Курс лекций в ворде, страница 6

В последние годы карты презумптивных зачатков для зародышей амфибий подверглись исправлениям и дополнениям. Установлено, что у бесхвостых амфибий (в отличие от хвостатых) материалы хорды, осевой мезодермы и боковой пластинки расположены во внутренних слоях стенки зародыша и не выходят на его поверхность, которая представлена в анимальной части зародыша тонким слоем эпиэктодермы (внешней эктодермы). При инвагинации через ДГБ бластопора именно ввернувшийся материал эпиэктодермы образует выстилку гастральной полости. Этот материал называется гипохордой. Благодаря наличию гипохорды у бесхвостых амфибий материал хорды и будущих сомитов ни на одной стадии развития не граничит с гастральной полостью, поэтому в данном случае она не является архентероном.

В ходе исследований было обнаружено три независимых друг от друга источника образования кровяных клеток (на новой карте презумптивных зачатков они отмечены крестиками). Один из них расположен вентральной мезодерме. Второй располагается в области прехордальной пластинки. Третий находится в области эктодермы глотки. При чем после завершения гаструляции последние два практически полностью объединяются.

Следует подчеркнуть, что карты презумптивных зачатков дают сведения о судьбе отдельных участков зародыша лишь в его нормальном развитии и ничего не говорят о том, может ли судьба клеток быть переопределена при их перемещении в другое положение.

Движения гаструляции у зародышей позвоночных без существенного перерыва переходят в движения, связанные с нейруляцией - закладкой центральной нервной системы. На этой стадии формируется комплекс осевых структур. Зародыш в период нейруляции называется нейрулой.

В целом эти движения состоят в конвергентном (сходящемся) смещении материала эктодермы и мезодермы к средней линии спинной стороны зародыша (вентродорсальные движения). Происходит также растяжение дорсальной эктодермы зародыша в передне-заднем направлении.

Сначала нейральная эктодерма уплощается и превращается в нервную пластинку, которая в головной части зародыша шире, чем в туловищной. Края пластинки приподнимаются и образуют нервные валики, окаймляющие пластинку. Затем поверхность нервной пластинки начинет довольно сильно сокращаться в поперечном направдении. Одновременно она начинает складываться по средней линии. Возникающее углубление нервной пластинка называется нервным желобом. Еще чуть позже края неврной пластинки смыкаются и образуется нервная трубка, полость внутри которой называют невроцелем. Передняя расширенная часть трубки превращается в головной мозг, а ее невроцель - в полость мозгового пузыря. Более узкая туловищная часть трубки превращается в спинной мозг, а его полость - в спинномозговой канал.

Само формирование нервной пластинки происходит путем кооперативной поляризации клеток дорсальной эктодермы: клетки сильно вытягиваются в апико-базальном направлении, а их апикальные стенки сокращаются. Этот процесс начинается от дорсо-медиальной линии зародыша и распространяется в стороны (латерально), что приводит к скошенности клеток в сторону дорсо-медиальной линии. Образуется клеточный веер. На этой стадии нерная пластинка почти плоская. Ее последующее скручивание вызывается спрямлением скошенных клеток.

Описанная последовательность процессов типична не только для нейруляции, но и для всех других случаев образования органов из эпителиальных пластов (формирование хрусталика, органов слуха, обоняния, желез пищеварительной системы и т.д.).

Во всех этих процессах участвует как цитоскелет, так и клеточная мембрана. При этом их активность тесно скоординирована.

После смыкания нервного желобка в нервную трубку, материал нервных валиков, расположенный сначала по периферии нервной пластинки, концентрируется вдоль средней линии зародыша, дорсальнее нервной трубки - образуется нервный гребень. Клетки нервного гребня не входят в состав ЦНС, они дают множесто производных (периферическая НС, пигментные клетки).

В начале скручивания нервной пластинки в трубку из осевой мезодермы по средней (сагиттальной) линии зародыша формируется хорда, которая располагается под туловищной частью нервной трубки. Спереди от хорды находится прехордальная пластинка.

Сразу латеральнее материала хорды располагается мезодерма будущих сомитов, которая плавно переходит в мезодерму боковой пластинки. Внутри зачатков сомитов возникает полость, переходящая в узкую щель, разделяющую боковую пластинку на два листка: париетальный (прилежит к эктодерма) и висцеральный (прилежит к энтодерме). Внутренняя полость и щель формируют вторичную полость тела - целом.

Вскоре после обособления хорды, начинается метамеризация осевой мезодермы, то есть ее разделение на парные сегменты - сомиты. Метамеризация мезодемы идет в направлении спереди назад. Механизмы метамеризации у разных позвоночных различны. У бесхвостых амфибий клетки осевой мезодермы поворачиваются на 90°, изменяя первоначальную ориентацию на продольную.

У хвостатых амфибий формирование сомитов связано с группированием мезодермальных клеток в "розетки". У зародышей птиц происходит образование веерообразных структур, сходных с розетками, которые постепенно достраиваются до полного сомита.

Фактором, влияющим на движения и изменения формы отдельных клеток при гаструляции и нейруляции, являются механические напряжения в тканях зародыша.

Они имеют два основных источника: первый - тургорное давление в бластоцеле. Оно обусловливает равномерное растяжение крыши бластоцеля. Второй источник - клеточные движения. Например, инвагинация вокруг ДГБ вызывает растяжение в этой области в передне-заднем направлении и ее сжатие в поперечном направлении. При этом возникает градиент механических напряжений с наивысшей точкой около бластопора.

Определенными методами можно составить карты механических натяжений для периодов гаструляции и нейруляции. Нарушение этих закономерных и стадиоспецифичных механических напряжений приводит к глубоким нарушениями структуры зачатков и точности их взаимного расположения.

Явление гетерономной метамерии заключается в том, что метамеры, сохраняя общий план строения, дифференцируются в различных направлениях, при этом теряют внешнее сходство (например, у членистоногих). При гомономной метамерии все метамеры, образовавшиеся в ходе сегментации развиваются одинаково. Так, например, у кольчатых червей.

Генетический контроль нейруляйции. Исследования подтвердили сходство этого этапа развитися у всех метамерно построенных животных. Были найдены и изучены высокогомологичные генетические конструкции, общие для представителей самых удаленных неродственных таксонов, с функцией которых связывают реализацию плана строения. Гены-регуляторы сегментации имеют общие черты: у всех них отмечена высокогомологичная последовательность ДНК размером в 183 пары оснований, названная гомеобоксом. Гомеобокссодержащие гены независимо от сегментации участвуют в передаче позиционной информации - информации о специфической дифференцировки клеток, соответствующей их месторасположению в организме. 60-аминокислотный полипептид, кодируемый гомеобоксом называется гомеодоменом. У беспозвоночных генам гомеобокса присвоена аббревиатура Hom, у хордовых Hox.

Гены сегментации собраны в кластер. Структура кластера и алгоритм экспрессии генов в нем преформируют структуру и план посегментного строения организма. Такое соответствие генетической и морфологической организации называется коллинеарностью.

Все гены, регулирующие сегментацию, характеризуются ранней посегментной транскрипцией, и их работа ограничена во времени и пространстве. Т.е. они активны в местах будущих сегментов и далее в самих сегментах в период раннего эмбриогенеза.

В результате сделаны следующие выводы:

• Гены гомеобокса представляют собой группу генов-регуляторов раннего эмбрионального развития, чье функционирование реализуется в определенной иерархической последовательности.

• Эволючионная история этих генов восходит к прокариотам. Их функция состоит в обеспечении клеточных ядер зародыга начальными сигналами дифференцировки.

• В ходе эволюции функции этих генов могли меняться.

• Механизмы развития эволюционно различающихся животных гораздо более универсальны, чем полагали ранее.

Обращают внимание на три параметра гена: время "включения", место локализации и значение гена в онтогенезе (оно тем больше, чем раньше гены начинают работать).

Отношения между генами укладываются в следующие рамки:

• независимое действие

• "включение - выключение" одних генов другими

• сложная иерархическая сеть отношений, в которой возможно как прямое, так и опосредованное действие одних генов на другие.

Раньше других в реализации плана строения в развитии начинают работать материнские гены. Они осуществляют переднезаднюю полярность яйца в оогенезе. Это гены bicoid, необходимые для формирования передних структур, гены oscar - для формирования задних структур и ген torso. Эти же гены влияют на сегментацию. Они создают рисунок химических различий цитоплазмы в начале дробления, который затем претворяется в саму сегментацию. Эти различия воздействуют на активность генов следующего уровня регуляции сегментации - генов GAP и Pair-rule. Гены GAP включают материнские и зиготические гены. Среди них выделяют восемь генов, экспрессирующихся в оогенезе; пять генов, экспрессирующихся после оплодотворения, из которых три собственно зиготические (hunchback - hb, Kruppel - kr, knirs - kni). Мутация любого их этих генов зачеркивает сегментацию в подконтрольном ему районе.

Гены GAP контролируют метамеризацию, осуществляемую генами Pair-rule, но влияют и на гомеотические гены (гены гомеозиса), осуществляющие индивидуальную идентификацию сегментов.

Гены Pair-rule транскрибируются на стадии синцитиальной бластулы. Большинство этих генов назодится во взаимодействии с геном fushi tarazu (ftz). Этот ген имеет гомеобокс и является геном сегментации. Его транскрипция идет на стадии бластодермы и по расположению транскрипта претворяется в паттерн из семи поперечных полос еще до формирования клеточных мембран.

Заметнее всего метамеризацию определяет ген engralaid (en), отнесенный к группе Pair-rule. Его экспрессия приводит к образованию 15 рядов клеток (парасегментов) внутри зародышевой полоски, из которой развивается большая часть зародыша. Дальнейшая метамериация выражает активность гомеотических генов - генов гомеозиса.

Таким образом, в ходе сегментации первыми нчинают действовать гены материнского эффекта, чей транскрипт накапливается в оогенезе (bicoid, oscat, torso). Следующий уровень - гены GAP и Pair-rule. Последними работают гомеотические гены (гены гомеозиса), определяющие структуру парасегментов. Активность генов предыдущего уровня определяет работу следующего.

Полагают, что эволюция хордовых шла путем дупликации генов Hox. Так, у ланцетника имеется один инсулиноподобный ген, которому гомологичны три гена у млекопитающих.

У беспозвоночных эволюция шла путем изменения гомеобокссодержащих генов посредством тандемных дупликаций.

Понятие "гомеозис" ввел У.Бетсон в 1894г. Под гомеозисом он понимал способность одних сегментов, на которые разделен организм, приобретать признаки, свойственные другим.

Сегментация характеризуется количеством сегментов и их качетсвенными особенностями. Количество сегментов определяется сегрегационными генами, мутации которых нарушают переднезаднюю полярность сегментов, вызывают их слияние, уменьшение количества сегментов и образование нежизнеспособных уродов.

Качественные особенности сегментов контролируют гомеозисные гены, которые подразделяют на два комплекса: Antennapedia-Complex (ANT-C) и Bithorax-Complex (BX-C). ANT-C-гены контролируют развитие головных и передних грудных сегментов.

BX-C состоит из трех субкомплексов: Ubx, контролирующего сегменты груди, и субкомплексов abdomen-A и abdomen-B, контролирующих развитие брюшных сегментов.

Для генов субкомплекса Ubx характерны три особенности:

• Они собраны в кластер в небольшом участке 3-й хромосомы. В кластер входят следующие гены: bithorax (a), (bx); contrabithorax (b), (cbx); ultrabithorax (c) (ubx); bithoraxoid (d) (bxd); postbithorax (e) (pbx).

• Для них характерен цис-транс эффект, который проявляется в зависимости действия двух мутантных генов одной особи от положения в двух родительских хромосомах.

• Полярность проявления означает, что аллели дикого типа, лежащие справа от мутантного локуса, инактивируются, а их рецессивная мутантная аллель обнаруживает свое действие.