Регионализация нейроэктодермы: двухградиентная морфогенетическая модель

В начале 50-х годов два финских эмбриолога, Суло Тойвонен и Лаури Саксен предложили оригинальную двухградиентную мо­дель первичной регионализации нервной пластинки в развитии амфи­бий.

Двухградиентная модель нейральной регионализации объединяла постулаты классической идеологии химических градиентов с ответны­ми реакциями эмбриональных клеток, воспринимающих морфогенети-ческие сигналы. Согласно этой модели индуцирующие влияния дорзальной мезодермы приводят к формированию в нервной пластинке градиентов двух морфогенов: нейрализующего и медозермализующего (рис. 4.3). Нейрализующий фактор формирует симметрично изменяю­щийся градиент вдоль дорзо-вентральной оси нервного зачатка (с мак­симумом в срединно-дорзальной зоне). Такой градиентный профиль поддерживается практически неизменным по всей длине нервной пла­стинки. Напротив, мезодермализующий фактор формирует концентра­ционный градиент вдоль переднезадней оси нервной пластинки, с мак­симумом в задней ее области. Градиент мезодермализующего фактора "обрывается" на уровне переднего отдела нервной пластинки.

В соответствии с этими представлениями каждый из основных от­делов будущей центральной нервной системы детерминируется к разви­тию под влиянием разных соотношений нейрализующего и мезодерма­лизующего индукторов. Избыток нейрализующего фактора на фоне незначительной концентрации мезодермализующего индуктора должен был провоцировать образование переднего и среднего мозга. При экви-молярных соотношениях обоих факторов должны формироваться зад-немозговые структуры. В зоне явного избытка мезодермализующего индуктора ожидалось получить образование нервной трубки (спинного мозга). Нетрудно заметить, что в рамках этой модели регионализация нервной системы определяется в основном градиентом мезодермализу­ющего фактора, под действием которого "изначальная" переднемозго-вая детерминация всей нервной пластинки постепенно сменяется (вдоль ее переднезадней оси) на средне- и заднемозговой типы коммитирова-ния нейральных клеток.

Поскольку в те годы молекулярные морфогены еще не были иден­тифицированы, проверка гипотезы базировалась на непрямых данных, полученных с помощью оригинальных эмбриологических манипуля­ций. Исходно требовалось получить доступ к тканям, проявляющим только нейрализующее или только мезодермализующее действие на эктодерму ранних зародышей амфибий. Это оказалось возможным бла­годаря упорству и настойчивости С. Тойвонена, который исследовал ин­дуцирующую активность более чем 40 различных тканей и обнаружил две ткани, отвечающие поставленным целям. Затем из этих тканей при­готовлялись "смеси", характеризующиеся различным соотношением нейрализующей и мезодермализующей активностей. Эти "смеси" поме­щали между двух фрагментов эмбриональной эктодермы и такие сэн­двичи культивировали на протяжении нескольких суток. В результате удалось избирательно индуцировать в эктодерме формирование всех основных отделов центральной нервной системы. Итак, первая экспе­риментальная проверка показала, что двухградиентная модель имеет право на существование.

Между тем, другая группа исследователей, возглавляемая выдаю­щимся голландским эмбриологом Питером Ньюкупо (Peter Nieuwkoop), показала, что процесс пространственной регионализации нервной системы характеризуется определенной временной протяженностью и реализуется в течение нескольких стадий. Вначале (в процессе гаструляции) имеет место так называемая "активация", которая приводит к нейрализации всей будущей нейроэктодермы; на этой стадии любая зона нейроэпителия образует при изоляции только перед-немозговые структуры. Ответственными за "активацию" эктодермы являются нейрализующие факторы, секретируемые "организатором" в начале гаструляции. Позднее (конец гаструляции-начало нейруляции), средние и задние отделы нейроэктодермы подвергаются так называе­мым "трансформирующим" влияниям "организатора", что проявляется в формировании заднемозговых структур и спинного мозга.

Объединение пространственных (градиентных) и временных пара­метров воздействия "организатора" на эктодерму привело к созданию синтетической модели регионализации нервной системы в раннем эмб­риональном развитии. Лаури Саксен, Суло Тойвонен и Тапио Вайнио заключали ткани, характеризующиеся только нейрализующей или только мезодермализующей активностью, в различные эктодермальные сэндвичи. После 24-часовой экспозиции ткани-индукторы удаляли, а эктодер­мальные сэндвичи диссоциировали на одиночные клетки (рис. 4.4). Из этих суспензий готовили агрегаты, содержащие в разных пропорциях клетки, обработанные ранее нейрализующим или мезодермализующим "индукторами". Агрегаты клеток, обработанных только нейрализующим тканевым индуктором, формировали, как и ожидалось, только пе-реднемозговые структуры (передний мозг с глазами). Аналогичным об­разом, клетки, подвергавшиеся только мезодермализующему воздейст­вию, образовывали нервные трубки (т.е. спинной мозг) и хвостовые структуры. Вместе с тем в агрегатах, состоящих из нейрализованных и мезодермализованных клеток, обнаруживался весь спектр мозговых структур, а именно: передний мозг с глазами, задний мозг со слуховыми пузырьками и спинномозговые трубки. При умозрительной экстрапо­ляции полученных результатов на процессы нормального развития бы­ло сделано заключение, что формирование заднего мозга является вто­ричным актом и представляет результат взаимодействия между ранее нейрализованными клетками и мезодермой. Соответственно, авторы ввели в свою исходную двухградиентную модель нейральной региона­лизации дополнительный временной параметр. Теперь эта модель под­разумевала также двухстадийную последовательность событий: на на­чальных этапах индукции эмбриональная эктодерма детерминируется к развитию в мезодерму, а затем - в нервную ткань; на завершающих эта­пах индукции региональная специфика нейрального зачатка определя­ется взаимодействиями между нейроэпителием и мезодермой.

Эти представления нашли подтверждение во многих других опытах, включая эксперименты на живых зародышах. За исключением отдель­ных деталей, все экспериментально-эмбриологические опыты по ней­ральной индукции и нейральной регионализации свидетельствовали в пользу следующей последовательности соответствующих событий в процессе нормального развития. "Организатор" (дорзальная мезодер­ма) проявляет вначале так называемую "переднемозговую" нейрализующую активность и, воздействуя на компетентную эктодерму, приво­дит к образованию в ней однородного первичного зачатка нервной сис­темы (так называемая активация общей нейральной потенции). Позд­нее "организатор" характеризуется мезодермализирующей индукцион­ной активностью и, воздействуя на уже нейрализованную эктодерму, приводит к ее подразделению на области с различными нейральными потенциями (так называемая трансформация нейральных потенций). Региональная специфичность трансформируемых сигналов дорзальной мезодермы достигается благодаря формированию в нервной пластинке градиента мезодермализующего морфогена(ов).

Внедрение в экспериментальную эмбриологию молекулярно-гене-тических технологий позволило проверить справедливость двухградиентной гипотезы на молекулярном уровне. В ранних гаструлах амфи­бий было идентифицировано довольно большое число генов и белко­вых продуктов, которые синтезируются и секретируются "организато­ром" и которые вызывают формирование в эмбриональной эктодерме только ткани переднего мозга с глазами ("активация" общей нейраль­ной потенции эктодермальных клеток). Наиболее охарактеризовано действие двух из них: ноггина и хордина. Ниже мы остановим­ся на других факторах "организатора", характеризующихся способно­стью к "трансформации" потенций уже нейрализованных клеток.