формирование осей и становление общего плана строения в

Лекция 8
ФОРМИРОВАНИЕ ОСЕЙ И
СТАНОВЛЕНИЕ ОБЩЕГО ПЛАНА
СТРОЕНИЯ В РАННЕМ РАЗВИТИИ
АМФИБИЙ
(от дробления до гаструляции)
Ооцит амфибий поляризован (имеет анимальновегативную полярность). Поляризация
цитоплазмы зародыша достигается также
благодаря кортикальному сдвигу при
оплодотворении яйцеклетки (см. далее).
Дробление полное, образующиеся бластомеры
имеют неравные размеры (более крупные на
вегетативном полюсе обогащены желтком). Два
первых деления дробления проходят в
меридианальной плоскости, третье - в
экваториальной, ближе к анимальному полюсу.
Вторая борозда дробления начинается, когда
первое дробление еще не завершено.
Раннее развитие амфибий (зигота, дробление, гаструляция,
нейруляция)
Оплодотворение вызывает специфическую реорганизацию цитоплазмы и
предопределяет формирование дорсо-вентральной оси зародыша.
Дорсальная сторона формируется на стороне противоположной месту
вхождения спермия в ооцит. Сдвиг поверхностного слоя цитоплазмы в ходе
кортикальной ротации и образование серого серпа в яйце Rana pipiens после
оплодотворения.
Раннее дробление. Образование морулы (16 -64
клетки)
Бластомеры сцеплены за счёт межклеточных контактов.
Дефектные по EP-кадгерину бластомеры утрачивают
контакты (облитерация бластоцеля -справа).
Изменения в районе бластопора. Эпиболия эктодермы (обрастание
зародыша эктодермой) и образование стадии желточной пробки
(кольцевой бластопор с интернализованными энтодермальными
клетками, обогащенными желтком)
Переход на средней бластуле означает переход от
двухфазных клеточных циклов к четырехфазным
• По большей части ядерные гены амфибий активируются не
раньше 12-го клеточного цикла (Newport, Kirschner;1982a,b). В это
время начинается дифференциальная экспрессия различных
генов, и бластомеры становятся подвижными. Это резкое
изменение, называемое переходом на средней бластуле, или
midblastula transition (MBT), имеет ключевое значение для
развития зародыша.
• Предполагается, что MBT наступает в результате того, что по
мере деления клеток некий цитоплазматический фактор,
ингибирующий транскрипцию, титруется новообразованным
хроматином; об этом можно судить потому, что время MBT может
быть изменено экспериментально путем изменения соотношения
хроматина и цитоплазмы в клетке (Newport, Kirschner 1982a,б;
Edgar et al. 1986). Таким образом, дробление начинается сразу
после оплодотворения и заканчивается вскоре после стадии
достижения зародышем нового соотношения объемов ядра и
цитоплазмы.
Ранняя стадия образования дорсальной губы бластопора.
Инволюция и образование бутылковидных клеток вегетативного
полушария (внизу).
Пересаженные участки дорсальной губы бластопора способны внедряться в
слой энтодермальных клеток (образование бутылковидных клеток
бластопора у саламандры – активный процесс, у других амфибий также
важное значение в миграции клеток имеет внеклеточный матрикс - ВКМ)
Миграция клеток мезодермы ориентирована вдоль фибронектина
ВКМ в ходе гаструляции у Xenopus. (Фибронектин локализован благодаря
флуоресцирующими зеленым цветом антителам, специфичным к этому белку.
Движение зародышевых клеток происходит благодаря взаимодействию интегринов
этих клеток с фибронектином внеклеточного матрикса)
Важность взаимодействия между клетками и ВКМ в ходе
гаструляции амфибий
Избирательная экспрессия параксиального, но не осевого
протокадгерина в параксиальной мезодерме, но не в хорде и не в
зачатке головы зародыша Xenopus в в ходе гаструляции (поздняя
стадия)
Миграции клеток в ходе гаструляции у лягушки. Закладка
передне-задней оси зародыша
Фактор транскрипции VegT (материнского эффекта) , локализованный в клетках
вегетативного полушария важен для формирования энтодермальных клеток.
Мутация его гена приводит к отсутствию энтодермы у зародыша
Ассиметрия раннего зародыша. Бластомеры из вентрального района (не
содержащего область серого серпа) формируют вместо полноценного
зародыша комочки из фрагментов, лишенных дорсальных структур (“Belly
piece”). Эксперименты Г. Шпемана
«Эмбриональная индукция - взаимодействие
эмбриональных закладок, ведущее к
формообразовательному эффекту. Этот эффект
достигается через реакцию на индуктор ткани мишени, которая становится детерминированной
к определённому типу развития. Далее
детерминированное состояние реализуется в
процесс дифференцировки» (Л. И. Корочкин, «Биология
индивидуального развития, М. 2002).
Индуктор, компетентная ткань, взаимодействие индуктора и
компетентной ткани (пласта клеток)
Демонстрация регуятивности развития яиц амфибии
(эксперимент Г. Шпемана)
Организатор - индуктор, индуцирующий целый комплекс зачатков в
ходе гаструляции вдоль передне-задней оси - открыт Г. Шпеманом и Х.
Мангольд в 1924 г. Дорсальная губа бластопора как Организатор
(пересадка организатора индуцирует эктопический комплекс зачатков)
Ганс Шпеман и Хильда Мангольд
Conclusion:
Nobel
Prize
Nobel
Prize
Центр Ньюкупа. Мезодермализирующее воздействие вентральной
энтодермы на экваториально расположенные клетки (маргинальной
зоны). Формирование Организатора под индуцирующим
воздействием центра Ньюкупа
Важность энтодермальных клеток, наиболее близких к дорсальной губе
бластопора, для образования комплекса осевых зачатков зародыша
Роль Wnt-сигнального пути (точнее, его компонентов) в спецификации дорсовентральной оси – ядерная транслокация b -катенина преимущественно на
дорсальной стороне зародыша.
Локализация b-катенина на дорсальной стороне в течение гаструляции
(слева). Угнетение GSK-3 (ингибитора b-катенина) в 2-х клеточном
зародыше Xenopus приводит к образованию второго комплекса осевых
зачатков (справа)
Способность центра Ньюкупа индуцировать дорсальную мезодерму достигается
одновременной актвивацией b-катенина а также Xbra (в основном, дорсально), и
белков суперсемейства TGF-b – Nodal-родственных ( Xnr1,2,4 и Derrière, в основном,
вегетативно)
Кортикальный сдвиг в ходе оплодотворения приводит к транслокации белка
Disheveled на дорсальную сторону и вблизи неё, где он связываясь и угнетая
действие GSK-3, обеспечивает накопление активного b-катенина в
клеточных ядрах
Активация гена транскрипционного фактора Goosecoid в Организаторе,
совместным действием Siamois, индуцированого b-катенином, и Lim1,
индуцированного при поступлении сигналов от белков Vg1 и Nodal
(суперсемейства TGF-b из центра Ньюкупа
Одновременная индукция Организатора и вентральной мезодермы bкатенином и энтодермальными сигналами, идущими от цепочки
VegT, Vg1. Создание вентральных градиентов морфогенов Bmp4,
Xwnt8 и дорсальных – Xnr 1, 2 и 4 (Xenopus Nodal-родственных
белков).
Белки, синтезируемые в клетках Организатора (неполный список)
Локализация иРНК noggin в организаторе
Локализация иРНК chordin в дорсальной губе бластопора и в
тканях организатора
Модель, схематически представляющая функциональную активность
Организатора.
BMP4 вентрализует мезодерму и активирует дифференцировку эктодермальных клеток
в клетки эпидермиса. Паракринные факторы Организатора (хордин, ноггин и
фоллистатин) блокируют действие BMP, тем самым индуцируя образование нейральных
структур из эктодермы
Выбор пути дифференцировки эктодермы в эпидермис или в
нейроэктодерму определяется соответственно либо сохранением,
либо угнетением BMP4-сигналинга
Региональная специфичность индукции дорсальной губы бластопора.
Дорсальная губа, соответствующая передней части организатора, индуцирует при
пересадке в раннюю гаструлу тритона структуры головы, а взятая на более поздней
стадии - структуры задней части спины (Saxen, Toivonen, 1962)
Региональная специфичность индукции
Пересадка различных участков внешнего свода архентерона (ткани организатора)
тритона в раннюю гаструлу тритона приводит к образованию последовательно
постериорных структур (O. Mangold, 1933)
Специфичность индуктора и реакция на индуктор компетентной
ткани имеет временный характер. По мере созревания
компетентной ткани она становится детерминированной и больше не
подвергается влиянию индуктора
Угнетение Frzb, Dickkopf и Сerberus действия морфогена Xwnt8,
который препятствует образованию передних структур головы.
Способы угнетения ими Wnt- сигнала различаются
Экспрессия иРНК Frzb (синие окрашивание) в энтомезодерме
организатора, ответственной за формирование структур головы.
Микроинъекции иРНК Frzb в маргинальную зону (где в норме Frzb
не образуется) приводят к угнетению образования туловища.
Направление градиентов основных морфогенов(Wnt8 и
BMP4) в раннем развитии Xenopus
Блокирование паракринными факторами Организатора действия
морфогенов зародыша Xenopus
Сейчас известно, что определённые признаки нервных структур можно
индуцировать в клетках без участия сигналов идущих вертикально из
районов Организатора
Two types of experiments show this:
1) Exogastrula embryos labeled with neural markers
2) Keller sandwiches
exogastrula experiments:
exo-gastrulation
ectoderm
conclusion:
notochord
gut epithelium
somites
head
mesoderm
N-CAM and Xhox-3
cells migrate
toward
outside
get no apposed tissue layers
BUT genetic markers for neural
tissue (N-CAM and Xhox-3) are
present in ectoderm next to
evaginated mesoderm
REMEMBER only planar induction possible in
exogastrulae
PLANAR induction
of ectoderm by
mesoderm can
produce nervous
tissue
But is the nervous
tissue organized
in the correct
sequence ?
Градиенты факторов, ответственных за спецификацию структур
вдоль передне-задней и дорсо-вентральной осей у зародыша
амфибии (модифицированная схема)
В ходе гаструляции формирующиеся из организатора структуры
дифференцируются сами и индуцируют образование осевых
структур, проявляя региональную специфичность:
1. Индукция структур головы. Участвуют прехордальная пластинка
(эндомезодерма,) фарингиальная энтодерма (глотки) и мезодерма головы.
Они продуцируют и секретируют факторы, блокирующие действие wnt
(Xwnt-8) и BMP4. Cerberus (ингибитор Xwnt-8 и BMP4), Frzb и Dickkopf блокируют wnt -сигналинг. Прехордальная пластинка продуцирует также
Noggin, Chordin, Follistatin , которые связываются с BMP-факторами и
угнетают их взаимодействие с соответствующими рецепторами, что
обусловливает формирование из эктодермы структур головного мозга.
Follistatin блокирует связывание активина с соответствующими рецепторами.
Инсулино-подобные ростовые факторы (IGF) стимулируют образование
головного мозга и сенсорых плакод.
2. Туловищный отдел спинного мозга - Участвует хордомезодерма. Она
продуцирует Noggin, Chordin и Nodal-related-3 (Xnr-3), которые- угнетают
взаимодействие BMP4 с соответствующими рецепторами, что обусловливает
нейрализацию эктодермы. Follistatin также блокирует связывание активина с
соответствующими рецепторами.
3. Постериорный (каудальный) отдел. Постерионые структуры
хордомезодермы секретируют те же молекулы, что и туловищные. Кроме
того образуются т.н. постеоризующие факторы, действующие планарно eFGF, Xwnt3а и ретиноевая кислота. eFGF и ретиноевая кислота (в
градиентной манере) активируют экспрессию постериорных Hox-генов
Формирование лево-правой оси у Xenopus. Сердце (сверху) образуется
петлей слева-направо, спирали кишечника (внизу) наоборот - против часовой
стрелки. Vg1 в левых вегетативных бластомерах предположительно
активирует в левой части зародыша Xnr-1, а тот - ген фактора транскрипции
Pitx2. При инъекции гена pitx2 также и в правую часть зародыша типы
«выпетливания» сердца и кишечника не коррелируют.