Первичная регионализация нервной системы. Модели, молекулярные факторы и морфогенетические градиенты

Процессы первичной регионализации нервной системы, заключающиеся в про­странственной "разметке" будущих морфологически-функциональных отделов в пределах гомогенного нейрального зачатка, являются непо­средственным продолжением нейральной индукции. Нейральная индукция со стороны хордо-мезодермы (так называемый "организатор") является первым актом, определяющим общий контур пространственной организации нервной системы в развитии позвоночных.

Уже в конце гаструляции различные области нервной пластинки характеризуются различными дифференцировочными по­тенциями, "размещенными" в определенном порядке вдоль ее передне-задней оси. Так, наиболее передние фраг­менты нервной пластинки формируют передний и средний мозг, сре­динные ее области превращаются в заднемозговые структуры, в то вре­мя как наиболее задние зоны нервной пластинки образуют нервные трубки (спинной мозг).

Какие механизмы определяют пространственную компартментализацию нейрального зачатка на соответствующие отделы или, другими словами, каким образом в пределах нервной пластинки возникает, стабилизируется и реализуется план последующей морфо-функциональной регионализации центральной нервной системы? … мы еще очень далеки от понимания истинных механизмов этих сложных морфогенетических процессов.

Регионализация нейроэктодермы: гипотезы и модели

Считается общепризнанным, что регионализация (patterning), нейроэктодермального зачатка определяется в основном его взаимодействиями с подлежащей дорзальной мезодермой (так называемая "крыша первичной кишки", или archenteron roof) и в меньшей степени с окружа­ющим эпидермисом. Возможны три основных варианта, объединяющие многие вероятные механизмы регионализации нейроэктодермы.

Первый вариант основывается на предположении о том, что ней-роэпителий уже имеет "собственный" план (программу) будущей ре­гионализации. Иначе говоря, морфогенетическая и дифференцировочная судьба различных областей нейроэпителиального пласта оп­ределены заранее и для реализации соответствующих потенций каж­дая из них нуждается только в разрешающих (так называемых пермиссивных) сигналах, поступающих от дорзальной мезодермы в про­цессе нейруляции.

Альтернативный вариант подразумевает дифференцировочную од­нородность (так называемую "нейральную тотипотентность") всей нер­вной пластинки. В этом случае ее последующая регионализация может определяться качественно различными сигналами, поступающими из разных отделов дорзальной мезодермы. При этом очевидно, что регио­нализация нейроэктодермы будет определяться пространственной компартментализацией дорзальной мезодермы, каждый отдел которой должен секретировать разные сигнальные молекулы, вызывающие формирование в нейроэктодерме или переднего, или среднего, или зад­него, или спинного мозга.

Наконец, возможен компромиссный вариант, базирующийся на представлении о существовании в мезодерме двух типов сигнальных мо­лекул: "переднеголовного" и "заднеголовного" индукторов.

Однако, ни один из предшествующих выше вариантов не отражает в "чистом виде" реальные ситуации, имеющие место в ран­нем эмбриональном развитии нервной системы. Скорее можно гово­рить о преобладании того или иного механизма в процессах регионали­зации нейроэпителия у разных видов животных. Тем не менее, общим элементом всех моделей является наличие морфогенетических сигна­лов, поступающих в нейроэктодерму из дорзальной мезодермы.

Презумптивная нейроэктодерма характеризуется определенной "предрасположенностью" к формированию того или иного отдела нер­вной системы, по крайней мере на молекулярном уровне, однако такой молекулярный "пре-паттерн" не является жестко зафиксированным и судьба того или иного отдела нейроэктодермы может быть экспери­ментально изменена. Таким образом, можно предполагать, что способ­ность нейроэктодермального пласта к так называемой ауторегионализации играет лишь дополнительную роль в процессах первичной компартментализации нервной системы.

Другие модели нейральной регионализации основываются на каче­ственно различных инструктивных ("директивных") сигналах, поступа­ющих в эктодерму от дорзальной мезодермы. Еще Ганс Шпеманн предпола­гал, что "организатор" (зачаток хордомезодермы) содержит два индук­тора. Один из них вызывает образование в эктодерме головных структур (так называемый головной индуктор), другой индуцирует в эктодерме туловищные структуры (так называемый туловищный индуктор). У амфибий на стадии ранней гаструлы "организатор" характеризуется в основном свойствами "головного", а на стадии поздней гаструлы - "туловищного" индуктора. Напомню, что на стадии ранней гаструлы "opганизатор" действует на эктодермальные клетки, побуждая их к нейрогенезу, в то время как на стадии поздней гаструлы он оказывает индуцирующие воздействия на уже сформированный нейральный зачаток (нервную пластинку).

Один из сотрудников Шпеманна, блестящий экспериментальный эм­бриолог, Отто Мангольд (Otto Mangold) детально исследовал индуцирую­щую активность различных областей "организатора" амфибий на стадии поздней гаструлы-ранней нейрулы и получил любопытные результаты (рис. 4.2). Он имплантировал различные области дорзальной мезодермы нейрул под эктодерму зародышей-реципиентов на стадии ранней гастру­лы. Как и ожидалось, у всех зародышей-реципиентов развивались допол­нительные "вторичные комплексы", содержащие различные ткани и ор­ганы, однако характер дифференцировки таких комплексов был разли­чен. Так, самые передние отделы "организатора" индуцировали в экто­дерме переднеголовные структуры с балансерами, средние его отделы -головы с мозгом и глазами, а задние отделы "организатора" вызывали образование задне-головных и туловищно-хвостовых структур.

Эти результаты, как это почти всегда случается в биологии, интер­претировались с двух полярных точек зрения. Одни исследователи по­лагали, что разные области дорзальной мезодермы секретируют каче­ственно различные сигнальные молекулы, что и приводит в нормаль­ном развитии к регионализации нейроэктодермы вдоль передне-задней оси. Другие считали, что к концу гаструляции вдоль переднезадней оси "организатора" формируется градиент единственного индуктора и что клетки нейроэктодермы способны по-разному реагировать на различ­ные его концентрации. Как мы увидим в дальнейшем, различия между этими двумя точками зрения оказались менее противоречивыми, чем представлялось в начале.

Группа финских эмбриологов, возглавляемая Суло Тойвоненом, представила достаточно весомые эксперимен­тальные доказательства присутствия в дорзальной мезодерме, по край­ней мере, двух типов сигнальных молекул, способных вызвать образо­вание в компетентной эктодерме или головных, или туловищных стру­ктур. Более того, ряд полученных ими данных косвенно свидетельство­вал о неравномерном (градиентном?) распределении таких индукторов вдоль переднезадней оси дорзальной мезодермы.

Но что самое главное, - все чаще стали высказываться предполо­жения о том, что клетки нейроэпителиального пласта способны диффе­ренцироваться в различных направлениях в зависимости от полученной ими "дозы" одного и того же индуктора. Соответственно, в эмбриоло­гии позвоночных все чаще и чаще стал употребляться термин "морфоген", объединяющий качественную и количественную характеристики действия эмбриональных индукторов.

Что такое морфоген?

По определению, морфоген - это индуктор, который способен по-разному определять дифференцировочную судьбу многих клеток-ми­шеней, находящихся в зоне градиента его эффективных концентраций.

Таким образом, действие на расстоянии от места синтеза (секреции) -основная характеристика морфологической активности. Действитель­но, если индуктор активен только на расстоянии, не превышающем один клеточный диаметр, то он не может определять судьбу других (удаленных от него) клеток воспринимающего зачатка. Очевидно так­же, что морфогены - это секретируемые и способные к диффузии мо­лекулы. Вероятнее всего, диффузия морфогена является пассивным процессом, что и приводит к формированию в тканях так называемых морфогенетических градиентов.

Морфогенетический градиент является терминологическим опре­делением, приложимым к любой ситуации, при которой клетка или группа клеток-индукторов секретирует сигнальные факторы, диффун­дирующие в окружающую клеточную среду, что сопровождается по­степенным понижением их концентрации по мере удаления от источни­ка их синтеза и(или) секреции. Наиболее важным моментом, однако, яв­ляется, способность окружающих клеток воспринимать разные кон­центрации морфогена как различные информационные сигналы. В ре­зультате градиент единичного морфогена может привести к формиро­ванию в исходно гомогенной клеточной массе нескольких субпопуля­ций, программированных к различным дифференцировкам. Причем та­кое дифференцированное программирование будет иметь определен­ную и закономерную пространственную ориентацию в пределах вос­принимающего клеточного поля в зависимости от профиля морфогене-тического градиента.

Таким образом, единичная акция в развитии, заключающаяся в кратковременной и локальной секреции только одного морфогена, мо­жет иметь далеко идущие последствия в других тканях, вызывая в них пространственно закономерное размещение различных дифференцировок. В результате различные типы клеток могут формироваться в нуж­ном месте в результате изменения концентрации одного и того же мор­фогена.

Хотя существование морфогенов предполагалось очень давно, мо­лекулы с соответствующими свойствами были идентифицированы в развитии позвоночных лишь в конце XX в. Большая заслуга в исследо­вании механизмов действия морфогенов в раннем развитии позвоноч­ных принадлежит известному английскому эмбриологу Джону Гёрдону (John Gurdon). Используя мезодермализующий фактор - активин, он разработал и предложил несколько молекулярно-клеточных моделей, позволяющих исследовать закономерности функционирования морфо­генов в раннем эмбриональном развитии. Оказалось, что клетки эмбри­ональной эктодермы способны: (1) детектировать очень низкие концен­трации морфогена (менее 20 пикограмм); (2) различать всего лишь дву­кратное изменение концентрации морфогена, активируя две совершенно разные программы дифференцировки, соответственно; (3) не только избирательно активировать, но и репрессировать наборы генов в одних и тех же клетках-мишенях в зависимости от положения последних в морфогенетическом градиенте. В эмбриональном развитии позвоночных градиенты морфогенов играют ведущую роль в регионализации мезодермы и нейроэктодермы.