Процессы ооплазматической сегрегации и формирования клеточной линии трохобластов в раннем развитии Nereis virens

• Автор: Костюченко, Роман Петрович
• Шифр специальности: 03.00.11
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 132 с. : ил.

1. ВВЕДЕНИЕ
1.1. От яйца к зародышу: спецификация клеток
Эмбриогенез - это процесс, при котором оплодотворенный ооцит развивается в многоклеточный организм, состоящий из множества специализированных клеток, организованных в трехмерном пространстве как единый комплекс (Davidson, 1990, 1991). В ходе этого процесса имеет место размножение клеток, связанное с изменением клеточных потенций: клетки приобретают определенные свойства и одновременно потенции этих клеток экспрессировать иные свойства постепенно редуцируются. Такие изменения потенциальной способности клетки вступать на путь той или иной дифференциации может быть как независимым, так и зависимым от внешних стимулов. В первом случае говорят об автономной спецификации клеток, а во втором - о зависимой спецификации1. У большинства видов Metazoa во время развития имеют место оба типа спецификации. Возможно, у некоторых животных (например, у мыши) все клеточные линии могут быть специфицированы в зависимости от условий, но на сегодняшний день не известно ни одного организма, оперирующего во время развития только механизмами автономной спецификации (обзоры Davidson, 1990, 1991, 1993).
Существенным для постижения феномена развития является понимание, как клетки становятся специфицированными в рамках трехмерной организации зародыша. С этой целью было исследовано развитие самых разных, в том числе и филогенетически далеко стоящих друг от друга организмов. Изучение показало, что царство животных использует очень ограниченное число механизмов для продуцирования неограниченногчгчисла вариантов.
Для объяснения, как возникают различные клеточные типы, были предложены две четкие концепции (см., например, Jeffery, 1988; Davidson, 1990; Gilbert, 1997).
Первая идея заключается в том, что яйцо уже содержит пространственно организованные компоненты, известные как цитоплазматические
1Под термином спецификация здесь, вслед за Дэвидсоном (Davidson, 1990,1991), понимается процесс(ы), за счет которого впервые устанавливаются различные пути развития потомков бластомеров в зародыше, не подвергавшемся экспериментальным воздействиям (стабильность не имеет значения в данном контексте)

детерминанты, влияющие на судьбу клеток вследствие их дифференциальной сегрегации по различным бластомерам во время дробления. Т.е., потенция клетки в этом случае ограничена, а судьба окончательно детерминирована в результате наследования специфических цитоплазматических детерминантов. Такой тип спецификации независим от других клеток и именно в этом смысле понимают автономную спецификацию.
Вторая концепция состоит в том, что определенные эмбриональные клетки, чьи уникальные свойства уже возникли, например, под воздействием локализованных детерминантов, влияют на развитие смежных клеток, индуцируя их к формированию того или иного клеточного клона. Поскольку этот тип спецификации зависит от других клеток, его называют зависимой спецификацией.
Таким образом, принято считать, что диверсификация эмбриональных клеток есть результат дифференциальной экспрессии генов, вызванной совместной активностью цитоплазматических детерминантов и индуктивных процессов.
1.2. Цитоплазматическая локализация
Концепция сегрегации морфологически значимых веществ, имеющихся в цитоплазме яйца, вызвала повышенный интерес к развитию животных, у которых судьба каждой отдельной клетки строго детерминирована. Возможно, это и было одной из причин, почему явление цитоплазматической локализации долгое время считали характерным главным образом для животных с так называемым мозаичным типом развития, прежде всего для аннелид и моллюсков. Зародыши этих животных отличаются ранним появлением различных структур, что позволяет уже с первых этапов развития исследовать судьбу клеточных генераций. Все эти животные имеют сравнительно небольшое число клеток, легко различимых визуально. Более того, благодаря асимметричному характеру развития зародышей сравнительно легко определить те или иные клетки по их форме и взаимному расположению.
Так, у пиявок Не1оЬ<йе11а и ТЬеготугоп источники мезодермы и эктодермы, протелобласты ОМ и ОМОРО соответственно, формируются очень рано в развитии, в ходе пятого деления дробления, а их материнская клетка

бластомер D' - наследует особый, морфологически выраженный участок цитоплазмы зиготы, называемый телоплазмой (Fernandez, 1980; Weisblat, Shankland, 1985; Sandig, Dohle, 1988; Holton et al., 1989; Nelson, Weisblat, 1991, 1992; Shankland, 1994; Bissen, Smith, 1996).
Сегрегация определенных участков яйца в отдельные бластомеры, дающие в последствие клоны специализированных клеток, известна и для многих других животных: наследование так называемых Р гранул клетками зародышевого пути у нематоды Caenorhabditis elegans (Strome, Wood, 1983; Hill, Strome, 1990; Schlicht, Schierenberg, 1991; Skiba, Schierenberg, 1992; Boyd et al., 1996; Hird et al., 1996); сегрегация полярной плазмы у олигохеты Tubifex в бластомер 4d, дающий мезодермальные структуры (Penners, 1922; Lehmann, 1948); переход материала полярной лопасти в клетки линии D (некоторые моллюски и полихеты: Verdonk, 1979; van Dam, Verdonk, 1982; Speksnijder, Dohmen, 1983; Render, 1983, 1991; Henry, 1986); сегрегация миоплазмы яйца асцидий в презумптивные мышечные клетки хвоста личинки (Zalokar, Sardet, 1984; Nishikata et al., 1987a; Swalla et al., 1991; Nishida, 1994) и так далее.
Разумеется, данные о формировании особых, морфологически очевидных, цитоплазматических доменов и распределении их в определенные бластомеры предлагают лишь пищу для размышления, но сами по себе не являются доказательством принципиальной значимости этих доменов для развития тех или иных клеточных клонов. Поэтому были предприняты попытки экспериментальным путем получить доказательства морфогенетической важности процессов сегрегации цитоплазмы.
1.3. Экспериментальные доказательства цитоплазматической
локализации
1.3.1. Эксперименты по изоляции бластомеров
Результаты исследования развития изолированных бластомеров позволили установить, что цитоплазматическая локализация представляет собой важнейшую черту эмбриогенеза.
Вилсон (Wilson, 19046, 1925) разделял презумптивные зачатки моллюска Patella coerulea в искусственной морской воде с низким содержанием кальция. Помещая изолированные таким образом бластомеры в обычную морскую воду,
Рис. 1. Закончивший рост ооцит. Полутонкий срез. Стрелкой указаны желточная оболочка и узкое перивителлиновое пространство под ней; ж - зона желточных и липидных включений; к -кортикальная зона; н - ядрышко; с - прозрачная цитоплазма; я - ядро. Масштаб 50 мкм.
уптт—глчг-
Рис. 2. Закончивший рост ооцит. Трансмиссионная электронная микроскопия, к - кортикальные гранулы; м - микроворсинка; о - желточная оболочка; п - перивителлиновое пространство. Стрелкой указан воротничок, образованный гранулярным споем. Масштаб 0,5 мкм.