ГЕНЕТИКА, 2007, том 43, № 10, с. 1341-1357
ОБЗОРНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СТАТЬИ
УДК 591.46:595.773.4
ОСНОВНЫЕ АСПЕКТЫ РАЗВИТИЯ ПОЛОВОЙ СИСТЕМЫ САМОК Drosophila melanogaster
© 2007 г. А. А. Огиенко, С. А. Федорова, Э. М. Баричева
Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск 630090;
факс: (383) 333-12-78; e-mail: barich@bionet.nsc.ru Поступила в редакцию 07.03.2007 г.
Суммированы основные современные представления о формировании и структурной организации половой системы самок Drosophila melanogaster. Подробно рассмотрены соматическая и генеративная составляющие гонад на этапах закладки и развития яичников. Особое внимание уделено образованию и развитию фолликулов внутри гермария, а также взаимодействию половых и фолликулярных клеток в яйцевой камере. Детально разобраны основные события, обеспечивающие и регулирующие транспорт мРНК, белков и органелл из питающих клеток в ооцит как в гермарии, так и на более поздних стадиях развития яйцевой камеры.
Продукция функциональных гамет является важным событием для всех многоклеточных организмов, размножающихся половым путем. Оо-генез Drosophila melanogaster представляет собой сложный процесс скоординированного развития половых и соматических клеток, результат которого - формирование зрелого яйца. В образование и созревание яйца вовлечено огромное количество генов, которые контролируют различные этапы его развития.
ФОРМИРОВАНИЕ ПОЛОВОЙ СИСТЕМЫ САМОК В ЭМБРИОГЕНЕЗЕ
У самок D. melanogaster формирование половой системы начинается на самых ранних стадиях эмбриогенеза. Во время первых синцитиальных дроблений ядра постепенно перемещаются к периферии. К 9-му дроблению, что соответствует третьей стадии эмбриогенеза, 8-10 ядер достигают области зародышевой (полярной) плазмы на заднем полюсе эмбриона. Зародышевая плазма содержит специфические органеллы - полярные гранулы, электронно-плотные тельца, состоящие из РНК и белков. Полярные гранулы характерны только для зародышевой плазмы и половых клеток. Они необходимы для хранения и регуляции трансляции мРНК генов, определяющих судьбу клеток зародышевого пути [1]. К 10-му дроблению несколько ядер в области половой плазмы обособляются (рис. 1,а), приобретают клеточную оболочку и становятся предшественниками половых клеток (ППК, в английской литературе - Primordial Germ Cells (PGC)). Транскрипция в ППК останавливается вплоть до 8-9-й стадии эмбриогенеза. ППК прекращают делиться синхронно как с синцитиальными ядрами, так и друг с другом. В то время как ядра синцития синхронно про-
ходят 11-13 циклов дробления, ППК делятся несинхронно 0-2 раза, образуя около 40 крупных клеток на заднем полюсе эмбриона [2].
Во время гаструляции рост половой борозды и инвагинация зачатка задней кишки приводят к перемещению ППК внутрь эмбриона (рис. 1,6, в). После этого ППК становятся амебообразными и активно мигрируют сквозь эпителий задней кишки в задне-дорзальном направлении (рис. 1Д е). При дальнейшем движении ППК разделяются на две группы и объединяются с соматическими клетками мезодермального происхождения (рис. 1,е, ж). Клетки мезодермального происхождения дают начало тунике и фолликулярным клеткам у куколок и взрослых мух. Миграция ППК сквозь эпителий кишечника и объединение с мезодермаль-ными клетками определяются активностью генов trapped in endoderm-1, Hmgcr, fpps, quemao, slow as molasses [3]. ППК, мигрирующие неправильно, подвергаются апоптозу [4]. К 13-й стадии эмбриогенеза зачаточные гонады, состоящие примерно из 200 соматических и 10-15 ППК каждая, располагаются по обе стороны от вентральной борозды (ventral furrow). На этой стадии ППК окружаются соматическими клетками, этим и завершается формирование зачаточных гонад (рис. 1,з).
В результате к концу эмбриогенеза у самок в 5-м брюшном сегменте образуются две округлые зачаточные гонады, состоящие из соматических и половых клеток.
РАЗВИТИЕ ПОЛОВОЙ СИСТЕМЫ САМОК У ЛИЧИНОК И ПРЕДКУКОЛОК
На стадии личинки в гонаде самок дрозофилы выделяют мелкие соматические клетки, которые располагаются на ее переднем и заднем полюсах
задняя кишка
полярные клетки
соматические клетки гонады
переднее выпячивание первичной кишки вентральная
1 продольная борозда
заднее
выпячивание первичной кишки
задняя кишка
мезодерма
,V половые клетки
соматические клетки
Рис. 1. Схематическое изображение миграции половых клеток и образование гонад в эмбрионе дрозофилы (с модификациями из [2]). Передняя часть всех эмбрионов обращена влево, дорзальная сторона - вверх. а - стадия 5. Клеточная бластодерма (~3 часа после откладки яйца (ПОЯ), при 25°С); б - стадия 7 (~3.5 ч ПОЯ). Предшественники половых клеток (ППК) прикрепляются к заднему выпячиванию первичной кишки и вместе с ней мигрируют в передне-дор-зальном направлении; в - стадия 8-9 (~4-5 ч ПОЯ). ППК располагаются в кармане, образованном первичной кишкой; г - стадия 10 (~5-7 ч ПОЯ). ППК мигрируют через стенку первичной кишки; д - стадия 11 (~7-9 ч ПОЯ). ППК начинают прикрепляться к вышележащей мезодерме; е - стадия 12 (~9-10.5 ч ПОЯ). В результате смещения зародышевого пояса (germ band) к заднему полюсу эмбриона ППК тесно контактируют с мезодермой, участвующей в формировании гонад; ж - стадия 13 (~10.5-11.5 ч ПОЯ). ППК объединяются с мезодермальными клетками; з - стадия 15 (~13-14 ч ПОЯ). Объединение гонады - ППК окружаются соматическими клетками мезодермального происхождения.
[5], а также крупные половые клетки, локализующиеся в среднем районе гонады [6]. У личинок третьего возраста соматические клетки переднего полюса разделяются на 16-20 групп, каждая из которых состоит из 8-9 дископодобных клеток. Из этих клеток впоследствии формируются терминальные филаменты, которые располагаются на конце каждой овариолы [7, 8]. Яйцеводы, при-
даточные железы (accessory glands), матка, влагалище и наружные половые органы взрослой мухи происходят из клеток генитального (полового) имагинального диска и объединяются с остальными клетками яичника только у куколок на третий день их развития [9].
Таким образом, яичники дрозофилы формируются из трех различных типов клеток: половых
Яичник
Общий яйцевод
Матка
Брюшинная оболочка
Терминальный филамент Гермарий
Яйцевая камера
Овариола
Вителларий Яйцо
Латеральный яйцевод Семяприемник
Сперматека Придаточная железа
Рис. 2. Общий вид репродуктивной системы половозрелой самки D. melanogaster (с модификациями из [11]).
клеток, соматических клеток мезодермального происхождения и эпителиальных клеток, берущих начало из генитального имагинального диска [10].
ПОЛОВАЯ СИСТЕМА У ВЗРОСЛЫХ САМОК ДРОЗОФИЛЫ
Яичник взрослой мухи состоит из 16-20 ова-риол, каждая из которых представляет собой полую структуру, внутри которой последовательно расположены растущие яйцевые камеры. Каждая овариола имеет выход в латеральный яйцевод, два латеральных яйцевода объединяются в один общий яйцевод, который, в свою очередь, переходит в матку, а затем во влагалище (рис. 2). И яйцеводы, и матка хорошо иннервированы и имеют мощную кольцевую мускулатуру, необходимую для продвижения по ним яйца [12, 13]. Процесс оплодотворения происходит в матке самки. После копуляции сразу же происходит процесс запасания спермы. Для этого используются две сперматеки и непарный семяприемник (рис. 2). Семяприемник аккумулирует около 80-90% запасающейся спермы [14].
В каждой овариоле зрелого яичника можно выделить три района: терминальный филамент, гермарий и вителларий (рис. 2). В гермарии дрозофилы, схема которого представлена на рис. 3, выделяют четыре функциональных района: 1, 2А, 2В и 3 [8, 16]. В передней части гермария располагаются 8-9 клеток терминального филамен-та. К клеткам терминального филамента примы-
кают 2-3 соматические клетки, называемые кэп-клетками (cap cells) [17-19], в непосредственной близости от которых располагаются стволовые клетки, дающие начало всем половым клеткам яичников, а также соматические клетки, образующие оболочку гермария (рис. 3) [7, 20]. В первом районе гермария, помимо вышеперечисленных клеток, располагаются также цистобласты -первичные половые клетки, претерпевающие митотические деления, и ранние цисты, состоящие из двух, четырех и восьми половых клеток. Клетки терминального филамента, кэп-клетки и клетки оболочки гермария образуют "нишу", обеспечивающую стимуляцию, развитие и поддержание статуса стволовых клеток [21]. В клетках терминального филамента и кэп-клетках активно экспрессируются гены piwi, Yb, decapenta-plegic (dpp), wingless (wg) и hedgehog (hh). Отсутствие продуктов генов piwi и Yb приводит к нарушению дифференцировки стволовых клеток [22-25]. Мутации гена dpp или гена saxophone, кодирующего его рецептор, приводят к значительному снижению числа стволовых клеток и замедлению процесса их деления [26]. Продукты генов wg и hh необходимы для поддержания статуса соматических стволовых клеток, расположенных на границе районов 2А/2В гермария. У мутантов, которые не могут воспринимать Hh- и Wg-сигна-лы, нарушается пролиферация соматических стволовых клеток [17, 27, 28].
Центральным событием, происходящим в первом районе гермария, является деление стволовой клетки, в результате которого образуются
Половые стволовые клетки
Терминальный филамент
Клетки Стволовые оболочки соматические гермария клетки
Предшественники фолликулярных
клеток Интерфолликулярные
клетки
Питающие клетки
Полярные клетки
Гермарий
Первая стадия
Рис. 3. Схематическое изображение гермария. Показаны ранние события оогенеза и различные типы клеток (с модификациями из [15]).
СК
ООО-
ЦБ
2ЦЦ
4ЦЦ
8ЦЦ
16ЦЦ 1ОЦ/15ПК
Рис. 4. Схематическое изображение деления половой клетки, начиная со стволовой клетки и заканчивая 16-клеточной цистой (с модификациями из [29]). Ооцит указан черным. СК - стволовая клетка, ЦБ - цистобласт, ЦЦ - цистоцит, ОЦ - ооцит, ПК - питающие клетки.
цистобласт и новая стволовая клетка, которая занимает место "материнской" стволовой клетки (рис. 4) [16, 30]. Электронно-микроскопические исследования показали, что деление стволовых клеток и цистобластов является строго ориентированным
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.