ОНТОГЕНЕЗ, 2011, том 42, № 2, с. 83-93
ОБЗОРЫ =
УДК 575.16:951.3595.773.4
АСИММЕТРИЧНОЕ ДЕЛЕНИЕ КЛЕТОК В МОРФОГЕНЕЗЕ МАКРОХЕТ
Drosophila melanogaster1 © 2011 г. Т. А. Бухарина1, Д. П. Фурман1, 2
Учреждение Российской академии наук Институт цитологии и генетики Сибирского отделения РАН,
630090 Новосибирск, пр. Лаврентьева, д. 10 2Новосибирский государственный университет, 630090 Новосибирск, ул. Пирогова, д. 2
E-mail: bukharina@bionet.nsc.ru Поступила в редакцию 28.12.09 г. Окончательный вариант получен 15.04.10 г.
Асимметричное деление клеток (АДК) является основным процессом, создающим разнообразие клеток у многоклеточных организмов. В результате асимметричного деления дочерние клетки приобретают отличия от родительской клетки и друг от друга по своим способностям к дифференци-ровке и специализации в определенном направлении. Этот тип деления встречается у широкого круга живых организмов от бактерий до позвоночных. Показано, что молекулярно-генетические механизмы контроля АДК эволюционно консервативны. Белки, участвующие в процессе АДК у разных видов животных, имеют высокую степень гомологии.
В качестве модельной системы для изучения механизмов генетического контроля асимметричного деления широко используются сенсорные органы — щетинки (макрохеты) дрозофилы. Щетинки, упорядоченным образом расположенные на голове и теле мухи, играют роль механорецепторов. Каждый из них состоит из 4-х специализированных клеток — потомков единственной родительской клетки сенсорного органа (РКСО), которая обособляется из эктодермальных клеток крылового имагинального диска на стадии личинки позднего третьего возраста. Основой дифференцировки и последующей специализации дочерних клеток РКСО является процесс асимметричного деления. В обзоре систематизированы экспериментальные данные о генах и их продуктах, контролирующих асимметричные деления РКСО и дочерних клеток, а также специализацию последних. Рассмотрены основные механизмы, детерминирующие время вступления клетки в асимметричный митоз и обеспечивающие структурные характеристики процесса асимметричного деления — полярное распределение белковых детерминант Numb и Neuralized, ориентацию веретена деления относительно этих детерминант и неравную сегрегацию детерминант по дочерним клеткам, определяющую направление их развития.
Ключевые слова: асимметричное деление, родительская клетка сенсорного органа, гены-селекторы, сигнальные пути, макрохеты, дрозофила.
ВВЕДЕНИЕ
Проблема асимметричного деления клеток (АДК) занимает в биологии одно из центральных мест, поскольку этот процесс, с одной стороны, создает возможность самоподдержания и самообновления клеточных популяций и, с другой стороны, определяет возможность структурно-функциональной дифференцировки и специализации клеток.
Стратегически дифференцировка клеток может достигаться двумя путями: либо различным направлением развития изначально тождественных дочер-
1 Работа выполнена при поддержке Программ РАН 15 и 22.8, программы СО РАН "Геномика, протеомика, биоинформатика: высокотехнологичные исследования молекуляр-но-биологических и молекулярно-генетических систем и процессов", Междисциплинарного интеграционного проек-
та СО РАН № 119, Госконтракта с ФАНИ № 02.512.11.2332 и гранта НШ-2447.2008.4.
них клеток, возникших при делении исходной клетки, либо через появление дочерних клеток, уже наделенных изначально различными потенциями к дифференцировке в определенном направлении. Первый путь реализуется при дальнейшем воздействии на дочерние клетки внешних стимулов различного происхождения, тогда как второй связан с процессом асимметричного деления родительской клетки.
Необходимыми и достаточными условиями асимметричного деления являются поляризация родительской клетки по распределению определенных белковых детерминант и строгое позиционирование веретена деления вдоль оси поляризации клетки, что ведет к неравной сегрегации по дочерним клеткам компонентов, детерминирующих их дальнейшую судьбу.
Рис. 1. Схема морфогенеза щетиночного органа. 1 — эктодермальные клетки крылового имагинального диска; 2 — проней-ральный кластер (темно-серые); 3 — пронейральный кластер с клеткой РКСО в центре; pIIa, pIIb, plIIb — дочерние клетки, г — клетка глии, которая впоследствии подвергается апоптозу, не — нейрон, те — текоген, тр — трихоген, то — тормоген, щ — щетинковая клетка, гн — гнездовая клетка (цоколь), о — клетка оболочки нерва, н — биполярный нейрон.
Асимметричное деление — процесс эволюцион-но консервативный и наблюдается у представителей широкого круга таксономических групп как растительного, так и животного царств, отличаясь лишь в деталях (Wodarz, Huttner, 2003; Knoblich, 2008, Abrash, Bergmann, 2009). У многоклеточных организмов оно является базовым при формировании органов и тканей, у одноклеточных позволяет разнообразить типы клеток, обеспечивая оптимизацию существования популяции в целом (Horvitz, Her-skowitz, 1992; Betschinger, Knoblich, 2004; Lawler, Brun, 2006; Терских и др., 2007; Abrash, Bergmann, 2009, Thorpe et al., 2009).
С проблемой асимметричного деления тесно смыкается проблема неопластического роста: показано, что неоплазия у многоклеточных связана с нарушениями регуляции АДK (Morrison, Kimble, 2006; Wodarz, Gonzalez, 2006; Caussinus, Hirth, 2007; Терских и др., 2009; Furthauer, Gonzalez-Gaitan, 2009; Yamashita, 2009).
Для исследования механизмов асимметричного деления используют нейробласты и клетки зародышевого пути дрозофилы, эмбриональные клетки C. elegans, стволовые клетки человека и других млекопитающих (Horvitz et al., 1983; Seery, Watt, 2000; Jan, Jan, 2001; Shen et al., 2002; Zhang et al., 2003; Ro-egiers, Jan, 2004; Lechler, Fuchs, 2005; Gaziova, Bhat, 2007). Наряду с этими объектами, адекватной моделью для изучения асимметричного деления служат и компоненты периферической нервной системы дрозофилы - сенсорные органы - щетинки (макро-хеты), каждый из которых состоит из четырех специализированных клеток, происходящих из т.н. родительской клетки сенсорного органа (РKCO) путем последовательных асимметричных делений.
В обзоре систематизированы экспериментальные данные об основных генах и их продуктах, участвующих в процессах асимметричного деления РKCO и специализации клеток, формирующих де-
финитивный механорецептор. Рассмотрены условия и механизмы, обеспечивающие правильное протекание последовательных асимметричных митозов и специализацию дочерних клеток: время вступления родительской клетки в деление, поляризация РКСО по локализации белков Numb и Neural-ized, позиционирование веретена деления относительно этих детерминант и их сегрегация по дочерним клеткам, участие генов-селекторов.
МОРФОГЕНЕЗ МАКРОХЕТ: ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Макрохеты как органы периферической нервной системы дрозофилы выполняют функцию механо-рецепторов. В составе дефинитивного органа различают кутикулярную внешнюю часть, видимую на поверхности тела имаго — это щетинка и цоколь, окружающий ее основание, и скрытые в полости тела собственно нейральные элементы — биполярный нейрон и его оболочку.
Морфогенез макрохет занимает около 55 часов и приходится на стадию позднего личиночного и раннего куколочного возраста дрозофилы (Hartenstein, Posakony, 1989; Huang et al., 1991; Campuzano, Mod-olell, 1992). Это трехэтапный процесс, в котором участвует несколько десятков генов.
На первом этапе в массе однородных эктодер-мальных клеток крыловых имагинальных дисков формируются т.н. пронейральные кластеры — группы из 20—30 клеток. На втором этапе в границах каждого пронейрального кластера определяется единственная клетка, предетерминированная к развитию механорецептора — РКСО. Заключительный этап составляют три последовательных асимметричных митотических деления РКСО, создающих основу для последующей специализации клеток-потомков (рис. 1).
Рис. 2. Два типа АДК в морфогенезе механорецепторов. А, Б — а-р тип; В, Г — а-Ь тип. Темно-серые и светло-серые точки внутри клеток — белковые детерминанты. Расшифровка сокращений соответствует рис. 1. Горизонтальной линией обозначена плоскость крылового имагинального диска.
В результате последовательных асимметричных митозов из каждой родительской клетки образуются четыре дочерние: трихоген, тормоген, нейрон и те-коген. Двумя из них (трихо- и тормогеном) впоследствии формируются кутикулярные части механоре-цептора. Две другие дают, соответственно, биполярный нейрон и клетку его оболочки — нейральные составляющие механорецептора.
Уже первый асимметричный митоз РКСО предопределяет различные судьбы ее дочерних клеток р11а и р11Ь. В дальнейшем клетка р11а даст начало трихо- и тормогену, тогда как клетка р11Ь предетер-минируется к специализации по нейральному пути. В результате ее деления возникает маленькая клетка глии и клетка рШЬ. Глиальная клетка подвергается апоптозу вскоре после образования, а рШЬ, в свою очередь, проходит асимметричный митоз с образованием нейрона и текогена.
Таким образом, ключевыми событиями морфогенеза макрохет являются детерминация РКСО и последовательные асимметричные митозы, которые проходит эта клетка и ее потомки. Детерминация РКСО детально рассмотрена нами ранее (Фурман, Бухарина, 2008; Furman, ВикЪаппа, 2008, 2009). Ниже остановимся подробнее на молекулярно-генети-ческих механизмах АДК.
АСИММЕТРИЧНОЕ ДЕЛЕНИЕ
КАК БАЗОВЫЙ ПРОЦЕСС СПЕЦИАЛИЗАЦИИ КЛЕТОК,
СОСТАВЛЯЮЩИХ МЕХАНОРЕЦЕПТОР
Типы АДК в нейрогенезе дрозофилы
Двумя сопряженными характеристическими признаками асимметричного деления клетки (АДК) являются поляризация клетки по расположению определенных белков, называемых белковыми детерминантами, и ориентация веретена деления относительно этих детерминант. Согласно этим признакам, АДК, происходящие при формировании нервной системы дрозофилы, подразделяются на два типа, соответствующие типам поляризации делящейся клетки (рис. 2).
Первый тип свойственен клеткам РКСО и рПа. Это т.н. а-р (ап1егюг-ро81епог), или РКСО-тип: ось распределения белковых детерминант и ориентация веретена совпадают с передне-задней осью делящейся клетки. Веретено симметрично, центросомы сохраняют сво
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.