют собой собрание отдельных клеток амебоидного, монадного и коккоидного строения, объединенных слизью в единое целое. Форма колоний и структура слизеподобного матрикса могут различаться у разных водорослей. В некоторых случаях клетки в колониях могут быть связаны плазмодесмами [19]. Так, у зеленых водорослей обращает на себя внимание род Volvox. Колонии-сфероиды Volvox carteri F. Stein состоят из 2—6 тыс. мелких вегетативных двужгути-ковых монадных клеток на поверхности сфероида и 16 крупных партеногонидий (бесполых репродуктивных клеток с коккоидной структурой), находящихся внутри прозрачной сферы, заполненной слизепо-добным внеклеточным матриксом (рис. 4). Сами партеногонидии функционируют как тотипотентные стволовые клетки: они митотически делятся и продуцируют ювенильные колонии-сфероиды, также состоящие из вегетативных клеток и партеногонидий. При этим последним присущ необычный пример клеточного деления — палинтомия, состоящая в асимметричном делении партеногонидий с формированием репродуктивных и вегетативных клеток следующего поколения. Далее дочерние колонии высвобождаются, разрывая материнский организм. Таким образом, колонии V. carteri сами по себе являются своеобразной мигрирующей нишей-организмом, в которой заключены несколько партеногонидий с присущей им палинтомической программой клеточного деления [21, 22].
Несколько по-иному ведут себя колониальные формы в животном мире. У них стволовые клетки, в отличие от свободно плавающих клеток колониальных водорослей, являются миграторными. У беспозвоночных животных (Invertebrata) интересно поведение колониальных гидроидных полипов (класс Hydrozoa), у которых не доведенное до конца бесполое размножение лежит в основе механизма роста таких колониальных форм. Например, колонии морского гидроида Hydractinia echinata Fleming состоят из сети гастроваскулярных каналов, или столонов, от которых отпочковываются полипы. В таких полипах мы впервые обнаруживаем пул миграторных стволовых клеток, называемых интерстициальными клетками. У H. echinata интерстициальные клетки находятся в основном в компартментах столонов колонии полипа. Эктодермальный эпителий каналов столонов представляет собой разветвленную сеть интерстициальных пространств, по которым интер-стициальные клетки мигрируют вдоль столона и репопулируют новые части растущей колонии. Так, было показано, что при элиминировании интерсти-циальных клеток в колонии дикого типа H. echinata и последующем заселении ее аллогенными интер-стициальными клетками мутантного донора, и наоборот, фенотип и генотип реципиентной колонии со временем обращается в донорский, таким образом подтверждая тот факт, что миграторные интерсти-циальные клетки гидроидных полипов являются то-типотентными и перемещаются в пределах интер-стициальной ниши каналов столонов (рис. 4) [23]. В данном контексте интересно провести параллель между строением гидроидного полипа, например из рода Hydra L., по-сути, предоставляющего собой «мешок» с гастральной полостью, заходящей
в отпочковывающиеся дочерние полипы, и автономными трехмерными полыми микроструктурами (мини-органами, или органоидами), клонально образующимися в культуре in vitro из 1_дг5-позитивных стволовых клеток крипты кишечника млекопитающих и человека [24]. Последние представляют собой длительно культивированные и перевиваемые цистоподобные клеточные конгломераты с отпочковывающимися по периферии структурами по типу пилорических желез. В очередной раз можно убедиться, как филогенетически более древняя, но эффективная модулярная макроструктура (организм гидры) фрагментарно отображается (крипта кишечника млекопитающих) в онтогенетическом развитии унитарного организма в таксонах филогенетически более высокого ранга, и даже может автономно поддерживаться и перевиваться вне макроорганизма в условиях in vitro.
В то же время, в отличие от растительных организмов, где многоклеточность возникала несколько раз, происхождение многоклеточных животных, по-видимому, может быть связано с группой фаго-трофных протистов, а именно — с колониальными воротничковыми жгутиконосцами Choanoflagellata — колониальная теория происхождения настоящих многоклеточных животных (Eumetazoa) (рис. 5) [25]. Иными словами, царство многоклеточных животных, по-видимому, является монофилетиче-ским [18], а наиболее древними из ныне живущих близких родственников настоящих многоклеточных животных считаются губки (тип Ро^ега), которые характеризуются модулярным строением, отсутствием настоящих тканей и зародышевых листков и способностью формировать колонии. У взрослых губок существуют тотипотентные стволовые клетки. В покое эти клетки имеют два ядра и называются
5
1. Chlamydomonas 4. Gonium
2. Pandorina 5. Eudorina
3. Pleodorina 6. Volvox
В
2. Ооциты 5. Хитин
3. Интерстициальные 6. Эндодермальные каналы (стволовые) клетки 7. Эктодерма
Рис. 4. Примеры разнообразия колониальных форм у растений и животных:
А — гипотетическая филогенетическая клада у зеленых водорослей с наиболее высокоорганизованным терминальным родом \folvox (отдел Chloгophyta); свободноплавающие стволовые клетки коккоидной структуры — партеногонидии; Б — зрелая культура СтоНтах ^адгап^Бвта (класс Mesomycetozoea), стволовые клетки — миграторные амебоидные;
В — структура столоносной пластинки и расположение в ней стволовых миграторных амебоидных интерстициальных клеток у гидроидного полипа Hydгactinia echinata (класс Hydгozoa). А, В - худ. М. Костюк, Б - из [27]
Рис. 5.
Две основные теории происхождения многоклеточных животных (по Р. Барнсу, [25]): вверху — колониальная теория происхождения многоклеточных от предков воротничковых жгутиконосцев Choanoflagellata; внизу - теория целлюляризации, подразумевающая происхождение многоклеточных от предков Mesomycetozoea. Худ. М. Костюк
тезоцитами, которые находятся в геммуле — покоящейся внутренней почке организма губки, представляющей собой шаровидное скопление тезоцитов. При переходе в активное состояние происходит цитокинез и каждый тезоцит дает два амебоидных одноядерных активных миграторных археоцита со способностями к самообновлению и дифференцировке во все специализированные типы клеток взрослой губки, как соматические, так и гаметы. Еще одним возможным типом тотипотентных стволовых клеток у губок являются специализированные воротничко-вые клетки с одним жгутиком — хоаноциты (регулируют ток воды и захват пищи внутри жгутиковых камер), морфологически подобные одноклеточным Choanoflagellata. Сообщается, что они способны трансдифференцироваться в гаметы (в основном сперму) и археоциты посредством деэпителизации и миграции в мезохил при формировании геммулы или при регенерации губки. Нишей для покоящихся тезоцитов и миграторных археоцитов служит вещество с тонковолокнистой структурой, заполняющее пространство между жгутиковыми камерами с хоа-ноцитами — мезохил [26].
Но существует и альтернативная теория возникновения настоящих многоклеточных животных, — теория целлюляризации [25], выдвинутая при изучении мезомицетозоев (класс Mesomycetozoea) — одноклеточных родственников животных, объединяющих в себе признаки и животных и грибов (рис. 5). В их жизненном цикле встречаются многоядерные синцитиальные и колониальные стадии, морфологически напоминающие морулы многоклеточных беспозвоночных животных — насекомых. Ядра ме-зомицетозоев обладают свойством делиться синхронно. Например, жизненный цикл относительно недавно описанного эндопаразита водных животных Creolimax fragrantissima Marshall начинается с одноядерной амебоидной клетки, способной выпускать ложноножки, которая растет и увеличивается в размерах, при этом образуя многоядерный синцитий. Затем ядра приобретает клеточную стенку (эта стадия организма морфологически очень напоминает морулу насекомых). Иными словами внутри такого синцития (плазмодия) формируются амебоидные клетки следующего поколения (сравните с циклом развития колониальной водоросли V. carteri). Затем эти амебоидные клетки выходят из материнского плазмодия, разрывая его, либо каждый амебоид ин-цистируется и пережидает неблагоприятные условия в виде инкапсулированной колонии. Амебоиды при разрыве плазмодия активно перемещаются и расселяются. Цикл замыкается. Таким образом, развитие колонии у мезомицетозоев посредством оклеточива-ния (целлюляризации) синцития представляет собой важный механизм формирования многоклеточнопо-добных структур среди животных. Поэтому целлю-ляризацию синцития, сопровождаемую синхронными ядерными делениями (как у эмбрионов животных на ранних стадиях), можно считать вполне жизнеспособной альтернативной стратегией возникновения и эволюции многоклеточности у животных (сравните с последовательными раундами клеточных делений, необязательно синхронных, или агрегацией клеток как у воротничковых жгутиконосцев Choanoflagellata) [27]. Стоит отметить параллели в существовании уникальных примеров многоядерных талломов в виде голого плазмодия у золотистой водоросли Myxochrysis paradoxa Pascher и желто-зеленой
водоросли Mixochloris sphagnicola Pascher. В отличие от бесцветных плазмодиев у животных, плазмодии водорослей несут в себе большое количество светло-зеленых хлоропластов, содержащих различные хлорофиллы, каротиноиды и ксантофиллы [19].
В любом случае, какая бы теория ни была верна в отношении возникновения многоклеточных животных и растений, базовые механизмы состояния «стволовости» и асимметричной ДНК сегрегации, присущие всем существующим на сегодня системам стволовых клеток разного уровня организации, свидетельствуют о некоей общей линии происхождения эукариотной стволовой клетки. Существует гипотеза, согласно которой наиболее древней, базовой пред-ковой стволовой клеткой является беспигментная амебоидная клетка, без клеточной стенки и жгутиков, с гетеротрофным типом питания, которая получила название LECA-клетки (last eukaryotic common ancestor) — последнего общего предка для эукари-от. Теоретически, такие популяции LECA-клеток (эу-кариотные стволовые группы) жили и процветали в Протерозое, а их структурная, метаболическая и функциональная эволюция шла от Архея с его аноксическими водами (в этом случае LECA-клетка была метаболически анаэробным организмом, скорее с симметричным делением, который впадал в инкапсулированное дормантное состояние при неблагоприятных условиях) до нижней границы Пале-опротерозоя, на фоне постоянно увеличивающейся оксигенации атмосферы и океанических вод (здесь LECA-клетка уже становится умеренным аэробом с асимметричным делением, с системой редукции внутриклеточных активных форм кислорода и азота, возможно, с образованием структуры плазмодиев с репродуктивными функциями). Поэтому предполагаемый возраст LECA-клеток варьирует довольно в широких пределах от 2,5 до 1 млрд лет. Иными словами, эукариотные стволовые группы эволюционировали в протерозойскую эру от единственного вегетативного клеточного типа, жившего в строго гипоксических условиях, до более сложных клеточных систем, которые могли выживать и пролифе-рировать в довольно широких пределах гипоксиче-ских и умеренно оксигенированных ниш. В условиях чередования кислородных, азотных и трофических циклов в океанических водах LECA обрела характеристики истинной протолинии стволовых клеток и постепенно передала их потомкам протистов и ранним животным [28].
Далее в эволюционном плане, в связи с парафи-летическим возникновением истинных многоклеточных организмов (животных и растительных) от, возможно, так называемой эукариотной стволовой группы, и формированием у них систем специализированных тканей и органов, которые поддерживают целостность своего состава и функциональные свойства с помощью тканеспецифических стволовых клеток, понятие ниши стволовой клетки обрело современный смысл, подразумевающий ее участие в регуляции морфогенеза и функции ткани [29—31]. При этом комплексные пространственно-временные взаимоотношения ниши и стволовых клеток многоклеточных растительного (Embryophyta) и животного организма (Eumetazoa) несколько различаются. У животных, в связи с более сложной унитарной морфо-функциональной организацией тела, способностью соматических клеток и гамет к миграции, как амебоидной, так и с помощью жгутиков, усложнением
уровня организации иммунной системы, различные типы стволовых клеток взрослого организма приобретают определенную степень потентности — от уни-, олиго- до мультипотентных клеток. У высших растений стволовые клетки взрослого организма тотипо-тентны. Кроме того, формирование и развитие ниш стволовых клеток у растений и животных является вероятнее всего результатом конвергентной эволюции. Тем не менее, несмотря на независимое происхождение ниш у растений и животных, роль белков ARGONAUTE (AGO), PcG (семейство Polycomb протеинов) и trxG (семейство Trithorax протеинов) в поддержании популяции стволовых клеток в нише свидетельствует о существовании некоторого молекулярного сходства между обоими царствами. Например, участие AGO белков в ремоделировании хроматина является частью древнего механизма стабилизации определенного состояния клеток, который используется, в том числе, и одноклеточными эукариотами. Вместе с тем сигнальные молекулы, определяющие состояние ниши стволовых клеток у животных, не обязательно являются гомологичными таковым у растений [32—34].
Следует обратить внимание на тот факт, что если репрограммирование соматических клеток взрослого организма млекопитающих в плюрипотент-ное состояние с помощью «магической четвёрки» транскрипционных факторов (OCT4, SOX2, KLF-4 и c-Myc) произошло всего лишь в 2006 г. [35], то in vitro репрограммирование растительных тканей было получено V. Vasil и A. Hildebrandt еще в 1965 г. посредством простой обработки единичной клетки каллуса табака фитогормонами [36, 37]. Недавние работы показали, что репрограммирование в плюри-потентное состояние возможно произвести и in vivo посредством эктопической экспрессии небольшого числа ключевых транскрипционных регуляторов у ограниченных клеточных типов организма растения. Например, эктопической экспрессии STM или коэкспрессии STM и WUS в гипокотиле (подсемя-дольном колене проростка) достаточно для индукции формирования меристемоподобной структуры у ре-зушки [38, 39].
Заключение
Очевидно, что эволюция компартмента стволовых клеток у растений и у животных шла независимо по пути конвергентного развития с учетом специфики формирования и поддержания структуры, соответственно, модулярного и унитарного организмов. При этом первичным эволюционным субстратом возникновения многоклеточности и, как следствие, группы высших растений, является полифилети-ческая группа водорослей, представленная всем спектром жизненных форм: одноклеточных, колониальных, многоклеточных и неклеточных. У животных многоклеточность монофилетична и вероятнее всего возникла на основе либо колониальных предков воротничковых жгутиконосцев Choanoflagellata, либо целлюляризованных предковых форм мезо-мицетозоев. Несмотря на то, что возникновение многоклеточных растений и животных происходило независимо по разным направлениям и от филогенетически разных одноклеточных и колониальных групп древних организмов, тем не менее, в обоих царствах на молекулярном уровне существуют редкие общие регуляторные сети сопряженных сиг-
нальных путей, вовлеченных в механизмы контроля клеточной пролиферации и дифференцировки, стадий клеточного цикла, экспрессии протоонкогенов и генов-супрессоров опухолевого роста. Также весьма схожим образом в обеих группах организмов реализуются механизмы системного контроля ниши и генерируемых ею сигналов для обеспечения баланса между циркадными ритмами покоящегося состояния и симметричного и асимметричного деления стволовых клеток. И растениям, и животным, как, впрочем, и всем одноклеточным эукариотам, присущи механизмы асимметричной сегрегации внутриклеточных белков, ультра структурных компонентов и ДНК при делении клетки. Так же, как и у животных, ранние потомки стволовых клеток (дочерние транзиторные амплифицирующие клетки) вносят основной вклад в рост, ремоделирование и репарацию тканей организма. Так же как и у животных, нарушение системного контроля клеточной пролиферации приводит к формированию растительных опухолей, хотя и не столь разрушительных и летальных, как в животном организме, по причине ригидности клеточной стенки у растений. Как и у животных, реакции растительного иммунитета, несмотря на отсутствие специализированных миграторных фагоцитов, имеют тенденцию к реализации программ «запоминания» образов патогенности и образов опасности (МАМРэ/РАМРэ и ОАМРэ) и реаранжировки генов, ответственных за эффективность иммунного ответа на эти образы и его потенцирования при вторичной встрече с фитопатогеном с последующим формированием у растения длительной системной иммунологической памяти. Стволовые клетки растений и их производные, по сути агрегированные в коккоидно-подоб-ную структуру меристем, являются неподвижными и при пролиферации в меристеме и последующем органогенезе производные клеточные типы выталкиваются на периферию растущего органа. А у животных клетки обладают миграторными свойствами и могут находиться в амебоидно-подобном состоянии, которое способствует при выходе клеток в кровоток их миграции по кровеносным сосудам, а затем в тканях и органах-мишенях, с образованием специализированных клеточных типов на периферии организма. Ну и, наконец, стволовые клетки растительных меристем являются тотипотентными на любых фазах индивидуального развития растительного организма, в то время как стволовые клетки животных в постнатальном развитии организма значительно менее пластичны и ограничены жесткими генетическими рамками эмбрионального происхождения своей тканеспецифической потентности и принадлежности. И если в животной клетке плюрипотентное состояние, характерное только для клеток внутренней массы бластоцисты, можно индуцировать только путем эктопической экспрессии определенной группы транскрипционных факторов, то для клеток растений достаточно обработки каллуса органогенети-ческими концентрациями экзогенных фитогормонов, чтобы получить необходимую растительную ткань, орган и, наконец, целое растение-регенерант.
Иными словами, после появления таких важных растительных ароморфозов, как клеточная стенка и пластиды (автотрофный тип питания), макроэво-люционная история развития растений и животных практически на всех уровнях их структурной организации, — от клеточной до органной, — шла исключительно дивергентным путем. Тем не менее, такое
дивергентное развитие биологических видов, как растительных, так и животных, как логичный ответ на адаптивный процесс, обусловленный изменением условий окружающей среды, сопровождается определенным параллелизмом в филогенетическом развитии тканей в пределах той или иной близкородственной таксономической группы. Более того, к представителям обоих царств можно применить принцип гетеробатмии А.Л. Тахтаджяна (2007) (от греч. «bathmos» (Ьаб^о^) — ступень, уровень) [40], заключающийся в том, что в результате неравномерной эволюции отдельных частей или систем организма, последний может состоять из тканей или даже органов, находящихся на разных ступенях эволюции. Гетеробатмия между разными частями одного и того же организма бывает выражена тем сильнее, чем они онтогенетически и эволюционно менее зависимы друг от друга и более автономны, как, например, репродуктивные органы (поздний ароморфоз) и проводящая система стебля (ранний ароморфоз) у высших растений. Наоборот, чем более интегрирован и унитарен организм, и чем более взаимозависимы его отдельные части, тем менее у него проявляется гетеробатмия. Поэтому у многоклеточных унитарных животных гетеробатмия выражена значительно слабее, чем у модулярных высших растений. В то же время гетеробатмия наиболее проявляется в системах, подвергающихся коренным преобразованиям. Поэтому она особенно прослеживается у наиболее архаичных систематических групп, например у наиболее древних представителей цветковых растений (отдел Magnoliophyta). В связи с этим следует перечислить основные ароморфозы растений, которые данная группа организмов накопила на сегодняшний день в процессе макроэволюционного развития, и которые привели к их масштабной адаптивной радиации и интенсификации видообразования. Упомянутые выше целлюлозная клеточная стенка и автотрофный тип питания определили судьбу и дальнейшее развитие столь многоликого растительного царства. Однако для всех водорослей (Algae) эти признаки оказались предельными, иными словами в этой экологической группе растений иных аромор-фозов не выявлено. Следующий ключевой ароморфоз — это возникновение четкой тканевой структуры и дифференциация тканей, появляется с развитием высших растений (тип Embryophyta) и их «выходом» из водной среды обитания на сушу. Их организмы четко разделены на корень и побег, которые связаны сосудисто-волокнистыми пучками проводящей системы, — это сосудистые споровые растения (группа Pteridophyta — папоротники, плауны и хвощи). У них, однако, отсутствует семя, зародыш малодиф-ференцирован, а для оплодотворения необходима капельножидкая влага. С появлением голосеменных растений (отдел Pinophyta) возникает и ряд новых ароморфозов: семязачатки с женским (в семяпочке) и мужским (в пыльцевом зерне) гаметофитом, что привело к независимости процесса оплодотворения от капельножидкой влаги; появление семени с дифференцированным зародышем и запасающей тканью — эндоспермом. Наиболее поздние аромор-фозы уже присущи покрытосеменным растениям (отдел Magnoliophyta). К основным относятся: пестик с замкнутыми плодолистиками, в которых находятся семязачатки; возникновение и развитие признаков и структур энтомофильных цветков, что привело к масштабной сопряженной эволюции на-
секомых и опыляемых ими цветковых растений; появления двойного оплодотворения и защита семян околоплодником. Однако, как указано выше, все эти прогрессивные черты зачастую у растительных организмов носят мозаично-конвергентный характер, то есть представители определенного таксона могут нести в себе как прогрессивные, так и примитивные признаки. В процессе дальнейшего макроэволюционного развития гетеробатмия постепенно выравнивается у современных терминальных таксономических групп.
С другой стороны, на уровне компартмента стволовых клеток и их ниш, как у растений, так и у животных, наблюдаются определенные структурные и функциональные первичные конвергенции и параллелизмы в пределах т.н. фенотипов второго порядка (это морфологические признаки), по-видимому, ведущие свое начало со времени оформления много-клеточности в обоих высших таксонах. При этом оформление стволового компартмента при переходе от одноклеточной к многоклеточной структуре, как, собственно, и сама многоклеточность, является значимым ароморфозом для всех организмов, как растительных, так и животных. Иными словами, образовательные ткани у растений и аналогичные им компартменты стволовых клеток у животных, можно смело рассматривать в рамках общебиологической теории параллелизма гистологических структур А.А. Заварзина [41], которую он предложил при изучении процессов эволюционного гистогенеза у кишечнополостных животных. Так, если мы сравниваем стволовые компартменты у растительного и животного организма, то уместно говорить об их конвергентном полифилетическом развитии. Если же мы сравниваем те же самые структуры, но у водорослей и покрытосеменных растений, в пределах растительного царства, то здесь речь идет о параллелизме сравниваемых структур. Как отмечает И.И. Шмальгаузен, параллелизм возникает на сходной основе, тогда как конвергенция — это лишь следствие приспособления к одинаковым условиям среды [42, 43].
Однако такую аналогию следует проводить с той оговоркой [44, 45], что на молекулярно-генети-ческом уровне, и признаки генетической системы «ДНК-хромосомы», и первичные продукты системы «ген-белок» (т.н. фенотипы первого порядка), и биохимические признаки различаются, дивергируют в обоих царствах, подвергаясь адаптивному процессу, обусловленному изменением условий среды, редко сохраняя некие общие для них эпигенетические механизмы регуляции функционирования ком-партмента стволовых клеток и их ниш.
Философское отступление, которое возникло у автора после осмысления проработанного материала, состоит в том, что, вероятнее всего, эукари-отные стволовые группы, возникшие 2,5 млрд лет назад, в своем геноме уже должны были нести генетические программы последовательной реализации алгоритмов филогенетического развития, которые предопределяют, кому, когда и при каких условиях генерировать жгутики, какому многоклеточному организму становиться модулярным, а какому обрести вторую сигнальную систему и интеллект. Иными словами эволюция эукариотных стволовых групп на современном этапе филогенеза привела к образованию не только значительного биоразнообразия на планете, оформившегося в биосферу, но и к генерации производной от нее ноосферы.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Doonan J.H., Sablowski R. Walls around tumours — why plants do not develop cancer. Nature Reviews. Cancer 2010; 10: 794-802.
2. Ramirez-Parra E., Desvoyes В., Gutierrez C. Balance between cell division and differentiation during plant development. Int. J. Dev. Biol. 2005; 49: 467-77.
3. Ebel C., Mariconti L., Gruissem W. Plant retinoblastoma homologues control nuclear proliferation in the female gametophyte. Nature 2004; 429: 776-80.
4. Stahl Y., Simon R. Plant stem cell niches. Int. J. Dev. Biol. 2005; 49: 479-89.
5. Heidstra R., Sabatini S. Plant and animal stem cells: similar yet different. Nature Reviews. Mol. Cell Biol. 2014; 15: 301-12.
6. Reinhardt D., Frenz M., Mandel T. et al. Microsurgical and laser ablation analysis of interactions between the zones and layers of the tomato shoot apical meristem. Dev. 2003; 130: 4073-83.
7. Dodueva I.E., Frolova N.V., Lutova L.A. Plant tumorigenesis: different ways for shifting systemic control of plant cell division and differentiation. Transgenic Plant J. 2007; 1: 3-24.
8. Dessaux Y., Petit A., Tempe J. et al. Arginine catabolism in Agrobacterium strains: role of the Ti plasmid. J. Bact. 1986; 166: 44-50.
9. Horsch R.B., Fraley R.T., Rogers S.G., Sanders P.R., Lloyd A., Hoffmann N. Inheritance of functional genes in plants. Science 1984; 223: 496-8.
10. Pelczar P., Kalck V., Gomez D. et al. Agrobacterium proteins VirD2 and VirE2 mediate precise integration of synthetic T-DNA complexes in mammalian cells. EMBO reports 2004; 5: 632-7.
11. Sola J.V., Almonacid G.V. Tumor-causing plant bacteria may infect animals. Medical Hypotheses 2006; 20: 1038-9.
12. Gaillochet C., Lohmann J.U. The never-ending story: from pluripotency to plant developmental plasticity. Development 2015; 142: 2237-49.
13. Frank M., Rupp H.M., Prinsen E. et al. Hormone autotrophic growth and differentiation identifies mutant lines of Arabidopsis with altered cytokinin and auxin content or signaling. Plant Physiology 2000; 122: 721-9.
14. Lee J.H., Takei K., Sakakibara H. et al. CHRKl, a chitinase-related receptor-like kinase, plays a role in plant development and cytokinin homeostasis in tobacco. Plant Mol. Biol. 2003; 53: 877-90.
15. Cairns J. Mutation selection and the natural history of cancer. Nature 1975; 255: 197-200.
16. Rando T.A. The immortal strand hypothesis: segregation and reconstruction. Cell 2007; 129: 1239-43.
17. Neumuller R.A., Knoblich J.A. Dividing cellular asymmetry: asymmetric cell division and its implications for stem cells and cancer. Genes & Dev. 2009; 23: 2675-99.
18. Малахов В.В. Основные этапы эволюции эукариотных организмов. Палеонтологический журнал 2003; 6: 25-32.
19. Жизнь растений. В 6-ти т. Т. 3. Водоросли. Лишайники. Под ред. М.М. Голлербаха. Москва: Просвещение; 1977: 487.
20. Лотова Л.И. Морфология и анатомия высших растений. Москва: Эдиториал УРСС; 2001: 528.
21. Herron M.D., Desnitskiy A.G., Michod R.E. Evolution of developmental programs in Volvox (Chlorophyta). J. Phycol. 2010; 46: 316-24.
22. Kirk D.L. Seeking the ultimate and proximate causes of Volvox multicellularity and cellular differentiation. Integr. Comp. Biol. 2003; 43: 247-53.
23. Muller W.A., Teo R., Frank U. Totipotent migratory stem cells in a hydroid. Dev. Biol. 2004; 275: 215-24.
24. Barker N., Huch M., Kujala P. et al. Lgr5+ve stem cells drive self-renewal in the stomach and build long-lived gastric units in vitro. Cell Stem Cell 2010; 6: 25-36.
25. Барнс Р., Кейлоу П., Олив П., Голдинг Д. Беспозвоночные: новый обобщенный подход. М.: Мир; 1992: 584.
26. Funayama N. The stem cell system in demosponges: suggested involvement of two types of cells: archeocytes (active stem cells) and choanocytes [food-entrapping flagellated cells). Dev. Genes Evol. 2013; 223: 23-38.
27. Suga H., Ruiz-Trillo I. Development of ichthyosporeans sheds light on the origin of metazoan multicellularity. Dev. Biol. 2013; 377: 284-92.
28. Niculescu V.F. The stem cell biology of the protist pathogen Entamoeba invadens in the context of eukaryotic stem cell evolution. Stem Cell Biol. Res. 2015; 2(2): 1-20.
29. Schofield R. The relationship between the spleen colony-forming cell and the haemopoietic stem cell. Blood Cells 1978; 4: 7-25.
30. Watt F.M., Hogan B.L.M. Out of Eden: stem cells and their niches. Science 2000; 287: 1427-30.
31. Spradling A. et al. Stem cells find their niche. Nature 2001; 414: 98-104.
32. Hall I.M. et al. Establishment and maintenance of a heterochromatin domain. Science 2002; 297: 2232-37.
33. Mochizuki K., Fine N.A., Fujisawa T., Gorovsky M.A. Analysis of a piwi-related gene implicates small RNAs in genome rearrangement in Tetrahymena. Cell 2002; 110: 689-99.
34. Taverna S.D., Coyne R.S., Allis C.D. Methylation of histone H3 at lysine 9 targets programmed DNA elimination in Tetrahymena. Cell 2002; 110: 701-11.
35. Takahashi K., Yamanaka S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors. Cell 2006; 126: 663-76.
36. Vasil V., Hildebrandt A.C. Growth and tissue formation from single, isolated tobacco cells in microculture. Science 1965; 147: 1454-5.
37. Vasil V., Hildebrandt A.C. Differentiation of tobacco plants from single, isolated cells in microcultures. Science 1965; 150: 889-92.
38. Gallois J.-L., Woodward C., Reddy G.V. et al. Combined SHOOT MERISTEMLESS and WUSCHEL trigger ectopic organogenesis in Arabidopsis. Dev. 2002; 129: 3207-17.
39. Scofield S., Dewitte W., Nieuwland J. et al. The Arabidopsis homeobox gene SHOOT MERISTEMLESS has cellular and meristem-organisational roles with differential requirements for cytokinin and CYCD3 activity. Plant J. 2013; 75: 53-66.
40. Тахтаджян А.Л. На пути к универсальной эволюционной науке. Грани эволюции. Статьи по теории эволюции. СПб.: Наука; 2007: 245-6.
41. Заварзин А. А. Труды по теории параллелизма и эволюционной динамике тканей. (К 100-летию со дня рождения). Л.: Наука; 1986: 194.
42. Шмальгаузен И. И. Проблемы дарвинизма. Л.: Наука; 1969: 493.
43. Шмальгаузен И. И. Пути и закономерности эволюционного процесса. М.: Наука; 1982: 383.
44. Красилов В.А. Эволюция и биостратиграфия. М.: Наука; 1977: 256.
45. Алеев Ю.Г. Экоморфология и эволюция. Ж. Общ. Биол. 1988; 49(1): 27-34.
Поступила: 27.09.2016
