Пространственные закономерности дробления зародыша

Дробление строго координированный процесс, находящийся под генетическим контролем. Видовые особенности процесса дробления определяются двумя основными параметрами: 1) количеством и распределением желточных белков в цитоплазме и 2) присутствующими в цитоплазме факторами, которые влияют на ориентацию митотического веретена и время его образования.

Если желток в яйце распределен неравномерно, то в области, содержащей меньше желтка (анимальном полушарии), клеточные деления проходят с большей скоростью, чем в противоположной, богатой желтком области (вегетативном полушарии). Ядро зиготы часто бывает смещено к анимальному полюсу. В табл. 3.1 дана классификация типов дробления и показано влияние желтка на симметрию дробления и его характер. В общей форме можно сказать, что желток подавляет дробление. У зигот, содержащих относительно мало желтка (изолецитальные и мезолецитальные яйца), дробление бывает голобластическим, что означает, что борозды дробления проходят через все яйцо. Зиготы, содержащие большие запасы белков желтка, претерпевают меробластическое дробление, при котором делятся не полностью. Борозды дробления не проникают в богатую желтком область цитоплазмы. Меробластическое дробление может быть дискоидальным (у птиц) или поверхностным (у насекомых) в зависимости от того, сосредоточены ли запасы желтка у одного полюса (телолецитальные яйца) или в центре цитоплазмы (центролецитальные яйца).

Желток является эволюционным приспособлением, позволяющим зародышу развиваться без поступления пищи извне. Животные, яйца которых не содержат больших запасов желтка, как, например, морские ежи, обычно достигают стадии личинки за короткий срок. Их свободноплавающие личинки способны к самостоятельному питанию и продол-

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

76 ГЛАВА 3

жают дальнейшее развитие. Яйца млекопитающих, которые также не содержат больших количеств желтка, прибегают к стратегии иного рода, а именно образуют плаценту. Как мы увидим ниже. у млекопитающих в начале дифференцировки зародыша происходит обособление клеток, которые будут участвовать в образовании плаценты. Этот орган будет снабжать зародыша пищей и кислородом на протяжении длительного периода внутриутробного развития.

Другую крайность представляют яйца рыб, рептилий и птиц. Большую часть этих яиц занимает желток. Запасы желтка должны быть достаточными для того, чтобы обеспечить питание зародыша на протяжении длительного периода, так как они не имеют плаценты и в своем развитии могут не проходить личиночной стадии. Корреляция между большой концентрацией желтка и отсутствием личиночных форм обнаруживается у некоторых видов лягушек. У таких тропических лягушек, как. например, Liopelma и Arthroleptella, отсутствует стадия головастика. Яйца этих лягушек снабжены огромным количеством желтка (Lutz, 1947) и не нуждаются в том, чтобы их откладывали в воду, поскольку стадия головастика выпала из их развития. Явление прямого развития у амфибий будет подробнее рассматривания в гл. 19.

Однако желток — только один из факторов, оказывающих влияние на характер дробления. Существуют также унаследованные особенности клеточных делений, которые накладываются на влияние желтка. Это легко увидеть на примере изолецитальных яиц, содержащих очень мало желтка. При отсутствии большого количества желтка наблюдаются четыре основных типа дробления: радиальное голобластическое, спиральное голобластическое, билатеральное голобластическое и асинхронное голобластическое.

Радиальное голобластическое дробление

Морской огурец Synapta

Наиболее простой пример для описания процесса дробления это дробление радиального голобластического типа. Такой тип дробления присущ иглокожим и представителю бесчерепных ланцетнику. Борозды при этом типе дробления ориентированы параллельно и перпендикулярно анимально-вегетативной оси яйца. На рис. 3.2 представлено дробление морского огурца Synapta digita. После соединения пронуклеусов ось первого митотического веретена ориентируется перпендикулярно анимально-вегетативной оси яйца. Следовательно, первая борозда дробления проходит непосредственно через анимальный и вегетативный полюсы и приводит к образованию двух дочерних клеток одинаковых размеров. Такое деление называют меридиональным, поскольку борозда проходит через два полюса подобно меридиану на глобусе. Митотические веретенa второго деления дробления располагаются под прямыми углами к первому веретену, но так же, как и это веретено, они ориентированы перпендикулярно анимально-вегетативной оси яйца. Борозды дробления появляются одновременно в обоих бластомерах и также проходят через два полюса. Таким образом, два первых деления дробления меридиональны

Рис. 3.2. Голобластическое дробление иглокожего Synapta digita, приводящее к образованию полой бластулы, которая изображена в разрезе во втором ряду справа. (По Saunders, 1982.)

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

_______________ ДРОБЛЕНИЕ: СОЗДАНИЕ МНОГОКЛЕТОЧНОСТИ 77

и перпендикулярны друг другу. Третье деление бывает экваториальным: митотические веретена в каждом бластомере располагаются параллельно анимально-вегетативной оси, и возникающие борозды отделяют полюсы один от другого, причем зародыш разделяется на восемь бластомеров равной величины. Каждый бластомер анимальной половины зародыша теперь располагается непосредственно над бластомером вегетативной половины.

Четвертое деление бывает снова меридиональным и приводит к образованию двух ярусов по 8 клеток в каждом: пятое экваториальное деление дает начало четырем ярусам, в каждом из которых содержится по 8 клеток. Далее наблюдается чередование меридиональных и экваториальных делений, приводящих к образованию 64, 128 и 256 клеток. В результате возникает зародыш, у которого бластомеры располагаются горизонтальными рядами вдоль центральной полости. На обоих полюсах зародыша бластомеры сближаются, и возникает полый шар, стенка которого образована одним слоем клеток. Такой полый шар называют бластулой, а его центральную полость - бластоцелем.

Если провести разрез через зародыш Synapta в плоскости любого меридиана на любой стадии дробления, то этот разрез разделит его на две зеркальные половины. Такой тип симметрии присущ шару или цилиндру и носит название радиальной симметрии. Соответственно мы говорим, что у Synapta дробление радиальное голобластическое.

Морские ежи

Для морских ежей также характерно радиальное голобластическое дробление, но с некоторыми существенными модификациями. Первое и второе деления дробления очень сходны с такими же делениями у Synapta; оба они меридиональные и перпендикулярны друг другу. Третье деление также экваториальное и отделяет полюсы один от другого (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Дробление у морского ежа. А. Плоскости деления при первых трех делениях дробления и образование отдельных ярусов клеток при 3-6 делениях. Б - Г. Микрофотографии живых зародышей морского ежа Lytechinus pictus: вид со стороны анимального полюса, Б - 2-клеточная и В - 4-клеточная стадии развития морского ежа. Г. 32-клеточная стадия представлена без оболочки оплодотворения, что позволяет различить мезомеры анимального полюса, центральные макромеры и вегетативные микромеры, которые видны в центре. (Фотографии с любезного разрешения G. Watchmaker.)

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

78 ГЛАВА 3

Рис. 3.4. Образование микромеров при четвертом делении у зародышей морского ежа. Вид на вегетативный полюс зародышей снизу. А. Положение и ориентация митотического веретена в нижней части вегегативных клеток при рассматривании живого зародыша в поляризованном свете. Б. Деление в соответствии с асимметричным расположением веретен привело к образованию микромеров и микромеров. (Из Inouê. 1982: фотографии с любезного разрешения S. Inoué.)

Четвертое деление, однако, происходит иначе, чем у Synapta. Четыре клетки анимального яруса разделяются меридионально на восемь бластомеров одинаковой величины. Эти клетки называют мезомерами. Вегетативный ярус претерпевает неравное экваториальное деление, в результате которого образуются четыре крупные клетки макромеры и четыре клетки меньшего размера микромеры у вегетативного полюса (рис. 3.4). При следующем делении восемь мезомеров 16-клеточного зародыша делятся экваториально и образуют два «анимальных» яруса, ан₁, и ан₂ , расположенные один над другим. Макромеры делятся меридионально, образуя восьмиклеточный ярус ниже ан₂. Микромеры также делятся: возникшая маленькая группа клеток примыкает к более крупным клеткам расположенного выше яруса. При шестом делении все борозды ложатся экваториально, при седьмом меридионально. В результате седьмого деления возникает 128-клеточная бластула.

Свен Герстадиус (Hörstadius, 1939) проделал простой опыт, который показал, что время появления борозд дробления у морского ежа и их ориентация не зависят от предыдущих делений. Когда он подавлял первые одно, два или три деления, встряхивая яйца или помещая их в гипотоническую морскую воду, то неравное (четвертое) деление дробления, приводящее к образованию микромеров, все равно наступало в положенное время (рис. 3.5). На этом основании Герстадиус пришел к заключению, что существуют три фактора, которые детерминируют деление 8-клеточного зародыша: 1) «прогрессивные изменения цитоплазмы, которые определяют ориентацию веретен, образующихся спустя определенные интервалы времени после оплодотворения»: 2) в цитоплазме вегетативной области должен существовать особый материал, образующий микромеры; и 3) должен существовать какой-то механизм, который в соответствующий момент активирует материал, образующий микромеры (Hörstadius, 1973). Природа «микромерных часов» до сих пор не выяснена. Однако Икеда (Ikeda. 1965) получил данные, согласно которым клетка может вести отсчет событий, происходящих при дроблении, благодаря циклическим изменениям в цитоплазме. Он обнаружил, что освобождение сульфгидрильных (-SH ) групп белков происходит циклически. Чередование окисленной (—S—S—) и восстановленной (HS—SH) конформаций, вероятно, отражает глубокие изменения в клеточном метаболизме. Икеда показал, что свободные сульфгидрильные группы в наибольшем числе имеются в делящихся бластомерах и в наименьшем — в то время, когда клетки не делятся (рис. 3.6. А). Воздействия, которые предотвращают деления дробления, не оказывают влияния на этот цикл восстановления окисления. Отделение микромеров всегда происходит на четвертом —SHпике после оплодотворения независимо от того, какое число делений дробления было предварительно подавлено (рис. 3.6. Б). Напротив, если подавить возникновение сульфгидрильного пика (путем добавления к морской воде эфира), то отделение микромеров запаздывает. Возможно, что циклические процессы восстановления и окисления играют какую-то роль во внутриклеточном отсчете времени. Из яиц морского ежа был выделен белок (Sakai. 1966. 1968), который сокращается при окислении его свободных сульфгидрильных групп. Подобные белки, возможно, и обусловливают такие циклические изменения.

Стадия бластулы при развитии морского ежа начинается тогда, когда число клеток зародыша достигнет 128. Эти клетки образуют стенку полого шара, которая окружает центрально расположенный бластоцель (рис. 3.7). Каждая клетка находится в контакте с богатой белками жидкостью бластоцеля и с гиалиновым слоем. В это время контакт между клетками становится более тесным. Анализ этого процесса у морской звезды показал (DanSohkawa. Fujisawa. 1980), что образование полого

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

ДРОБЛЕНИЕ: СОЗДАНИЕ МНОГОКЛЕТОЧНОСТИ 79

Рис 3.5. Образование микромеров зависит от продолжительности развития, а не от числа делений. А. Нормальная последовательность делений дробления у морского ежа; микромеры образуются при четвертом делении. Б. В. Первое или третье деление подавлено воздействием гипотонической морской воды. Г. Оплодотворенное яйцо разрезано пополам в меридиональной плоскости, что привело к образованию половины структур, возникающих при нормальном дроблении. Во всех случаях микромеры (выделены серым цветом) появляются приблизительно в одно и то же время независимо от числа предшествующих делений (По Hörstadius. 1939).

шара происходит одновременно с возникновением плотных контактов между бластомерами. Эти контакты объединяют слабо связанные между собой клетки в ткань и изолируют бластоцель от окружающей среды (рис. 3.8). Поскольку клетки продолжают делиться, поверхность клеточного пласта увеличивается и этот пласт утончается. На протяжении всего периода существования бластулы ее стенка сохраняет однослойность.

Для объяснения сопряженности процессов увеличения поверхности стенки бластулы и формирования бластоцеля были предложены две гипотезы. Согласно одной из них (Dan, 1960), первый процесс осуществляется под действием сил, исходящих от самого бластоцеля. Поскольку бластомеры секретируют в бластоцель белки, содержащаяся в бластоцеле жидкость становится вязкой. Эта жидкость поглощает большие количества воды путем осмоса, ее объем увеличивается, и она изнутри оказывает давление на бластомеры. Давление жидкости приводит также к тому, что длинная ось каждой клетки ориентируется определенным образом так, что деление

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

80 ГЛАВА 3

Рис. 3.6. А. Циклическая изменчивость числа свободных сульфгидрильных групп в белках. Максимумы совпадают с серединой митотического цикла делений дробления и наблюдаются независимо οт того, было ли деление подавлено или не было. Б.Образование микромеров в 8-клеточных зародышах морского ежа после подавления деления ультрафиолетовым облучением. (По Ikeda, I965.)

Рис. 3.7. Бластула морского ежа. А, Ранняя бластула морского ежа образована одним слоем клеток, имеющих округлую форму и окружающих обширный бластоцель. Б. По мере продолжения клеточных делений в форме клеток бластулы появляются различия: клетки в области вегетативной пластинки удлиняются. (По Giudice. 1973.)	Рис. 3.8. Область контакта двух соприкасающихся клеток в 1024-клеточной бластуле морской звезды. Между плазматическими мембранами обеих клеток в области таких контактов не имеется свободного пространства: это так называемый плотный (замыкающий) контакт. (Из Dan-Sohkawa. Fujisawa. 1980; фотографии с любезного разрешения авторов.)

Рис. 3.9. Клетки бластулы, имеющие реснички. Каждая клетка обладает одной ресничкой. (Фотографии с любезного разрешения W.J. Humphreys.)

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

ДРОБЛЕНИЕ: СОЗДАНИЕ МНОГОКЛЕТОЧНОСТИ 81

этих клеток никогда не бывает направлено в сторону бластоцеля: такая ориентация клеточной популяции в одной плоскости способствует ее дальнейшему распространению вширь Согласно другому предположению (Wolpert, Gustafson, 1961; Wolpert, Mercer, 1963), давление жидкости бластоцеля не является необходимым условием получения наблюдаемого эффекта. Авторы этой гипотезы придают особое значение разной адгезивности клеток по отношению друг к другу и к гиалиновому слою. Предполагается, что, пока клетки остаются прочно связанными с гиалиновым слоем, единственной возможностью для них остается расширение поверхности клеточного пласта. Формирование бластулы является скорее следствием этой экспансии, чем какого-либо другого процесса.

На наружной поверхности клеток бластулы образуются реснички (рис. 3.9). что позволяет бластуле вращаться внутри оболочки оплодотворения. Вскоре клетки секретируют фермент вылупления, который переваривает оболочку. Зародыш вылупляется и становится свободноплавающей бластулой.

Амфибии

Дробление у зародышей большинства бесхвостых и хвостатых амфибий радиально-симметричное и голобластическое, как у иглокожих. Однако яйцо амфибий содержит гораздо больше желтка. Этот желток, сосредоточенный в вегетативном полушарии, затрудняет дробление. Так, первое деление начинается на анимальном полюсе и медленно распространяется вниз на вегетативную область (рис. 3.10). У хвостатой амфибии аксолотля борозда дробления распространяется в анимальной области со скоростью, близкой к 1 мм/мин. Ниже области серого серпа скорость ее распространения снижается и при приближении к вегетативному полюсу достигает 0.02— 0.03 мм/мин (Нага. 1977).

На рис. 3.11, А представлена микрофотография яйца лягушки на стадии первого деления дробления, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа. Можно видеть складки в борозде дробления и различия между бороздами в анимальном и вегетативном полушариях. В то время, когда борозда первого деления дробления еще не завершила разделения богатой желтком цитоплазмы вегетативного полушария, борозды второго деления уже закладываются вблизи от анимального полюса. Борозды этого деления располагаются под прямыми углами к первой борозде и ложатся, так же, как и она, меридионально (рис. 3.11. Б). Третье деление, как это можно было ожидать, бывает экваториальным. Однако из-за большой концентрации желтка в вегетативной области борозды третьего деления дробления располагаются значительно ближе к анимальному полюсу. Они разделяют зародыш лягушки на четыре анимальных бластомера меньшего размера и четыре более крупных бластомера в вегетативной области (рис. 3.11, В). В результате этого неравного голобластического деления возникают область быстро делящихся бластомеров вблизи анимального полюса и область более медленно делящихся бластомеров. На последующих стадиях

Рис. 3.10. Дробление яйца лягушки. Борозды дробления обозначены римскими цифрами в порядке их появления. Б. Желток, сконцентрированный в вегетативном полушарии, затрудняет дробление: поэтому второе деление дробления начинается в анимальной области яйца раньше, чем первая борозда разделит цитоплазму вегетативной области. В.Борозды третьего деления смещены в направлении анимального полюса. Г- Ж. После ряда последовательных делений в анимальном полушарии образуется большое число мелких бластомеров, а в вегетативном полушарии - меньшее число более крупных бластомеров. З. Поперечный разрез бластулы. (По Carlson. 1981.)

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

82 ГЛАВА 3

Рис.. 3.11. Микрофотографии дробящегося яйца лягушки, полученные с помощью сканирующею электронного микроскопа. Первое (А), второе (Б) и четвертое (В) деления дробления. На последней фотографии (стадия 16 клеток) отчетливо видны различия в размерах анимальных и вегетативных клеток, возникших при третьем делении, (А - из Beams. Kessel. 1976: Б, В - из L. Biedler: фотографии с любезного разрешения авторов.)

дробления анимальная область содержит многочисленные мелкие клетки, тогда как в вегетативной области имеется лишь относительно небольшое число крупных богатых желтком бластомеров (рис. 3.10).

Зародыш амфибий, содержащий от 16 до 64 клеток, обычно называют морулой (от латинского названия тутовой ягоды, на которую он отдаленно похож). На 128-клеточной стадии появляется хорошо различимый бластоцель, и принято считать, что в это время зародыш достиг стадии бластулы. На самом деле образование бластоцеля прослеживается с самого первого деления дробления. Показано (Kalt. 1971), что у Xenopus laevis первая борозда дробления в анимальном полушарии образует расширение, причем между бластомерами возникает маленькая полость, изолированная от наружной среды плотными межклеточными контактами (рис. 3.12). Эта полость при последующих делениях расширяется и преобразуется в бластоцель.

Бластоцель, вероятно, выполняет две основные функции. Во-первых, он представляет собой полость, которая даст возможность клеткам при гаструляции мигрировать внутрь зародыша. Во-вторых, существование бластоцеля предотвращает преждевременное взаимодействие между клетками, которые находятся выше и ниже его. Когда Ньюкуп (Nieuwkoop, 1973) брал у зародыша тритона клетки из крыши бластоцеля и помещал их вблизи богатых желтком вегетативных клеток дна бластоцеля, то из

Рис. 3.12. Образование бластоцеля в яйце лягушки. А. Плоскость первого деления дробления: видно небольшое расширение, которое позднее превратится в бластоцель. Б. 8-клеточный зародыш с бластоцелем небольших размеров (указан стрелкой) в месте пересечения трех плоскостей дробления. (Из Kalt, I97I; фотографии с любезного разрешения M.R.Kalt.)

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

______ ДРОБЛЕНИЕ: СОЗДАНИЕ МНОГОКЛЕТОЧНОСТИ 83

этих анимальных клеток развивались не производные эктодермы, а мезодермальная ткань. Поскольку в норме мезодерму образуют анимальные клетки, которые прилежат к предшественникам энтодермы, представляется вероятным, что вегетативные бластомеры оказывают влияние на прилежащие клетки, побуждая их дифференцироваться в мезодермальные ткани (см. гл. 4). Таким образом, наличие бластоцеля обеспечивает сохранение клетками, предназначенными для образования покровного эпителия и нервной системы, своих исходных свойств.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: