Развитие червей начинается с хвоста
|
Германские биологи расшифровали механизм, управляющий делением клеток развивающегося эмбриона червя Caenorhabditis elegans — модельного объекта для исследований развития животных. Оказалось, что одна из клеток эмбриона — бластомер P2 — выделяет сигнальное вещество, которое заставляет остальные клетки делиться в определенном направлении, в результате чего зародыш приобретает удлиненную форму. Та часть зародыша, где расположена клетка P2, становится его задним концом. Даже кратковременный контакт с клеткой P2 приводит к поляризации остальных бластомеров и заставляет их развиваться не в аморфную клеточную массу, а в удлиненный зародыш с задним концом в том месте, где к нему прикасалась клетка P2.
Нематода (круглый червь) Caenorhabditis elegans — замечательный модельный объект для самых разнообразных исследований. Достаточно сказать, что в 2002 году Сиднею Бреннеру, который первым начал использовать этого крошечного червя в качестве модельного объекта в генетических и эмбриологических исследованиях, была присуждена Нобелевская премия (см.: Erika Check. Worm cast in starring role for Nobel prize // Nature, 419, 548-549. 10 October 2002).
Одно из главных достоинств C. elegans — прозрачность. Под микроскопом хорошо видны на просвет все внутренние органы и даже отдельные клетки. Чтобы увидеть во всех подробностях, как из оплодотворенной яйцеклетки развивается червячок с пищеварительной и нервной системами, мускулатурой, органами размножения, достаточно просто положить яйцо C. elegans на предметный столик микроскопа и наблюдать за ним в течение 14 часов — именно столько продолжается эмбриональное развитие этого животного.
Генетики и эмбриологи выявили целый ряд генов, влияющих на развитие червя, причем многие из этих генов имеются также и у других многоклеточных, в том числе и у человека. Как известно, система генетической регуляции развития, включающая Hox-гены и ряд других важных генов-регуляторов, в общих чертах сходна у всех двусторонне-симметричных животных. Однако ученые пока еще очень далеки от полного понимания тех удивительных механизмов, которые заставляют дробящееся яйцо превращаться не в комок клеток, а в сложно и тонко организованное многоклеточное существо.
Генетический анализ позволяет лишь выявить гены, необходимые (но вовсе не обязательно достаточные) для тех или иных аспектов дифференцировки клеток. Например, мутации Hox-генов могут приводить к причудливому перемешиванию признаков, характерных для разных отделов тела (на голове дрозофилы могут вырасти ноги, на заднем сегменте груди — дополнительная пара крыльев). Известны гены, мутации в которых приводят к полному нарушению процессов клеточной дифференцировки, так что вместо нормального эмбриона действительно образуется аморфный комок клеток. Но чтобы понять, как все эти гены вместе руководят развитием, необходимы эмбриологические эксперименты.
C. elegans — идеальный объект для таких исследований. Развитие этого червя прослежено во всех деталях — от оплодотворенного яйца до взрослого организма. В точности известна судьба каждой зародышевой клетки (бластомера); известно, из какого бластомера образуется каждая из клеток взрослого червя. Надо сказать, что развитие круглых червей, в отличие от многих других животных, очень строго детерминировано с самого начала. Даже на стадии двухклеточного эмбриона его бластомеры отнюдь не одинаковы. Разделив их, мы не получим близнецов, как это бывает у позвоночных. Более крупный передний бластомер АB дает большую часть тела, мускулатуру, нервную систему; задний бластомер P1 — меньшую часть тела, включая половые органы и кишечник. Таким образом, судьба этих бластомеров в значительной степени предопределена уже на двухклеточной стадии. Она предопределена изначальной полярностью яйцеклетки: одному бластомеру достается больше каких-то веществ, другому меньше.
При этом, однако, бластомеры вовсе не являются замкнутыми системами, изначально запрограммированными на какой-то определенный путь развития. Они не могут правильно развиваться без контакта с другими бластомерами; они обмениваются между собой разнообразными химическими сигналами, корректируя свое поведение в соответствии с переменами в клеточном окружении.
Маркус Бишофф и Ральф Шнабель (Marcus Bischoff, Ralf Schnabel) из Института генетики Технического университета в Брауншвейге (Technische Universitat Braunschweig Carolo Wilhelmina, Institut fur Genetik, Braunschweig, Germany) задались целью выяснить, какой механизм отвечает за придание эмбриону передне-задней полярности. В экспериментах им чрезвычайно помогло то обстоятельство, что с ранними эмбрионами C. elegans можно обращаться как с миниатюрным конструктором. Бластомеры можно разделять и перекомбинировать произвольным образом, и даже составлять химерные эмбрионы из клеток разных особей. До взрослого червя такие конструкции, как правило, дорасти не могут, но все-таки умирают не сразу и некоторое время развиваются.
Исследователи отделили у четырехклеточных эмбрионов две передние клетки («дочки» бластомера AB), из которых в норме должен развиться почти весь червяк. В отсутствие контакта с задними бластомерами (дочками бластомера P1, которые называются EMS и P2) эти клетки делились хаотически и превращались в бесформенный комок, лишенный передне-задней полярности.
|
Ученые предположили, что задние бластомеры выделяют какое-то сигнальное вещество, упорядочивающее деление передних клеток. Это предположение полностью подтвердилось. Оказалось, что «поляризующим центром» зародыша служит бластомер P2 (из него впоследствии развивается половая система, а из EMS — кишечник). Достаточно приложить клетку P2 к потомкам AB хотя бы на пять минут, чтобы клетки «поляризовались». После этого потомки AB делятся не случайным образом, а преимущественно в определенной плоскости, так что в результате из них получается не комок, а удлиненный червеобразный зародыш с выраженным передним и задним концом. Задним концом всегда становится та точка, к которой прикоснулась клетка P2.
Очевидно, сигнальное вещество, выделяемое клеткой P2, влияет на ориентацию веретена деления у дробящихся бластомеров. Сила этого вещества такова, что, прикладывая к клеткам два P2-бластомера в разных местах, ученые получали причудливых монстров с двумя хвостами или L-образно изогнутые зародыши с двумя взаимно перпендикулярными передне-задними осями. Каждая точка контакта с P2 превращалась в задний конец!
Теперь надо было выяснить, что это за вещество. Ранее было известно, что свойством оказывать влияние на ориентацию плоскости деления клеток обладает сигнальный белок Wnt, один из важнейших многофункциональных регуляторов развития у многоклеточных животных. Это белок выделяется одними клетками и воспринимается рецепторами других, что приводит к активизации различных генов-регуляторов, в том числе Hox-генов. Чтобы проверить, действительно ли бластомер P2 поляризует остальные бластомеры при помощи белка Wnt, исследователи использовали мутантные P2-бластомеры с выключенным геном Wnt. Оказалось, что такие P2-бластомеры поляризующим действием не обладают. Таким образом, природа сигнала была установлена.
Оставалось понять, каким образом сигнал передается от одних клеток к другим. Исследователи обнаружили, что клетки, «поляризованные» P2-бластомером, сами приобретают способность поляризовать другие клетки. Однако если у них выключен ген Wnt, этого не происходит. Из этого авторы сделали вывод, что передача сигнала происходит не путем диффузии сигнального вещества, производимого P2-бластомером, из клетки в клетку, а по принципу эстафеты. Поляризованные клетки сами начинают производить белок Wnt и таким образом поляризуют своих соседей.
Дополнительные эксперименты показали, что оставшаяся часть зародыша (та, что получается из бластомера EMS) тоже поляризуется благодаря контакту с P2. Таким образом, бластомер P2 оказался главным организующим центром развивающегося зародыша, определяющим его передне-заднюю полярность. Это важное открытие германских эмбриологов, а также разработанные ими методики сложных манипуляций с бластомерами открывают новые захватывающие перспективы перед учеными, стремящимися проникнуть в тайну развития многоклеточного организма.
Источник: Marcus Bischoff, Ralf Schnabel. A Posterior Centre Establishes and Maintains Polarity of the Caenorhabditis elegans Embryo by a Wnt-Dependent Relay Mechanism // PLoS Biology. 2006.
