Судьба организатора в период гаструляции

Как было выяснено еще Г.Шпеманом, индуцирующие свойства дорзальной губы бластопора амфибий изменяются по мере хода гаструляции. Если на стадии ранней гаструлы эктопическая пересадка дорзальной губы индуцирует прежде всего развитие структур головы, то на поздней гаструле ею же вызывается развитие туловищных и хвостовых структур. Это доведенное до схемы обобщение следует все же уточнить: ранний организатор реально вызывает развитие не только структур головного отдела, но и более постериорных отделов, т.е.всего зародыша. Это различие в действиях раннего и позднего организаторов в области дорсальной губы Де Робертис (De Robertis,1995) объясняет тем, что первый имеет максимальную активность.
Все эти индукционные влияния происходят на фоне морфогенетических перемещений, которые описаны подробным образом на амфибиях, особенно на Xenopus (рис.1).

Рис. 1. Схема гаструляции у Xenopus laevis (по: Nieuwkoop and Faber,1967).
(а) Стадия 10. Начало гаструляции или ранняя дорзальная губа бластопора.
(б) Стадия 11. Организатор Шпемана вворачивается внутрь яйца,а в дор- зальной губе располагается предшественник хордомезодермы.
(в) Стадия 11,5. Инволюция мезодермы завершается. Материал ранней дор- зальной губы располагается в прехордальной зоне.
1 - дорзальная губа бластопора, 2 - бластоцель, 3 - архентерон. Густой пунктуацией отмечен организатор развития головных структур (собственно организатор Шпемана), штриховыми линиями - организатор туловищно-хвостовых структур.

Клетки, находящиеся в зоне губы бластопора на стадии ранней гаструлы и проявляющие свои организующие способности прежде всего в формировании головных отделов, первыми вворачиваются внутрь яйца и являются ведущим краем продвижения всей остальной массы инвагинирующего слоя клеток (Gerhart, Keller,1986). Рано инвагинирующие клетки становятся прехордальной мезодермой или прехордальной пластинкой. Все, что инвагинирует в процессе гаструляции вслед за ними становится хордомезодермой, из которой позднее формируются хорда и сомиты, т.е. структуры туловищного и хвостового отделов. С позиций этих данных вполне очевидно, что в начале и в конце гаструляции в дорсальной губе бластопора находятся совершенно разные клетки и после перемещения в составе единого пласта они оказываются в разных частях формирующегося зародыша. Тот факт, что при эктопических пересадках дорсальной губы клетки раннего и позднего организаторов вызывают преимущественно развитие либо головных, либо туловищно-хвостовых структур, может говорить о предопределенности их судьбы уже в составе дорсальной губы, а вероятнее, что еще до ее морфогенеза, задолго до того как они займут свое основное место в составе осевых органов зародыша. Это подтверждается регионализированной генной экспрессией в предшественницах бластопорной ткани в догаструляционный период. Соответственно в переднем (вегетативном) и заднем (анимальном) регионах были выявлены домены экспрессии Gsc (позднее найденный в прехордальной пластинке) и Xnot (позднее экспрессируемый в хорде) (Harland, Gerhart,1997). Следовательно, сегрегация паттернирующей активности для обоих организаторов может существовать еще до начала морфогенеза губы бластопора. К сходному заключению пришли Камус и Там (Сamus and Tam,1999).
Структуры, функционально эквивалентные организатору амфибий, были выявлены у других позвоночных на основе способности производить вторичные оси после гетеротопической пересадки этих структур на ранней гаструле. У рыб это стадия зародышевого узелка или щита (Shih, Freser,1996). У птиц и млекопитающих свойства организатора проявляет узелок (у птиц он называется узелком Гензена), расположенный на переднем конце первичной полоски (Beddington,1994; Psychoyes and Stern,1996).
Описываемые перемещения клеток организатора подтверждены наблюдениями за молекулами-маркерами, специфическими для области раннего организатора. Как указывалось выше, еще в 1991 г был выделен первый маркерный ген в организаторе gsc, который появляется еще в прегаструле, но в зоне предназначенной стать организатором. Затем его экспрессия обнаруживается в ранней дорзальной губе. С началом инволюции экспрессия gsc здесь постепенно затухает. Продолжается экспрессия этого гена только в клетках, которые покидают дорсальную губу, как у амфибий (Steinbeisser and De Robertis,1993), либо узелок Гензена, как у птиц (Izpisua-Belmonte et al.,1993). Клетки из глубоких слоев дорсальной губы, экспрессирующие gsc, мигрируют посредством ползающих (crawling) движений вдоль крыши архентерона и оказываются в составе прехордальной пластинки (Niehrs et al.,1993). По-видимому, благодаря экспрессии gsc клетки дорсальной губы получают импульс, вынуждающий их к миграции в будущую прехордальную зону. Выяснилось, что если ввести в вентральные клетки gsc mRNA, то это вынуждает их мигрировать в передние отделы зародыша и заселять пространство впереди хорды (Steinbeisser, De Robertis,1993). В конце концов, клетки, экспрессирующие gsc, оказываются в составе головной мезодермы, а точнее, в прехордальной ее части, структуре, подстилающей передний мозг.
Точно так же была прослежена экспрессия гена Xotx2: сначала она проявляется в зоне глубоких клеток ранней дорсальной губы, которые затем ползут вдоль крыши архентерона и далее оказываются в прехордальной мезодерме (Pannese et al.,1995). Такой же путь клеток из области организатора Шпемана в прехордальную мезодерму прослеживается в процессе гаструляции, когда наблюдали экспрессию генов Xlim-1 (Taira et al.,1992) и frizzled-8 (xfz8) (Deardorff et al.,1998).
Опыты с маркерами дополнили упомянутые выше наблюдения Герхарта и Келлера (Gerhart and Keller,1986) о миграции клеток организатора в период гаструляции в прехордальную зону и помогли установить, что клетки прехордальной пластинки возникают в глубоких слоях ранней дорсальной губы (Keller et al.,1992). В головном отделе нейрулы эта пластинка составляет относительно маленькую зону (Steinbeisser and De Robertis,1993; Izpisua-Belmonte et al.,1993). Наконец, пересадка прехордальной пластинки со стадии поздней гаструлы в зародыши на ранней гаструле может индуцировать развитие эктопического головного отдела, наподобие того как это происходит при эктопической пересадке ранней дорсальной губы (Gilbert,1994; Lemaire and Kodjabachian,1996). По сути это означает, что дорсальная губа на ранней гаструле и прехордальная мезодерма на поздней гаструле являются одной и той же популяцией клеток и что за время гаструляции организатор Шпемана переместился из губы бластопора в прехордальную зону (рис.1).
Аналогичным образом узелок Гензена у птиц, также теряет способность индуцировать развитие головных отделов нервной системы из клеток эпибласта аrea opaca, начиная со стадии дефинитивной первичной полоски (стадия НН4+ по: Hamburger, Hamilton,1951). Стадия 4+ маркируется появлением в составе прехордальной пластинки группы клеток, ранее мигрировавших из зоны узелка (Lemaire et al.,1997; Foley et al.,1997).
Недавно были получены новые факты, касающиеся раздельного существования головного и туловищного организаторов у зародышей млекопитающих. Я уже упомянул, что узелок на переднем конце первичной полоски у млекопитающих проявляет свойства организатора Шпемана. В то же время эти оси постоянно оказываются усеченными в области головного отдела, например, не развивается передний мозг (Beddington,1994; Tam et al.,1997). Теперь представлены данные о том, что головной и туловищный организаторы млекопитающихся разобщены и, по-видимому, располагаются даже в различных зародышевых слоях: первый - в передней висцеральной энтодерме (ПВЭ) и второй в клетках эпибласта (Beddington, Robertson,1999; Camus, Tam,1999). Оказалось, что ПВЭ проявляет свои организующие свойства в формировании головных структур еще за сутки до того, как формируется узелок (7.5 суток post coitum), который у млекопитающихся рассматривается как двойник губы бластопора в зародышах амфибий (Beddington,1998). В другой работе (Knoetgen et al.,1999) удаляли ПВЭ из зародыша кролика на стадии, когда еще не образуются первичная полоска и узелок, пересаживали ее в область внешнего края area pellucida зародыша курицы на стадии HH3 и культивировали до стадии прехордальной пластинки (HH5). ПВЭ кролика была способна индуцировать экспрессию GANF - маркера головных нейральных валиков. Таким образом, эти данные демонстрируют факт разобщения головного и туловищного организаторов у зародышей млекопитающих как пространственно, так и по времени развития, что может подтверждать доказательства, представленные выше, согласно которым в других классах позвоночных оба эти организатора также исходно предетерминированы в разных клеточных субпопуляциях.
Помимо метода трансплантаций общие элементы гаструляции в разных классах позвоночных выявляются путем анализа молекулярных маркеров, как уже упомянутых, так и других. Например, ген Brachiury (T) является маркером для всей мезодермы и ее локализацию на ранних стадиях можно определить по экспрессии Т. У Xenopus и Danio rerio (zebrafish) будущую мезодерму можно видеть как кольцо вокруг сферического эмбриона: это так называемая маргинальная зона. Гомологом этого кольца у мышей является первичная полоска (De Robertis et al., 1994). Выяснилось также, что gsc, который является маркером дорсальной губы бластопора амфибий, также обнаруживается в гомологичных структурах указанных других групп позвоночных, являясь дополнительным доказательством гомологичности всех этих структур (Lemaire et al.,1997). Максимальная экспрессия gsc достигается у Xenopus как раз перед образованием дорсальной губы в начале гаструляции (стадия 10): зона экспрессии находится еще над дорсальной губой там, где локализуется организатор Шпемана (Gerhart et al.,1989). У цыпленка максимальная экспрессия gsc наблюдалась перед тем как первичная полоска достигнет наибольшего растяжения (ст.3+), у zebrafish - при 50% эпиболии (Stachel et al,1993) и у мыши - на стадии 6.7 сут (Blum et al.,1992). Предполагается, что эти стадии являются эквивалентными при гаструляции позвоночных (De Robertis et al.,1994).

Дата добавления: 2015-11-16