Цитология, № 2 (2001)

Ю.Н.Городилов
E-mail: [e-mail]

1. История проблемы
2. Судьба организатора в период гаструляции
3. Организаторские свойства прехордальной пластинки (мезодермы)
4. Роль организатора в формировании головного отдела
5. Граница между головой и туловищем у позвоночных
6.Участие гомеобоксных и других семейств генов в образовании туловищно-хвостового и головного отделов тела
А. Система гомеобоксных генов Hox
Б. Система гомеобоксных генов для развития головы позвоночных
В. Значение генов других семейств для закладки головного и туловищно-хвостового отделов тела у зародышей позвоночных
7. К вопросу о единой продольной оси тела позвоночных
8. Онтогенетическое происхождение гипофиза
9. Организатор Шпемана и происхождение позвоночных
10. Список литературы
Дополнительные сведения

История проблемы

Г.Шпеман и его сотрудница Х.Мангольд открыли у зародышей амфибий так называемый "организатор". Они выяснили, что если дорсальную губу бластопора на ранней гаструле пересадить на брюшную сторону другого зародыша, то в этом месте в яйце разовьется вторая зародышевая ось (Spemann and Mangold,1924). Недавние исследования истории этого вопроса (Sander,1993) выявили, что решающий эксперимент был проведен в 1921 году Хильдой Мангольд, когда она пересадила кусочек дорсальной губы округлого бластопора зародыша тритона на брюшную сторону другого зародыша на той же самой стадии. В результате на месте трансплантата сформировался второй комплекс осевых органов, включая структуры головы, иначе говоря, на месте трансплантата в яйце образовался второй зародыш. В другом опыте, когда трансплантат был взят из слабопигментированного зародыша Triturus cristatus и перенесен на зародыш T.vulgaris, характеризующийся обильной пигментацией, выяснилось, что вторая эмбриональная ось только частично происходила из трансплантанта, но в основном состояла из пигментированных клеток реципиента.
Участие дорсальной губы бластопора в программе развития нового зародыша можно свести к трем наиболее значительным результатам:

• формирование осевых структур и установление плана билатеральной симметрии;
• переопределение судьбы части клеток хозяина и включение их в структуры трансплантата;
• индуцирование нейральной системы.

Саму дорсальную губу, влияние которой приводит к развитию нового зародыша, назвали организатором. В наше время ее чаще называют организатором Шпемана. Образование нервной пластинки, из которой впоследствии развивается центральная нервная система (ЦНС), считали итогом индукционных влияний со стороны нижележащей мезодермы (собственно организатора) и этот последний процесс раньше называли первичной эмбриональной индукцией (Саксен и Тойвонен,1963), в наше время его принято называть просто эмбриональной индукцией.
Еще сам Г. Шпеман заметил некоторые региональные различия в индуцированных структурах нервной пластинки, когда некоторые из них оказывались более краниальными производными ЦНС, а другие, наоборот, более каудальными. Он вскоре показал, что фрагмент дорсальной губы, взятый со стадии ранней гаструлы, индуцировал передние нейральные структуры, тогда как та же самая область со стадии поздней гаструлы приводила к образованию каудальных нервных структур. Поэтому Г. Шпеман стал различать соответственно "головной" и "туловищный" организаторы (Spemann,1938; Hamburger,1988).
После того как группа Г. Шпемана (Bautzmann et al.,1932) показала, что убитые ткани могут действовать как индукторы и что индуцирующие сигналы могут осуществляться в бесклеточной среде, был сделан вывод о химической природе индукторов. (см. обзоры: Саксен, Тойвонен,1963; Saxen,1997).
Параллельно с первым циклом химических работ были начаты работы по изучению специфичности индуцирующих агентов. Оказалось, что разные ткани взрослых животных различных видов обладают неодинаковым индуцирующим действием, вызывая образование различных региональных участков нервной системы. Все последующие усилия в 1940-1960 годы привели к формированию "гипотезы двойного градиента", согласно которой имеются два основных индуктора -"нейральный" и "мезодермальный", которые находясь в различных соотношениях, формируют весь спектр производных ЦНС (Саксен, Тойвонен,1963). Эта точка зрения о существовании двух основных индукторов и о возможности получения самых различных направлений тканевой и клеточной дифференциации при смешении индукторов в разных соотношениях сохраняет сторонников до сих пор (Saxen,1997). Модификацией двуградиентной гипотезы с целью учесть больший круг экспериментальных данных можно рассматривать модель "трех сигналов", разработанную Дж.Слэком (Слэк,1990; Slack,1991; Christian, Moon,1993а). Как дополнение в эту модель вошло открытие Ньюкоопа (Nieuwkoop,1969), согласно которому на стадии ранней бластулы из вентральной части яйца в сторону анимального полюса исходят индуцирующие сигналы, значение которых инициировать развитие мезодермы или организатора. Позднее эту область будущей вентральной губы бластопора стали называть центром Ньюкоопа.
Пионерской для этого этапа исследований можно считать работу Э. Льюиса (Lewis,1978) по картированию гомеозисных генов комплекса bithorax у дрозофилы. Оказалось, что эти гены располагались в одной хромосоме в едином кластере и в том же порядке они последовательно экспрессировались в раннем эмбриогенезе вдоль формирующейся оси тела в передне-заднем (ПЗ) направлении (Lewis,1978; Scott et al.,1983).
В начале 80-х годов молекулярные методы анализа ДНК резко прогрессировали. Это позволило ряду лабораторий приступить к расшифровке молекулярного строения некоторых гомеозисных генов дрозофилы. Удалось выяснить, что в кДНК каждого из этих генов содержится, кроме уникальных последовательностей, одна и та же довольно сходная последовательность. Это не было неожиданным, поскольку Э.Льюис предполагал, что гомеозисные гены возникли путем тандемной дупликации и в их составе должны встречаться сходные участки. Тем более удивительно, что значение этой последовательности, названной гомеобоксом, было сразу правильно оценено (McGinnis et al.,1984; Корж,1987; Корочкин,1987; Gehring,1997). Исследования, проведенные в аспекте эволюционных проблем, вскоре выявили наличие генов,содержащих гомеобокс и у других животных (Carrasco et al.,1984).
Гомеобокс, входящий в состав всех гомеозисных генов как у дрозофилы (комплекс НОМ-С), так и у других животных, состоит из довольно идентичной последовательности нуклеотидов, содержащей 180 пар. Он локализован в протеинкодирующей части соответствующих генов, кодируя гомеодомен из 60 аминокислот. Гомеодомен формирует характерную пространственную структуру helix-turn-helix, которая, по-видимому способна связываться с соответствующими участками ДНК в регуляторной области генов-мишеней, тем самым активируя или репрессируя их транскрипционную деятельность (Gehring,1997; Lewis,1998). Интересно, что гомеозисный комплекс НОМ-С с генами содержащими гомеобокс экспрессируется вдоль ПЗ оси в том самом порядке, в каком гены расположены на хромосоме в направлении от 3' к 5'. Позднее это соответствие между порядком генов в кластере на хромосоме и порядком их функциональной активности, установленное Льюисом (Lewis,1978) на дрозофиле, было названо колинеарностью. По-видимому, этот комплекс отвечает за организацию главной оси тела, обеспечивая спецификацию различных частей тела вдоль ПЗ оси.
Самым удивительным открытием нашего времени оказалось, что практически все Metazoa содержат в хромосомах такой же кластер с набором таких же, или точнее гомологичных, генов, сохраняющих и основную функцию: определять спецификацию различных частей тела вдоль ПЗ оси. Выяснилось, что этот комплекс существует и у позвоночных, с тем лишь отличием, что у высших животных он представлен в 4-х повторностях, располагающихся в 4-х разных хромосомах. Правило колинеарности в полной мере сохраняется и у позвоночных (Duboule and Dolle, 1989; Graham et al.,1989). У всех позвоночных этот кластер генов теперь обозначается как комплекс НОХ. Гены этого комплекса рассматриваются, по классификации Льюиса, как управляющие (master) гены, чьи протеиновые продукты соединяются с цис-регуляторной областью генов-мишеней последовательно направляющих дифференциацию клеток (Lеwis,1998).
Несколько позднее были выполнены исследования с целью скринирования генов, экспрессирующихся непосредственно в дорcальной губе, т.е. в области организатора. Первым был идентифицирован ген, который также содержал в своем составе гомеобокс. Этот новый ген, обнаруженный в области организатора у Xenopus, а затем и у мыши, назвали goosecoid (gsc) (Blumberg et al.,1991; Cho et al.,1991). Для того, чтобы выяснить роль гена gsc в эмбриональном развитии, были произведены микроинъекции его мРНК в вентральные бластомеры 4-х клеточного эмбриона. Оказалось, что у таких зародышей с большой частотой происходило образование второго осевого комплекса. В последующие годы был выявлен еще целый ряд молекулярных факторов (noggin, Xnot1,гены семейства Wnt, Xlim1) (Kessler, Melton,1994; De Robertis,1995; Saxen,1997), которые также после инъекции в эктопические части яйца способны вызвать развитие второго зародыша. В настоящее время выявлено уже около 20 генов, экспрессирующихся в зоне организатора (Lemaire and Kodjabechian,1996) и большинство из них способны индуцировать развитие нового осевого комплекса, после того как их инъецировали в вентральную область зародыша.
Итак, наблюдается довольно сложная и запутанная ситуация с цепочкой генов или их продуктов, запускающих процесс образования нового зародыша из материала клеток, которым предназначена совсем другая судьба в нормальном эмбриогенезе. Возможно, что одинаковый формообразующий эффект воздействия значительного числа генов (и не только из области организатора), способных инициировать развитие второго зародыша при введении их в эктопические части зародыша, можно объяснить тем, что все они являются ступенями многоэтапного каскада событий, которые участвуют в индуцировании развития сначала мезодермы, а затем и нейральной пластинки. Может быть он многократно дублируется или запускается из многих промежуточных состояний необратимо?

Дата добавления: 2015-11-16