Движение клеток в период гаструляции у амфибий: обзор.
Перед бластулой амфибий встают те же задачи, что и перед бластулой иглокожих, а именно: нужно привести внутрь зародыша области, предназначенные для образования энтодермальных органов, окружить зародыш клетками, способными к формированию эктодермы, и поместить между ними в надлежащие места мезодермальные клетки. Движения, посредством которых это достигается, могут быть визуализированы методом витального окрашивания. В. Фогт насыщал кусочки агара красителями, такими, как нейтральный красный или нильский голубой сернокислый, которыми можно окрашивать клетки зародыша, не повреждая их.
Окрашенные кусочки агара затем помещали на поверхность бластулы, и часть красителя из них переходила в клетки, контактирующие с этими кусочками (рис. 30). Движения каждой группы окрашенных клеток были прослежены в течение периода гаструляции и результаты этих движений суммированы в форме карты презумптивных зачатков. Эти карты недавно подверждены результатами наблюдений с помощью сканирующего электронного микроскопа и методом инъекции красителей.
Исследования Левтрупа и Келлера с использованием витальных красителей показали, что клетки бластулы шпорцевой лягушки имеют разную судьбу в зависимости от того, находятся они в глубоком или в поверхностном слоях зародыша. У шпорцевой лягушки предшественники мезодермы находятся в глубоком клеток, тогда как эктодерма и энтодерма происходят из наружного слоя клеток зародыша (рис. 31). Предшественники хорды и других мезодермальных тканей локализованы под поверхностью в экваториальной (краевой) области зародыша. У хвостатых амфибий предшественники хорды и мезодермы обнаружены как в поверхностных, так и в глубоких краевых клетках.
У зародышей лягушки гаструляция начинается на будущей спинной стороне зародыша, чуть ниже экватора, в области серого серпа (рис. 32). Здесь происходит инвагинация энтодермальных клеток с образованием бластопора. Форма этих клеток чрезвычайно резко изменяется. Основная часть тела каждой клетки смещается внутрь зародыша, сохраняя в то же время контакт с наружной поверхностью посредством узкого цитоплазматического тяжа (рис. 33). Эти колбовидные клетки окаймляют зачаток архентерона, Следовательно, как и у морского ежа инвагинация клеток инициирует формирование гастроцеля.
Следующая фаза гаструляции включает в себя инволюцию клеток краевой зоны: Клетки анимальной области в это время распространяются посредством эпиболии, смещаясь к бластопору. Достигнув губы бластопора, мигрирующие клетки краевой зоны вворачиваются внутрь и перемещаются по внутренней поверхности клеток наружного пласта. Таким образом клетки, образующие губу бластопора, постепенно меняются. Первыми клетками в составе спинной губы бластопора являются энтодермальные, которые инвагинируя, образуют ведущий край архентерона. Эти клетки позже становятся клетками глоточного отдела передней (головной) кишки. После того как эти первые клетки переходят внутрь зародыша, спинная губа бластопора оказывается образованной инволюирующими клетками, впоследствии дающими начало мезодерме головы. Следующие клетки, вворачивающиеся через спинную губу бластопора, называются клетками хордомезодермы. Эти клетки будут формировать хорду – временный мезодермальный «позвоночник», который имеет существенное значение для инициации дифференцировки нервной системы. По мере перехода новых клеток внутрь зародыша бластоцель оттесняется на сторону, противоположную спинной губе бластопора. Тем временем бластопор смещается в вегетативную область и расширяется по мере того, как все больше клеток анимального полушария сходится к губе бластопора. Расширяющийся бластопор образует боковые губы и, наконец, брюшную губу, через которые проходят внутрь дополнительные мезодермальные и энтодермальные клетки-предшественники. С формированием брюшной губы бластопор приобретает форму кольца, окружающего крупные энтодермальные клетки, которые еще остаются на поверхности (рис. 34). Этот остающийся на поверхности участок энтодермы называется желточной пробкой; но и он постепенно оказывается внутри (рис. 32). К этому моменту все предшественники энтодермы оказываются внутри зародыша, эктодерма окружает ее поверхность, а мезодерма распологается между ними.
Гаструляция у птиц.
Основные черты гаструляции у птиц. У зародышей птиц дробление приводит к образованию бластодиска, лежащего наджелтком, объем которого колоссален. Эта инертная масса под бластодиском накладывает некоторые ограничения на движения клеток. Поэтому гаструляция у птиц на первый взгляд кажется сильно отличающейся от гаструляции морского ежа или лягушки. Однако мы скоро увидим огромное сходство между ними в этом отношении. Более того, мы увидим, что даже у зародышей млекопитающих, яйца которых совсем не имеют желтка, сохраняется такой же тип гаструляционных движений, как и у богатых желтком зародышей птиц и пресмыкающихся.
Центральные клетки бластодиска отделены от желтка подзародышевой полостью и кажутся светлыми,поэтому центр бластодиска называется area pellucida (светлое поле). Напротив, клетки, лежащие на периферии бластодиска, кажутся темными из-за их контакта с желтком. Они образуют area opaca, или темное поле. Рис. 35. Большая часть клеток бластодермы остается на поверхности, формируя эпибласт, но некоторые клетки мигрируют по отдельности в подзародышевую полость и формируют там слой, называемый первичным гипобластом. Рис. 36. Вскоре после этого пласт клеток из заднего края бластодермы (серп Коллера) мигрирует кпереди и присоединяется к первичному гипобласту, образуя вместе с ним вторичный гипобласт. Эти два слоя бластодермы (эпибласт и гипобласт) соединяются лишь у края area opaca, а пространство между ними представляет собой бластоцель. Таким образом, строение бластодиска у птиц не отличается от строения бластулы у амфибий или морских ежей.
Карта презумптивных зачатков у зародыша птиц ограничивается эпибластом. Клетки гипобласта не принимают участия в построении тела развивающегося зародыша. Они образуют часть внезародышевых оболочек органов, которые питают зародыш и защищают его. Все три зародышевых листка собственно зародыша (плюс значительная часть внезародышевых оболочек) формируются из клеток эпибласта. Карта презумптивных зачатков эпибласта куриного зародыша до начала гаструляции представлена на рисунке 37. Презумптивные клетки хорды расположены в центре между презумптивной эктодермой и презумптивной энтодермой.
Основной структурой, характерной для процесса гаструляции у птиц, рептилий и млекопитающих, является первичная полоска. Впервые она обнаруживается как центрально расположенное утолщение клеточного пласта на заднем крае светлого поля (рис. 35). Это утолщение образуется в результате миграции клеток из латеральной области заднего отдела эпибласта к центру. Оно постепенно сужается, продвигаясь вперед и превращаясь в узкую дефинитивную первичную полоску. Эта полоска простирается кпереди от заднего края светлого поля на 60-75% всей его длины и маркирует передне-заднюю ось зародыша. По мере того как клетки конвергируют, образуя первичную полоску, в ней возникает углубление, называемое первичной бороздкой, через которую мигрирующие клетки попадают в бластоцель. Следовательно, первичная полоска птиц аналогична бластопору амфибий. На переднем конце первичной полоски имеется утолщение, называемое первичной ямкой или гензеновским узелком. В центре его находится воронкообразное углубление, через которое клетки могут проходить в бластоцель. Гензеновский узелок является функциональным эквивалентом спинной губы бластопора амфибий.
Как только сформировалась первичная полоска, клетки бластодермы начинают мигрировать через губы первичной полоски и далее в бластоцель. Рис. 38. Подобно бластопору амфибий, первичная полоска представляет собой непрерывно меняющуюся популяцию клеток. Те клетки, которые мигрируют через гензеновский узелок, проходят в бластоцель и движутся в нем кпереди, формируя головную мезодерму и хорду; клетки, проходящие внутрь через боковые участки первичной полоски, дают начало большей части энтодермальных и мезодермальных органов. В отличие от клеток амфибий, которые мигрируют в бластоцель целыми пластами, клетки зародыша птиц вступают в первичную полоску индивидуально. Вместо того чтобы соединиться в пласт тесно связанных между собой клеток, мигрирующие клетки образуют в бластоцеле рыхлое скопление мезенхимы. Кроме того, в гаструле птиц не возникает настоящего архентерона.
По мере поступления клеток в первичную полоску она удлиняется в направлении будущего головного конца зародыша. В то же самое время клетки вторичного гипобласта продолжают мигрировать вперед от заднего края бластодермы. Удлинение первичной полоски, по-видимому, коррелировано с этим движением клеток вторичного гипобласта. Первыми через первичную полоску мигрируют клетки, предназначенные стать передней кишкой. Эта ситуация вновь оказывается сходной с той, что наблюдалась у амфибий. Попав в бластоцель, эти клетки движутся вперед и в конце концов замещают собой клетки гипобласта в переднем отделе зародыша. Следующие клетки, вступающие в бластоцель через гензеновский узелок, также движутся вперед, но не распространяются в вентральном направлении в такой степени, как презумптивные энтодермальные клетки. Они остаются между энтодермой и эпибластом, становясь впоследствии клетками головной мезодермы и хордомезодермы (хорды). Эти рано выселяющиеся в бластоцель клетки движутся вперед, приподнимая над собой передний участок эпибласта по среднеспинной линии и образуя головной отросток. Между тем продолжается миграция клеток через первичную полоску. Попав в бластоцель, они подразделяются на два потока. Один из них движется вглубь и соединяется с гипобластом вдоль его средней линии, оттесняя клетки гипобласта в стороны. Из этих движущихся в глубине клеток происходят все энтодермальные органы, а также большая часть внезародышевых оболочек (остальные формируются из гипобласта). Второй мигрирующий поток распространяется по бластоцелю в виде рыхлого пласта примерно посередине между гипобластом и эпибластом. Этот пласт дает начало мезодермальным участкам зародыша и внезародышевых оболочек. К 22 ч инкубации основная часть презумптивных энтодермальных клеток оказывается внутри зародыша, тогда как презумптивные мезодермальные клетки еще продолжают мигрировать внутрь в течение длительного времени.
Теперь начинается вторая фаза гаструляции. В то время как продолжается выселение клеток мезодермы, первичная полоска подвергается регрессии, в результате которой гензеновский узелок из своего положения вблизи центра area pellucida смещается к ее заднему краю. На этом пути он оставляет за собой дорсальную ось зародыша – головной отросток. По мере перемещения гензеновского узелка все далее кзади формируется остальной (задний) участок хорды. Наконец, узелок достигает своего окончательного положения на краю светлого поля, где и формирует анальную область зародыша на манер, свойственный истинно вторичноротым животным. К этому времени эпибласт состоит исключительно из презумптивных эктодермальных клеток.
В результате этого двухступенчатого процесса гаструляции зародыши птиц (и млекопитающих) обнаруживают отчетливый переднезадний градиент в зрелости их развития. В то время как клетки задних участков зародыша еще претерпевают гаструляцию, клетки на его переднем конце уже начинают формировать органы. В течение нескольких следующих дней становится очевидным, что передний конец зародыша более продвинут в своем развитии, чем его задний конец.
По мере того как презумптивные мезодермальные и энтодермальные клетки движутся внутрь, клетки-предшественники эктодермы окружают желток посредством эпиболии. Обрастание желтка эктодермой – задача для Геркулеса, осуществление которой занимает большую часть первых четырех дней инкубации и включает в себя непрерывное образование нового клеточного материала за счет запасов желтка, а также миграцию презумптивных эктодермальных клеток по нижней поверхности желточной оболочки. Итак, когда гаструляция у птиц близится к завершению, эктодерма окружает желток, энтодерма замещает гипобласт, а мезодерма распологается между этими двумя областями.
Гаструляция у млекопитающих.
Развитие млекопитающих имеет много общего с развитием рептилий и птиц.
Однако вместо того, чтобы развиваться самостоятельно, большинство млекопитающих развиваются внутри своей матери. Зародыш млекопитающих получает питательные вещества непосредственно от матери, а не пользуется накопленным желтком. Зародыш млекопитающих развивается в полом мышечном органе – матке. Способность к усвоению материнской пищи обясняется развитием у плода специального органа – плаценты. Она происходит первично из эмбриональных клеток трофобласта, дополненного мезодермальными клетками, происходящими из внутренней клеточной массы.
Происхождение различных тканей раннего зародыша млекопитающих суммировано на рисунке 39. Первое разделение клеток в пределах внутренней клеточной массы заключается в формировании слоя гипобласта, называемого иногда первичной энтодермой. Рис. 40. Эти клетки, отделяясь от внутренней клеточной массы, вселяются в полость бластоцисты, где из них образуется энтодерма желточного мешка. Как и у зародышей птиц, у млекопитающих эти клетки не участвуют в построении какой-либо части организма новорожденного. Оставшуюся на поверхности часть внутренней клеточной массы, лежащую над гипобластом, теперь следует считать эпибластом. Эпибласт затем расщепляется посредством мелких трещин, которые в конце концов сливаются, отделяя зародышевый эпибласт от других клеток эпибласта, образующих выстилку амниона. Рис. 41. После образования выстилки амнион наполняется секретом, называемым амниотической жидкостью, которая служит «поглотителем шоков», или амортизатором, и вто же время предотвращает высыхание развивающегося зародыша.
Считается, что эмбриональный эпибласт содержит все клетки, необходимые для образования самого зародыша. В этом отношении он сходен с эпибластом птиц. На заднем крае эмбрионального эпибласта образуется локальное утолщение, в итоге дающее начало первичной полоске, через которую мигрируют клетки-предшественники энтодермы и мезодермы. Рис. 42. Как и у зародыша птиц, клетки, мигрирующие между слоями гипобласта и эпибласта, покрыты гиалуроновой кислотой, синтез которой начинается с момента формирования первичной полоски.
В то время как в зародышевом эпибласте наблюдаются движения клеток, напоминающие движения клеток при гаструляции у птиц и рептилий, из клеток внезародышевых тканей образуются органы, характерные только для млекопитающих и обеспечивающие выживание плода в матке. Хотя исходные клетки трофобласта кажутся вполне нормальными, часть их образует популяцию, в которой деления ядер не сопровождаются цитокинезом. Первый тип – нормально делящиеся клетки – составляет слой, называемый цитотрофобластом, тогда как второй тип клеток формирует синцитиальный трофобласт. Эта последняя ткань внедряется в слизистую матки, замуровывая в ней зародыша. Матка в свою очередь посылает в эту область кровеносные сосуды, где они затем контактируют с синцитиальным трофобластом. Вскоре после этого мезодермальная ткань простирается кнаружи от гаструлирующего зародыша. Рис. 43. Лакетт показал, что эта ткань мигрирует через первичную полоску, но становится внезародышевой, а не зародышевой мезодермой и входит в ворсинки трофобласта. Из внезародышевой мезодермы формируются кровеносные сосуды, несущие питательные вещества от матери к зародышу. Узкий соединительный стебелек из внезародышевой мезодермы соединяет зародыш с трофобластом, а затем формирует сосуды пупочного канатика. Полностью развитый орган, состоящий из ткани трофобласта и содержащий внезародышевые кровеносные сосуды, называется хорионом; сливаясь со стенкой матки, хорион образует плаценту. Хорион может очень плотно прилегать к материнским тканям, но при этом очень легко отделяться от них или может быть настолько глубоко интегрирован в матку, что их нельзя разделить без повреждения и матери, и развивающегося плода.
НЕЙРУЛЯЦИЯ
У позвоночных в результате гаструляции образуется зародыш, состоящий из внутреннего энтодермального, промежуточного мезодермального и наружного эктодермального листков. Непосредственно под дорсальным участком эктодермы распологается материал хордомезодермы. Взаимодействие этого материала с лежащей над ним эктодермой является одним из наиболее важных во всем развитии: оно побуждает эктодерму формировать полую нервную трубку, которая даст начало головному и спинному мозгу. Итак, мы приступаем к изучению новой фазы развития – органогенеза, т. е. образования специфических тканей и органов. Действие, посредством которого хордомезодерма инициирует развитие нервной трубки из эктодермы, называется первичной эмбриональной индукцией, а клеточный ответ на индукцию, приводящий к трансформации плоского слоя эктодермальных клеток в полую нервную трубку, называется нейруляцией. Последовательность событий, осуществляющихся в период нейруляции, представлена в виде схемы на рисунке 44. В эктодерме образуются клетки трех типов: 1) клетки нервной трубки, 2) клетки эпидермиса кожи и 3) клетки нервного гребня, мигрирующие из области, которая соединяет нервную трубку с эпидермисом. Зародыш, претерпевающий эти изменения, называется нейрулой. Явление первичной эмбриональной индукции будет подробно рассмотрено позже. Здесь же будет рассматриваться реакция на нее различных тканей эктодермального происхождения.
Процесс нейруляции у зародышей лягушки представлен на рисунке 45, 46. Механизмы образования нервной трубки у амфибий, рептилий, птиц и млекопитающих, по-видимому, сходны, поэтому мы рассмотрим этот процесс у разных групп в том же порядке, в котором начали наш обзор развития зародышей этих групп (по способу образования нервной трубки костистые рыбы и костные ганоиды отличаются от других классов позвоночных. У рыб она формируется не путем образования и последующего слияния складок наружной эктодермы, а закладывается в виде плотного клеточного тяжа, погружающегося в зародыш. Этот тяж постепенно становится полым и превращается в нервную трубку. У млекопитающих только самый задний участок нервной трубки формируется путем образования в нем полости (путем кавитации)). Первым указанием на то, что данный участок эктодермы предназначен стать нервной тканью, является изменение формы клеток. Эктодермальные клетки, расположенные в центре дорсальной области, становятся удлиненными, тогда как клетки, предназначенные для образования эпидермиса, уплощаются. Удлинение дорсальных эктодермальных клеток приводит к тому, что эти проспективные нейральные области приподнимаются над окружающей их эктодермой, образуя нервную пластинку. Она занимает не менее 50% площади всей эктодермы. Вскоре после образования нервной пластинки ее края утолщаются и движутся вверх, образуя нервные валики, а в центре нервной пластинки возникает U-образный нервный желобок, разделяющий зародыша на будущие правую и левую половины. Рис. 45, 47. Нервные валики, приподнимаясь, движутся навстречу друг другу и в конечном счете сливаются по среднеспинной линии зародыша. В результате нервная пластинка превращается в лежащую под эктодермальным эпителием нервную трубку. Клетки в области, соединяющей этот эпителий с нервной трубкой, являются клетками нервного гребня. Позднее эти клетки мигрируют по всему зародышу, давая начало нескольким клеточным популяциям, в том числе пигментным клеткам и клеткам периферической нервной системы.
Нервная трубка. Формирование нервной трубки происходит неодновременно во всей эктодерме. Это лучше всего видно на таких позвоночных, как птицы и млекопитающие, у которых зародыш удлиняется по продольной оси до начала нейруляции. На рисунке 48 этот процесс проиллюстрирован на примере куриного зародыша. Нейруляция в головной области продвинулась уже далеко, тогда как в хвостовом отделе еще продолжается гаструляция. Регионализация нервной трубки является также результатом изменений ее формы. В головном конце (где будет формироваться головной мозг) стенка трубки широкая и толстая. В ней рядом вздутий и сужений обозначены различные отделы (компартменты) головного мозга. Однако каудальнее головного отдела она сохраняет вид простой, сужающейся по направлению к хвосту трубки. Два открытых конца нервной трубки называются соответственно передним и задним нейропором.
У млекопитающих амниотическая жидкость в течение некоторого времени протекает через нервную трубку, входя и выходя из этих отверстий. Рис. 49. Однако если к 27 дню беременности задний нейропор еще остается открытым (или если он вскоре после замыкания снова разрывается), то возникает spina bifida – нарушение развития, тяжесть которого зависит от того, насколько большой участок нервной трубки остается открытым. Несмыкание переднего нейропора приводит к анэнцефалии, исход которой летален. Сохраняющийся контакт переднего мозга с амниотической жидкостью вызывает его дегенерацию. Развитие переднего мозга плода прекращается, и свод черепа не формируется. У человека такая аномалия развития встречается не очень редко, примерно в 0,1% случаев всех беременностей. Дефекты смыкания нервной трубки теперь могут быть обнаружены во время беременности с помощью различных физических и химических тестов.
Процесс нейруляции у насекомых на примере краткого обзора развития дрозофилы.
В ранних зародышах дрозофилы происходят быстрые деления ядер, в результате чего формируется синцитиальная бластодерма. Во время девятого цикла около 5 ядер мигрируют в цитоплазму заднего полюса яйца. Здесь они окружаются клеточными мембранами, становясь клетками, дающими начало гаметам взрослого насекомого. К десятому циклу большая часть оставшихся ядер достигает периферии яйца и претерпевает здесь четыре парасинхронных деления. После 13-го деления клеточные мембраны окружают каждое ядро, формируя таким образом клеточную бластодерму, состоящую из 6000 клеток. С 14-го деления в ядрах бластодермальных клеток возрастает уровень транскрипционной активности, весьма низкий до этой стадии. Клетки становятся подвижными, и начинается следующая стадия развития – гаструляция. Описанные изменения происходят в течение первых двух-трех часов развития.
Результатом гаструляции является образование трех зародышевых листков: мезодермы, энтодермы и эктодермы. Рис. 50. Около тысячи клеток вдоль вентральной срединной линии, составляющие проспективную мезодерму, формируют вентральную борозду, края которой сходятся, и она замыкается в трубку. Эта трубка уплощается и образует под вентральной эктодермой мезодермальный зародышевый листок. Инвагинирующие массы клеток в начале и в конце вентральной борозды дают начало энтодерме насекомого. Гаструляционные перемещения клеток энтодермы увлекают за собой полярные клетки и они попадают внутрь зародыша. В это время в передней части зародыша образуется головная (цефалическая) складка, а на дорсальной стороне передние и задние поперечные складки.
Оставшиеся на поверхности зародыша клетки, мигрируя в тангентальном направлении, подтягиваются к вентральной срединной линии. Образовавшееся скопление клеток носит название зародышевой полоски.
Эта полоска начинает перемещаться к заднему полюсу, огибает его и продолжает движение на дорсальной стороне в направлении переднего полюса. В результате презумптивные структуры задних отделов личинки на дорсальной стороне зародыша распологаются в непосредственной близости от проспективных головных структур. На этой стадии развития у зародышей дрозофилы начинают формироваться сегменты, и происходит топографическое разделение эктодермального и мезодермального зародышевых листков. Вскоре зародышевая полоска начинает сокращаться и это приводит к восстановлению ее исходной топологии. Именно на этой стадии онтогенеза дрозофилы из поверхностной эктодермы сегрегируют клетки, предшественники имагинальных дисков, а из продольного клеточного тяжа вдоль вентральной срединной линии – нейробласты, родоначальники клеток нервной системы. В отличие от нервной системы позвоночных нервная трубка насекомых формируется в вентральной области зародыша, она возникает из нейробластов, дифференцирующихся в вентральной нейрогенной эктодерме каждого сегмента и в процефалической нейрогенной эктодерме головы.
Оболочники. Изучение детерминации клеток у оболочников в значительной степени облегчалось тем обстоятельством, что у некоторых видов цитоплазма яйца сразу же после оплодотворения сегрегируется на ряд по-разному окрашенных областей. Конклин описал , как эти окрашенные области распределяются по разным бластомерам. Первое деление дробления разделяет яйцо на правую и левую половины, являющиеся зеркальным отражением одна другой. Каждое последующее клеточное деление на правой и левой стороне происходит синхронно. Проследив судьбу каждого бластомера асцидии Styela partita, Конклин пришел к поразительному заключению, что каждая окрашенная область имеет свою особую судьбу. Рис 51. Желтый серп цитоплазмы дает начало мышечным клеткам; из серого экваториального серпа образуются хорда и нервная трубка; прозрачная анимальная цитоплазма становится эпидермисом личинки; из содержащей желток серой вегетативной области яйца возникает кишка личинки.
Ревербери и Минганти изучали детерминацию у оболочников в серии экспериментов по изоляции бластомеров; эти авторы также наблюдали самодифференцировку каждого изолированного бластомера и остальной части зародыша. Рис. 52. Если 8-клеточный зародыш разделить на четыре части по два бластомера в каждой, то мозаичная детерминация их является правилом. Задняя анимальная пара бластомеров дает начало эктодерме, задняя вегетативная пара продуцирует энтодерму, мезенхиму и мышечную ткань. Однако развитие нейральных структур является исключением. Клетки, образующие нервную систему, происходят из двух передних квадрантов – анимального и вегетативного, но ни один из них по отдельности не дает начало нервным клеткам. Если эти передние пары вновь соединяют вместе, то возникают ткани мозга и пальпы. Другими словами, даже в строго детерминированном зародыше, как зародыш оболочников, осуществляются некоторые индукционные взаимодействия между бластомерами. И действительно, Ортолани показал, что эта область эктодермы не детерминирована к состоянию «нейральности» вплоть до стадии 64 клеток, непосредственно предшествующей началу гаструляции. Таким образом, хотя большая часть тканей у этих зародышей детерминируется сразу после оплодотворения, некоторые ткани претерпевают прогрессивную детерминацию.
Молекулы адгезии.
В связи с нейруляцией и развитием собственно нервной системы удобно на частном примере вкратце коснуться молекулярных основ клеточной адгезии и так называемых САМов (Cellular Adhesion Molecules),с изучением которых связывают надежды на понимание того, как линейный генетический код «прочитывается» в онтогенезе, разворачиваясь в трехмерную структуру организма.
Многие стороны морфогенеза могут быть понятны и объяснены особенностями временной и пространственной экспрессии соответствующих генов и активностью веществ адгезии в эмбриональных клетках.
Полагают, что существует не более десяти молекул клеточной адгезии, которые, распологаясь на поверхности клеток, через специфику клеточных контактов определяют морфологию развивающегося организма. Модуляцией свойств молекул адгезии можно объяснить всю динамику и всю мозаику отношений между клетками зародыша через изменение адгезивных отношений между ними, а через него – влияние на деление, дифференцировку, миграцию и гибель клеток.
Рассмотрим три отдельные молекулы адгезии (САМ): N-CAM (молекулы адгезии нейральных клеток); L-САМ (молекулы адгезии клеток печени); Ng-САМ (молекулы адгезии нйроглиальных клеток). Все они были вы, делены как специфические очищенные белки, и преинкубация с соответствующими антителами нейтрализовала их активность и ингибировала адгезию.
N-САМ – молекулы адгезии нейральных клеток существуют в двух модификациях. В эмбриональной (ЕN), содержащей очень много сиаловой кислоты, и взрослой (АN), которая включает треть сиаловой кислоты по сравнению с эмбриональной и синтезируется de novo.
По данным электрофореза, N-САМ состоит из двух раздельно мигрирующих компонентов и минорного компонента. По составу и последовательности соединения аминокислот Е- и А-формы N-САМ идентичны.
Активация N-САМ кальций независима. Активированный N-САМ осуществляет адгезию однородных клеток, хорошо показанную на искусственных липидных мембранных пузырьках, в которые был встроен очищенный N-САМ. Такие пузырьки агрегировали друг с другом, но агрегация блокировалась антителами к N-САМ и не шла с пузырьками, не содержащими N-САМ. На этой модельной системе было показано, что двукратное повышение концентрации N-САМ в 30 раз увеличивает адгезию пузырьков.
А-форма N-САМ (с более низким содержанием сиаловой кислоты) осуществляет адгезию в 4 раза быстрее, чем Е-форма. В эволюции активность высококонсервативна, что показано и мышей.
L-САМ, подобно N-САМ, представляет собой гликопротеин, аминотерминальная часть которого служит для клетка-клеточного взаимодействия, а карбоксил терминальная часть закрепляет молекулу в цитомембране. L-САМ, состоит только из одной полипептидной цепи, структура которой в течение развития не меняется. L-САМ работает в присутствии кальция, осуществляя адгезию однородных клеток. N- и L-САМы первичны, т. е. осуществляют адгезию структур на ранних стадиях онтогенеза. Есть и вторичные САМы, участвующие в частных гистогенезах, например Ng-САМ, осуществляющие слипание нейронов с клетками глии. Адгезия здесь кальцийзависимая. Ng-САМ не содержит заметных количеств полисиаловой кислоты и не меняет своей структуры в процессе развития.
В развитии нервной системы в эмбриогенезе цыпленка N- и L-САМы определяются на очень ранних стадиях и выступают, таким образом, как первичные. Они обнаруживаются более чем в одном зародышевом слое и выявляются в делящихся клетках. Ng-САМ (в противоположность L- и N-САМам) есть только в производных нейроэктодермы, он активен в постмитотических клетках и поэтому определяется как вторичный.
Развитие нервной системы можно представить в виде двух больших стадий:
1) индукция нервной системы, образование нервной трубки;
2) гистогенез и установление структурных связей, определяющих функциональную активность ЦНС.
На первой стадии – индукции – вариации количеств N- и L-САМ отражают границы нервной пластинки. На второй стадии – гистогенезе – появляется Ng-САМ, а L-САМ исчезает. N-САМ есть на стадии гистогенеза и у взрослых форм, но в перинатальный период меняет Е-форму на А-форму.
N- и L-САМы коэкспрессируются в клетках бластодермы. На стадии 10 сомитов у цыпленка, т.е. когда нейруляция выражена, N-САМ собирается в районе нервной пластинки и исчезает из латеральной эктодермы. Позднее активность N-САМ возобновляется в области латеральной эктодермы, в месте формирования хрусталиковых и фарингиальной плакод. В противоположность этому активность L-САМ утрачивается в районе нервной пластинки,но сохраняется в области латеральной эктодермы.
Нервная пластинка превращается в нервную трубку, состоящую из нейроэпителиальных клеток. В ней предшественники нейральных и глиальных клеток являются N-САМ позитивными, а L- и Ng-САМ негативными.
Ng-САМ сосредоточиваются в вентральном районе нервной трубки на стадии 31 сомита. В это время Ng-САМ содержится в нейритах, которые образуют белое вещество спинного мозга, но отсутствуют в телах нейронов. По мере роста нейритов Ng-САМ активируется там, где отросток увеличивается, а по мере стабилизации и миелинизации исчезает из миелинизированных трактов. В центральной нервной системе взрослых животных Ng-САМ остается только в немиелизированных трактах (обонятельный).
N-молекулы в противоположность Ng-САМ присутствуют в телах и нецритах всех клеток нервной системы, но количество и состав N-САМ неодинаковы (А- и Е- формы) в разное время в разных областях нервной системы.
В каждой области развивающегося мозга количество N-CAM снижается по мере взросления. К трем неделям оно достигает взрослого уровня, т.е. 1/3 от пика. Е-форма (характерная для зародыша) заменяется А-формой (характерной для взрослых) постепенно между 1-й и 3-й неделями после рождения. Отношение Е-формы к А-форме в разных местах мозга неодинаково, что, вероятно, отражает необходимую там силу адгезии, ибо следует иметь в виду, что двукратное увеличение концентрации молекул приводит к 30-кратному возрастанию адгезии. Сначала уровень ЕN-молекул отражает стадию ускоренного роста нервных пучков и необходимость достижения контакта, поэтому концентрация относительно невысокая. Во время функциональной стабилизации, обусловливающей прочную структурную организацию, ЕN-САМы заменяются высокоадгезивной А-формой, фиксирующей нервные связи. Гипотеза подтверждается мутантными мышами, страдающими вертячкой. У них замедлена Е-А- конверсия, и в гранулярном слое клетки Пуркинье не формируют зрелых синапсов.