Цитоплазматическая спецификация у зародышей оболочников

Более поздние исследования показали, что зародыш оболочников почти точно соответствует представлению о нем как о «мозаике самодифференцирующихся частей», конструируемой на основе информации, которая была накоплена в цитоплазме ооцита. По мере того как зародыш делится, в различные клетки включаются разные участки цитоплазмы. Полагают, что эти разные цитоплазматические участки содержат морфогенетические детерминанты, контролирующие детерминацию (коммитирование) данной клетки к образованию клеток определенного типа. Изучение детерминации клеток у оболочников в значительной степени облегчалось тем обстоятельством, что у некоторых видов цитоплазма яйца сразу после его оплодотворения сегрегируется на ряд по-разному окрашенных областей. (Это можно видеть на цветной таблице на внутренней стороне обложки книги.) Конклин (Conklin, 1905) описал, как эти окрашенные области распределяются по разным бластомерам. Первое деление дробления разделяет яйцо на правую и левую половины, являющиеся зеркальным отражением одна другой. Каждое последующее клеточное деление на правой и левой стороне происходит синхронно. Проследив судьбу каждого бластомера асцидии Styela partita, Конклин пришел к поразительному заключению, что каждая окрашенная область имеет свою особую судьбу (рис. 7.1). Желтый серп цитоплазмы дает начало мышечным клеткам; из серого экваториального серпа образуются хорда и нервная трубка; прозрачная анимальная цитоплазма становится эпидермисом личинки; из содержащей желток серой вегетативной области яйца возникает кишка личинки.

Ревербери и Минганти (Reverberi, Minganti, 1946) изучали детерминацию у оболочников в серии экспериментов по изоляции бластомеров; эти авторы также наблюдали самодифференцировку каждого изолированного бластомера и остальной части зародыша. Результаты одного из опытов показаны на рис. 7.2. Если 8-клеточный зародыш разделить на четыре части по два бластомера в каждой (правая и левая стороны эквивалентны), то мозаичная детерминация их является правилом. Задняя анимальная пара бластомеров дает начало эктодерме, задняя вегетативная пара продуцирует энтодерму, мезенхиму и мышечную ткань, как это и следовало ожидать, исходя из карты презумптивных зачатков. Однако развитие нейральных структур является исключением. Клетки, образующие нервную систему, происходят из двух передних квадрантов – анимального и вегетативного, но ни один из них по отдельности не дает начало нервным клеткам. Если эти передние пары вновь соединяют вместе, то возникают ткани мозга и пальпы (прикрепительные сосочки). Другими словами, даже в таком строго детерминированном зародыше, как зародыш оболочников, осуществляются некоторые индукционные взаимодействия между бластомерами. И действительно, Ортолани (Ortolanι. 1959) показал, что эта

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. 2: Пер. с англ. – М.: Мир, 1994. – 235 с.

__________________ ДЕТЕРМИНАЦИЯ ПОСРЕДСТВОМ ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКОЙ СПЕЦИФИКАЦИИ ______________________ 9

Рис. 7.1. Сегрегация цитоплазматических детерминантов в период оплодотворения. А. Различающиеся по окраске цитоплазматические области оплодотворенного яйца асцидии (Styela partita) и их проспективное значение. Б. Строение личинки оболочников.

область эктодермы не детерминирована к состоянию «нейральности» вплоть до стадии 64 клеток, непосредственно предшествующей началу гаструляции. Таким образом, хотя большая часть тканей у этих зародышей детерминируется сразу же после оплодотворения, некоторые ткани претерпевают прогрессивную детерминацию.

В 1973 г. Уиттейкер (Whittaker, 1973) получил убедительные биохимические данные, свидетельствующие о цитоплазматической сегрегации тканевых детерминантов у оболочников. Он окрашивал клетки на присутствие или отсутствие в них фермента ацетилхолинэстеразы. Этот фермент содержится только в мышечной ткани личинки и участвует в возникновении способности мышц реагировать на повторные нервные импульсы. Результаты исследований Конклина и других авторов, касающиеся судьбы потомства каждого из бластомеров, или клеточных линий (рис. 7.2 и 7.3), показали, что только одна пара бластомеров (задняя вегетативная. В4.1) у 8-клеточного зародыша способна дать начало мышечной ткани. Когда Уиттейкер удалял эти две клетки и культивировал их по отдельности, они образовывали мышечную ткань, которая положительно окрашивалась на ацетилхолинэстеразу. Из остальных 6/8 зародыша возникала личинка, лишенная мышц и не обнаруживавшая сколько-нибудь явной холинэстеразной активности, (рис. 7.4)¹.

Помимо этого Уиттейкер останавливал развитие зародышей оболочников на разных стадиях, обра-

¹ Было показано (Deno et al., 1984; Nishida, 1987), что по меньшей мере у некоторых видов оболочников пары бластомеров b4.2 и A4.1 также дают начало мышечным клеткам. Однако это можно увидеть только на целых зародышах, а не на изолированных бластомерах. Эти мышечные клетки, происходящие не из пары бластомеров В4.1, по-видимому, образуются в результате индукции (Whittaker, 1987; Meedel et al, 1987).

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. 2: Пер. с англ. – М.: Мир, 1994. – 235 с.

10________________ ГЛАВА 7 ______________________________________________________________________________

Рис. 7.2. Мозаичная детерминация у оболочников. Если 8-клеточный зародыш оболочника разделить на 4 пары бластомеров, то из каждой пары формируются определенные структуры. (По Reverberi, Mingantι. 1946.)

батывая зародышей цитохалазином В. Это вещество связывается с микрофиламентами. предотвращая тем самым цитокинез (деление цитоплазмы клеток), и не влияет на нормальное деление ядер. В результате все дальнейшее развитие происходит в пределах популяции тех клеток, которые имелись к моменту добавления цитохалазина. После того как у зародышей было полностью блокировано дробление, им давали возможность развиваться какое-то время и затем окрашивали на присутствие ацетилхолинэстеразы. Результаты оказались поразительными. Их сравнение (рис. 7.5) с картой клеточных линий (рис. 7.3) показало полное совпадение данных. Способностью к образованию мышечных клеток первоначально обладали оба бластомера. Однако к 4-клеточной стадии способность синтезировать ацетилхолинэстеразу сохранялась только у вегетативных бластомеров. V 8-клеточного зародыша такие клетки формировались только из двух задних вегетативных бластомеров. Как известно, именно эти клетки формируют большую часть мышцы хвоста у личинки оболочника (Meedel et al.. 1987; Nishida, 1987).

Клетки, потомки которых, как было показано, синтезировали ацетилхолинэстеразу, оказались клетками, предназначенными образовывать мышцы. Кроме того, синтез фермента в изолированных клетках происходил точно в то же время, в которое он появился в нормальных зародышах (Satoh. 1979). Когда в 8-клеточном зародыше асцидии цитоплазму из бластомера В4.1 (дающего начало мышцам) переносили в формирующий эктодерму бластомер

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. 2: Пер. с англ. – М.: Мир, 1994. – 235 с.

Рис. 7.3. Последовательность клеточных линии и их судьба в эмбриональном развитии оболочников. Поскольку правая и левая половины развиваются идентично, на рисунке представлена только одна половина. (По Whittaker. 1979; Meedel et al.. 1987; Nishida. 1987.)

Рис. 7.4. Способность к синтезу ацетилхолинэстеразы в потомстве бластомеров мышечной линии (В4.1), изолированных на 8-клеточной стадии. А. Схема процедуры изоляции. Б. Локализация ацетилхолинэстеразы в хвостовой мускулатуре интактной личинки оболочника. Фермент обнаружен в потомстве пары бластомеров В4.1 (В), но не в потомстве остальных 6/8 зародыша (Г), инкубировавшихся в течение времени, необходимого для достижения стадии личинки. (Из Whittaker el al.. 1977; фотографии с любезного разрешения J. R. Whittaker.)

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. 2: Пер. с англ. – М.: Мир, 1994. – 235 с.

12________________ ГЛАВА 7 ______________________________________________________________________________

Рис.7.5. Локализация ацетилхолинэстеразы в зародышах оболочников, развитие которых было остановлено на разных стадиях обработкой цитохалазином В. А. 1-клеточная стадия. Б. 2-клеточная стадия. В. 4-клеточная стадия. Г. 8-клеточная стадия. Д. 16-клеточная стадия. Е. 32-клеточная стадия. Ж. 64-клеточная стадия. (Из Whittakcr, 1973a; фотографии с любезного разрешения J. R. Wnittaker)

Рис. 7.6. Микрохирургическая процедура, позволяющая некоторому количеству цитоплазмы из области желтого серпа переместиться в анимальные клетки. В опыте использованы яйца оболочников. Надавливание на бластомеры B4.I стеклянной иглой вызывает регрессию борозды дробления. Борозда может образоваться вновь несколько ближе к вегетативному полюсу, там. где клетки были отрезаны иглой. Эта борозда отделяет пару бластомеров таким образом, что бластомеры анимального полюса (В4.2) получают цитоплазму желтого серпа. Цитоплазма вегетативного полюса на рисунке обозначена серым цветом. (Но Whittaker, 1982.)

В4.2. из него помимо нормальных эктодермальных клеток возникали еще и мышечные (рис. 7.6; Whittaker, 1982). Напротив. Тунг и др. (Tung et al., 1977) показали, что если ядра личинки трансплантировать в энуклеированные фрагменты яиц. то вновь образующиеся клетки имеют структуры, типичные для клеток - доноров цитоплазмы, а не для клеток, являющихся донорами ядер. Отсюда мы можем заключить, что определенные детерминанты, содержащиеся в цитоплазме, вызывают образование определенных тканей. Эти морфогенетические детерминанты (или морфогены), по-видимому, действуют посредством избирательной активации (или инактивации) специфических генов. Следовательно, детерминация бластомеров и активация определенных генов контролируются пространственной локализацией морфогенетических детерминантов в цитоплазме яйца.