Регуляция морфогенеза при развитии ацетабулярии

В конце XIX в. еще не было доказано, что в ядре содержится информация, определяющая наследственность и направляющая развитие. Одним из лучших свидетельств в пользу такого представления были результаты опытов по разделению одноклеточных организмов на фрагменты, содержащие ядро, и безъядерные (Wilson. 1896). Когда различных простейших разрезали на множество частей, почти все эти части погибали. Однако фрагменты, содержащие ядро, оказывались жизнеспособными и регенерировали все сложные клеточные структуры (рис. 1.5).

Ядерный контроль клеточного морфогенеза и взаимодействие между ядром и цитоплазмой прекрасно иллюстрируют опыты на ацетабулярии (Acetabularia). Эта гигантская одиночная клетка (длиной в 2.5 - 5 см) состоит из трех частей: шляпки, стебелька и ризоида (рис. 1.6). Ризоид находится в основании клетки и прикрепляет ее к субстрату. Единственное клеточное ядро располагается в ризоиде. Большие размеры ацетабулярии и положение ее ядра позволяют исследователям удалить из клетки ядро и заменить его ядром другой клетки. В 30-х годах нашего века Геммерлинг (J. Hä mmerling) воспользовался этими уникальными свойствами ацетабулярии и пересадил ядро одного вида (Acetabularia mediterranea) в энуклеированный ризоид другого (A. crenulata). Как видно из рис. 1.6. шляпки у этих видов очень сильно отличаются друг от друга. Геммерлинг обнаружил, что после того, как ядро одного вида трансплантировали в стебелек другого, новообразующаяся шляпка приобретала строение, свойственное

Рис. 1.5. Регенерация содержащего ядро фрагмента одноклеточного простейшего Stylonychia. Безъядерные фрагменты сохраняются в течение некоторого времени, но в конце концов погибают.

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

ВВЕДЕНИЕ В ИЗУЧЕНИЕ РАЗВИТИЯ ЖИВОТНЫХ____________________________________________ 17

Рис. 1.6. Гигантская одноклеточная водоросль ацетабулярия A. Acetabularia mediterranea. Б. A. crenulata. Ядро у этой водоросли располагается в ризоиде. (С любезного разрешения. Н. Harris.)	Рис. 1.7. Результат обмена ядрами между двумя видами ацетабулярии; шляпка удалена, ядра пересажены в энуклеированные ризоиды. Структуры, принадлежащие A. crenulata. выделены серым цветом.

виду-донору ядра (рис. 1.7). Таким образом было показано, что развитие ацетабулярии контролируется ядром.

Образование шляпки представляет собой сложный морфогенетический процесс, включающий синтез различных белков, которые должны распределиться между определенными частями клетки. Пересаженное ядро и в самом деле определяет образование видоспецифической шляпки, но для этого требуется несколько недель. Кроме того, если на ранней стадии развития ацетабулярии, до образования шляпки, удалить ядро, то через несколько недель образуется шляпка нормального строения, хотя организм в конце концов и погибнет. Это свидетельствует о том, что 1) ядро содержит информацию, определяющую тип образующейся шляпки (т.е. содержит генетическую информацию, которая обеспечивает синтез белков, ответственных за образование шляпки определенного типа), и 2) информация поступает в цитоплазму задолго до образования шляпки. Информация, поступившая в цитоплазму, не используется на протяжении нескольких недель. Одна из гипотез, предложенных для объяснения этих наблюдении, заключалась в том, что ядро синтезирует стабильную мРНК, которая остается в цитоплазме в неактивном состоянии, пока не наступит время образования шляпки. Более поздние данные, опирающиеся на наблюдение Геммерлинга (опубликованное в 1934 г.), подтверждают эту гипотезу. Геммерлинг разрезал молодую ацетабулярию на несколько частей (рис. 1.8). Шляпка развивалась не только на том фрагменте, в котором содержалось ядро (как этого и ожидали), но, кроме того, на апикальном конце стебелька. На средней части стебелька шляпка не развивалась. Исходя из этого, Геммерлинг постулировал (примерно за 30 лет до того, как узнали о существовании мРНК), что инструкции для образования шляпки каким-то образом сохраняются в концевой части стебелька. Результаты более новых исследований (Kloppstech, Schweiger. 1975) показали, что мРНК ядерного происхождения накапливаются именно в этой области. Прибавление к морской воде, в которой растет ацетабулярия, рибонуклеазы (фермента, расщепляющего РНК) полностью подавляет образование шляпки. В случае энуклеированных клеток это окончательный результат; коль скоро РНК разрушена, образования шляпки не происходит. Однако если в клетках ядро имеется, то после отмывания рибонуклеазы шляпка может обра-

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

18_____________ ГЛАВА 1______________________________________________________

Рис. 1.8. Регенеративная способность различных фрагментов Acetabularia mediterranea.

зоваться: происходит это, по-видимому, в результате синтеза в ядре новой мРНК. Показано также (Garcia, Dazy. 1986), что синтез белка происходит особенно интенсивно в вершинной части клеток.

Из предыдущего обсуждения очевидно, что в формировании шляпки у ацетабулярии ядерная транскрипция играет важную роль. Следует отметить, однако, что цитоплазма также играет существенную роль в этом процессе. Хотя мРНК и находятся в цитоплазме, они не транслируются на протяжении недель. Что-то в цитоплазме регулирует использование поступившей информации. Следовательно, экспрессия шляпки контролируется не только транскрипцией ДНК в ядре, но также и цитоплазматическими факторами, влияющими на трансляцию.

Таким образом, у этого одноклеточного организма «развитие» контролируется как на транскрипционном, так и на трансляционном уровнях.