Диссертация (Ранние молекулярные и клеточные события формирования мезодермы у нереидных полихет), страница 4

Пути формирования мезодермы (показана красным цветом) у ресничныхличинок первично- и вторичноротых животных (по Technau, Scholz, 2003).Интереснейшим вопросом является молекулярно-генетический и клеточныймеханизмописанныхморфогенезов.Несомненно,активностьтелобластовиэнтероцелия опираются на совершенно различные типы клеточного поведения(пролиферация, миграция, мезенхимно-эпителиальный переход отдельных клеток содной стороны и апикальное сжатие, перестройка клеточных контактов в эпителии – сдругой). Тем не менее, результатом являются гомологичные образования –расположенные между кишкой и кожей мезодермальные сомиты, дающие началомышцам стенки тела и целомической выстилке.1.1.2.

Появление мезодермы в ходе эволюцииКак морфологические и эмбриологические, так и молекулярные данныеуказывают на то, что древнейшими мезодермальными производными былимышечные клетки (Rieger, Ladurner, 2003; Martindale, 2005; Schmidt-Rhaesa, 2007;Chiodin et al., 2013). Первичной функцией миоцитов могли быть контроль занаправлением движения и обеспечение гибкости тела во время плавания искольжения по субстрату (Козин, Костюченко, 2016; Rieger, Ladurner, 2003). Прототипомподобного примитивного организма с ресничной локомоцией служат базальныеBilateria, такие как Acoelomorpha. Миоциты у Nemertodermatida и Acoela имеютмезэнтодермальное происхождение, выделяясь из состава кишечного эпителия (Henry16et al., 2000; Rieger, Ladurner, 2003). Свободные мышечные клетки, как полагают многиесовременные авторы, произошли в эволюции от миоэпителия, широко встречающегосяу книдарий, первично- и вторичноротых (Rieger, Ladurner, 2003; Seipel, Schmid, 2005;Schmidt-Rhaesa,2007;Arendt,2008;Burton,2008).Уполиповимедузмиоэпителиальные клетки присутствуют в составе эпидермиса и гастродермиса, убилатеральных – полностью или частично слагают целомическую выстилку (Seipel,Schmid, 2006; Schmidt-Rhaesa, 2007).

На основе сравнительно-микроанатомическихисследований не раз высказывалось мнение о плавной эволюционной трансформацииоднородного миоэпителия в стратифицированный, у некоторых клеток которогосократительный аппарат смещался базально и/или выносился за пределы пласта, апозднее эти клетки и вовсе выселялись из эпителия, давая начало отдельныммышечным волокнам, прилежащим к стенке целома (Рис. 3). Такие морфологическиеряды построены, например, для иглокожих (Rieger, Lombardi, 1987) и аннелид(Bartolomaeus, 1994).Рис. 3. Предполагаемые пути эволюционной трансформации миоэпителия (по SchmidtRhaesa, 2007).

Анцестральное состояние показано вверху, переходные варианты –посередине, эволюционно-продвинутая тканевая организация – внизу.Поскольку гистологическая организация и стадия формирования целомическогоэпителия в развитии аннелид сильно варьируют, следует признать возможностьнезависимого и многократного происхождения отдельного от мышц перитонеального17листка даже в пределах этого типа животных (Rieger, Purschke, 2005).

По сходнымпричинам другие мезодермальные производные, например соединительную ткань,также считают вторично приобретенной по сравнению с мышцами (Rieger, Ladurner,2003).ЭтопредположениеяркодемонстрируютAcoelomorpha,укоторыхпериферическая паренхима развивается и в онто- и в филогенезе из кишечногоэпителия уже после формирования мускулатуры (Hejnol, Martindale, 2008).Древнейшее происхождениемышечноготипаклетокподтверждают имолекулярно-генетические данные. Путем широкомасштабного биоинформационногоскрининга в секвенированных геномах ряда протистов, растений, грибов имногоклеточных животных были идентифицированы гены ключевых элементовсократительного аппарата мышечных клеток (Козин, 2013a; Steinmetz et al., 2012).Оказалось, что среди этих генов общим для многоклеточных животных, грибов инекоторых протистов является набор из актина, тяжелой и легкой цепи миозина,тропомиозина и кальмодулина.

На основе этого консервативного набора генов иначалась эволюция мышечных клеток. Кроме того, Steinmetz и др. (2012) установили,что дивергенция “мышечного” и “немышечного” типа тяжелой цепи миозинапроизошла еще до появления Metazoa. Наконец, было показано, что в разных линияхмногоклеточных животных, несмотря на сходство поперечно-полосатых мышц наультраструктурном уровне (Schmidt-Rhaesa, 2007), набор ключевых белков в составесаркомеров сильно варьирует, что, несомненно, указывает на независимую эволюциюэтих мышечных элементов у Diploblastica, Protostomia и Deuterostomia (Steinmetz et al.,2012).У гребневиков мышечные клетки существуют исключительно в виде отдельныхмиоцитов (Schmidt-Rhaesa, 2007).

Эти гладкомышечные элементы мезоглеи, глотки ищупалец ведут свое происхождение от нескольких линий бластомеров, отделяющихсяв ходе дробления, от энтодермальных клеток (Martindale, Henry, 1999). У одного изотрядовгребневиковтакжеобнаруженыпоперечно-полосатыемышцы,ультраструктура которых значительно отличается от таковой у трехслойных (SchmidtRhaesa, 2007). Эти факты позволяют некоторым авторам говорить о существовании угребневиков настоящего мезодермального листка (Martindale, 2005; Nielsen, 2008).Однако филогения и молекулярные данные свидетельствуют об обратном. В развитиигребневиков пока не обнаружено экспрессии ранних мезэнтодермальных маркеров,специфичной исключительно для миогенной линии (Yamada et al., 2007). Более того, в18геномах гребневиков отсутствуют важнейшие игроки мезодермальной программытрехслойных, такие как Twist, GATA, NK, Nodal, MyoD (Ryan et al., 2013).

В связи с этим,следует признать независимое происхождение мезодермы Bilateria и миогеннойклеточной линии Ctenophora.Тканевая и молекулярно-генетическая организация книдарий в отношениимезодермальной проблематики сильно отличается от описанной картиныугребневиков. Занимающие базальное среди книдарий филогенетическое положениеAnthozoa располагают мышцами только в миоэпителиальном виде (Schmidt-Rhaesa,2007; Burton, 2008). В большинстве случаев эти мышцы гладкие, но в одном изсемейств (у сильно вторично измененных плавающих актиний) встречаются поперечнополосатые мышечные клетки (Burton, 2008). Напротив, у книдарий с медузоиднойстадией (сцифоидных, кубомедуз и гидроидных) наравне с гладкомышечными широкораспространены волокна и пласты из поперечно-полосатых клеток как эпителиальномышечной природы, так и вынесенные из эпителиального слоя (Seipel, Schmid, 2006).Большой интерес представляет уникальная для гидроидов структура, известнаякак энтокодон.

Энтокодон формируется в медузоидной почке у полипа или реже –медузы за счет дедифференцировки, пролиферации и погружения эктодермальныхклеток под эпидермис (Ball et al., 2004; Seipel, Schmid, 2005; Schmidt-Rhaesa, 2007). Так,энтокодон оказывается третьим слоем почки, заключенным между энто- иэктодермальным эпителием. В ходе дифференцировки из энтокодона образуется всяповерхность субумбреллы медузы, включая поперечно-полосатые и гладкомышечныеэлементы. Неудивительно, что развитие энтокодона сопровождает экспрессиямиогенных факторов MyoD и Mef2 (Seipel, Schmid, 2005). Однако мезодермальныерегуляторы более высокого порядка, такие как Twist и Brachyury экспрессируютсяочень непродолжительно и не только в клетках энтокодона (Spring et al., 2000; Seipel,Schmid, 2005).

Примечательно, что в ходе эмбриогенеза и у личинок локализация мРНКобозначенных мезодермальных факторов, а также GATA у актинии Nematostella,приурочена к проспективной энтодерме (Martindale et al., 2004; Seipel, Schmid, 2005),тогда как энтокодон развивается из эктодермальных клеток. Кроме того, в отличие отнастоящей мезодермы энтокодон образуется в ходе почкования, а не при гаструляции.Вкупе с известным филогенетическим положением Hydrozoa это дает основаниеШмидт-Рэше (Schmidt-Rhaesa, 2007) и Бёртону (Burton, 2008) отвергнуть гипотезу19гомологии энтокодона и мезодермы трехслойных, утверждающую существованиепоследней у общего предка Eumetazoa (Seipel, Schmid, 2005).При рассмотрении примитивнейших базальных билатеральных животных –Acoela – оказывается, что их миогенез по всем параметрам соответствуетмезодермальной программе трехслойных, выделенной из мезэнтодермальной сети(Henry et al., 2000; Rieger, Ladurner, 2003; Martindale, 2005; Hejnol, Martindale, 2008).

Попоследним данным, тканеспецифично у Acoela экспрессируются и структурные, ирегуляторные компоненты миогенеза (Chiodin et al., 2011; Chiodin et al., 2013): 12мезодермальных маркеров выявлены в небольшом количестве перекрывающихсядоменов, что свидетельствует о малом разнообразии мышечных клеток.Анализ развития низших Eumetazoa позволяет нам (Козин, Костюченко, 2016)вслед за рядом авторов (Technau, Scholz, 2003; Ball et al., 2004; Martindale et al., 2004;Burton, 2008) утверждать, что 1) “мезодермальные” гены возникли раньше мезодермы;2) у двухслойных они участвовали в развитии энтодермы; 3) мезодермальный листокпоявился в ходе эволюции за счет сегрегации группы клеток в области бластопора(центра гаструляции); 4) первичной мезодермальной дифференцировкой былимышечные элементы; 5) свободные миоциты и поперечно-полосатые мышцыадаптивно возникали в эволюции несколько раз, что в ряде случаев происходило нафоне отсутствия мезодермального зародышевого листка.1.1.3.

Молекулярные механизмы миогенной дифференцировкиТранскрипционная регуляция миогенеза – формирования скелетных мышцпозвоночных и мышечной стенки тела у беспозвоночных – стала одной из ключевыхмодельных генных регуляторных сетей, начиная со времен открытия белковыхфакторов MRF (myogenic regulatory factors) (Козин, Костюченко, 2016). Молекулы MRFпредставляют собой транскрипционные факторы суперсемейства bHLH (basic helix–loop–helix)иобладаютзамечательнойспособностьютрансформироватьнемезодермальные производные, такие как меланобласты, гепатобласты илинейробласты в мышечные клетки (Weintraub et al., 1989).

Это свойство, вкупе с ихисключительной важностью для нормального развития мышц, делает MRF настоящимимастер-генами миогенеза (Tapscott, 2005; Ciglar, Furlong, 2009; Comai, Tajbakhsh, 2014).У позвоночных существует 4 паралогичных MRF (Рис. 4): MyoD, Myf5, Mrf4,20участвующие в спецификации миобластов, и MyoG (Myogenin), обеспечивающийдифференцировку миобластов (Bentzinger et al., 2012; Buckingham, Rigby, 2014).Рис. 4.

Базовая миогенная программа развития (the core myogenic network) упозвоночных, дрозофилы и нематоды C. elegans (по Ciglar, Furlong, 2009).Гомологичные факторы из одного семейства обозначены шрифтом одинакового цвета(bHLH – зеленый, Eya/Six – оранжевый, MADS/SRF – красный). Вверху (синяя заливка) –внешние по отношению к мезодермальным клеткам сигнальные молекулы.Посередине (зеленая заливка) – модуль спецификации.

Внизу (розовая заливка) –участники этапа терминальной дифференцировки. Установленные межгенныевзаимодействия показаны стрелками.Напротив, у дрозофилы мастер-регулятором миогенеза считается другой bHLHтранскрипционный фактор – Twist, поскольку он необходим и достаточен для запускапрограммы развития мышц (Baylies, Bate, 1996; Furlong, 2004; Barnes, Firulli, 2009). Вотличие от MRF позвоночных Twist у насекомых имеет гораздо более широкие функциив развитии мезодермы (Castanon, Baylies, 2002; Handel et al., 2005). У дрозофилы Twistотвечает за спецификацию и паттернирование мезодермы, ее гаструляционныйморфогенез, спецификацию и дифференцировку разных мышечных линий, включаяпредшественники эмбриональных и взрослых мышц стенки тела (Leptin, 1991; Baylies etal., 1998; Ciglar, Furlong, 2009; Joussineau de et al., 2012).