Колониальные эукариоты: эволюция дифференцировки

Одним из наиболее важных экспериментов эволюции было создание многоклеточных организмов.

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

Рис- 1.15. Итоговая схема мейоза. ДНК и связанные с ней белки реплицируются во время интерфазы. Во время профазы ядерная оболочка разрушается и гомологичные хромосомы (каждая из которых состоит из двух хроматид, соединенных центромерой) располагаются попарно. В это время между четырьмя гомологичными хроматидами может происходить обмен участками. После метафазы I две исходно гомологичные хромосомы расходятся в разные клетки. При втором делении центромера расщепляется, и в результате в каждой новой клетке оказывается одна копия каждой хромосомы.

Рис. 1.16. Двухступенчатое узнавание при копуляции у Chlamydomonas. А. Микрофотография, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа ( х 7000), на которой видна копулирующая пара. Взаимодействующие жгутики обвиваются один вокруг другого, слипаясь концами (стрелки). Б. Микрофотография цитоплазматического мостика, соединяющего две особи, в просвечивающем электронном микроскопе (х 20000). Микрофиламенты простираются от клетки-донора (внизу) к клетке-рецептору (наверху). (Из Goodenough, Weiss. I975; Bergman el al.. 1975: с любезного разрешения U. Goodenough.)

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

24________________ ГЛАВА 1_______________________________________________________________________________

Возникновение многоклеточности шло, по-видимому, несколькими путями: здесь мы рассмотрим только два из них. Первый путь заключается в упорядоченных делениях репродуктивной клетки и последующей дифференцировке новообразованных клеток. Этот путь возникновения многоклеточности можно проследить на замечательной серии организмов, относящихся к порядку Volvocales.

Volvocales

Наиболее просто устроенные организмы среди Volvocales представляют собой совокупность большого числа клеток, по строению напоминающих хламидомонад, однако у более высокоорганизованных членов этого порядка появились клетки совершенно иного типа. У единственного представителя наиболее примитивного рода вольвоксовых Oltmannsiella четыре клетки, сходные с Chlamydomonas, расположены в ряд и заключены в студенистый матрикс. У другого рода (Gonium: рис 1.17) в результате деления одной клетки образуется плоская пластинка, состоящая из 4-16 клеток, каждая из которых имеет собственный жгутик: все жгутики находятся на одной и той же стороне пластинки. У близкого рода Pandorina 16 клеток образуют шар, а у Eudorina подобный шар содержит 32 или 64 клетки, расположенные строго закономерно. Следовательно, у этих организмов выработалась очень важная особенность развития: упорядоченное деление одной клетки дает начало многим клеткам, расположение которых предсказуемо. Эта особенность развития является предвестником процесса дробления яйца у более высокоорганизованных животных.

Для следующих двух родов порядка Volvocales характерна другая важная особенность развития - дифференцировка клеток разных типов в пределах

Рис. 1.17. Представители порядка Volvocales. Сложность организации возрастает от одноклеточной хламидомонады до многоклеточного вольвокса (Volvox).

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

_______________ ВВЕДЕНИЕ В ИЗУЧЕНИЕ РАЗВИТИЯЖИВОТНЫХ__________________________________________ 25

Рис. 1.18. Бесполое размножение у Volvocales. A. Зрелая колония Eudorina elegance. б.Каждая из клеток E. elegansделится и образует новую колонию. В. Зрелый Volvox carieri. Большая часть клеток неспособна к размножению. Половые клетки (гонидии) начали делиться для образования нового организма. (А и Б - по Hartmann. 1921; В - из Kirk et. al., с любезного разрешения D. Kirk.)

одного организма, причем репродуктивные клетки дифференцируются из соматических. У Eudorina, например, каждая клетки способна образовать путем митоза (и в норме образует) полноценный новый организм (рис. 1.18. A. Б). Однако у представителей родов PIeodorina и Volvox лишь относительно небольшое число клеток обладает такой способностью. У Pleodorina californica клетки передней области выполняют только соматические функции и лишь клетки задней части участвуют в размножении. У Ρ.californica колония обычно состоит из 128 или 64 (редко 32) клеток и отношение соматических и репродуктивных клеток, как правило, равно 3:5. Так. 128-клеточная колония имеет 48 соматических клеток, a 64-клеточная - 24.

У Volvox почти все клетки соматические и лишь очень немногие не способны давать начало новым особям. У более примитивных видов рода Volvox репродуктивные клетки, так же как у Pleodorina, происходят от клеток, которые первоначально выглядят и функционируют как соматические: затем размеры этих клеток увеличиваются, и они делятся, образуя новые колонии. Однако у более сложно организованных представителей этого рода, как, например, у V. carteri, имеется полное разделение функций. Репродуктивные клетки, из которых позднее возникает новая генерация, обособляются во время деления клеток, формирующих новый организм У репродуктивных клеток никогда не образуются функциональные жгутики и они не участвуют в движении или других соматических функциях индивидуумa: они полностью специализированы для размножения. Таким образом, если более примитивных вольвоксовых можно рассматривать как колониальные организмы (поскольку каждая клетка в них способна к независимому существованию и воспроизведению вида), то в случае V. carteri мы имеем истинный многоклеточный организм с двумя четко обособленными и независимыми типами клеток (соматическими и репродуктивными), которые необходимы для того, чтобы поддерживать существование вида (рис. 1.18. В). Важно отметить, что обособление линии репродуктивных клеток от соматических произошло в эволюции рано. Это разделение на соматический и репродуктивный клеточный материал одно из первых проявлений дифференцировки в процессе нормального развития. Даже у ресничных простейших часто имеются два ядра: соматическое (макронуклеус), осуществляющее регуляцию метаболизма, и генеративное (микронуклеус) для размножения. В гл. 7 будет показано, что особенность развития V. carteri - обособление отдельной линии репродуктивных клеток на очень ранней стадии развития присуща также зародышам большинства животных.

Как было описано ранее, многоклеточные вольвоксовые размножаются преимущественно бесполым путем (простым делением), однако они способны также к половому размножению, включающему образование гаплоидных гамет и их слияние (рис. 1.19). Отметим, что у Volvocales имеются гаметы двух различных типов: крупные яйца и мелкие подвижные спермии. Этот тип полового размножения носит название гетерогамии в отличие от изогамииChlamidomonas. Здесь мы встречаемся с еще одним важным процессом в развитии - гаметогенезом. Преобразование клеток в спермии и яйца осуществляется строго определенным образом (см. разд. «Дополнительные сведения и гипотезы»). Оплодотворение у вольвокса сходно с оплодотворением у хламидомонады и завершается образованием диплоидной зиготы, которая подвергается мейозу и образует новую гаплоидную особь, отделяющуюся от родительского организма.

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

26____________________ ГЛАВА 1__________________________________________________________________________________________________

Рис. 1.19. Половое размножение у Volvox. А Вид бисексуальной колонии вольвокса с поверхности: видны цитоплазматические связи между клетками. Показаны клетки, образующие· спермии и яйца. Б.Образование гаплоидных половых κлеток при слиянии которых возникает зигота. Как и у хламидомонады, мейоз у вольвокса происходит после оплодотворения. (А. -Из Berrill, 1961.)

Дополнительные сведения и гипотезы:
Пол и смерть у Volvocales

Представителей порядка Volxocales считают потомками некоторых из первых организмов, имевших мужские (продуцирующие спермии) и женские (продуцирующие яйца) особи. Считается также, что они являются одними из первых организмов, которые смертны. Если животные, размножающиеся исключительно путем митоза, потенциально бессмертны, то Volvox претерпевает изменения, характерные для процесса старения, которые приводят к гибели особи (Hagen. Ochert. 1980). Натуралист Джозеф Вуд Крач (Krutch, 1956) выразил это в более поэтической форме:

«Амеба и парамеция потенциально бессмертны...

Но для вольвокса смерть, является столь же неиз-

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

_______________ ВВЕДЕНИЕ В ИЗУЧЕНИЕ РАЗВИТИЯ ЖИВОТНЫХ______________________________________ 27

Рис. 1.20. Инверсия зародышей Volvox carteri, возникших при бесполом размножении. А – Д. Фотографии целых зародышей, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа. Ε–К. Фотографии центральных сагиттальных срезов зародыша, полученные методом дифференциальной интерференционной микроскопии. До инверсии зародыш представляет coбой полый шар, образованный связанными между собой клетками. Когда клетки изменяют свою форму, на вершине шара открывается фиалопор (А. Б. Е. Ж). Затем края клеточного пласта загибаются и смыкаются внизу (В–Д. З–К). (Из Kirk et al.. 1982; фотографии с любезного разрешения D. Kirk.)

бежной, как для мыши или человека. Как умирает вольвокс, наблюдал еще Левенгук: произведя потомков, вольвокс должен умереть, поскольку сам он более уже не нужен. Когда приходит его время, он спокойно опускается на дно, присоединяясь к своим предкам. Хегнер, зоолог из Университета Джона Хопкинса, написал однажды: «Царство животных приобрело очередное новшество – пол: цена этого приобретения неминуемая естественная гибель». И далее он спрашивает: «А не велика ли эта цена?»

Для вольвокса, несомненно, не велика. Недавние исследования (Kirk, Kirk. 1986), проведенные на Volvox carteri, пролили свет на связь между наличием пола и гибелью у этого вида. Особи V. carteri обычно бесполые. Каждая особь образована приблизительно двумя тысячами мелких соматических клеток, несущих по два жгутика: эти клетки располагаются по периферии шаровидного тела вольвокса: в центре его находятся 16 крупных репродуктивных клеток, называемых гонидиями. Когда вольвокс достигает зрелости, каждая гонидия делится 11 – 12 раз (включая одно неравное деление для образования гонидий следующего поколения) и образует миниатюрное животное, сходное со взрослым (рис. 1.18. В). Однако в отличие от взрослых, эти юные особи как бы «вывернуты наизнанку» гонидии у них располагаются на поверхности шара, тогда как жгутики соматических клеток обращены внутрь. Молодой вольвокс исправляет эту несообразность: на вершине шара появляется отверстие (фиалопор), и шар выворачивается, как это показано на рис. 1.20. Этот процесс называют инверсией: он происходит путем изменения формы клеток, которое осуществляется с помощью цитоскелетных элементов и напоминает изменения, наблюдаемые у гаструлирующих зародышей. В молодых колониях возникают группы бокаловидных клеток. Суженные концы этих клеток соединяются между собой цитоплазматическими мостиками (рис. 1.21). Группы таких бокаловидных клеток создают натяжение, которое может быть ослаблено изгибанием клеточного пласта (Kirk et. al., 1982). Когда процесс инверсии завершается, моло-

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

28________________ ГЛАВА 1________________________________________________________________________________

Рис. 1.21.«Бокаловидные клетки» вблизи отверстия фиалопора. Эти клетки остаются тесно связанными между собой цитоплазматическими мостиками поблизости от удлиненных апикальных концов; тем самым создается натяжение, вызывающее изгибание пласта связанных между собой клеток. (Из Kirk at al., 1982; фотография с любезного разрешения D. Kirk.)

дые колонии высвобождаются из родительской колонии, которая стареет и погибает.

Такой тип бесполого размножения характерен для данного вида. В течении большей части года в прудах и озерах трудно найти мужские или женские особи Volvox carteri. Однако «под ослепительным сиянием солнечных лучей Небраски в лужах дождевой воды не более чем через две недели появляются вольвоксы: число их быстро увеличивается, и они бурно предаются половому размножению». (Powers. 1908). Кирк и Кирк показали, что кратковременное воздействие на вольвоксов высоких температур (подобных тем, под воздействием которых эти организмы оказываются в прогреваемых солнцем лужах) приводит к синтезу и секреции соматическими клетками белка, являющегося индуктором полового процесса. Этот белок с молекулярной массой 30 000 дальтон является одним из наиболее сильнодействующих среди известных биологических молекул. Под воздействием этого белка даже в таких низких концентрациях, как 6•10^–17 М, бесполые организмы производят особей, продуцирующих гаметы: женская особь, размножавшаяся бесполым путем, – дочерей, производящих яйца, и мужская особь, размножавшаяся бесполым путем, – сыновей, производящих спермии. Возникшие в результате оплодотворения зиготы могут долго оставаться в анабиотическом состоянии, переживая длительный период высыхания. Так вольвокс нашел способ существовать во временных водоемах, образуемых весенними дождями и пересыхающих в жаркую погоду летом: под влиянием высоких температур появляются особи с половыми продуктами гаметами: сливаясь, гаметы образуют зиготы, которые выживают в условиях, гибельных для взрослого организма. В этом случае мы видим также, что развитие жестко связано с экосистемой, к которой приспособился организм, чтобы выжить.

Слизевик Dictyostelium

Другой тип многоклеточной организации, ведущей свое начало от одноклеточных организмов, мы находим у слизевика Dictyostelium diskoideum. Жизненный цикл этого необычного и вызывающего удивление организма приведен на рис. 1.22. Вегетативная стадия развития представлена одиночными гаплоидными амебами (называемыми миксамебами, чтобы отличать их от истинных амеб), которые живут на гниющих древесных остатках, питаются бактериями и размножаются простым делением. Когда источник питания истощается, десятки тысяч таких амеб образуют потоки клеток, устремляющихся к некой центральной точке. Здесь они сливаются в конический бугорок, который в конечном счете поглощает все мигрирующие клетки и изгибается, превращаясь в мигрирующего слизевика. Этот слизевик (которому часто присваивают более благозвучное название псевдоплазмодий) обычно имеет в длину 2–4 мм и заключен в слизистый чехол. Псевдоплазмодий начинает мигрировать (во влажной среде и в темноте), слегка приподняв передний конец. Когда миграция заканчивается, расположенные впереди клетки, составляющие 15 –20% всей клеточной популяции, сползают вниз, образуя ножку спороношения, тогда как клетки, ранее располагавшиеся сзади, перемещаются вверх. Клетки ножки погибают, а находившиеся сзади клетки, которые поднялись выше ножки, образуют споры. Споры рассеиваются, и каждая из них превращается в новую миксамебу. Помимо бесполого размножения у Dictyostelium может осуществляться и половой процесс. При этом две клетки сливаются в одну гигантскую клетку, которая переваривает все остальные клетки агрегата. Поглотив всех своих соседей, она преобразуется в цисту с толстой стенкой, и затем в ней происходят мейотические и митотические деления: в конце концов из цисты выходят новые миксамебы.

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

ВВЕДЕНИЕ В ИЗУЧЕНИЕ РАЗВИТИЯ ЖИВОТНЫХ 29

Рис. 1.22. Жизненный цикл слизевика Dictyiostelium discoideum. Гаплоидные споры дают начало миксамебам, которые могут размножаться бесполым путем, увеличивая число гаплоидных ocoбей. Когда запасы пищи уменьшаются, возникают центры агрегации миксамеб и формируется мигрирующий псевдоплазмодий. В конце концов он перестает перемешаться и образует спороношения, из которых высвобождается большое число спор (Фотографии с любезного разрешения К. Raper.)

Dictyostelium представляет собой прекрасный экспериментальный объект для исследовании в области биологии развития, поскольку в этом организме исходно идентичные клетки дифференцируются в один из двух альтернативных клеточных типов споры или клетки ножки. Кроме того, у Dictyostelium отдельные клетки объединяются для образования единой структуры, состоящей из дифференцированных клеток разного типа, – процесс, сходный с образованием тканей у более сложно организованных существ. Агрегация тысяч амеб в единый организм – способ возникновения многоклеточности, побуждавший исследователей строить гипотезы относительно механизмов его осуществления.

Один из главных вопросов, занимающих исследователей: что вызывает агрегацию клеток? Цейтраферная микрокиносъемка показала, что в первые 4— 5 ч голодания не происходит никаких направленных движений. В следующие 5 ч. однако, можно видеть. что клетки перемещаются со скоростью около 20 мкм в 1 мин на протяжении 100 с. Эти движения прекращаются примерно на 4 мин и затем возобновляются. Хотя перемещение направлено к некой центральной точке, оно не является просто движением в радиальном направлении. Правильнее сказать, что клетки сближаются между собой и образуют как бы ручейки, которые сливаются в более мощные потоки: в конце концов все потоки объединяются в центре. Эти перемещения обусловлены хемотаксисом (Bonner. 1947; Shaffer, 1953). т.е. движение клеток к центру агрегации направляется каким-то растворимым веществом. Позднее было установлено, что этим веществом является циклический аденозин-3',5'монофосфат (цАМФ) (Konijn et al.. 1967; Bonner et. al., l969), химическая структура которого показана на рис. 1.23. А.

Агрегацию вызывает периодическая секреция цАМФ немногими случайно распределенными клетками (Cohen, Robertson. 1971 ). Соседние клетки отвечают на воздействие цАМФ двояко: они начинают двигаться к источнику цАМФ и сами выделять его (Robertson et al.. 1972: Shafler. 1975). После этого

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

30________________ ГЛАВА 1_______________________________________________________________________________

Рис 1.23.. Хемотаксис, обусловленный волнами синтеза циклического аденозинмонофосфата (цАМФ). А. Химическая структура цАМФ. Б. Визуализация волн цАМФ в среде. Центральные клетки секретируют цАМФ через постоянные интервалы времени, и каждый раз секрет диффундирует в виде концентрической волны. Эти волны можно визуализировать, насыщая фильтровальную бумагу радиоактивным цАМФ и накладывая ее на колонию в стадии агрегации. Секретируемый клетками цАМФ разводит радиоактивный цАМФ. Поэтому при регистрации радиоактивности на бумаге (путем помещения ее на чувствительную к рентгеновским лучам пленку) области с высокой концентрацией цАМФ выглядят более светлыми, чем области с низкой его концентрацией. (Из Tomchick, Devreotes, 1981: с любезного разрешения P. Devreotes.)

клетки на несколько минут теряют чувствительность к цАМФ. В результате возникает волна цАМФ, распространяющаяся по популяции клеток (рис. 1.23. Б). С прохождением каждой волны клетки еще на один шаг приближаются к центру.

Слизневые грибы выработали также механизм, с помощью которого стимулированные цАМФ клетки слипаются между собой. Обычно отдельные амебы не прилипают друг к другу. Однако после 5 ч голодания на клеточной поверхности появляется целый набор белков (называемых дискоидинами), которые вызывают слипание клеток между собой (Rosen et al.. 1973; Ray et. al., 1979).

Дифференцировка отдельных амеб в клетки ножки (соматические) или в споры (репродуктивные элементы) явление сложное. Боннер (Bonner. 1957) обнаружил, что во всех случаях из передних клеток возникает ножка, тогда как остальные предназначены для образования спор. Хирургическое удаление передней части слизевика не изменяет этой закономерности. Клетки, оказавшиеся впереди (ранее предназначавшиеся для образования спор), теперь становятся клетками ножки (Raper, 1940). Каким-то образом происходит принятие решения, согласно которому, какие бы клетки ни были передними, они станут клетками ножки, и какие бы ни были задними превратятся в споры. Такая способность клеток изменять свою судьбу в развитии называется регуляцией, и мы обнаружим это явление у зародышей многих животных, включая млекопитающих.

Дифференцировка на клетки ножки и споры отражает одну из основных особенностей эмбриогенеза: выбор клетками «пути развития» Мы часто видим, что клетки избирают определенную судьбу при наличии альтернативных путей развития. Так. например, определенная клетка костного мозга может стать лимфоцитом или клеткой крови, определенная клетка зародыша - эпителиальной клеткой кожи или нейроном. В случае слизевиков мы встречаемся с простым дихотомическим решением, так как у них выбор возможен только между двумя клеточными типами. Как же так происходит, что та или иная клетка становится клеткой ножки или спорой? Никто точно пока этого не знает, но, по-видимому, существуют диффундирующие вещества, которые могут влиять на судьбу клеток. Одно их них, фактор, индуцирующий дифференцировку (differentiation-inducing factor, или DIF), вероятно, необходимо для дифференцировки ножки. Этот фактор, как и фактор, индуцирующий половую дифференцировку у вольвокса. эффективен в очень низкой концентрации (10^-10 М). и так же, как белок вольвокса, он индуцирует дифференцировку клеток определенного типа. При его добавлении к амебам до их слияния и даже к презумптивным споровым (задним) клеткам он вызывает образование ими ножки. Синтез этого низкомолекулярного липида регулируется генетически, поскольку существуют мутантные линии Dictyostelium, которые образуют только предшественников спор и не образуют клеток ножки. При добавлении DIF к таким культурам в них могут дифференцироваться клетки ножки (Kay, Jermyn. 1983; Morris et. al.. 1987) и в цитоплазме клеток обнаруживаются новые мРНК (Williams et al.. 1987).

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

ВВЕДЕНИЕ В ИЗУЧЕНИЕ РАЗВИТИЯ ЖИВОТНЫХ______________________________________________________ 31

Слизевики представляют собой эволюционный тупик. Более сложные многоклеточные организмы не образуются из агрегатов исходно независимых клеток. Тем не менее способность отдельных клеток реагировать на химический градиент (как в случае реакции миксамеб на цАΜΦ) очень важна для некоторых явлений, происходящих при развитии разных животных. Поверхностные клеточные белки, обусловливающие слипание клеток, обнаруживаются во всем животном царстве, и именно теперь из многоклеточных организмов начинают выделять вещества, индуцирующие дифференцировку. Выше были рассмотрены дифференцировка и морфогенез организма, образованного всего лишь двумя основными клеточными типами. Однако закономерности, установленные для такой «простой» развивающейся системы, присущи и более сложно организованным животным.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: