ОНТОГЕНЕЗ, 2004, том 35, № 2, с. 124-139
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЭМБРИОЛОГИЯ
УДК 591.39
ИССЛЕДОВАНИЯ ВРЕМЕННЫХ И ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СОМИТОГЕНЕЗА У ЗАРОДЫШЕЙ РЫБ
© 2004 г. Ю. Н. Городилов
Биологический НИИ Санкт-Петербургского государственного университета 198504 Санкт-Петербург, Старый Петергоф Поступила в редакцию 28.10.02 г. Окончательный вариант получен 25.12.02 г.
Получены новые данные, подтверждающие тот факт, что сомитогенез является ритмическим процессом, в котором время образования одного сомита является строго постоянной величиной. Эту константу (Т) можно рассматривать как естественную единицу счета внутризародышевых биологических часов, которые обнаруживают себя в ритмических процессах. Оказалось, что константу т можно определить с исключительно высокой точностью, не имеющей аналогов среди известных биологических процессов, что само по себе говорит об уровне точности отсчета времени внутриза-родышевым механизмом часов. Наряду с этим было выяснено, что линейный размер сомитов вдоль оси прироста в момент их образования тоже является константной величиной. В процессе, в котором временной и пространственный факторы являются строго постоянными величинами, сигнальным для образования новых сомитов оказывается время. Это выяснилось из исследований зародышей-двойников, развивавшихся из одного яйца: число сомитов у обоих "двойников" оказалось таким же, как у нормальных зародышей из той же кладки, в то время как линейный размер сомитов у каждого из "двойников" был меньше нормы. В процессе сомитогенеза также проводили измерения длины головы, сегментированной и несегментированной туловищно-хвостовых частей вдоль главной оси тела. Анализируя данные по сомитогенезу последних лет, автор полагает, что предложенная им схема участия временного фактора в эмбриогенезе предсказывает: 1) что возможно выпадение некоторых стадий без существенных последствий для дальнейшего развития и 2) что все процессы зародышевого развития как на молекулярном, так и на клеточном и на надклеточном уровнях должны иметь периодическое включение/выключение и быть равными или кратными интервалу х^.
Ключевые слова: сомитогенез, ритмика сомитогенеза, размеры сомитов, биологические часы, способ регуляции эмбриогенеза.
Сомитогенез является ключевым периодом в эмбриональном развитии позвоночных животных как в силу собственной своей уникальности, так и по значимости тех событий, которые происходят на его фоне в зародыше. Этот процесс первичной сегментации туловищно-хвостового отдела тела запускается в конце гаструляции сразу после закладки комплекса осевых органов, в которые входят расположенные медиально хорда и нейральная пластинка и примыкающие к ним латерально два тяжа мезодермальной ткани. Как раз эти тяжи подвергаются постепенному расчленению в рострокаудальном направлении на пары симметричных телец или сомитов, по названию которых весь процесс стали именовать сомитоге-незом. Общее число пар сомитов может быть от трех-четырех десятков (рыбы семейств воЪИёае, Реге1ёае, Сурйшёае) до нескольких сотен (акулы, змеи). Он оказывается настолько длительным, что на его фоне успевает пройти закладка и частичное развитие почти всех основных систем органов будущего самостоятельного организма.
Производными сомитов впоследствии являются миотомы, позвонки, ребра, корешки нервов спинного мозга и другие метамеры.
В разных классах позвоночных в этом процессе обращала на себя внимание определенная ритмичность возникновения новых пар сомитов (Hamburger, Hamilton, 1951; Cooke, Zeeman, 1976). Однако ни один из этих или других авторов специально не исследовал, в какой мере и на каком протяжении сомитогенез проявляется именно как ритмический процесс. Связано это, видимо, с тем, что большинство исследований проводили на амфибиях и птицах, у которых из-за непрозрачности зародышей трудно отслеживать данный процесс. Для прижизненных наблюдений гораздо более удобными оказываются зародыши костистых рыб, так как они прозрачны, и если их освободить от внешней оболочки, то все детали их строения легко рассмотреть под микроскопом.
Для того чтобы прояснить указанный вопрос, в свое время автор провел специальные исследования по определению скорости прироста числа
пар сомитов у разных видов рыб. Все наблюдения за развитием зародышей проводились в инкубаторах при строго постоянных режимах температуры и с обеспечением проточности воды. Данные по темпу сомитогенеза были получены в общей сложности примерно для 20 представителей разных отрядов рыб (лососевидные, щуковые, окуневые, карповые). Во всех случаях наблюдался строго равномерный темп образования большей части сомитов (Городилов, 1980, 1983, 1985, 1988, 1990, 1991; Gorodilov, 1992, 1996). Следовательно, можно говорить о ритмическом характере этого процесса у рыб и, видимо, других позвоночных. Поскольку проявление ритмичности процессов в живых системах обычно рассматривается как показатель существования временного контроля, или "биологических часов" (Гуд-вин,1979), то в данном случае был сделан вывод о наличии у зародышей часового механизма, генерирующего периодические сигналы, которые регулируют и координируют ход эмбриогенеза. В отличие от сформированных организмов, у которых время отсчитывается за счет внешних периодических астрофизических процессов и в этом смысле является единым для всех видов, время зародышевых организмов каждого вида отсчитывается за счет температурозависимых процессов, совершающихся в самом яйце, и является ви-доспецифичным (Городилов, 1990; Gorodilov, 1992).
Недавно появились работы, в которых описывается экспрессия ряда генов в пресомитной части мезодермы. Особенностью этой экспрессии оказывается динамическая цикличность с периодом, равным времени образования одного сомита. Среди этих генов такие, как c-hairy1, c-hairy2, Hes1 и her1 (Palmeirim et al.,1997; Jouve et al., 2000; Sawada et al., 2000), Lunatic fringe (Evrard et al., 1998; Forsberg et al.,1998; McGrew et al.,1998), Eph-Ephrin (Durbin et al., 1998, 2000), а также ряд генов, относящихся к каскаду Notch и принимающих участие в образовании междусомитных границ (Jiang et al., 2000; Dale, Pourquie, 2000; Hirsinger et al., 2000; Caprioli et al., 2002). Они транскрибируются в виде либо периодических волн, либо как серия полосок, продвигающихся от каудального края пресомитной мезодермы (ПСМ) к границе между нею и последним вычленившимся сомитом. Являются ли эти волны или полоски экспрессии молекулярной основой для морфогенеза самих сомитов? Рассматривая эту цикличность как результат работы часового механизма, называя его "сегментными часами" (segmental clock), авторы указанных работ считают, что молекулярная цикличность, как и сам сомитогенез, являются следствием работы этих часов (Palmeirim et al., 1997; Dale, Porquie, 2000; Hirsinger et al., 2000). При этом природа самого механизма часов остается неизвестной.
Мы представляем результаты наших исследований, посвященных собственно сомитогенезу, поскольку он является внешним и наиболее ярким проявлением цикличной работы действующих в эмбрионе биологических часов. На наш взгляд, назрела необходимость внимательно изучить не только временны е, но и линейные параметры процесса сомитогенеза, такие как размеры сомитов и сегментов на разных уровнях сегментируемого тела, и проследить динамику изменений этих параметров на разных стадиях сомитогенеза и последующего развития. Следует рассмотреть, как изменяются в процессе развития сегментированная и особенно хвостовая несегментированная части тела, так как последняя является ареной циклической экспрессии многих генов, участвующих в процессе подготовки ПСМ к превращению в сомиты. Наконец, для того чтобы понять, какого рода биологические (или физико-химические?) явления связаны с продвижением границы сомитогенеза вдоль переднезадней оси тела, следует определить линейные скорости перемещения этой границы у разных видов и сопоставить их со скоростями других биологических процессов. Получение разнообразной информации о различных сторонах сомитогенезного процесса должно в перспективе приблизить нас к разгадке природы и роли механизма, который регламентирует время развития не только в сомитогенезе, но, на наш взгляд, и в эмбриогенезе в целом.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА
Работу проводили на разных видах рыб семейства лососевых 8а1шошёае. Икру этих видов рыб содержали в специальных инкубаторах с регулируемой температурой и с постоянной проточнос-тью воды (Объекты биологии развития, 1975; вогоёПоу, 1996). Периодически на разных стадиях развития из инкубатора брали выборки икринок, не менее пяти-шести штук, для определения стадий в соответствии с описанием нормального развития атлантического лосося (вогоёПоу, 1996; Городилов, 1983, 1998). Эмбриогенез последнего, согласно нашим данным, практически на 100% протекает тождественно развитию других видов лососевых рыб (Городилов, 1988; Городилов, Мельникова, 2003), использованных в этой работе. Икринки помещали в солевой изотонический раствор и с них под бинокуляром снимали оболочки. Выделенные зародыши затем переносили на предметное стекло и под микроскопом определяли стадию развития по тому или иному ведущему признаку, а также по комплексу сопутствующих ему признаков. В периоде сомитогенеза ведущим признаком для определения стадий является число сомитов (Городилов, 1998). Измерения продолжительности развития определяли в единицах
где т - время образования одной пары сомитов
Рис. 1. Схема зародыша с указанием частей тела, которые были использованы для измерений их длины: 1 - голова, 2 - сегментированная часть, 3 - несегментированная часть (пресомитная мезодерма + несегментирующаяся часть хвоста), 4 - осевая длина каудального сомита, 5 - осевая длина переднего сомита (сегмента). X- хорда.
в период равномерного сомитогенеза (Городи-лов, 1990, 1992).
На зародышах кижуча Опсогкупскыз Ызыгск, одного из видов тихоокеанских лососей, определяли, в какой мере и на каком протяжении соми-тогенез у этого вида является равномерным процессом. С этой целью на разных стадиях брали из инкубатора пробы по несколько икринок, извле
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.