= КЛЕТОЧНАЯ ДИФФЕРЕНЦИРОВКА И ПРОЛИФЕРАЦИЯ
УДК 591
УЧАСТИЕ МАР-КИНАЗНОГО СИГНАЛИНГА В СПЕЦИФИКАЦИИ
КЛЕТОЧНЫХ ЛИНИЙ И ДОРСОВЕНТРАЛЬНОЙ ОСИ У ПРИМИТИВНОЙ ГАСТРОПОДЫ TESTUDINALIA TESTUDINALIS (PATELLOGASTROPODA, MOLLUSCA)
© 2013 г. В. В. Козин, Р. А. Бабаханова, Р. П. Костюченко
Санкт-Петербургский государственный университет, 199034 Санкт-Петербург, Университетская наб., д. 7/9 E-mail: kostyuch@mail.ru Поступила в редакцию 17.08.11 г.
Окончательный вариант получен 15.08.12 г.
Известно, что спецификация клеточных линий во время развития у Spiralia обеспечивается материнскими факторами. Однако недавние исследования продемонстрировали важность индуктивных процессов, существенным элементом которых служит клеточный сигналинг. Наши данные дают основания говорить о зависимой спецификации ряда клеточных линий на ранних стадиях развития моллюска Testudinalia testudinalis (Testudinalia tessellata, Ра1е11о§а81горойа), в том числе, когда происходит определение клетки 3D, сопровождающееся изменением формы и установлением контактов с анимальными микромерами одним из макромеров третьего квартета. Именно в этот момент в бла-стомере-организаторе 3D была отмечена активация МАРК. При анализе влияния блокатора МАР-киназного пути U0126 на развитие Testudinalia нами было показано, что наибольший эффект ингибитора наблюдается при культивировании зародышей до шестого цикла дробления, при этом следует отметить, что имеется шкала корреляции выраженности дефектов и повышения концентрации. При длительном содержании объектов в растворе U0126 у значительной части личинок отмечено отсутствие функционирующего ретрактора, дезорганизация мышечной системы, ненормальное строение раковины (вплоть до полного отсутствия), паруса, ноги, мантийной складки. В то же время ни в одном из экспериментов не было получено полного нарушения спецификации дорсо-вентральной оси, приводящего к развитию личинки с четырехлучевой радиальной симметрией. Это говорит в пользу существования разных молекулярных механизмов определения вторичной оси тела среди животных группы Spiralia.
Ключевые слова: 8р1га11а, моллюски, клеточные линии, спецификация, цитодифференциация, оси зародыша, сигналинг, МАРК, эволюционный консерватизм.
Б01: 10.7868/80475145013010035
Раскрытие механизмов детерминации клеточных линий и становления осевых отношений является актуальной задачей биологии развития. На примере представителей группы ВркаИа, т.е. животных со спиральным типом развития (Аннели-ды, Моллюски, Немертины и др.) исследования в этой области имеют более чем вековую историю. Однако сложность решения поставленных задач в немалой степени определяется многоуровневым взаимодействием в эмбриогенезе животных различных элементов генетических регуляторных сетей, управляющих как спецификацией определенного домена зародыша, так и клеточной пролиферацией, дифференциацией и морфогенезом.
8ркаИа — группа типов животных, различающихся во взрослом состоянии строением тела. Молекулярный анализ, однако, в целом указывает на
близкородственные филогенетические отношения между представителями различных типов внутри этой группы (Peterson, Eernisse, 2001; Mal-latt, Winchell, 2002; Nielsen, 2001, 2003; Baguna, Riu-tort, 2004). Кроме того, зародыши этих животных характеризуются высоким сходством развития, в частности дробление, гаструляция и личиночный органогенез протекают в высшей степени сходно, вплоть до совпадения проспективного значения отдельных бластомеров (см. Иванова-Казас, 1995), а анализ клеточных линий обнаруживает потрясающий уровень консерватизма программ развития (Render, 1991, 1997; Dictus, Damen, 1997; Boyer et al., 1996, 1998; Maslakova et al., 2004; Henry, Martindale, 1998; Ackermann et al., 2005; Kostyuchenko, Dondua, 2006).
Характерной особенностью Spiralia является развитие с личинкой трохофорного типа, начальные этапы которого осуществляются путем так называемого спирального дробления. Получившиеся в ходе второго деления зиготы четыре клетки (позднее и совокупность потомков каждой из них) называют квадрантами (см. Иванова-Казас, 1975). Каждому квадранту принято давать буквенное обозначение A, B, C или D. Когда такие клетки одинаковы в размерах, дробление называют гомоквад-рантным, если хотя бы одна из четырех клеток отличается по размеру — гетероквадрантным. В последнем случае, как правило, квадрант D является самым крупным. Он расположен на дорсальной стороне зародыша и во всех случаях спирального типа развития играет особую роль, являясь источником энтомезодермы и значительной части эктодермы тела животного. При эволюционно более древнем гомоквадрантном спиральном дроблении (Иванова-Казас, 1995) квадранты на ранних стадиях развития не отличаются друг от друга, пока не появятся признаки нарушения радиальной симметрии в пользу билатеральной путем изменения положения бластомеров и вычленения по морфологическим признакам квадранта D. До тех пор, пока квадранты неразличимы, макромеры принято обозначать буквой Q (или M), а микромеры — q(m).
Изначально классическими экспериментами по изоляции или удалению бластомеров (Wilson, 1904a, b; Costello, 1945; Clement, 1952 и др.) было обосновано представление о том, что у Spiralia спецификация разнообразных клеточных линий во время развития личинки трохофоры обеспечивается материнскими факторами, которые синтезируются во время оогенеза. Как полагают, после оплодотворения эти детерминанты, иРНК и/или белки, в ходе ооплазматической сегрегации попадают в строго определенные бластомеры и дают начало специализированным клеточным клонам, которые используются как при формировании органов личинки, так и на более поздних стадиях развития. Однако уже классические эксперименты позволяли сделать вывод и о вероятных регулятивных процессах.
Так, Вилсон (Wilson, 1904b) описывает серию экспериментов с ранними зародышами моллюска Dentalium, развитие которого происходит с образованием сначала в ходе первого, потом второго деления дробления особого временного выроста, так называемой полярной лопасти. Каждый раз эта лопасть соединена тонким цитоплазматическим мостиком с одним из образующихся бластомеров и в конечном итоге наследуется бластомером D. Согласно результатам опытов по разделению бласто-меров (Wilson, 1904a, b), из четырех имеющихся квадрантов только D способен к образованию клеток, дающих начало энтомезодерме. Если полярную лопасть, удалить, то такие "прооперирован-
ные" зародыши не образуют мезодермальные полоски. Исследование постгаструляционных зародышей (т.е. личинок), у которых была удалена первая полярная лопасть, показало отсутствие у них зачатков большинства органов, образование которых прямо или косвенно связано с мезодермой: зачатков раковинной железы, ноги и собственно целома.
Клемент (Clement, 1952, 1956, 1967, 1986a, b), на другом виде моллюсков, Ilyanassa obsoleta, пришел к выводу, что удаление как первой полярной лопасти, так и квадранта D или макромера D до отделения клетки 2d приводит к резкому подавлению морфогенеза: у таких зародышей не образуются сердце и кишечник, а также раковина, глаза, нога и статоцист. Результаты, полученные Клементом, позволяют говорить о роли материала полярной лопасти у Ilyanassa при 1) детерминации линии клеток целомической мезодермы и ее производных и 2) детерминации структур, развивающихся из других клеток, под влиянием индукции со стороны производных энтомезодермы.
Позже было показано, что развитие некоторых эктодермальных производных зародышей и личинок Ilyanassa obsoleta требует индуктивных взаимодействий между микромерами и макромером квадранта D уже на стадии восьми бластомеров (Sweet, 1998).
Удаление у Ilyanassa полярной лопасти или макромера линии D вплоть до стадии сразу после образования 3D, приводит к формированию радиаль-но-, а не билатерально-симметричной личинки, т.е. личинки, не обладающей дорсовентральной осью (Clement, 1952, 1962). В своих экспериментах Клемент (Clement, 1962) обнаружил, что макромер 3D индуцирует микромеры в период между формированием третьего квартета микромеров и ме-зентобласта 4d, на стадии 24—28 клеток, т.е. незадолго до деления 3D на дочерние бластомеры 4D и 4d. Долгое время место начала индукции и молекулярная природа индуктивного сигнала оставались неизвестны.
Важно отметить, что факт взаимодействий между анимальными микромерами и макромером 3D отмечен и для животных с гомоквадрантным делением дробления, когда морфологически не выражены процессы асимметричного наследования на самых ранних циклах дробления. Так, зародыши моллюска Patella vulgata до стадии третьего квартета макромеров обладают четырехлучевой радиальной симметрией без признаков дорсовен-тральной полярности. Однако, вскоре после образования этих макромеров, один из них вытягивается и приходит в контакт с анимальными микромерами. Такой вытянутый макромер становится 3D, т.е. мезодермообразующим и маркирующим дорсальную сторону, естественно, что и сами зародыши, начиная с этого момента, и личинки имеют
выраженную дорсовентральную ось (van den Biggelaar, 1977). При этом показано, что для эффекта дорсализации и мезодермализации необходима взаимная индукция макромера 3D и анимальных микромеров (van den Biggelaar, Guerrier, 1979; Damen, Dictus, 1994, 1996).
Исключительная роль макромера 3D, как в случае гомо-, так и гетероквадрантного спирального развития, позволяет называть этот бластомер эмбриональным организатором, т.к. он индуцирует разные судьбы (клеточные линии) у контактирующих с ним клеток и необходим для организации нормальных осевых отношений зародыша и в последствие личинки (Lambert, Nagy, 2001; Gonzales et al., 2007a). Существенным элементом индуктивных процессов, которые наряду с автономной спецификацией играют важную роль в раннем развитии Spiralia, служит так называемый сигналинг, т.е. молекулярные механизмы передачи сигналов от одной клетки к геному другой. MAPK (от англ. mitogen activated protein kinase) — первый известный элемент такой сигнальной системы у Spiralia (Lambert, Nagy, 2001, 2003). Сигнальный путь MAP-ки-назы ERK (от англ. extracellular signal-related kinase) с
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.