ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ, 2009, № 2, с. 167-178
МАТЕРИАЛЫ КОНФЕРЕНЦИИ
УДК 591.331+591.481
ЭВОЛЮЦИЯ ОНТОГЕНЕЗА МОЗГА АМФИБИЙ
© 2009 г. С. В. Савельев
ИИИ морфологии человека РАМИ, 117418 Москва, ул. Цюрупы, 3 E-mail: embrains@hotmail.com Поступила в редакцию 24.06.2008 г.
На различных видах амфибий рассмотрены основные события раннего эмбрионального развития нервной системы от нейруляции до первичной дифференцировки. Установлены многочисленные межвидовые различия в организации нейроэпителия, нейруляции и сегментации эмбрионального мозга. Полученные данные позволяют предположить, что причиной сходства развития мозга является не общность происхождения конкретных видов, а наличие универсальных механизмов формообразования. В гипотезе предполагается, что сходство формы развивающегося мозга амфибий детерминировано механизмами кодирования позиционной информации, необходимыми для гистогенетической дифференцировки.
Рассматривая эволюцию онтогенеза мозга земноводных, мы находимся в привилегированном положении. Нам уже известны успешные результаты эволюции онтогенеза мозга анамний, которые спустя миллионы лет были реализованы у рептилий, птиц и млекопитающих. Однако для понимания путей эволюции формообразования нервной системы наибольший интерес представляют источники происхождения совершенных морфогенезов мозга амниот. Сравнительная эмбриология современных амфибий позволяет реконструировать основные эволюционные тенденции в развитии мозга (Jacobson, 1982; Савельев, 1993а, б),
Для эволюционных исследований нервная система представляется наиболее привлекательным объектом. Форма мозга создавалась в эволюции не для выполнения механических функций. Она является результатом процессов формообразования, распределения во времени и пространстве активности структурных генов и следствием эволюции анализаторов, двигательных и ассоциативных систем. С этой точки зрения форма мозга является своеобразным артефактом адаптивной эволюции организмов. Для того чтобы оценить основные тенденции эволюции онтогенеза амфибий, следует сравнить ранние этапы развития их мозга.
Морфологическое обособление центральной нервной системы начинается после хордомезодер-мальной индукции нейроэктодермы. Однако доней-руляционное происхождение нервных клеток и их предшественников имеет большое значение для понимания эволюции развития мозга. Существует два подхода к изучению процесса детерминации развития нервной системы, основанные на представлениях о мозаичности и рефляционности развития нервной системы (Hirose, Jacobson, 1979; Савельев, 1993а, 2001а).
Мозаичный тип развития предусматривает детерминацию судеб потомков клеток-предшественниц на протяжении всего онтогенеза мозга, вплоть до его окончательной дифференцировки. Согласно мозаичной модели, детерминация начинается со стадий 32 и 64 бластомеров, когда происходит выделение одного или двух бластомеров, которые станут в дальнейшем предшественниками всех клеток нервной системы. Пройдя одно или два деления, бластомеры формируют первичную группу клеток предшественниц. Каждая из них дает начало одному клону клеток, который состоит только из ее потомков. Клоны не смешиваются друг с другом и имеют выраженные границы. Однако в процессе реального развития мозга существуют миграции клеток, которые учитываются в мозаичной модели морфогенеза. Для объяснения этих явлений авторами вводится представление о компартментах, которые отличаются от клонов только тем, что клетки, расположенные на их границах, могут перемешиваться с клетками соседних компартментов (Hirose, Jacobson, 1979). Однако в соответствии с мозаичной гипотезой клетки в компартменте на 80% состоят из потомков одной клетки-предшественницы. Компарт-мент является как совокупностью топологически объединенных потомков одной клетки, так и функциональной единицей. После нейруляции клетки компартмента формируют определенную область мозга. Следовательно, мозаичная модель развития мозга предусматривает не только детерминацию топографического положения клетки, но и ее функциональную дифференцировку.
Регуляционная модель развития нервной системы предусматривает значительно меньшее программирование судьбы отдельных клеток. Основой регуляционной модели развития мозга является мультифункциональность клеток-пфедшественни-иц и отсутствие жесткой эмбриональной программы развития. В гипотезе предусматривается детер-
минация только направления нейральной диффе-ренцировки ткани, а не судеб отдельных клеток, клонов или компартментов. Судьба клеток ней-рального зачатка зависит от того, в какие коммуникативные отношения они вступят друг с другом в процессе эмбрионального формообразования. Регуляционная модель подразумевает, что судьба клетки в известной степени случайна. Она меняется в зависимости от положения клетки в нейральном зачатке. Следовательно, судьба клетки в каждый конкретный момент времени эмбрионального развития зависит от ее топографического положения и коммуникационных взаимодействий с соседями. Таким образом, параметром, ограничивающим степень изменчивости клетки, является ее топологическая принадлежность к той или иной части нейраль-ного зачатка (Nieuwkoop вг а1., 1985; Савельев, 1993а, б),
С точки зрения регуляционой модели судьба клеток зависит от тех формообразовательных процессов, в которых они участвуют. Каждая клетка нейрального зачатка детерминирована настолько, насколько она топологически связана с развитием конкретных структур. В регуляционной модели судьба клетки зависит от нескольких постоянно изменяющихся параметров. С одной стороны, это топография клетки в развивающемся зачатке, а с другой - весь комплекс межклеточных взаимодействий. Согласно регуляционной модели, любая клетка может начать пролиферировать или выйти в дифференцировку, если ее позиционная информация будет соответствовать началу этого процесса. В этом случае первичный паттерн нервных связей устанавливается не по генеалогическому принципу, а между клетками, реализующими одинаковую позиционную информацию.
В основе различий мозаичной и регуляционной моделей лежит отношение к продолжительности детерминированного развития. Мозаичная модель подразумевает, что судьба клетки предопределена уже на стадиях дробления и гаструляции. Все остальное время развития клетка реализует полученную информацию. Другая ситуация в регуляционной модели. Здесь предполагается, что на непродолжительное время детерминирована только исходная группа клеток, которая будет дифференцироваться в головной мозг, а конкретная информация о диф-ференцировке структур мозга появляется во время взаимодействий клеток в развитии. Причем информация о дальнейшем развитии возникает дискретными порциями. Клетка на ранних стадиях развития еще не знает своей окончательной судьбы, а обладает программой действий только на несколько часов. Следовательно, регуляционная модель отличается от мозаичной прерывистостью детерминации. Обе модели имеют свои положительные и отрицательные стороны, однако окончательный ответ на вопрос о том, какая из них в большей степени отражает реальный механизм развития нервной систе-
мы, могли дать только прямые наблюдения за судьбами нейроэпителиальных клеток и их предшественников.
МОРФОГЕНЕЗ КЛЕТОК-ПРЕДШЕСТВЕННИЦ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ
Первой удачной попыткой промаркировать отдельные бластомеры на стадии 32 клеток было исследование японских авторов (Nakamura, Kishiama, 1971; Nakamura et al., 1978). Они вводили внутрикле-точно витальный краситель в поверхностные бластомеры зародышей шпорцевой лягушки (Xenopus laevis). Бластомеры и их потомки сохраняли метку длительное время. Это позволяло исследовать меченые потомки бластомеров на 23-й стадии развития, которая у шпорцевой лягушки соответствует периоду формирования хвостовой почки. Исследователи определяли топографическое распределение меченых клеток на тотальных анатомических срезах. Такой метод дал возможность авторам создать относительно подробные карты судеб отдельных бластомеров. Локализация меченых потомков определялась в их работе приблизительно, так что не удалось установить, существуют ли индивидуальные вариации в распределении потомков одного бластомера. Тем не менее, они показали, что бластомеры, из которых формируется нервная система, локализованы в дорсальных частях бластулы.
Наиболее важным шагом в исследовании клеток-предшественниц в нервной системе было применение пероксидазного внутриклеточного маркирования (Hirose, Jacobson, 1979). Этот метод позволяет прослеживать судьбу потомков меченого бластомера на протяжении 10-15 пролифератив-ных циклов (Hirose, Jacobson, 1979; Jacobson, 1982). Уже первые работы показали, что на 16-клеточной стадии определенные клетки дают строго детерминированные зачатки. Казалось, что обнаружена высокая степень детерминации отдельных бластомеров и их потомков в формировании определенных органов зародыша и структур головного мозга. Детерминативный характер мозаичного развития головного мозга был столь очевиден, что в 1982 г. Джекобсон (Jacobson, 1982) отверг существование индукционного влияния хордомезодермы на нейро-эктодермальный зачаток нервной системы. Отказавшись от идеи существования индукционных процессов, Джекобсон создал клональную модель развития головного мозга, сущность которой описана выше.
Окончательный ответ на вопрос о превалировании в развитии амфибий мозаичной или регуляционной модели дали эксперименты по двойному маркированию соседних бластомеров (Shepard, Jacobson, 1987). В бластомеры шпорцевой лягушки, принадлежащие двум соседним клонам, на 512-кле-точной стадии внутриклеточно вводились кон-
трастные красители. Оказалось, что между потомками бластомеров из различных клонов перемешивание потомков наблюдалось в 54% случаях. Введение контрастных красителей в бластомеры соприкасавшихся клонов не выявило унимодального распределения меченых потомков.
Регуляционная модель была подтверждена в работах по культивированию половинок от 2- или 8-клеточных дробящихся яиц шпорцевой лягушки (Kageura, Yamana, 1983, 1984). Было установлено, что нормальные эмбрионы формируются в том случае, если о
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.