Генетический контроль развития нервной системы.
В настоящее время нейральную индукцию объясняют взаимодействием активаторов и ингибиторов – полипептидных сигнальных молекул. К их числу относят следующие:
1. Ноггин (noggin) – в чистом виде вызывает нейрализацию в нанамолярных концентрациях, тогда как другие сигнальные факторы – в пикомолярных.
2. Фоллистатин (follstatin) – индентифицирован у млекопитающих как секретируемый белок, ингибирующий высвобождение активин-релизинг-фактора. Активин секретируется также шпемановским организатором амфибий и в низких концентрациях поддерживает эпидермальную дифференцировку эктодермы. У зародышей амфибий фоллистатин участвует в процессах нейральной индукции. Он экспрессируется в шпемановском организаторе и, подобно ноггину, вызывает нейрализацию эмбриональной эктодермы при инъекциях его иРНК. При этом эффект зависит от дозы. Так как активин поддерживает эпидермальную дифференцировку, то полагают, что нейтрализующее действие фоллистатина опосредовано активином. Связываясь активином, фоллистатин открывает эктодерме путь к нейродифференцировке.
3. Хордин (chordin) – экспрессируется уже в презумптивном «организаторе» на поздней бластуле, продолжает нарабатываться в собственно организаторе на гаструле и затем исключительно в хорде (поэтому хордин). Инъекция его иРНК в вентральную часть бластулы вызывает образование дополнительных осевых комплексов, а добавление очищенного хордина в культуральную среду с эксплантантами эктодермы гаструлы вызывает их нейрализацию. Полагают, что он действует, создавая градиент вычитания и тем самым дорзализует ткани, связываясь с вентрализаторами ВМРs (bone morphogenetic proteins). ВМРs также экспрессируется в шпемановском организаторе и других структурах ранних зародышей амфибий. Подобно тому как фоллистатин связывается с активином, хордин связывается с ВМРs, оставляя эктодерме путь к нейральной дифференцировке.
4. Ген церберус (cerberus) – экспрессируется в глубоких слоях организатора, активируясь фоллистатином, хордином и ноггином. Второй по представленности в организаторе после хордина. Белок его не выявлен. кДНК церберуса кодирует 270-й аминокислотный полипептид, не имеющий гомологии с другими белками. иРНК церберуса in vitro и при эктопической инъекции in vivo индуцирует переднеголовные части мозга. В шпемановском организаторе найдены ростовые факторы млекопитающих, способные нейрализовать эктодерму ранних гаструл амфибий.
5. Xnr3 – принадлежит к надсемействуTGF (трансформирующие рост). Инъекция иРНК Xnr3 вызывает нейрализацию эктодермы.
6. FGF3 и FGF4. Принадлежит к семейству FGF (факторы роста фибробластов). Способны нейрализовать клетки эктодермы при условии их дезинтеграции. Если эктодерма не дезинтегрирована на клетки, то только очень высокие нефизиологические концентрации FGF3 и FGF4 нейрализуют ее. Полагают, что они служат факторами экспансии нейральной дифференцировки в эктодерме и действуют совместно с другими нейрализаторами (Л. И. Корочкин, А. В. Михайлов, 2000). Наряду с секретируемыми организатором сигнальными полипептидами-эффекторами в нейрализации эктодермы участвуют гомеобоксосодержащие гены, экспрессируемые в нем.
7. Xlim1 – относится к семейству Lim. Инициирует экспрессию хордина (но не ноггина и фоллистатина). иРНК Xlim1 индуцирует синтез нейроспецифических транскриптов в эктодерме гаструлы.
8. Saimois – вместе с Xlim1 определяет способность шпемановского организатора к индукции головных структур. Экспрессируется на поздней бластуле – ранней гаструле в начальный период нейрализующей активности шпемановского организатора.
В опытах с дезинтеграцией эктодермы in vitro наблюдали эффект аутонейрализации клеток. На эктодермальных клетках есть рецепторы к мезодермализующим, эпидермализующим и нейрализующим факторам. Как указывалось выше, шпемановский организатор секретирует эндогенный фоллистатин, который инактивирует активин, вызывающий мезодермализацию и эпидермализацию эктодермы и приводит к нейрализации. Это свидетельствует о том, что сигнальные молекулы, секретируемые шпемановским организатором, являются «инструктивной» причиной нейрализации и лишь снимают запреты на нее. Это так называемая «дефолт»-гипотеза нейрализации. Согласно гипотезе «уклонения», на ранних стадиях индуцируется эпидермальный путь развития эктодермы. Шпеменовский организатор секретирует факторы, ингибирующие этот путь. При этом возникают две возможные трактовки последующей нейрализации:
1) либо клетки эктодермы следуют по эпидермальному пути, сохраняя способность к нейрализации, что и проявляется, когда они освобождаются из-под эпидермализующего контроля;
2) либо уход из-под эпидермализующего контроля – всего лишь предпосылка к началу последующих преобразований в направлении нейрализации под влиянием специфических воздействий.
Эмбриональная индукция.
В конце ХIХ в. настала эра экспериментальной эмбриологии, которая продолжается и сейчас. Одна из самых плодотворных теорий развития, которая объединяет усилия эмбриологов на протяжении всего ХХ века и по настоящее время, - теория эмбриональной индукции.
Экспериментальная разработка будущей теории началась с разнообразных опытов по пересадке закладок у ранних зародышей амфибий в лаборатории Ганса Шпемана. Сначала в опытах по пересадке эктодермы в области будущей нервной системы в различные места зародыша на стадии ранней гаструлы – в область дорсальной губы бластопора, в область презумптивной нервной пластинки, в область покровов была показана зависимость судьбы трансплантата от дифференцировки клеток окружения. В области дорсальной губы бластопора трансплантат становился ее частью, в области презумптивной нервной пластинки – частью нервной пластинки, а затем и трубки. Однако, когда таким же образом пересаживали материал дорсальной губы бластопора, трансплантат вел себя иначе: его клетки инвагинировали под эктодерму хозяина точно так же, как это было бы в районе собственного бластопора. Под эктодермой хозяина трансплантат дифференцировался в хорду. Использовав непигментированный трансплантат из дорсальной губы бластопора тритона и поместив его вблизи бластопора пигментированного хозяина, исследователи обнаружили, что при этом на теле хозяина формировался фактически еще один зародыш. У этого зародыша развивались хорда, сомиты нервная трубка, дифференцированная на головной и спинной отделы, а в энтодерме хозяина возникал дополнительный кишечный канал. Различия в пигментации клеток трансплантата и хозяина позволили установить, что хорда развивалась исключительно из клеток трансплантата, сомиты были частично образованы клетками трансплантата, а частично – хозяина и небольшая часть клеток трансплантата вошла в состав нервной трубки нового организма, которая была выполнена главным образом клетками хозяина. Рис. 53. Из опытов следовали два важных вывода:
- Судьба материала трансплантата (дорсальной губы бластопора) определена и не зависит от окружения.
- Пересаженный материал дорсальной губы влияет на судьбу окружающих его клеток хозяина таким образом, что покровная эктодерма превращается в дополнительную нервную трубку, мезодерма – в осевую мезедорму, а в энтодерме формируется дополнительный кишечный канал.
Все эти структуры возникли под влиянием трансплантата – клеток дорсальной губы бластопора. Явление, при котором одна структура развивается в зависимости от присутствия и под влиянием другой, получило название эмбриональной индукции. Структура – источник определяющих и организующих развитие влияний – получила название индуктора или организатора. Последующие, более тщательные исследования показали, что вся дополнительная центральная нервная система может быть построена из клеток хозяина, а трансплантат – индуктор становился хордой, сомитами и прехордальной пластинкой, если он содержал материал из соответствующих презумптивных областей.
Представление о развитии, при котором одна саморазвивающаяся часть выступает как причина становления другой, а сам онтогенез представляет собой последовательную цепь таких событий, в работах Г. Шпемана и его школы оформилось в теорию эмбриональной индукции.
Уже к 30-м годам ХХ в. было известно, что верхняя губа бластопора амфибий обладает организующим воздействием на окружающие ее части зародыша. Когда рассматривалась самоорганизация структур, проходящих через дорсальную губу бластопора и зависимая от нее организация нервной пластинки и нервной трубки, предпологалось, что организующие стимулы исходят из области организатора еще до гаструляции и после гаструляции. В первом случае они воздействуют сквозь клетки зародыша. В последнем случае их источник – клетки крыши первичной кишки, образованной из организатора.