Молекулярно-генетические механизмы формирования овоцита

Яйцеклетка – это не гомогенное образование, а гетерогенная, химически преформированная система. Именно в ходе ооплазматической сегрегации формируются региональные особенности цитоплазмы. Происходит специфическое распределение биологически активных веществ и образование полярных градиентов, которые на химическом уровне определяют план строения будущего организма. Яйцеклетка характеризуется анимально-вегетативным градиентом – постепенное снижение концентрации и синтеза РНК и белков от анимального полюса к вегетативному. В вегетативной части яйцеклетки располагаются метаболически инертные запасные питательные вещества.

Значение ооплазматической сегрегации было показано в экспериментах Ж.Браше, который разрушал градиент веществ цитоплазмы путем центрифугирования. Если в результате центрифугирования разрушалась система градиентов, а распределение РНК, белков и других веществ в цитоплазме яйца оказывалось равномерным – развитие останавливалось, и зародыш погибал. Если путем центрифугирования единый анимально-вегетативный градиент разделялся на два самостоятельных – возникал зародыш с двумя системами осевых органов.

Разрушение анимально-вегетативного градиента, вероятно, нарушает неравномерное распределение РНК, от которого зависит синтез соответствующих белков, специфичных для определенных районов развивающегося зародыша. В ходе дальнейшего развития, на стадии дробления бластомеры отличаются друг от друга как в физиологическом, так и в молекулярном отношении.

Однако такая гетерогенность яйцеклетки свойственна не всем организмам. Вероятно, для яиц млекопитающих не характерна фиксированная гетерогенность, и анимально-вегетативная ось устанавливается после развития зиготы. В экспериментах на овоцитах мышей, удалось получить нормальное развитие бластоцисты из яиц, лишенных анимального или вегетативного полюса. Возможно, в таких оперированных овоцитах происходит в дальнейшем перераспределение различных маркеров в ходе раннего развития, что может указывать на высокую регуляционную способность овоцитов млекопитающих.

У некоторых организмов (амфибии, насекомые) формирование анимально-вегетативного градиента зависит от материнского организма.

На созревших яйцах Rana pipiens была показана прямая зависимость полярности яйца от распределения кровеносных сосудов. У 75-80% созревших яйц Rana pipiens стебелек, прикрепляющий оболочку яйца к яичнику, расположен в области экватора яйца неслучайно. Выходящие из стебелька кровеносные сосуды распространяются по оболочке, причем основная часть артериальных сосудов располагается в анимальной половине яйца, тогда как венозные сосуды – преимущественно в вегетативной части. В результате формируется градиент интенсивности процессов обмена веществ, подобно градиентам распределения желтка и пигмента. Анимальный полюс, снабжаемый артериальной кровью, находится в более благоприятных условиях, что способствует накоплению биологически активных веществ и более активному метаболизму. В цитоплазме вегетативного полушария, снабжаемого

Таблица 4

Системы генов, контролирующие формирование овоцита у дрозофилы

Гради-ент овоцита	Гены	Локализация продукта гена (мРНК, белок)	Функция гена и его продукта	Фенотипическое проявление мутации гена
Анимально-вегетативный	bicoid exuperantia shallow nanos: активируется 5 генами с материнским эффектом и геном pumilio hunchback: активируктся белком гена bicoid	Синтез и транспорт мРНК из питательных клеток в анимальный полюс (передняя часть зародыша) Анимальный полюс     Синтез мРНК в фолликулярных клетках, транспорт ее для синтеза белка на вегетативном полюсе Передняя половина зародыша	Белок стимулирует транскрипцию гена hunchback   Поддержание стабильности и распределения продукта гена bicoid   Блокировка трансляции мРНК гена hunchback Участие в транспорте продукта гена nanos Репрессирует гены, активные в брюшных сегментах	Нарушение развитие головного конца   Отсутствие самых передних структур   Нарушение заднего конца зародыша   Леталь при мутации, гомозиготной по этому гену
Дорзо-вентральный	torpedo pipe, nudel, windbeutel spatzle: активируется генами snake и easter toll: активируется продуктом гена spatzle pelle cactus dorsal	Фолликулярные клетки Фолликулярные клетки   Перивителлиновое пространство   Активируется на вентральной стороне и белок распределяется по всему яйцу равномерно	Белок связывает лиганд из овоцита   Посылают сигнал в вентральную часть овоцита Формирование дорсо-вентрального градиента   Высвобождает белок dorsal из комплекса dorsal-cactus	Развитие дорсальной части зародыша
Образование терминальных структур	torso: белок активируется продуктом гена torsoless и взаимодействием с генами tailless huckebein	Передний и задний концы зародыша Фолликулярные клетки	Контроль формирования акрона и тельсона	При отсутствии белка эмбрион полностью сегментирован При доминантной мутации гена передняя половина зародыша превращается в акрон, задняя – в тельсон

венозной кровью, создаются условия для накопления запасных питательных веществ, в связи с более инертным метаболизмом.

У насекомых ооплазматическая сегрегация обусловлена положением овоцита относительно окружающих трофических клеток. Обычно полюса овоцита имеют неравное положение относительно трофических клеток, и всегда один из полюсов окружен большим количеством питающих клеток, снабжающих его через специальные канальцы различными веществами (РНК, белки и др.) и даже митохондриями (у некоторых жуков). Поставленный в более благоприятное положение относительно трофоцитов полюс овоцита впоследствии становится анимальным.

Молекулярно-генетические механизмы формирования градиентов в яйцеклетке наиболее изучены на дрозофиле.

Яйцеклетка дрозофилы развивается из общей с трофоцитами клетки-предшественника. Каждая такая клетка претерпевает 4 деления, в результате чего образуется 16 клеток, одна из которых будет половой. Будущие половые клетки выявляются рано, после того как ядра, дающие начало зародышевому пути, попадают в область полярной плазмы, образование которой контролируется геном oscar. В половой клетке в цитоплазме выделяется специфическая область – спектросома. Остальные клетки становятся питающими и соединены с яйцеклеткой цитоплазматическими мостиками, по которым в нее поступают различные вещества, участвующие в формировании градиентов. Хромосомы трофических клеток претерпевают политенизацию, что активизирует процесс обслуживания яйцеклетки. Из материнской мезодермы образуется около 1000 мелких фолликулярных клеток, окружающих дифференцирующийся овоцит с трофическими клетками. Будущий передний конец эмбриона располагается в области овоцита, прилежащий к трофоцитам, а более выпуклая поверхность яйца становится вентральной частью эмбриона. Далее начинается активное функционирование материнского генома в трофических и фолликулярных клетках.

Выделяют три основные системы генов, особенно важных для формирования градиентов яйцеклетки (табл. 4).

Первая система генов обеспечивает формирование анимально-вегетативного градиента. Вторая система генов контролирует формирование дорсо-вентрального градиента яйца. Наконец, третья система генов контролирует формирование градиентов в овогенезе, а именно образование терминальных структур – акрона (несегментированный головной конец) и тельсона (несегментированный хвостовой конец).

В первой системе генов ключевым является ген bicoid, содержащий специфическую консервативную последовательность ДНК из 180 нуклеотидов, названную гомеобокс. При мутации гена bicoid нарушается развитие головного конца дрозофилы (вместо головы и груди развиваются структуры заднего конца зародыша), тогда как задний конец развивается нормально. Продукт гена bicoid перемещается из питательных клеток в анимальный полюс развивающегося овоцита, формируя выраженный анимально-вегетативный градиент распределения продукта этого гена. Такие продукты называются морфогенами.

Для четкого распределения продукта гена bicoid на переднем полюсе зародыша требуется активность еще двух генов: exuperantia и swallow. Мутации этих генов нарушают градиент распределения белка bicoid, у зародышей отсутствуют самые передние структуры, но формируются удлиненные челюсти и грудные структуры.

Кроме этого, фолликулярные клетки передают в овоцит транскрипты гена nanos, которые локализуются на вегетативном полюсе. Белок гена nanos синтезируется в области заднего полюса и затем транспортируется в область брюшных сегментов, что осуществляется при участии продукта гена pumillo. У мутантов nanos нарушается развитие заднего конца зародыша. Если транскрипты гена nanos инъецировать в передний конец зародыша, то в этой области могут сформироваться различные структуры, свойственные заднему полюсу.

В формировании плана строения организма на самых ранних этапах созревания овоцита принимает участие важный ген hunchback, который функционирует и в материнском, и в зиготическом геноме. Работа гена hunchback зависит от гена bicoid, а его продукты сосредоточены в передней части зародыша, где формируются головные и грудные сегменты. Мутанты, гомозиготные по этому гену утрачивают передние структуры и являются летальными.

К генам, контролирующим формирование дорзо-вентрального градиента, относятся torpedo, pipe, nudel, windbeutel, которые функционируют в фолликулярных клетках. Гены овоцита посылают сигнал неизвестной природы к рецептору, кодируемому геном torpedo, белок которого способен связывать лиганд из овоцита. Далее гены фолликулярных клеток посылают сигнал в вентральную область овоцита (рис. 12).

После оплодотворения гены snake, easter активируют ген spatzle, продукт которого активирует на вентральной стороне яйца ген toll. Продукт гена toll в свою очередь активирует продукт гена pelle – киназу, которая фосфорилирует продукт гена cactus. Этот процесс заканчивается высвобождением продукта гена dorsal, поступающий в ядра.В этом каскаде реакций ген toll необходим для формирования дорзо-вентральной полярности и активация toll -рецептора высвобождает белок гена dorsal из комплекса dorsal-cactus. В ядрах формируется градиент белка гена dorsal, концентрация которого выше в вентральной области и ниже – в дорсальной. Возможно, снижение концентрации белка dorsal вызывает реакции, трансформирующие клетки в дорсальном направлении.

А

Анимальный полюс Вегетативный полюс

(передний конец зародыша) (задний конец зародыша)

Б

snake

easter

дорсальная вентральная перивителлиновое

сторона сторона пространство

Рис. 12. Схема детерминации анимально-вегетативного (А) и дорсо-вентрального (Б) градиентов в яйце дрозофилы. Гены и их продукты неизвестной природы указаны вопросом.

В третьей группе генов, определяющих формирование градиентов в овогенезе, основная роль принадлежит гену torso, активация белка которого осуществляется продуктом гена torsoless, функционирующем в фолликулярных клетках, а также взаимодействием с продуктами генов tailless и huckebein. При отсутствии продукта гена torso эмбрион развивается полностью сегментированный, акрон и тельсон не развивается.

Таким образом, развитие овоцита представляет собой последовательное формирование гетерогенности его цитоплазмы, т.е. осуществляется ооплазматическая сегрегация. В этот период функционирует большое количество генов, и в яйцеклетке накапливается набор самых разных мРНК, многие из которых будут использованы на более поздних стадиях развития эмбриона. Именно в ходе созревания яйцеклетки закладывается план будущего строения организма.

Дата добавления: 2015-07-26