Molekuljarnaja Biologija Kletki v3

51

ческих клетках (см. гл. 12). Последовательность некоторых событий активации яиц морского ежа после оплодотворения приведена в табл. 15-1.

15.4.8. В слиянии пронуклеусов спермиев и яиц морского ежа участвуют центриоли, вносимые спермием [26]

Оплодотворенную яйцеклетку называют зиготой. У большинства видов, включая морских ежей, оплодотворение завершается лишь после того, как сольются гаплоидные ядра (называемые пронуклеусами) двух гамет. Поскольку размеры яйцеклетки велики, пронуклеусам яйца и спермия приходится преодолевать значительные расстояния, прежде чем они сольются друг с другом. В связи с этим не вызывает удивления тот факт, что такое передвижение определяется структурой цитоскелета.

Спермий морского ежа вносит в зиготу не только свою ДНК - он отдает еще и две центриоли. Центриолям спермия в процессе оплодотворения принадлежит исключительно важная роль, так как яйцеклетка утрачивает свои центриоли при последнем делении мейоза. Центриоли спермия становятся центром, от которого расходятся лучи микротрубочек (такая структура называется сперматической звездой), повидимому, направляющих пронуклеус самца к пронуклеусу самки: если с помощью колхицина вызвать деполимеризацию микротрубочек, движение пронуклеусов прекращается. Когда два сблизившихся пронуклеуса приходят в соприкосновение, их мембраны сливаются и формируется диплоидное ядро зиготы. Две центриоли спермия вместе со сперматическими звездами делятся, образуя два полюса митотического веретена для первого деления дробления.

15.4.9. Яйцеклетки млекопитающих могут быть оплодотворены in vitro [27]

Изучать яйцеклетки млекопитающих неизмеримо труднее, чем яйца морских ежей. В распоряжении исследователя имеются миллионы яиц морского ежа, тогда как при работе с яйцеклетками млекопитающих ему приходится довольствоваться лишь десятками или сотнями их. Тем не менее сейчас есть возможность оплодотворять эти яйцеклетки in vitro. (Хотя мы будем по-прежнему пользоваться термином «яйцеклетка», следует помнить, что в отношении млекопитающих речь идет об оплодотворенном ооците второго порядка - см. разд. 15.3.7.) Этот путь приносит реальную пользу: оплодотворенные яйцеклетки млекопитающих, пересаженные в матку, могут развиться в нормальных особей; благодаря такой методике многие бесплодные женщины получили возможность рожать нормальных детей. Оплодотворение яйцеклеток млекопитающих in vitro позволяет также изучать некоторые его механизмы.

Такие исследования показали, что хотя в общих чертах последовательности событий при оплодотворении млекопитающих и морских ежей сходны, отдельные этапы процессов могут существенно отличаться.

Некоторые различия касаются спермиев. Сперматозоиды млекопитающих не способны оплодотворить яйцеклетку, пока они не подвергнутся процессу, называемому капацитацией, который индуцируется выделениями женского полового тракта. Механизм капацитации не ясен; возможно, она связана с изменениями в липидном и гликопротеиновом составах плазматической мембраны спермия, а также с повышением уровня его метаболизма и увеличением подвижности. Капацитированный спермий мыши проникает через толстый слой фолликулярных клеток и специфически связывается одним из главных гликопротеинов

52

Рис. 15-49. Ход акросомальной реакции при оплодотворении яйцеклетки млекопитающего. Полагают, что у мышей и за связывание спермия, и за индукцию акросомальной реакции ответствен один и тот же гликопротеин zona pellucida. Обратите внимание на то, что спермий млекопитающего подходит к плазматической мембране яйцеклетке по касательной, так что слияние мембран происходит не на верхушке головки сперматозоида, а на ее боковой поверхности. У мышей диаметр zona pellucida состовляет 7 мкм, и спермий проходит это расстояние со скоростью примерно 1 мкм/мин.

zona pellucida - защитной оболочки, равноценной вителлиновому слою морского ежа (см. разд. 15.3.2). По крайней мере у нескольких видов один и тот же гликопротеин яйцеклетки, по-видимому, инициирует у спермия акросомальную реакцию. Например, у мыши zona pellucida состоит лишь из гликопротеинов, которые синтезируются растущими ооцитами и образуют самоорганизующуюся трехмерную структуру из связанных между собой волокон (см. рис. 15-23). Один из этих гликопротеинов, называемый ZP3, отвечает за связывание со спермием и за инициацию акросомальной реакции. Полагают, что при связывании с zona pellucida сперматозоид распознает специфическую углеводородную последовательность гликопротеина ZP3. Молекулы, участвующие в процессе распознавания, локализованы в плазматической мембране спермия, тогда как у морских ежей они располагаются в мембране акросомы. Zona pellucida, как и вителлиновый слой яиц морского ежа, служит барьером для межвидового оплодотворения; устранение ее часто приводит к исчезновению такого барьера. Например, яйцеклетки хомячка, у которых с помощью специфических ферментов удалена zona pellucida, могут быть оплодотворены сперматозоидами человека. Не удивительно, что такие гибриды

(«humsters») не развиваются.

При акросомальной реакции спермин млекопитающих высвобождают протеазы и гиалуронидазу, которые играют важную роль в проникновении спермия через zona pellucida. Однако здесь не формируется акросомальный отросток, сходный с тем, который образуется у морского ежа; у спермиев большинства млекопитающих с яйцеклеткой раньше всего сливается экваториальная (расположенная за акросомой) область плазматической мембраны, а не мембрана акросомы (рис. 15-49). Лишь относительно небольшое число спермиев млекопитающих обычно оказывается в состоянии добраться до претерпевшей овуляцию яйцеклетки (менее 200 из 3 • 108 сперматозоидов человека, выделяющихся при

53

коитусе, достигают места оплодотворения), поэтому необходимость в быстрой блокаде полиспермии несущественна: у млекопитающих не происходит быстрой деполяризации плазматической мембраны, сопровождающей оплодотворение и предотвращающей полиспермию у морских ежей и амфибий. С другой стороны, ферменты, высвобождающиеся при кортикальной реакции яйцеклеток млекопитающих, изменяют структуру яйцевой оболочки, обеспечивая медленную блокаду полиспермии. Например, в мышиных яйцеклетках фермент так видоизменяет гликопротеин ZP3, что он перестает связывать спермии или индуцировать у них акросомальную реакцию. В яйцеклетках некоторых млекопитающих в результате кортикальной реакции перестраивается не zona pellucida, а плазматическая мембрана, вследствие чего предотвращается слияние с яйцеклеткой дополнительных спермиев.

Другой характерной особенностью оплодотворения у млекопитающих является то, что центриоли присутствуют в яйцеклетках, а в спермиях их нет. Кроме того, в оплодотворенных яйцеклетках млекопитающих не происходит непосредственного слияния двух пронуклеусов: они сближаются, однако их хромосомы не соединяются до тех пор, пока мембрана каждого из пронуклеусов не будет разрушена при подготовке к первому делению дробления. Большая часть других ранних событий при оплодотворении яиц морского ежа, приведенных в табл. 15-1 (таких, как активация с помощью фосфатидилинозитол-бисфосфата и повышение концентрации ионов Са2 + в цитозоле), осуществляется и в яйцеклетках млекопитающих. Следующие за этим изменения представляют собой часть процесса эмбриогенеза, в ходе которого зигота развивается в новый организм. Эмбриогенез, возможно, представляет собой самое поразительное явление во всей биологии; этот процесс - предмет следующей главы.

Заключение

Оплодотворение начинается с того момента, когда головка спермия приходит в соприкосновение с защитной оболочкой, окружающей яйцеклетку. Такой контакт индуцирует у спермия акросомальную реакцию, содержимое акросомы высвобождается, и некоторые из выделившихся белков облегчают прохождение спермия через плазматическую мембрану яйцеклетки, что делает возможным слияние с ней плазматической мембраны спермия. В результате оплодотворения благодаря гидролизу фосфатидилинозитол-бисфосфата, содержащегося в плазматической мембране яйцеклетки, инициируются бурные изменения в самой яйцеклетке. При активации яйцеклетки ее поверхность изменяется так, что становится невозможным слияние с ней дополнительных спермиев; один вид блокады полиспермии является следствием кортикальной реакции, при которой содержимое кортикальных гранул высвобождается, перестраивая яйцевую оболочку. Кроме того, внутри яйцеклетки также происходят определенные изменения, в результате чего после соединения пронуклеусов двух гамет, зигота становится способной к развертыванию программы развития.

Литература

Общая

Austin С. R., Short R. V., eds. Reproduction in Mammals: I. Germ Cells and Fertilization, 2nd ed., Cambridge, U.K., Cambridge University Press, 1982.

Browder L., Developmental Biology, 2nd ed., Chapters 5, 6 and 8, Philadelphia, Saunders, 1980. Epel D. The program of fertilization, Sci. Am., 237 (11), 128-138, 1977.

54

Karp G., Berrill N. J. Development, 2nd ed., Chapters 4 and 5, New York, McGraw-Hill, 1981. Longo F.J. Fertilization, London, Chapman & Hall, 1987.

Цитированная

1. Crow J. F. The importance of recombination. In: The Evolution of Sex: An Examination of Current Ideas (R. E. Michod, B. R. Levin, eds.), pp. 56-73, Sunderland, MA, Sinauer, 1988.

Maynard Smith J. Evolution of Sex, Cambridge, U. K., Cambridge University Press, 1978. Williams G.C. Sex and Evolution, Princeton, NJ: Princeton University Press, 1975.

2. Ayala F., Kiger J. Modern Genetics, 2nd ed., Menlo Park, CA: Benjamin-Cummings, 1984. Ferris S. D., Whitt G. S. Loss of duplicate gene expression after polyploidization, Nature, 265, 258-260, 1977.

Fincham J.R.S. Genetics, Boston: Jones and Bartlett, 1983.

3.Lewis J., Wolpert L. Diploidy, evolution and sex, J. Theor. Biol., 78, 425-438, 1979. Spofford J.B. Heterosis and the evolution of duplications. Am. Nat., 103, 407-432, 1969.

4.Evans C. W., Dickinson H. G., eds. Controlling Events in Meiosis, Symp. Soc. Exp. Biol., Vol. 38, Cambridge, U.K., The Company of

Biologists, 1984.

Whitehouse H. L. Towards an Understanding of the Mechanism of Heredity, 3rd ed., London, St. Martins, 1973. Wolfe S. L Biology of the Cell, 2nd ed., pp. 432-470. Belmont, CA: Wadsworth, 1981.

5. John В., Lewis K. R. The Meiotic Mechanism. Oxford Biology Readers (J. J. Head, ed.), Oxford, Eng., Oxford University Press, 1976.

Jones G. H. The control of chiasma distribution. In Controlling Events in Meiosis (C. W. Evans, H.G. Dickinson, eds.), Symp. Soc. Exp. Biol., Vol. 38, pp. 293-320,

Cambridge, U.K. The Company of Biologists, 1984. Orr-Weaver T.L., Szostak J. W. Fungal recombination, Microbiol. Rev., 49, 33-58, 1985.

6. Heyting C., Dettmers R. J., Dietrich A. J., Redeker E. J. Two major components of synaptonemal complexes are specific for meiotic prophase nuclei, Chromosoma, 96, 325-332, 1988.

Moses M.J. Synaptonemal complexes, Annu. Rev. Genet., 2, 363-412, 1968.

Smithies O., Powers P. A. Gene conversions and their relationship to homologous pairing. Phil. Trans. R. Soc. Lond. (Biol.), 312, 291-302, 1986. von Wettstein D., Rasmussen S. W., Holm P. B. The synaptonemal complexes in genetic segregation, Annu. Rev. Genet., 18, 331-413, 1984.

7. Carpenter А. Т. С. Gene conversion, recombination nodules, and the initiation of meiotic synapsis, Bioessaays, 6, 232-236, 1987.

Carpenter A. T. C. Recombination nodules and synaptonemal complexes in recombination-defective females of Drosophila melanogaster, Chromosoma, 75, 236-259, 1979.

8. Buckle V., Mondello C., Darling S., Craig I. W., Goodfellow P. N. Homologous expressed genes in the human sex chromosome pairing region, Nature, 317, 739-741, 1985.

Chandley A.C. Meiosis in man. Trends Genet., 4, 79-84, 1988. Solari A.J. The behavior of the XY pair in mammals, Int. Rev. Cytol., 38, 273-317, 1974.

9.Austin C. R., Short R. V., eds. Reproduction in Mammals: I. Germ Cells and Fertilization, Cambridge, U. K., Cambridge University Press, 1982.

10.Browder L. Developmental Biology, p. 173-231, Philadelphia, Saunders, 1980. Karp G., Berrill N. J. Development, 2nd ed., pp. 116-138, New York, McGraw-Hill, 1981.

11.Browder L.W., ed. Oogenesis, New York, Plenum, 1985.

Davidson E.H. Gene Activity in Early Development, 3rd ed., pp. 305-407. Orlando, FJ, Academic, 1986.

Metz C.B., Monroy A., eds. Biology of Fertilization, Vol. 1: Model Systems and Oogenesis, Orlando FL, Academic, 1985.

12. Bornslaeger E.A., Mattei P., Schultz R.M. Involvement of cAMP-dependent protein kinase and protein phosphorylation in regulation of mouse oocyte maturation. Dev. Biol., 114, 453-462, 1986.

Mailer J.L. Regulation of amphibian oocyte maturation. Cell Differ., 16, 211-221, 1985. Masui Y., Clarke H.J. Oocyte maturation, Int. Rev. Cytol., 57, 185-282, 1979.

Sadler S. E., Mailer J. L. Inhibition of Xenopus oocyte adenylate cyclase by progesterone: a novel mechanism of action. Adv. Cyc. Nuc. Prot. Phosphor. Res., 19, 179-194, 1985.

13. Cyert M.S., Kirschner M. W. Regulation of MPF activity in vitro, Cell, 53, 185-195, 1988.

57

16 Клеточные механизмы развития

Организм любого многоклеточного животного можно рассматривать как клон клеток, образовавшихся из одной клеткиоплодотворенного яйца. Поэтому клетки тела, как правило, генетически идентичны, но различаются по фенотипу: одни становятся мышечными клетками, другие - нейронами, третьи - клетками крови и т. д. В организме клетки разного типа размещены строго упорядоченным образом, и благодаря этому тело обладает характерной формой. Все признаки организма определяются последовательностью нуклеотидов в геномной ДНК, которая воспроизводится в каждой клетке. Все клетки получают одни и те же генетические «инструкции», но интерпретируют их с учетом времени и обстоятельств - так, чтобы каждая клетка выполняла в многоклеточном сообществе свою специфическую функцию.

Многоклеточные организмы часто бывают очень сложными, но их построение осуществляется при помощи весьма ограниченного набора форм клеточной активности. Клетки растут, делятся и погибают, соединяются, движутся и меняют свою форму. Они дифференцируются, т. е. начинают или прекращают синтез определенных веществ, кодируемых геномом. Клетки выделяют в окружающую среду или образуют на своей поверхности вещества, влияющие на активность соседних клеток. Эти формы клеточного поведения являются универсальной основой развития животных. В данной главе мы попытаемся объяснить, каким образом реализация различных форм клеточной активности в нужное время и в нужном месте приводит к образованию целостного организма.

Мы не будем подробно шаг за шагом прослеживать от начала до конца развитие какого-то одного организма, а рассмотрим различные аспекты клеточного поведения, связанного с развитием, иллюстрируя общие принципы примерами тех животных, у которых они проявляются наиболее четко. Мы обсудим, каким образом и при участии каких сил клеточные перемещения приводят к формированию эмбриона, как под контролем собственных генов данных клеток и межклеточных взаимодействий развертывается пространственная картина дифференцировки и каким образом дифференцированные клетки, возникшие в разных частях эмбриона, оказываются в местах своего назначения, образуя сложные ткани и органы. Все эти вопросы будут рассмотрены на примере развития земноводных, морских ежей, мышей, мух, птиц, тараканов и нематод. Развитие растений будет обсуждаться в гл. 20.

16.1.Морфогенетические движения и формирование общей пространственной организации тела [1]

Вэтом и следующих разделах речь пойдет о том, как возникает пространственная организация раннего эмбриона и какие физические силы участвуют в его формировании. В качестве примера мы в основном будем обращаться к шпорцевой лягушке Xenopus laevis (рис. 16-1), раннее развитие которой было изучено особенно тщательно. Подобно

59

Рис. 16-2. Первое морфогенетическое движение после оплодотворения яйца лягушки. Кортекс яйца слой, толщиной примерно в несколько микрометров - поворачивается почти на 30° относительно внутренних слоев яйца в направлении, которое определяется местом проникновения спермия. У видов с окрашенной цитоплазмой анимального полюса такое вращение приводит к появлению четко наблюдаемого серого серпа, который расположен напротив места проникновения спермия.

вызывает в яйце смещение пигментных гранул, у некоторых земноводных появляется слабо пигментированная полоска, называемая серым серпом. Она образуется на стороне яйца, противоположной месту проникновения спермия. Место проникновения спермия соответствует, грубо говоря, брюшку; на противоположной стороне формируются дорсальные структуры, например спинной мозг (рис. 16-3). В результате воздействий, блокирующих вращение кортекса, развиваются так называемые радиализованные животные с кишечником, расположенным в центре тела, у которых отсутствует дорсовентральная асимметрия.

16.1.2. В результате дробления из одной клетки образуется множество клеток [3]

Поворот кортикального слоя завершается примерно через час после оплодотворения и создает условия для осуществления дробления, в ходе которого из одной крупной яйцеклетки за счет повторяющихся митозов образуется множество более мелких клеток -бластомеров; общая масса эмбриона при этом не меняется. Чтобы выжить, эмбрион должен быстро достичь стадии, когда он сможет самостоятельно питаться, плавать и спасаться от хищников, и поэтому первые деления дробления очень быстро следуют друг за другом; в этот период длительность клеточного цикла составляет около 30 мин (см. разд. 13.1.9). Высокая скорость репликации ДНК и чередования митозов не позволяет осуществлять транскрипцию генов и дробящийся эмбрион полностью зависит от запасов РНК, белка, мембран и других материалов, которые были накоплены в яйце в процессе его созревания в материнском организме. Только биосинтез ДНК имеет теперь жизненно важное значение, и ее необычно быстрая репликация становится возможной благодаря огромному числу мест, в которых начинается этот процесс (см. разд. 9.3.9). Борозда первого деления дробления делит яйцо по вертикали, т. е. в плоскости, проходящей через анимально-вегетативную ось; в результате образуются две симметричные половины яйца (рис. 16-4). Следующее деление вновь происходит вертикально, но под прямым углом к плоскости первого деления и приводит к образованию четырех клеток одинаковой величины. Борозда третьего деления дробления располагается горизонтально несколько выше срединной плоскости, поэтому образующиеся четыре верхние клетки меньше по размерам, чем нижние; к тому же нижние клетки содержат больше желтка. Примерно после 12 клеточных циклов скорость деления клеток резко снижается, нарушается также синхронность делений и начинается транскрипция генома зародыша. Это изменение, известное как переход к средней бластуле (ПСБ), по всей вероятности, отражает истощение определенного клеточного компонента материнского происхождения, который используется для связывания с вновь синтезируемой ДНК.

Рис. 16-3. Асимметрия яйца Хепоpus показана на рис. А. Она определяет расположение осей тела будущего головастика, изображенное на рис. Б. Точная привязка осей яйца к телу головастика сложна, поскольку гаструляционные движения значительно меняют топологию зародыша. В первом приближении анимальный полюс соответствует переднему концу тела (голове), а серый серп соответствует дорсальной стороне тела.

60

У других животных взаимная ориентация плоскостей последовательных делений дробления может быть иной. В яйцах очень богатых желтком как, например, у птиц, борозды делений дробления не в состоянии разбить желток на части, и поэтому все ядра сосредоточены на анимальном полюсе; в результате зародыш развивается только из «шапочки» клеток, лежащих поверх желтка.

16.1.3. Бластула представляет собой полый шар, стенка которого образована одним слоем клеток [4]

Уже в самом начале развития эмбриона его клетки связаны между собой не только механически, но и с помощью щелевых контактов, через которые способны проходить ионы и другие низкомолекулярные вещества, передавая «послания», которые могут играть важную роль на более поздних стадиях развития (вместе с другими типами сигналов) для координации поведения клеток (см. разд. 14.1.7). На периферии зародыша бластомеры связаны друг с другом плотными контактами (см. разд. 14.1.1); это позволяет изолировать внутреннюю часть зародыша от окружающей среды. Примерно на стадии 16 бластомеров промежутки между клетками в центральной части зародыша расширяются и образуют единую полостьбластоцель; это результат переноса ионов натрия во внутренние межклеточные пространства через мембраны клеток; осмотическое давление внутри зародыша повышается и сюда начинает поступать вода. Клетки, окружающие бластоцель, образуют эпителиоподобный слой; теперь эту стадию развития называют бластулой (рис. 16-5). То, что клетки бластулы организованы как эпителиальный слой, жизненно важно для координации их дальнейшего поведения.

16.1.4. После гаструляции полый клеточный шар превращается в трехслойную структуру с первичной кишкой [5, 6]

После того как клетки бластулы сформировали эпителиальный слой1, наступает время для координированных движений, приводящих к образованию гаструлы. Процесс образования гаструлы называют гаструляцией. Эта радикальная перестройка ведет к превращению полого клеточного шара в многослойную двустороннесимметричную структуру с кишечной трубкой, располагающейся в центре; в результате сложного

____________________________

1 Автор в данном случае употребляет не совсем точный термин, называя стенку бластулы эпителием или эпителиальным слоем. Дело в том, что эпителий - это дифференцированная ткань, образующаяся на более поздних стадиях развития из эктодермы (наружного зародышевого листка). Стенку зародыша на стадии бластулы называют бластодермой, и она лишь чисто внешне напоминает эпителиальную ткань. Из чисто технических соображений мы не во всех случаях исправляли эту неточность, и читателю следует иметь это в виду.- Прим. ред.

Рис. 16-4. Стадии дробления у Хеnopus (вид сбоку).

Рис. 16-5. Бластула. На этой стадии развития клетки образуют эпителиоподобный слой, окружающий полость, заполненную жидкостью,-бластоцель. Щелевые контакты обеспечивают электрическое сопряжение клеток, а плотные контакты наружной поверхности изолируют внутреннее пространство эмбриона от окружающей среды. Обратите внимание, что у Xenopus стенка бластулы образована несколькими слоями клеток, и только наружные клетки плотно прилегают друг к другу, как это имеет место в любом типе эпителия.