ОНТОГЕНЕЗ, 2004, том 35, № 6, с. 441-450
= ОБЗОРЫ
УДК 591.3
СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ МИОГЕНЕЗА У БЕСПОЗВОНОЧНЫХ, НИЗШИХ И ВЫСШИХ ПОЗВОНОЧНЫХ ЖИВОТНЫХ
© 2004 г. Н. Д. Озерншк
Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН 119991 Москва, ГСП-1, ул. Вавилова, д. 26 E-mail: ozernyuk@mail.ru Поступила в редакцию 11.03.04 г.
Окончательный вариант получен 08.06.04 г.
Развитие мышечной системы у беспозвоночных (на примере нематоды Caenorhabditis elegans и дрозофилы) и позвоночных (рыбы, птицы и млекопитающие), обладая общими закономерностями на уровне молекулярно-генетических механизмов регуляции, имеет ряд отличительных особенностей. Если у C. elegans мускулатура формируется из нескольких клеток разного происхождения на очень ранних стадиях развития, то у дрозофилы в этом процессе решающую роль играют индукционные взаимодействия: мезодерма, служащая источником формирования мышц, получает индукционные сигналы от соседней эктодермы в виде экспрессии генов Dpp и Hh. У позвоночных индукция и ком-митирование клеток по миогенному пути в миотомах определяется морфогенетическими сигналами от соседних тканей хорды (в виде экспрессии гена Shh) и нервной трубки (экспрессии генов Wnt и Shh). Индукционные сигналы, поступающие в мезодерму, связаны с последующей активацией генов, кодирующих белковые транскрипционные факторы семейства bHLH и их аналогов. У C. elegans это Ык-1и CeTwi, у дрозофилы - Twi и nau, у позвоночных - MyoD, Myf5, миогенин, MRF4. Разнообразие изоформ миозинов у разных животных создается или за счет их кодирования разными генами или путем альтернативного сплайсинга продуктов определенных генов.
Ключевые слова: миогенез, миобласты, миотубы, индукционные взаимодействия, гены семейства bHLH, тяжелые и легкие цепи миозина.
Особенности онтогенеза мышечной системы существенно отличаются у разных групп животных, что определяется как их эволюционным статусом, так и спецификой развития. Сравнение механизмов регуляции миогенеза проводят обычно на примере беспозвоночных, низших и высших позвоночных, поскольку эмбриологические и мо-лекулярно-биологические аспекты данной проблемы наиболее детально исследованы на отдельных представителях этих групп животных (Sulston, Horvitz, 1977; Sulston et al., 1983; Bandman, 1992; Epstein, Bernstein, 1992; Olson, 1992; Olson, Klein, 1994; Baylies, Bate, 1996; Rawls, Olson, 1997; Озернюк, 1998; Baylies et al., 1998; Baylies, Michel-son, 2001; Озернюк и др., 2004). Различия в развитии мышц у данных групп выявляются на разных уровнях организации: от морфологического до молекулярно-биологического. Вместе с тем фундаментальные основы регуляции миогенеза на молекулярно-генетическом уровне имеют ряд общих закономерностей.
Основным объектом исследования регуляции миогенеза у беспозвоночных служат нематода Caenorhabditis elegans и дрозофила; отдельные
этапы этого процесса изучаются также на некоторых других беспозвоночных. У низших позвоночных это прежде всего рыбы; у высших позвоночных - млекопитающие. Очевидно, что этот филогенетический ряд неполный, однако данные о регуляции миогенеза у других групп животных весьма ограничены.
ИНДУКЦИОННЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
Наиболее ранние этапы миогенеза связаны у большинства животных с индукционными взаимодействиями. Последние играют решающую роль в формировании мышечной системы как у позвоночных, так и у беспозвоночных (Bate, 1990; Staehling-Hampton et al., 1994; Münsterberg, Lassar, 1995; Münsterberg et al., 1995; Baylies et al., 1998; Baylies, Michelson, 2001). Более древние индукционные взаимодействия, приводящие к образованию мышц у беспозвоночных (на примере дрозофилы), обладают многими чертами сходства с позвоночными. Однако у некоторых из изученных организмов (C. elegans) начальные этапы формирования мышечной системы отличаются от дру-
Таблица 1. Клеточные источники мышечной ткани и экспрессия миоспецифических генов у нематоды С. elegans
Типы мышц Экспрессия генов
Мышцы:
- стенки тела (клетки hlh-1, CeTwi, CeMef2
линий АВ, МБ, С, Б)
- глотки (клетки линий CeTwi, CeMew2
АВ, МБ)
гих животных (Sulston et al., 1983; Krause et al., 1990).
Нематода Caenorhabditis elegans. Детерминация и начальные этапы миогенеза у C. elegans во многом отличаются от других изученных животных. У этих достаточно просто устроенных организмов количество клеток относительно невелико (около тысячи соматических и двух тысяч половых клеток) и большинство структур возникает в виде клонов, которые состоят из более чем одной клетки (Sulston, Horvitz, 1977; Sulston et al., 1983; Krause et al., 1990; Baylies, Michel-son, 2001). Мускулатура, так же как гиподерма, нервная система, соматический компонент гонады, формируется из нескольких клеток разного происхождения, тогда как некоторые другие структуры (например кишечник, половые клетки) формируются из отдельных клеточных клонов. В частности, мышцы стенки тела личинки нематоды (у гермафродитов) формируются из потомков нескольких клеточных линий: линии АВ (одна мышечная клетка), линии MS (28 клеток), линии С (32 клетки), линии D (20 клеток). Таким образом, мышцы стенки тела личинки состоят из 81 клетки, а взрослая особь содержит 111 (у гермафродитов) и 136 клеток (у самок) (Sulston et al., 1983). Мышцы глотки личинки формируются из потомков линии АВ (19 мышечных клеток) и линии MS (18 клеток) (Sulston et al., 1983) (табл. 1).
Для понимания особенностей детерминации и ранних этапов дифференцировки мышц (как и других структур) у C. elegans существенное значение имели опыты по изучению судьбы клеток с использованием лазерного луча, разрушающего ядра отдельных клеток. В этих опытах было показано, что развитие тех или иных структур зависит в основном от происхождения отдельных клеток, а не от межклеточных или индукционных взаимодействий (Sulston et al., 1983).
Следует отметить, что детерминация тех или иных закладок (в том числе и мышц) происходит у этих животных на очень ранних этапах. В частности, экспрессия генов, регулирующих детерминацию и начальные этапы миогенеза у C. elegans, начинается на ранних стадиях эмбрионального
развития в отдельных бластомерах (Krause et al., 1990; Chen et al., 1994; Baylies, Michelson, 2001).
Дрозофила Drosophila melanogaster. Поскольку мышечная система у позвоночных и большинства беспозвоночных формируется из сегментирующейся мезодермы, как раз эта закладка получает индукционные воздействия от соседних тканей. У беспозвоночных механизмы индукционных взаимодействий наиболее детально изучены на дрозофиле. Мезодерма, возникающая у этих животных из инвагинирующих и мигрирующих в дорсальном направлении клеточных пластов, в итоге выстилает внутреннюю поверхность эктодермы зародыша. Разные участки мезодермы под влиянием индукционных сигналов из эктодермы подразделяются на несколько зон (дорсальную и вентральную, а также переднюю и заднюю), из которых будут формироваться различные структуры: соматическая, висцеральная мускулатура, сердце, жировое тело (Bate, 1990; Baylies et al., 1998; Baylies, Michelson, 2001).
Разделение мезодермы на дорсальную и вентральную зоны происходит вследствие индукционной активности гена Dpp (Decapentaplegic), представителя семейства TGF, экспрессирующегося в эктодерме (рисунок). Дорсальная часть мезодермы (ее передний отдел) получает индукционный сигнал из соседней эктодермы в виде экспрессии гена Dpp (Staehling-Hampton et al., 1994; Frasch, 1995), а также экспрессии гена Hh (Hedgehog). Из этой части мезодермы будет формироваться прежде всего висцеральная мускулатура. С другой стороны, дорсальная мезодерма (ее задний отдел), испытывающая индукционные влияния со стороны экспрессирующихся в мезодерме генов Dpp и Wg (Wingless), даст начало соматической мускулатуре и закладке сердца.
Деление мезодермы на передний и задний отделы происходит вследствие экспрессии генов сегментации eve (even-skipped) и slp (sloppy paired) (Azpiazu et al., 1996; Riechmann, 1997). Таким образом, активность этих генов делит каждый сегмент мезодермы на два домена, которые дают начало разным производным: в домене eve формируются предшественники висцеральной мускулатуры и жировое тело, тогда как в домене slp - предшественники соматических мышц и сердца.
Позвоночные. У позвоночных характер индукционных взаимодействий при формировании мышц во многом отличается и несет черты большей специализации по сравнению с беспозвоночными. Сегментация осевой мезодермы - наиболее ранняя стадия миогенеза у позвоночных - завершается формированием сомитов и их последующим разделением на склеротом, дерма-том и миотом. Индукция и коммутирование клеток в миотомах определяются морфогенетичес-кими сигналами из соседних тканей хорды и нерв-
Мезодерма
Эктодерма
Регуляторные гены bHLH: MyoD, Myf5, миогенин, MRF4
Активация структурных генов сократительных белков
Схема индукционных взаимодействий и экспрессия основных групп генов в ходе миогенеза дрозофилы (а) и позвоночных животных (•) (пояснения см. в тексте).
ной трубки (Münsterberg, Lassar, 1995; Münsterberg et al., 1995; Rawls, Olson, 1997). Индукционные воздействия на миотомы со стороны этих тканей сводятся главным образом к экспрессии генов семейства Shh (Sonic hedgehog) в хорде и вентральной части нервной трубки, а также к активности генов семейства Wnt (Wnt-1, Wnt-3, Wnt-4) в дорсальной части нервной трубки (рисунок). Ведущая роль данных индукционных взаимодействий в детерминации клеток сомитов демонстрируется в опытах по удалению хорды и нервной трубки. Удаление этих структур приводит к дегенерации сомитов (Teillet, LeDouarin, 1983; Rong et al., 1992).
Таким образом, общие принципы индукционных взаимодействий у беспозвоночных и позвоночных обладают определенными чертами сходства. Индуктором мышечной ткани у дрозофилы служит эктодерма, прилегающая к мезодерме. У позвоночных же одним из источников индукционных сигналов служит нервная трубка - структура эктодермального происхождения.
Однако особенности индукционных взаимодействий у беспозвоночных и позвоночных во многом отличаются. Прежде всего, если у дрозофилы индукционные сигналы в виде экспрессии
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.