Слизевик Dictyostelium

Другой тип многоклеточной организации, ведущей свое начало от одноклеточных организмов, мы находим у слизевика Dictyostelium diskoideum. Жизненный цикл этого необычного и вызывающего удивление организма приведен на рис. 1.22. Вегетативная стадия развития представлена одиночными гаплоидными амебами (называемыми миксамебами, чтобы отличать их от истинных амеб), которые живут на гниющих древесных остатках, питаются бактериями и размножаются простым делением. Когда источник питания истощается, десятки тысяч таких амеб образуют потоки клеток, устремляющихся к некой центральной точке. Здесь они сливаются в конический бугорок, который в конечном счете поглощает все мигрирующие клетки и изгибается, превращаясь в мигрирующего слизевика. Этот слизевик (которому часто присваивают более благозвучное название псевдоплазмодий) обычно имеет в длину 2–4 мм и заключен в слизистый чехол. Псевдоплазмодий начинает мигрировать (во влажной среде и в темноте), слегка приподняв передний конец. Когда миграция заканчивается, расположенные впереди клетки, составляющие 15 –20% всей клеточной популяции, сползают вниз, образуя ножку спороношения, тогда как клетки, ранее располагавшиеся сзади, перемещаются вверх. Клетки ножки погибают, а находившиеся сзади клетки, которые поднялись выше ножки, образуют споры. Споры рассеиваются, и каждая из них превращается в новую миксамебу. Помимо бесполого размножения у Dictyostelium может осуществляться и половой процесс. При этом две клетки сливаются в одну гигантскую клетку, которая переваривает все остальные клетки агрегата. Поглотив всех своих соседей, она преобразуется в цисту с толстой стенкой, и затем в ней происходят мейотические и митотические деления: в конце концов из цисты выходят новые миксамебы.

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

ВВЕДЕНИЕ В ИЗУЧЕНИЕ РАЗВИТИЯ ЖИВОТНЫХ 29

Рис. 1.22. Жизненный цикл слизевика Dictyiostelium discoideum. Гаплоидные споры дают начало миксамебам, которые могут размножаться бесполым путем, увеличивая число гаплоидных ocoбей. Когда запасы пищи уменьшаются, возникают центры агрегации миксамеб и формируется мигрирующий псевдоплазмодий. В конце концов он перестает перемешаться и образует спороношения, из которых высвобождается большое число спор (Фотографии с любезного разрешения К. Raper.)

Dictyostelium представляет собой прекрасный экспериментальный объект для исследовании в области биологии развития, поскольку в этом организме исходно идентичные клетки дифференцируются в один из двух альтернативных клеточных типов споры или клетки ножки. Кроме того, у Dictyostelium отдельные клетки объединяются для образования единой структуры, состоящей из дифференцированных клеток разного типа, – процесс, сходный с образованием тканей у более сложно организованных существ. Агрегация тысяч амеб в единый организм – способ возникновения многоклеточности, побуждавший исследователей строить гипотезы относительно механизмов его осуществления.

Один из главных вопросов, занимающих исследователей: что вызывает агрегацию клеток? Цейтраферная микрокиносъемка показала, что в первые 4— 5 ч голодания не происходит никаких направленных движений. В следующие 5 ч. однако, можно видеть. что клетки перемещаются со скоростью около 20 мкм в 1 мин на протяжении 100 с. Эти движения прекращаются примерно на 4 мин и затем возобновляются. Хотя перемещение направлено к некой центральной точке, оно не является просто движением в радиальном направлении. Правильнее сказать, что клетки сближаются между собой и образуют как бы ручейки, которые сливаются в более мощные потоки: в конце концов все потоки объединяются в центре. Эти перемещения обусловлены хемотаксисом (Bonner. 1947; Shaffer, 1953). т.е. движение клеток к центру агрегации направляется каким-то растворимым веществом. Позднее было установлено, что этим веществом является циклический аденозин-3', 5'монофосфат (цАМФ) (Konijn et al.. 1967; Bonner et. al., l969), химическая структура которого показана на рис. 1.23. А.

Агрегацию вызывает периодическая секреция цАМФ немногими случайно распределенными клетками (Cohen, Robertson. 1971). Соседние клетки отвечают на воздействие цАМФ двояко: они начинают двигаться к источнику цАМФ и сами выделять его (Robertson et al.. 1972: Shafler. 1975). После этого

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

30________________ ГЛАВА 1_______________________________________________________________________________

Рис 1.23.. Хемотаксис, обусловленный волнами синтеза циклического аденозинмонофосфата (цАМФ). А. Химическая структура цАМФ. Б. Визуализация волн цАМФ в среде. Центральные клетки секретируют цАМФ через постоянные интервалы времени, и каждый раз секрет диффундирует в виде концентрической волны. Эти волны можно визуализировать, насыщая фильтровальную бумагу радиоактивным цАМФ и накладывая ее на колонию в стадии агрегации. Секретируемый клетками цАМФ разводит радиоактивный цАМФ. Поэтому при регистрации радиоактивности на бумаге (путем помещения ее на чувствительную к рентгеновским лучам пленку) области с высокой концентрацией цАМФ выглядят более светлыми, чем области с низкой его концентрацией. (Из Tomchick, Devreotes, 1981: с любезного разрешения P. Devreotes.)

клетки на несколько минут теряют чувствительность к цАМФ. В результате возникает волна цАМФ, распространяющаяся по популяции клеток (рис. 1.23. Б ). С прохождением каждой волны клетки еще на один шаг приближаются к центру.

Слизневые грибы выработали также механизм, с помощью которого стимулированные цАМФ клетки слипаются между собой. Обычно отдельные амебы не прилипают друг к другу. Однако после 5 ч голодания на клеточной поверхности появляется целый набор белков (называемых дискоидинами), которые вызывают слипание клеток между собой (Rosen et al.. 1973; Ray et. al., 1979).

Дифференцировка отдельных амеб в клетки ножки (соматические) или в споры (репродуктивные элементы) явление сложное. Боннер (Bonner. 1957) обнаружил, что во всех случаях из передних клеток возникает ножка, тогда как остальные предназначены для образования спор. Хирургическое удаление передней части слизевика не изменяет этой закономерности. Клетки, оказавшиеся впереди (ранее предназначавшиеся для образования спор), теперь становятся клетками ножки (Raper, 1940). Каким-то образом происходит принятие решения, согласно которому, какие бы клетки ни были передними, они станут клетками ножки, и какие бы ни были задними превратятся в споры. Такая способность клеток изменять свою судьбу в развитии называется регуляцией, и мы обнаружим это явление у зародышей многих животных, включая млекопитающих.

Дифференцировка на клетки ножки и споры отражает одну из основных особенностей эмбриогенеза: выбор клетками «пути развития» Мы часто видим, что клетки избирают определенную судьбу при наличии альтернативных путей развития. Так. например, определенная клетка костного мозга может стать лимфоцитом или клеткой крови, определенная клетка зародыша - эпителиальной клеткой кожи или нейроном. В случае слизевиков мы встречаемся с простым дихотомическим решением, так как у них выбор возможен только между двумя клеточными типами. Как же так происходит, что та или иная клетка становится клеткой ножки или спорой? Никто точно пока этого не знает, но, по-видимому, существуют диффундирующие вещества, которые могут влиять на судьбу клеток. Одно их них, фактор, индуцирующий дифференцировку (differentiation-inducing factor, или DIF), вероятно, необходимо для дифференцировки ножки. Этот фактор, как и фактор, индуцирующий половую дифференцировку у вольвокса. эффективен в очень низкой концентрации (10^-10 М). и так же, как белок вольвокса, он индуцирует дифференцировку клеток определенного типа. При его добавлении к амебам до их слияния и даже к презумптивным споровым (задним) клеткам он вызывает образование ими ножки. Синтез этого низкомолекулярного липида регулируется генетически, поскольку существуют мутантные линии Dictyostelium, которые образуют только предшественников спор и не образуют клеток ножки. При добавлении DIF к таким культурам в них могут дифференцироваться клетки ножки (Kay, Jermyn. 1983; Morris et. al.. 1987) и в цитоплазме клеток обнаруживаются новые мРНК (Williams et al.. 1987).

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

ВВЕДЕНИЕ В ИЗУЧЕНИЕ РАЗВИТИЯ ЖИВОТНЫХ______________________________________________________ 31

Слизевики представляют собой эволюционный тупик. Более сложные многоклеточные организмы не образуются из агрегатов исходно независимых клеток. Тем не менее способность отдельных клеток реагировать на химический градиент (как в случае реакции миксамеб на цАΜ Φ) очень важна для некоторых явлений, происходящих при развитии разных животных. Поверхностные клеточные белки, обусловливающие слипание клеток, обнаруживаются во всем животном царстве, и именно теперь из многоклеточных организмов начинают выделять вещества, индуцирующие дифференцировку. Выше были рассмотрены дифференцировка и морфогенез организма, образованного всего лишь двумя основными клеточными типами. Однако закономерности, установленные для такой «простой» развивающейся системы, присущи и более сложно организованным животным.