Учреждение образования полесский государственный университет в. Т. Чещевик молекулярные основы
 Скачать 1.26 Mb.
|
|
ТЕМА 9 МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ КОНТРОЛЯ РАННЕГО РАЗВИТИЯ ДРОЗОФИЛЫ. РЕГУЛЯЦИЯ СЕГМЕНТАЦИИ 1. Гены сегментации (gap-гены, pair-rule-гены и segment-polarity-гены) и парасегменты. 2. Гомеозисные гены, гомеобоксы. Кластерная организация гомеозисных генов. 1. Гены сегментации (gap-гены, pair-rule-гены и segment-polarity- гены) и парасегменты Личинки насекомых сегментированы. Сегменты отделены друг от друга глубокими бороздками в эпидермисе в местах сочленения заднего компартмента одного и переднего компартмента другого сегмента. Первичными единицами сегментации являются парасегменты. Парасегменты играют важную роль в развитии зародыша насекомых. Парасегмент состоит из заднего компартмента одного и переднего компартмента соседнего сегмента. Анатомические структуры личинки соответствуют парасегментарному строению. Генетический контроль при формировании пространственной организации у дрозофилы (сегментации) осуществляется посредством взаимодействия сегрегационных и гомеозисных генов. Сегрегационные гены (гены сегментации) – это гены, контролирующие формирование определенного количества сегментов и активирующие гомеозисные гены, которые определяют качественные характеристики данных сегментов. К сегрегационным генам относятся гены материнского эффекта, которые контролируют формирование градиентов в ходе оогенеза, gap-гены, pair-rule- и segment-polarity-гены. Первый уровень генетического контроля – это гены с материнским эффектом, устанавливающие переднезадний градиент. На втором уровне гены сегментации интерпретируют возникший градиент и формируют набор парасегментов благодаря экспрессии генов gap-группы, отдельные парасегменты – благодаря экспрессии генов группы pair-rule, и их компартменты – благодаря экспрессии генов группы segment-polarity (сегментарной полярности). Третий уровень характеризуется активностью гомеозисных генов, определяющих морфологическую специфику каждого Молекулярные основы онтогенеза Полесский государственный университет Страница 53 отдельного парасегмента. gap-гены – это гены, которые первыми активируются в развивающемся зародыше (10-11 клеточный цикл деления), экспрессируются в широких участках (около трех сегментов), которые перекрываются между собой и регулируются белковыми продуктами генов материнского эффекта, формирующими градиенты в ходе оогенеза. Разные концентрации белковых продуктов gap-генов активируют pair-rule-гены (14 клеточный цикл деления), которые транскрибируются в клетках зачатков каждого второго сегмента и формируют 7 вертикальных полос клеток по всей длине зародыша. Pair-rule- гены приводят к распределению эмбриональных клеток по 14 парасегментам. Продукты транскрипции генов pair-rule активируют транскрипцию генов группы segment-polarity, белки и мРНК которых формируют 14 полос, которые разделяют зародыш на отдельные сегменты. Продукты генов материнского эффекта, gap-, pair-rule- и segment-polarity взаимодействуют между собой и активируют гомеозисные гены. 2. Гомеозисные гены, гомеобоксы. Кластерная организация гомеозисных генов Гомеозисные гены относятся к группе Hox-генов и представляют собой эмбриональные переключатели, способные регулировать направления дифференцировки. Гомеозисные гены содержат общую последовательность (гомеобокс) длиной в 180 п.н., который кодирует участок в полипептидной цепи данных генов называемый гомеодоменом, отличительной особенностью которых является большое количество остатков аминокислот аргинина и лизина. Гомеодомены разных гомеозисных генов гомологичны на 80–90%. Наличие гомеодоменов в белковых продуктах, кодируемых гомеозисными генами, позволяет выполнять данным белкам регуляторную роль. Нуклеотидная последовательность гомеобокса характеризуется жестким филогенетическим консерватизмом. Например, гомеодомены лягушки и дрозофилы из 60 аминокислот отличаются только по одной аминокислоте. Мутации по гомеозисным генам приводят к трансформации одного сегмента в другой. Экспрессия генов сегментации (gap-, pair-rule- и segment-polarity-гены) регулирует экспрессию гомеозисных генов двумя путями: гены, устанавливающие компартменты, детерминируют парасегментарные границы, в пределах которых транскрибируются гомеозисные гены. Белковые продукты Молекулярные основы онтогенеза Полесский государственный университет Страница 54 генов сегментации влияют также на активацию гомеозисных генов. В свою очередь гомеозисные гены способны также регулировать активность других гомеозисных генов. В 3 хромосоме дрозофилы выявлены 2 кластера гомеозисных генов: Antennapedia, включающего следующие гомеозисные гены antennapedia, scr и dfd, которые контролируют развитие структур головы, первого грудного сегмента и переднего компартмента второго грудного сегмента. Bithorax- кластер (ubx, abd A, abd B), контролирует развитие остальных грудных и всех брюшных сегментов. Активация различных генов данных кластеров обусловлена градиентом белка репрессора гена polycomb, который ингибирует экспрессию всех генов Bithorax-кластера. Наибольшая концентрация репрессора находится в передних сегментах, что приводит к полному подавлению экспрессии генов Bithorax- кластера и активации генов кластера Antennapedia, наименьшая концентрация – в каудальных сегментах. Молекулярные основы онтогенеза Полесский государственный университет Страница 55 ТЕМА 10 ГАСТРУЛЯЦИЯ И ЭМБРИОНАЛЬНАЯ ИНДУКЦИЯ 1. Представление о гаструляции как о морфогенетических перемещениях клеток и клеточных пластов. 2. Гаструляция у млекопитающих. 3. Сущность явления и история открытия эмбриональной индукции и организатора. 1. Представление о гаструляции как о морфогенетических перемещениях клеток и клеточных пластов Гаструляция представляет собой в высшей степени интегрированный процесс миграции клеток и тканей, приводящий к резкому перераспределению клеток бластулы. В данный период устанавливается план строения многослойного тела животного и формируются 3 зародышевых листка: эктодерма, энтодерма и мезодерма. Клетки, которые в будущем образуют энтодермальные и мезодермальные органы, попадают внутрь зародыша, тогда как клетки, из которых формируются кожа и нервная система, распространяются по его поверхности. При гаструляции наблюдаются следующие типы движения клеток: 1. Эпиболия – движение эпителиальных пластов клеток (обычно эктодермальных), которые распространяются как одно целое и окружают глубокие слои зародыша. 2. Инвагинация – впячивание участка клеточной стенки зародыша. 3. Инволюция – вворачивание внутрь зародыша увеличивающегося в размерах наружного пласта клеток, который распространяется по внутренней поверхности остающихся снаружи клеток. 4. Ингрессия – миграция клеток по отдельности из поверхностного слоя внутрь зародыша. 5. Деламинация – расщепление единого клеточного пласта на 2 более или менее параллельных. 2. Гаструляция у млекопитающих Сначала из первоначальной внутренней клеточной массы происходит Молекулярные основы онтогенеза Полесский государственный университет Страница 56 формирование гипобласта (первичная энтодерма). Данные клетки, отделяясь от внутренней клеточной массы, вселяются в полость бластоцисты, где из них формируется энтодерма желточного мешка. Данные клетки не участвуют в построении организма зародыша. Оставшаяся на поверхности часть внутренней клеточной массы, лежащей над гипобластом, называется эпибластом. Эпибласт посредством формирования мелких трещин разделяется на зародышевый эпибласт и выстилку амниона. После образования выстилки амнион наполняется секретом, называемым амниотической жидкостью. Зародышевый эпибласт содержит все клетки, необходимые для образования самого эмбриона. На заднем крае зародышевого эпибласта образуется локальное утолщение, дающее начало первичной полоске, через которую мигрируют клетки- предшественники энтодермы и мезодермы. Из внезародышевых тканей образуются ткани, характерные только для млекопитающих и обеспечивающих выживание плода в матке. Из данных клеток образуется первый тип нормально делящихся клеток – цитотрофобласт, и второй тип клеток, в которых деление ядер не сопровождается цитокинезом, синцитиальный трофобласт, который внедряется в слизистую матки, замуровывая в ней зародыша. Матка, в свою очередь, в данную область посылает кровеносные сосуды. Затем мезодермальная ткань простирается кнаружи от гаструлирующего зародыша. Данная ткань мигрирует через первичную полоску, становится внезародышевой и входит в ворсинки трофобласта. Из данной мезодермы формируются кровеносные сосуды, несущие кровь от матери к зародышу, приводя к формированию пупочного канатика. Орган, состоящий из ткани трофобласта и содержащий внезародышевые кровеносные сосуды, называется хорионом, который сливаясь со стенкой матки формирует плаценту. Дорсовентральную и переднезаднюю оси зародыша детерминирует смещение цитоплазмы зиготы при оплодотворении. 3. Сущность явления и история открытия эмбриональной индукции и организатора Существуют определенные клетки, которые действуют как организаторы на другие, подходящие для этого клетки. В условиях отсутствия клеток- организаторов такие клетки пойдут по другому пути развития, отличном от того, в котором они развивались бы в условиях присутствия организаторов. Организатор – это область зародыша хордовых животных, оказывающая индуцирующее влияние на прилежащие к ней другие области. Различают Молекулярные основы онтогенеза Полесский государственный университет Страница 57 головной организатор (материал прехордальной пластинки и переднего отдела хорды), индуцирующий образование передних отделов мозга, и туловищный организатор (остальной материал хорды и сомитов), индуцирующий образование задних отделов мозга и туловищно-хвостовых структур. Впоследствии организатор, аналогичный организатору земноводных, были обнаружены у представителей всех классов хордовых животных (гензеновский узелок у птиц, задний отдел зародышевого диска у костистых рыб и т.д.). Организатороми стали называть и другие зачатки органов зародыша, оказывающие индуцирующее действие на прилежащие к ним области, - вторичные, третичные и т.д. Открытие явления эмбриональной индукции принадлежит Шпеманну, который начал поиски межклеточных взаимодействий на сравнительно поздних стадиях развития зародыша, когда цитоплазматические факторы уже не оказывают непосредственного действия на процессы развития. В качестве модели исследования Шпеманн выбрал развитие глаза у амфибий. Этот орган образуется из нескольких закладок, ткани которых в ходе развития обнаруживают координированные во времени сложные морфогенетические преобразования. На стадии ранней хвостовой почки Шпеманн делал обращенный вниз П-образный надрез эктодермы головы, прикрывающей область формирования глазного пузыря, отворачивал эктодермальный лоскут и удалял глазной пузырь. После хирургического удаления глазного пузыря эктодермальный лоскут возвращался в исходное положение и вскоре приживлялся. В этом опыте Шпеманну удалось показать, что в случае удаления глазного пузыря хрусталиковая плакода не формировалась и, соответственно, хрусталик не развивался. В другом эксперименте Шпеманн трансплантировал глазной бокал в туловищную область и наблюдал эктопическое образование хрусталика. Непреходящее значение этих, опубликованных в 1901 году, опытов Шпеманна, состоит в том, что впервые в истории эмбриологии было доказано существование зависимого развития органов: удаление или трансплантация одного зачатка соответственно негативно или позитивно сказывались на развитии другого. Значение опытов Шпеманна состояло и в том, что была разработана методология экспериментального анализа зависимого развития, а именно, нарушение нормальных связей между взаимодействующими зачатками. Открытие организатора. Показав, что в период органогенеза предопределение судьбы зачатков происходит в результате взаимодействия, Шпеманн попытался распространить свою методологию анализа эмбрионального развития на более ранние стадии. Он трансплантировал Молекулярные основы онтогенеза Полесский государственный университет Страница 58 различные зачатки гаструлы тритонов на стадиях ранней и поздней гаструлы. Шпеманн установил, что трансплантированные зачатки ранней гаструлы развивались в соответствии с новыми условиями окружающей их среды: презумптивная нейроэктодерма развивалась на брюшной стороне зародыша как эпидермис, тогда как презумптивный эпидермис в области нейральной пластинки развивался как нервная ткань. Из этих наблюдений следовал вывод, что на стадии ранней гаструлы исследованные зачатки не были детерминированы и развивались зависимо, принимая судьбу окружающих их тканей. Иная картина наблюдалась спустя несколько часов, когда трансплантацию проводили на стадии поздней гаструлы. Теперь при трансплантации материала нейроэктодермы на брюшную сторону формировались структуры, характерные для нервной системы. Презумптивная эпидермальная ткань, пересаженная в область нейроэктодермы, также сохраняла свои свойства в новом окружении. Из этих экспериментов следовало, что на стадии гаструляции происходит детерминация свойств эпидермальной и нервной ткани. Особое значение имели результаты, полученные Шпеманном в опытах по трансплантации зачатка спинной губы бластопора, взятого на стадии ранней гаструлы. Пересадка спинной губы бластопора на вентральную сторону зародыша вызывала полную реорганизацию морфогенетических процессов, в результате которой в этой области происходило развитие дополнительной хорды, нервной трубки, сомитов. Дорсальная губа бластопора предстала, таким образом, организатором развития осевых структур и при трансплантации вызывала формирование вторичного зародыша. Процесс образования нейральной ткани из компетентной эктодермы под действием организатора был назван Шпеманном первичной эмбриональной индукцией. Дальнейшее развитие зародыша, по Шпеманну, представлялось цепью индукционных событий, в результате которых происходила последовательная дифференциация зародыша. Молекулярные основы онтогенеза Полесский государственный университет Страница 59 ТЕМА 11 ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЭМБРИОНА ПОЗВОНОЧНЫХ ЖИВОТНЫХ 1. Становление дорсо-вентральной оси зародыша амфибий. Роль белковых факторов Wnt и TGFβ в становлении дорсо-вентральной оси зародыша амфибий. Центр Ньюкупа. 2. Становление лево-правой асимметрии. 1. Становление дорсо-вентральной оси зародыша амфибий. Роль белковых факторов Wnt и TGFβ в становлении дорсо- вентральной оси зародыша амфибий. Центр Ньюкупа Wnt-сигналинг. Семейство генов wnt широко распространено в природе. Гены wnt кодируют секретируемые паракринные белки, которые исполняют роль сигнальных молекул для решения самых различных задач в эмбриогенезе животных. Например, у зародышей амфибий и рыб они используются при формировании переднезадней оси (Xwnt-3), при спецификации вентральной мезодермы (Xwnt-8), при дифференциации мозга (Xwnt-1, Xwnt-8b, zWntd), для осуществления гаструляции (Xwnt-11, zWnt-11) и др. Известны два пути проведения сигнала Wnt: канонический и альтернативный. При каноническом способе лиганд Wnt связывается с трансмембранным рецептором Frizzled (Fz) и способствует накоплению в клетке β-катенина вследствие ингибирования его разрушения. Последний накапливается в цитоплазме реагирующей клетки и вместе с кофактором Tcf-3 формирует комплексный транскрипционный фактор, который обеспечивает экспрессию регулируемого гена. Например, этот механизм задействован в индукции дорсальной мезодермы шпорцевой лягушки. Следует заметить, что объединение β-катенина с кофактором иногда выполняет противоположную функцию, вызывая супрессию транскрипции. Вскоре после стадии средней бластулы функции Wnt-сигналинга у шпорцевой лягушки резко изменяются. Теперь фактор Xwnt-8 используется для формирования вентральной и латеральной мезодермы, что, возможно, обусловлено переходом на альтернативный путь сигналинга. При альтернативном пути активация Dsh открывает путь цитоплазматическим киназам JNK или SAPK, а при проведении сигнала, инициируемом лигандом Xwnt-5A, возможно, используется протеинкиназа С. Центр Ньюкупа. Это вегетативно-дорсальная область зародыша Молекулярные основы онтогенеза Полесский государственный университет Страница 60 шпорцевой лягушки, обладающая способностью индуцировать мезодерму на стадии дробления. Центр Ньюкупа образуется в результате кортикальной ротации, которая происходит после оплодотворения. Во время ротации белок Disheveled (Dsh) из вегетативной области яйца перемещается на будущую дорсальную сторону и ингибирует здесь активность киназы GSK-3, стабилизируя таким образом β-катенин, концентрация которого благодаря этому возрастает. В результате в клетках дорсальной области образуется комплексный транскрипционный фактор β-catenin/Tcf3, который обеспечивает активацию экспрессии гена siamois. Белок Siamois, в свою очередь, является транскрипционным фактором, наличие которого является необходимым условием экспрессии гена образования хордомезодермы. Согласно современным представлениям, в регуляции активности экспрессии гена образования хордомезодермы участвуют белки суперсемейства TGF-β. Благодаря асимметричной локализации β-катенина гены группы Xnr (Xenopus nodal related) наиболее активно экспрессируются в бластомерах дорсальной области, создавая на стадии поздней бластулы предпосылки формирования хордомезодермы. Трансформирующие факторы роста бета (TGF-β) образуют обширное сверхсемейство, в которое входят собственно TGF-β, активины, разнообразные BMP-факторы (BMP – bone morphogenetic factor). Функции: контролируют клеточную репродукцию, программируемую смерть клеток, миграцию клеток, установление осей зародыша, спецификацию мезодермы, дифференциацию нервной системы и органов чувств, морфогенез кишки. Факторы TGF-β воспринимаются клетками, которые одновременно имеют специализированные рецепторные молекулы двух типов. Рецептор 1-го типа (R1) в цитоплазматическом домене имеет так называемый GS участок. Рецептор 2-го типа (R2) имеет область, которая является серин-треониновой киназой. Лиганд связывается с рецептором R2, что обеспечивает соединение и с рецептором R1. При сближении рецепторов киназа рецептора R2 фосфорилирует сериновые и треониновые остатки GS бокса рецептора R1. Активный R1 приобретает способность фосфорилировать сериновые остатки карбоксильной группы белков Smad, цитоплазматических эффекторов, проводящих сигнал от рецептора к ядерной ДНК. 2. Становление лево-правой асимметрии Становление лево-правой асимметрии – фундаментальное событие в развитии позвоночных животных. В отличие от симметрично расположенных Молекулярные основы онтогенеза Полесский государственный университет Страница 61 внешних органов многие внутренние органы располагаются асимметрично относительно медиальной плоскости. Например, сердце при нормальном развитии занимает левостороннее расположение, печень – правостороннее. Асимметричность характерна для укладки кишечника. Полагают, что лево- правая асимметрия имеет адаптивное значение, поскольку она обеспечивает компактное расположение внутренних органов, и создает более эффективные условия для работы сердечно-сосудистой системы. Имеются две логические возможности становления лево-правой асимметрии. Одна из них состоит в том, что лево-правая асимметрия преформирована уже в яйцеклетке. Другая исходит из предположения, что эта асимметрия возникает в ходе развития, например, в результате появления молекул, предопределяющих асимметричность каких-то функций. Была высказана гипотеза ("модель узелкового течения", nodal-flow model), согласно которой становление лево-правой асимметрии у млекопитающих связано с направлением тока жидкости в области узелка на стадии зародышевой полоски. Ресничные клетки узелка гонят имеющуюся здесь жидкость справа налево. Мутация гена динеина, вызывающая остановку биения ресничек, нарушала формирование нормальной лево-правой асимметрии, и положение органа в теле зародыша приобретало рандомизированный, случайный характер. |