ОНТОГЕНЕЗ, 2011, том 42, № 2, с. 116-125
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЭМБРИОЛОГИЯ ^
УДК 591.39:591.34:593:71
ИНДУКЦИОННАЯ АКТИВНОСТЬ ЗАДНЕГО КОНЦА ПЛАНУЛЫ МОРСКОГО ГИДРОИДА Dynamena pumila © 2011 г. Ю. А. Краус
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Биологический факультет, Кафедра биологической эволюции 119992, Москва, Ленинские горы, д. 1/12 E-mail: yulia_kraus@hydrozoa.org Поступила в редакцию 27.01.2010 Окончательный вариант получен 13.09.2010
Активность регионов-организаторов необходима для формирования плана строения развивающегося организма. Трансплантация фрагмента такого региона организму-реципиенту приводит к формированию вторичной оси тела, состоящей из тканей как донора, так и реципиента (Gerhart, 2001). Объект данной работы, представитель Cnidaria, беломорский гидроидный полип Dynamena pumila L. (Thecaphora, Sertulariidae), обладает высокоорганизованной колонией, которая формируется в ходе сложного метаморфоза личинки-планулы. Для выявления у личинки Dynamena региона-организатора, были выполнены эксперименты по трансплантации фрагментов тканей планулы-до-нора эмбрионам, находящимся на стадиях ранней и поздней гаструлы, а также планулам. Только пересадка фрагмента заднего конца планулы-донора плануле-реципиенту того же возраста приводила к развитию в ходе метаморфоза вторичного побега, использующего для своего формирования до 50% тканей реципиента. При трансплантации фрагментов переднего конца и середины тела плану-лы, у реципиентов никогда не наблюдалось формирования каких-либо эктопических структур. Был сделан вывод о том, что задний конец планулы Dynamena обладает свойствами организатора.
Ключевые слова: Сшёапа, Hydrozoa, индукция, организатор, трансплантация, эмбриональное развитие, личинка, метаморфоз.
Формирование плана строения в онтогенезе любого организма — результат межклеточных и межтканевых взаимодействий. Эмбриональная индукция — наиболее важный класс таких взаимодействий — была описана Шпеманом и Мангольд в 1924 году (Sander, Faessler, 2001). В 1921-1923 гг. они обнаружили, что фрагмент дорзальной губы бласто-пора эмбриона амфибии, трансплантированный на вентральную сторону эмбриона-реципиента, индуцирует формирование вторичной оси тела, состоящей, в основном, из тканей реципиента (Spemann, Mangold, 1924). Этими авторами было введено в эмбриологию понятие "эмбриональный организатор". В последующих экспериментах гомологи организатора амфибий были обнаружены и детально изучены у представителей всех классов позвоночных животных (DeRobertis et al., 2000; Gerhart, 2001; Stern, 2006). В современной биологии развития эмбриональный организатор определяется как "регион, фрагмент которого способен к индукции вторичной оси тела при эктопической трансплантации" (Stewart, Gerhart, 1990). Активность регионов-организаторов характерна для эмбрионального развития не только позвоночных, но и беспозвоночных животных. Например, в эмбриогенезе иглокожих (некоторых видов морских ежей) вегетативные микромеры дифференцируются в клетки скелето-
генной мезенхимы, но, кроме того, действуют как организационный центр, индуцирующий формирование архентерона и вторично-мезенхимных структур (Ransick, Davidson, 1993; McClay et al., 2000). У представителя низших хордовых, ланцетника Branchiostoma belcheri, дорзальная губа бласто-пора в экспериментах индуцирует формирование вторичной оси тела (Tung et al., 1962).
В последние годы было обнаружено, что индукционная активность регионов-организаторов основана на сходных молекулах и сигнальных путях даже у таких далеких друг от друга таксонов, как позвоночные, головохордовые, иглокожие, полухордовые, и, возможно, моллюски (Lowe et al., 2006; Yu et al., 2007; Garcia-Fernandez et al., 2007; Lambert, 2008). С биохимической точки зрения, организатор представляет собой сложный сигнальный центр, отвечающий за поддержание градиентов молекул, являющихся компонентами сигнальных каскадов, главным образом BMP- и Wnt-сигнальных путей (Garcia-Fernandez et al., 2007). Распространенность эмбриональных организаторов среди разных таксонов животных, а также их функциональная и биохимическая консервативность, заставляют задуматься о том, насколько рано в эволюции появились регионы-организаторы.
Cnidaria, низшие многоклеточные животные, обладают примитивным планом строения: их двухслойное тело не имеет дорзо-вентральной оси. В онтогенезе многих представителей этого типа наблюдается четкая преемственность полюсов и осей: анимальный полюс яйцеклетки соответствует полюсу эмбриона, где происходит интернализация презумптивной эндодермы, заднему концу личин-ки-планулы и оральному полюсу полипа (Freeman, 1981, 1983; Momose, Schmid, 2006; Momose, Houlis-ton, 2007; Fritzenwanker et al., 2007). Данные молеку-лярно-биологических исследований показывают, что в регионе полюса, где происходит гаструляция, экспрессируются гены, специфичные для эмбриональных организаторов высших Metazoa (Hayward et al., 2002; Lee et al., 2006; Rentzsch et al., 2006; Matus et al., 2006; Momose, Schmid, 2006; Momose, Houlis-ton, 2007; Momose et al., 2008; Saina et al., 2009). Можно предположить, что именно в этом регионе локализован эмбриональный организатор. К сожалению, проверка этой гипотезы была выполнена только для Nematostella vectensis (класс Anthozoa). Было показано, что способностью индуцировать формирование эктопической вторичной оси обладает фрагмент губы бластопора инвагинационной гаструлы Nematostella (Kraus et al., 2007).
Для пресноводного полипа Hydra (класс Hydro-zoa) показано, что трансплантация фрагмента гипо-стома (околоротовой области) полипу-реципиенту приводит к формированию вторичного тела, состоящего, в основном, из тканей реципиента (Browne, 1909; Broun et al., 2005). Таким образом, гипостом гидры является настоящим организатором, хотя его активность проявляется в постэмбриональном периоде. Поскольку вегетативное размножение (почкование) играет огромную роль в жизненном цикле гидры, формирование плана строения для нее - непрекращающийся процесс, а для его регуляции необходима постоянная активность региона-организатора (MacWilliams, 1983). Показано, что индукционная активность гипостома гидры основана на взаимодействии тех же самых молекул и сигнальных путей, что и активность эмбриональных организаторов позвоночных животных (Broun et al., 2005; Rentzsch et al., 2007). Гипостомальный организатор интересен также и тем, что у многих книдарий оральный конец первичного полипа формируется непосредственно из заднего конца личинки-плану-лы, а он, в свою очередь, соответствует области пре-зумптивной эндодермы у видов с поляризованной гаструляцией.
В наиболее яркой форме непрерывное формообразование присутствует в жизненном цикле колониальных Hydrozoa, у которых постоянно формируются новые элементы (модули) колонии (Марфенин, 1993; Marfenin, Kossevitch, 2004). Обладают ли колониальные гидроиды регионами-организаторами?
Существуют данные об индукционной активности заднего конца тела личинки — планулы морского колониального гидроида Hydractinia echinata. При пересадках небольшого витально окрашенного фрагмента заднего конца планулы в тело первичного полипа или в среднюю область тела планулы-ре-ципиента было обнаружено, что задний конец тела планулы Hydractinia обладает свойствами организатора: индуцирует развитие вторичной оси тела у планулы-реципиента и эктопических структур (щупалец) у полипа (Stumpfet al., 2010). Несмотря на то, что гаструляция этого вида морфологически апо-лярна, наблюдается строгая преемственность между анимальным полюсом яйцеклетки и задним концом планулы (Plickert et al., 2006). Было показано, что в регионе, который впоследствии становится задним концом личинки, на протяжении всего эмбрионального развития экспрессируются гены, продукты которых вовлечены в канонический сигнальный каскад Wnt/beta — catenin/Tcf (Plickert et al., 2006; Stumpf et al., 2010). Эти же гены экспрессируются и у зооидов Hydractinia в области гипосто-ма, причем гиперактивация Wnt-пути ведет к усилению почкования, подавлению роста столонов, формированию эктопических щупалец и гипостомов у зооидов колонии (Muller et al., 2007). Можно предположить, что для нормального формирования колонии Hydractinia необходима постоянная активность гипостомальных организаторов, которыми обладают взрослые зооиды и развивающиеся почки. Однако архитектоника колонии у многих видов Hydrozoa значительно сложнее, чем у Hydractinia (Марфенин, 1993; Marfenin, Kossevitch, 2004). У них из осевшей личинки в ходе метаморфоза формируется не первичный полип, а первый модуль колонии, состоящий из нескольких зачатков, то есть не наблюдается непосредственной преемственности между задним концом планулы и гипостомами гидрантов первого модуля колонии. Новые модули колонии формируются за счет активности постоянно действующей верхушки роста, а ветви и побеги — за счет активности почек, образующихся на теле колонии и/или на столонах, обеспечивающих распространение колонии по субстрату. Обладают ли сложно устроенные колониальные гидроиды регионами-организаторами? И если обладают, то на какой стадии жизненного цикла они активны и где локализованы? Данная работа — первая попытка ответить на эти вопросы, используя в качестве объекта беломорского колониального гидроида Dyna-mena pumila (Thecaphora, Sertulariidae).
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Dynamena pumila — массовый вид в районе Беломорской Биологической Станции МГУ им. Н.А. Перцова, где и выполнялась работа. Колонии Dynamena являются обычными компонентами обрастаний водорослей рода Fucus и легко до-
впп
Рис. 1. Оседание и метаморфоз планулы БупатепарытНа: а—д — последовательные стадии оседания планулы, передний конец планулы обращен вниз; е—ж — прорастание первичного побега (пп — первичный побег, впп — верхушка первичного побега); з — верхушка первичного побега, разделившаяся на 3 зачатка (вр — верхушка роста, зг — зачаток гидранта). Схема.
ступны во время отлива. Развитие эмбрионов Dyna-mena pumila происходит внутри слизистого мешка, т.н. акроцисты, формирующейся на гонозооиде (половом гидранте
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.