Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 437
Текст из файла (страница 437)
Пример — семейство регуляториых белков МуоР/миогеиии. Эти белки заставляют клетки дифференцироваться в мышечные, экспрессируя специфические для мышц активы и миозииы, а также все остальные цитоскелетиые, метаболические и мембранные белки, которые нужны мышечной клетке (см. Рис.
7.75). Регуляториые белки, которые определяют конкретные типы клеток, часто принадлежат (так же как и МуоР и его родственники) к семейству траискрипциоииых факторов, основной домен типа спираль — петля — спираль и кодируемых генами, которые гомологичиы, а в некоторых случаях явно идентичны проиейральиым генам, которые мы уже упоминали. Зачастую их экспрессия управляется сигнальным путем Ыо(сй через хитросплетеиие петель обратной связи. Терминальная диффереицировка клеток завершает иаш обзор иа тему того, как гены управляют созданием мухи. Во многом ои был значительно упрощен. В каждом из описанных нами процессов развития участвует намного больше генов, чем мы упомянули, Петли обратной связи, альтернативные механизмы, работающие параллельно, генетическая избыточность и другие явления еще сильнее усложняют общую картину событий.
Несмотря иа все это, важнейший постулат геиегики развития изумляет своей неожиданной простотой. За управление главными особенностями развития всех миогоклеточиых животных отвечает ограниченное число генов и механизмов, используемых многократно в разных обстоятельствах и комбинациях. Далее мы обращаемся к важной стороне развития животных, которую мы до сих пор оставляли в тени: к перемещению клеток. Заключение Внешние органы взрослой мухи развиваются из эпителиальньп структур, называемых имагинальными дисками. В самом начале каждый имагинальный диск, в результате процессов сегментации зародыша на ранних стад х развития, делится на небольшое число областей, экспрессирующих разные регуляторные белки.
Эти области называют компартментами, потому что клетки из разньп областей не смешиваются друг с другом. На границах компартментов клетки, экспрессирующие разные гены, противостоят друг другу и взаимодействуют, вызывая локальный синтез морфогенов, которые управляют дальнейшим ростом и образованием внутренней структуры к ждого такого компартмента. Так, в диске крыла дорсальные и вентральные клетки взаимодействуют с помощью сигнального механизма Хо(сй и создают источник белка У/(пд1езз ( К'и») по дорсо-вентральной границе компартментов, тогда как передние и задние клетки взаимодействуют через сигнальный путь ближнего порядка Нег(де)юд 22.6. Перемещения клеток и формирование тела позвоночного животного 2083 и создают источник белка Орр (член семейства ТОЕТА по передне-задней границе компартментов.
Все эти сигнальные молекулы имеют гомологов, которые играют схожие роли при развитии конечностей позвоночных. Каждый компартмент имагинального диска и каждая субструктура внутри него растут до точно предсказуемого размера, даже вопреки серьезным нарушениям, таким как мутации, которые изменяют скорость деления клеток.
Хотя нет сомнений, что в это дело вовлечены установившиеся в диске градиенты морфогенов, ключевые регуляторные механизмы, управляющие размером органа, еще не удалось обьяснить. В пределах каждого компартмента градиенты морфогенов управляют участками экспрессии следующих наборов генов, определяя группы клеток, которые опять же взаимодействуют друг с другом, чтобы создать тончайшие детали окончательной картины дифференцировки клеток. Так, экспрессия пронейральных генов определяет участки, на которых образуются сенсорные волоски, а опосредствуемые сигнальным путем ХогсЬ взаимодействия среди клеток пронейральной группы, наряду с асимметричными делениями клеток, вынуждают разные клетки одного волоска следовать разными путями заключительной дифференцировки.
Подобным же образом в центральной нервной системе нейробласты выделяются из эктодермы путем латерального ингибирования, а затем проходят длинный ряд асимметричных делений в роли стволовых клеток и порождают нейроны и глиальные клетки. Сбои в асимметричном распределении молекул, которые управляют дифференцировкой и пролиферацией клеток, могут превратить нейробластные стволовые клетки в опухолевые клетки.
Есть основания полагать, что многие из этих же механизмов также работают и в тканях позвоночных. 22.6. Перемещения клеток и формирование тела ПОЗВОНОЧНОГО ЖИВОТНОГО Большинство клеток в теле животного обладает подвижностью, и в развивающемся зародыше их перемещения нередко характеризуются большой протяженностью, массовостью и поражающими воображение, абсолютно неожиданными последствиями. Путем управляемых изменений в картинах экспрессии генов создаются упорядоченные массивы клеток, находящихся в разных состояниях; в ходе перемещения клеток такие клеточные строительные блоки перестраиваются и помещаются в предписанные им места. Характер перемещения клеток определяют экспрессируемые в них гены; в этом смысле управление экспрессией генов есть первичное явление. Однако сами перемещения клеток тоже имеют крайне важное значение и должны быть объяснены, если мы хотим понять, как создается архитектура тела.
В этом параграфе мы разберем этот вопрос в контексте развития позвоночного. В качестве главного примера мы возьмем лягушку Хепориз 1аеоЬ (рис. 22.67), позволившую изучить перемешения клеток особенно хорошо, хотя будем привлекать также и данные о курице, рыбке данно рерио и мыши. 22.6.1. Полярность зародыша земноводного зависит от полярности яйца Яйцо Хепориз представляет собой крупную клетку, чуть более миллиметра в диаметре (рис. 22.68, а). Светлоокрашенный нижний конец яйца называют 22.6;,ОйййЫЯЩЯ)ЗГЯЗ) йпййтбКИ 1РхСГРЗКИРОхВВНИЕ тяя4 П(УЯВтЗИОЧИОГ(З)(г(ЯЯГ)У)ЗОГО '::2ф~5 о,б мм а) АНИЧАЛЬНЫЙ ПОЛЮС точка проникнове сперматозоид окрашенная пигментом цитоплазма на анимапьно полюсе БРЮХО СПИНА мРНК гена Игп111 кортикальный спой плазматичвс мембрана кшлтачная оболочка мРНК гена Увдт мРНК гена ИМ11 Рис. 22.68.
Яйцо Хепариз и его асимметрии. а) Фотография яйца в боковой проекции, отснятая перед самым оплодотворением, б) Асимметричное распределение молекул в яйце и происходящие изменения оного после оплодотворения, в результате которых устанавливается дорсо-вентральная и анимальновегетативная асимметрии. Оплодотворение с помощью реорганизации микротрубочек клеточного скелета вызывает поворот кортикального слоя яйца (глубиной в несколько мкм) примерно на 30 относительно его ядра в направлении, определяемом участком проникновения в него сперматозоида. Некоторые компоненты перенооп ся еще дальше к будущей дорсаль ной стороне посредством активного транспорта по микратрубочкам. Устанавливающаяся в дорсальной области концентрация мРНК гена Игпг11 запускает там синтез сигнального белка уупт11 и обозначает дорсо-вентральную полярность будущего зародыша.
(Фотоснимок а любезно предоставлен Топу Мйз.) вегетативной оси в конечном счете окаж)"гся внутри зародыша. В ходе этих сложных перемещений заклцдываются три главные оси тела: передне задняя, от головы к хвосту; дорсочзентральная. от спины к животу; и срединно боковая, от срединной линии наружу — влево и вправо. Ориентация этих осей определяется асимметриями зародыша на ранних стадиях его развития. Неоплодотворенное яйцо обладает только одной осью асимметрии — анимально вегетативной, — но оплодотворение запускает собьпия внутриклеточного перемещения. которые придают яйцу дополни. тельную асимметрию, определяющую вторую ось под прямым углом к этой первой оси. После проникновения сперматозоида в яйцо внешний, обогащенный актином 2006, '.;:1(есть'6.
((петин в'койуексте ик совчок)гпностй 22.6.2. При дроблении получпетсл много клеток из одной Поворот кортикального слоя завершается приблизительно через час после оплодотворения и сопровождается дроблением, в ходе которого крупная одиночная яйцеклетка путем повторных митозов быстро подразделяется на большое число мень ших клеток, или бластолгеров, без какого лиГю изменения обгцей массы (рис. 22.60), Таким обра.юм химические детерминанты, распределенные в яйце асимметрично, последовательно и планомерно распределяются по отдельным клеткам с разными целями дифференцировки (рис. 22.70). Протяженность цикла этих первых клеточных делений у Хепоуиз составляет приблизительно 30 минут, при этом для них характерно прямое чередование фаз Я и М, как обсуждалось в главе 17.
Очень высокая скорость репликации ДНК и митоза, по видимому, не оставляет практически никакой возможности для транскрипции 1 мм 3 часа, 8 клеток 4 часа, 64 клетки 1 час, 1 клетка Рис. 22 бв. Стадии дробления у Хепориз. За счет клеточных делений на стадии дробления яйцо быстро подразделяется на большое число клеток меньшего размера. В ходе первых 12-ти дроблений все клетки делятся синхронно, но сами зги деления асимметричны, так что отделяемые вниз вегетативные клетки, обремененные желтком, малочисленнее и крупнее верхних анимальных клеток. кортикальный слой цитоплазмы яйца поворачивается относительно его сердцевины, так что анимальный полюс кортикального слоя немного смещается в одну сторону.
Различные методы обработки, блокирующие такой поворот, но допускающие обыч ное протекание дробления, приводят к получению зародыша, у которого имеется центральная кишка, однако полностью отсутствуют дорсальные структуры и не наблюдается никакой дорсо вентральной асимметрии.
Исходя из этого становится очевидным, что поворот кортикального слоя необходим для определения дорсо вентр гльной оси будущего тела, и ось асимметрии, созданная в яйце за счет такого поворота, называется дорсо вентральной осью яйца. Однако следует иметь в виду, что последующие перемеп1ения клеток говорят о том, что истинные взаимосвязи между осями яйг1а и будущими осями тела гораздо сложнее, чем позволяет предпо ложить эта терминология. Направление поворота кортикального слоя изменяется в зависимости от точки проникновения сперматозоида -- возможно, посредством центросомы, которую сперматозоид приносит в яйцо, а движение этого слоя сопряжено с реорганизацией микротрубочек в цитоплазме яйца.