Дополнительные сведения и гипотезы: Близнецы

Близнецов человека разделяют на две основные группы: монозиготные (однояйцовые, идентичные) и дизиготные (двуяйцовые, неидентичные) близнецы. Дизиготные близнецы развиваются в результате двух независимых процессов оплодотворения, тогда как монозиготные происходят из одного зародыша, клетки которого каким-то образом разделились. Последнее означает, что изолированный бластомер млекопитающего способен образовать целый зародыш. Такое заключение было подтверждено опытом разрушения одного бластомера у 2-клеточного зародыша кролика (Seidel. 1952). Оставшийся бластомер был способен к формированию полноценного взрослого организма. Даже один бластомер 8-клеточного зародыша мыши может успешно развиться в полноценную взрослую особь (Kelly, 1977). Было также показано, что при инъекции клеток внутренней клеточной массы (но не трофобласта) в бла-

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

96 ____________ ГЛАВА 3________________

стоцисту они способны принимать участие в образовании нового зародыша (Gardiner. Rossant. 1976). Таким образом, идентичные близнецы возникают путем разделения бластомеров на ранних стадиях или даже разделения ВКМ на две части в пределах одной бластоцисты.

По-видимому, именно так оно и происходит при развитии примерно 0,25% детей. Около 33% идентичных близнецов имеют два полноценных независимых хориона, что указывает на разделение зародыша еще до образования ткани трофобласта на 5-е сутки беременности. У оставшихся 67% идентичных близнецов хорион общий; в этих случаях разделение ВКМ произошло, очевидно, после образования трофобласта (рис. 3.32. А). К 9 суткам зародыш человека завершает формирование другого внезародышевого образования - амниона. Из этой ткани образуется амниотический мешок (или водная оболочка), заполненный амниотической жидкостью, который окружает зародыш и защищает его от обезвоживания и последствий резких движений (гл. 4). Если бы разделение зародыша произошло между образованием хориона на пятые сутки и амниона на девятые. то зародыши должны были бы иметь один хорион и два амниона (рис. 3.32. Б). Так обстоит дело приблизительно у двух третей идентичных близнецов. Небольшой процент идентичных близнецов имеет общий хорион и общий амнион (рис. 3.32. В). Это означает, что разделение зародыша произошло после 9 сут беременности. Такие новорожденные рискуют оказаться сросшимися между собой («сиамские близнецы»).

Способность образовать целый зародыш из клеток, которые в норме участвовали бы в образовании только его части, называется регуляцией. Подробнее это явление будет рассмотрено в гл. 8. Регуляцией является также способность двух и большего числа ранних зародышей образовать одну аллофенную мышь, а не двойню, тройню или многоголового урода. Имеются данные в пользу того, что аллофенная

Рис. 3.32. Схематический рисунок, иллюстрирующий зависимость между временем разделения зародыша человека, приводящего к образованию монозиготных (идентичных, однояйцовых) близнецов, и их взаимоотношением с зародышевыми оболочками. А. Разделение происходит до образования трофэктодермы, при этом каждый из близнецов имеет собственные хорион и амнион. Б.Разделение происходит после образования трофэктодермы, но до образования амниона: в результате каждый из близнецов имеет собственный амниотический мешок, но хорион уних общий. В. При разделении после образования амниона близнецы находятся в общем амниотическом мешке и имеют общий хорион. (По Langman. 1981.)

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

_______________ ДРОБЛЕНИЕ: СОЗДАНИЕ МНОГОКЛЕТОЧНОСТИ 97

регуляция может происходить и у человека (Chappelle el al., 1974; Mayr et al., 1979). Описаны индивидуумы, в организме которых имеются клетки двух разных генетических типов (XX и XY), каждый из которых обладает собственным набором генетических характеристик. Самое простое объяснение существования такого явления заключается в том, что эти индивидуумы возникли в результате слияния двух зародышей мужского и женского пола, которые развивались одновременно. Если такое объяснение правильно, то в этих случаях два близнеца, брат и сестра, слились для образования одной химерной особи.

Меробластические типы дробления

Как уже упоминалось в этой главе, количество желтка играет важную роль в дроблении яйца. Нигде это не выступает с большей очевидностью, чем при меробластических типах дробления. Здесь большое количество желтка препятствует разделению всей цитоплазмы яйца, за исключением небольшой ее части. При дискоидальном дроблении клеточные деления ограничены небольшим диском свободной от желтка цитоплазмы, располагающимся над желточной массой; при поверхностном дроблении яиц с желтком, расположенным в центре, деление возможно только в периферическом слое цитоплазмы.

Дискоидальное дробление

Дискоидальное дробление характерно для рыб, птиц и рептилий. На рис. 3.33 представлено дробление яйца птицы. Большая часть объема яйца занята желтком, так что дробление происходит только в области бластодиска у анимального полюса яйца. Поскольку деления дробления не распространяются на богатую желтком цитоплазму, на ранних стадиях дробления клетки у своего основания не отделены друг от друга. В результате экваториальных делений образуется однослойная бластодерма, затем она преобразуется в трех- или четырехслойный клеточный пласт. Между бластодермой и желтком имеется пространство, называемое подзародышевой полостью. На этой стадии четко различимы две области бластодиска: светлое поле (area pellucida), соответствующее той его части, которая располагается над полостью, и темное поле (area ораса), состоящее из клеток, расположенных по краю бластодиска и прилежащих к желтку.

К тому времени, когда курица откладывает яйцо, бластодерма содержит около 60 000 клеток. Некоторые из этих клеток выселяются в подзародышевую полость, где образуют второй слой (рис. 3.34). Таким образом, вскоре после откладки в яйце курицы имеются два слоя клеток: наружный эпибласт и лежащий под ним гипобласт. Между ними находится бластоцель.

Богатые желтком яйца рыб дробятся сходным образом: клеточные деления у них происходят только в бластодиске, располагающемся в области анимального полюса. Микрофотографии дробящегося яйца рыбы, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (рис. 3.35), прекрасно демонстрируют неполный характер дискоидального дробления.

Поверхностное дробление

Яйцам насекомых свойственно поверхностное дробление, при котором из-за большой массы центрально расположенного желтка дробление ограничено поверхностным слоем цитоплазмы. Одна из примечательных особенностей этого типа дробления

Рис. 3.33. Дискоидальное дробление куриного яйца (вид со стороны анимального полюса). Борозды дробления не распространяются на желток, и возникает бластодерма, состоящая из одного слоя клеток.

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

•

Рис. 3.34. Образование гипобласта в яйце птицы. (По Torrey, 1962.)

Рис. 3.35. Дискоидальное дробление у Brachydanio rerio. Образующийся в результате дробления бластодиск имеет клеточное строение и располагается на поверхности плотного желтка. I. - область бластодиска. (Из Beams, Kessel, 1976; фотографии с любезного разрешения авторов.)

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

______ ДРОБЛЕНИЕ: СОЗДАНИЕ МНОГОКЛЕТОЧНОСТИ 99

Рис. 3.36. Поверхностное дробление зародыша дрозофилы. Цифры над каждым зародышем соответствуют числу минут после откладки яйца; цифры внизу обозначают число имеющихся ядер. Полярные клетки (которые позднее образуют половые клетки) становятся заметными, начиная со стадии 512 ядер, хотя клеточная бластодерма образуется не раньше, чем спустя примерно 3 ч. (По Zalokar. Erk. 1976.)

заключается в том, что обособление клеток происходит только после многократного разделения ядер. Дробление яйца насекомого представлено на рис. 3.36. Ядро зиготы претерпевает несколько митотических делений в центральной области яйца. У дрозофилы в результате ряда таких делений продолжительностью 8 мин каждое образуется 256 ядер. Затем ядра с окружающими их островками цитоплазмы (энергиды) мигрируют на периферию яйца, где митозы продолжаются, но с убывающей скоростью. Теперь зародыш носит название синцитиальной бластодермы, так как все ядра дробления заключены в обшей цитоплазме и какие-либо плазматические мембраны, кроме мембраны самого яйца, отсутствуют. Ядра, мигрирующие к заднему полюсу яйца, вскоре окружаются новыми плазматическими мембранами, образуя полярные клетки зародыша. Эти клетки дают начало половым клеткам взрослого организма. Таким образом, одним из первых событий в развитии насекомых является отделение будущих половых клеток от остальных частей зародыша.

После образования полярных клеток плазматическая мембрана яйца образует впячивания, которые углубляются между ядрами и в конечном счете обособляют каждое из них в отдельной клетке (рис. 3.37). В результате возникает клеточная бластодерма, клетки которой однослойным покровом одевают богатую желтком сердцевину яйца. У дрозофилы этот слой состоит приблизительно из 6000 клеток и формируется в первые 3 ч после оплодотворения. Распределение клеток в бластодерме не равномерное и не случайное: они концентрируются на вентральной поверхности, обозначая место, где возникнут зародышевые листки. Эта область, называемая зародышевой полоской, дает начало всем клеткам насекомого. Остальные клетки бластодермы образуют внезародышевые оболочки.

Хотя ядра первоначально делятся в общей цитоплазме, это не означает, что цитоплазма сама по себе однородна. Показано (Karr. Alberts, 1986). что каждое ядро синцитиальной бластодермы заключено в собственную маленькую территорию цитоскелетных белков. Когда ядра во время десятого митотического цикла дробления достигают периферии, каждое из них окружается микротрубочками и микрофиламентами. На рис. 3.38 показаны ядра на стадии профазы двенадцатого митотического деления и основная часть относящихся к ним территорий, в которых располагаются микрофиламенты и микротрубочки.

После того как ядра достигнут периферии, время, необходимое для осуществления каждого из четырех последующих делений, постепенно увеличивается, составляя для 14-го цикла 60 мин. Именно в это время происходит обособление клеток. Сформированные клетки делятся асинхронно. Скорость транс-

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

Рис. 3.37. Схематический рисунок, на котором показано удлинение ядер и обособление клеток в бластодерме дрозофилы. (По Fullilove, Jacobson. 1971.) Рис. 3.38. Локализация цитоскелета вокруг ядер в синцитиальной бластодерме дрозофилы. Срезы зародыша дрозофилы, вступающего в профазу двенадцатого деления, были окрашены тремя способами. А. Ядра окрашены красителем, который связывается с ДНК. Б. Микрофиламенты идентифицированы с помощью флуоресцирующих антител к актину. В. Микротрубочки выявлены с помощью флуоресцирующих антител к тубулину. Можно видеть, что вокруг каждого ядра имеется область, включающая цитоскелетные структуры. (Из Karr. Alberts. 1986; фотографии с любезного разрешения Т. L. Karr.)

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

______ ДРОБЛЕНИЕ:СОЗДАНИЕ МНОГОКЛЕТОЧНОСТИ 101

крипции (начинающейся приблизительно на одиннадцатом цикле) сильно возрастает. Замедление ядерных делений и ускорение синтеза РНК у дрозофилы напоминают ситуацию, наблюдающуюся у зародышей лягушки и морского ежа. Контроль за замедлением делений (у зародышей Xenopus, морского ежа и дрозофилы), по-видимому, осуществляется через соотношение между ядром и цитоплазмой (Newport, Kirschner. I982a; Edgar et al., 1986). Эдгар и его соавторы в цитированной работе сравнили раннее развитие зародышей дрозофилы дикого типа с развитием гаплоидных мутантов. Гаплоидные зародыши дрозофилы при каждом клеточном делении содержат вдвое меньше хроматина, чем зародыши дикого типа. Следовательно, гаплоидный зародыш на восьмом клеточном цикле имеет такое же количество хроматина, что и зародыш дикого типа на седьмом цикле. Эти исследователи установили, что тогда как зародыши дикого типа формировали клеточную бластодерму во время 14-го цикла, гаплоидные зародыши для достижения того же результата должны были осуществить еще одно, дополнительное 15-е деление. Более того, продолжительность 11 —14 циклов у зародышей дикого типа соответствовала продолжительности 12—15 циклов у гаплоидных зародышей. Таким образом, ход развития гаплоидных зародышей сходен с ходом развития зародышей дикого типа, отличаясь лишь отставанием на одно клеточное деление.

Если это отставание обусловлено тем, что ядерно-плазменное отношение у гаплоидных мутантов на каждом данном цикле вдвое меньше, чем у зародышей дикого типа, то можно было бы ускорить образование клеточной бластодермы, отшнуровывая (наложением лигатуры) часть цитоплазмы, чтобы гаплоидные ядра делились в меньшем ее объеме. Когда такой опыт был проведен, образование клеточной бластодермы у гаплоидных зародышей ускорилось. Завершающее деление клеток бластодермы, свидетельствующее об окончании периода дробления, у дрозофилы происходит тогда, когда на одно ядро приходится 61 мкм² цитоплазмы У Xenopus сходное замедление митотических делений наблюдается после 12-го деления. И здесь деления также впоследствии становятся асинхронными. Момент перехода к средней бластулетоже связан с ядерно-плазменным отношением. Гаплоидные зародыши Xenopus laevis осуществляют этот переход после 13-го митотического цикла, тогда как тетраплоидные зародыши (содержащие вдвое больше хроматина на клетку, чем зародыши дикого типа) приступают к переходу после 11-го деления (Newport, Kirschner, 1982a, b).

Как у дрозофилы, так и у Xenopus laevis транскрипция и подвижность клеток могут быть инициированы преждевременно путем искусственного удлинения клеточного цикла. При задержке клеточных делений циклогексимидом (ингибитор белкового синтеза) переход к средней бластуле у Xenopus laevis индуцируется рано, а у дрозофилы происходит вспышка транскрипции (Edgar et al.. 1986; Kimelman et al.. 1987).

МЕХАНИЗМЫ ДРОБЛЕНИЯ

Инициация дробления

Клеточный цикл соматических клеток по функциональному признаку делится на четыре стадии (или фазы). За митозом (М) следует пресинтетический период (G₁), после которого происходит синтез ДНК (S). Затем наступает премитотический цикл (G₂), за которым следует митоз (рис. 3.39.А). Наступление этих фаз регулируется факторами роста, которые будут подробно рассмотрены в гл. 20. Клеточный цикл бластомеров на ранних стадиях дробления может быть, однако, гораздо более простым. Бластомеры у морского ежа на этих стадиях не имеют фазы G₁; репликация ДНК осуществляется в телофазе предыдущего митоза (Hinegardner et al., 1964). На тех же стадиях у Xenopus laevis и дрозофилы отсутствуют две фазы, G₁ и G₂. (У Xenopus laevis эти фазы появляются в клеточном цикле при переходе к средней бластуле после 12-го деления, а у дрозофилы — после 14-го. В обоих случаях это изменение цикла сочетается с увеличением клеточной подвижности и транскрипции РНК.) В течение первых 12 делений клетки Xenopus делятся синхронно и клеточный цикл бывает двухфазным: S-фаза сменяется М-фазой и M фаза —S-фазой (рис. 3.39, Б. Laskey et al., 1977; Newport, Kirschner, 1982a).

Факторы, регулирующие этот двухфазный цикл, локализованы в цитоплазме. В норме преобразования растущих ооцитов Xenopus laevis останавливаются на стадии профазы первого деления мейоза. Такие ооциты неспособны к делению. Когда в них пересаживают ядра делящихся клеток, эти ядра перестают делиться. Нормальные ооциты, подвергнутые стимулирующему воздействию прогестерона, возоб-

Рис. 3.39. Клеточные циклы соматических клеток и бластомеров на ранних стадиях дробления. А. Клеточный цикл типичной соматической клетки. За митозом (М) следует «интерфазное» состояние. Период между митозами подразделяется на фазы G1, S (синтез) и G2. Б. Более простой двухфазный цикл бластомеров амфибий на ранних стадиях дробления, имеющий только две фазы S и M.

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

ГЛАВА 3

новляют мейотические преобразования, которые идут до стадии метафазы второго деления мейоза и на этой стадии останавливаются. Если в цитоплазму обработанных прогестероном ооцитов помещают ядра неделящихся клеток (например, нейронов), то такие ядра тоже инициируют деление (Gurdon. 1968). В цитоплазме происходят периодические сокращения кортикального слоя (характерные для деления) даже при отсутствии ядер или центриолей. Если в энуклеированные зародыши инъецируют клонированные фрагменты ДНК, то их репликация происходит под контролем этих циклов (Нага et al.. 1980; Harland. Laskey. 1980: Karsenti et al.. 1984). Таким образом, способность клетки к делению регулируется цитоплазмой.

Недавно были выявлены факторы, осуществляющие эту регуляцию. Фактор, индуцируемый прогестероном, который позволяет ооциту возобновить мейоз, представляет собой белок с молекулярной массой 100 000 дальтон: его называют фактором, стимулирующим созревание (maturation promoting factor, MPF). После первого деления мейоза повышается концентрация другого белка цитостатического фактора (cytostatic factor, CSF). что приводит к остановке преобразований ооцита на метафазе второго деления мейоза. Ионы кальция, высвобождающиеся при оплодотворении из эндоплазматического ретикулума. по-видимому, инактивируют CSF, что делает возможным завершение мейоза и слияние пронуклеусов (Meyerhof, Masui. 1977).

Те же самые факторы— MPF, CSF и ионы кальция — важны и после оплодотворения, поскольку они регулируют двухфазный клеточный цикл на ранних стадиях дробления Xenopus. Показано (Gerhart et al.. 1984), что в делящихся клетках уровень активности MPF претерпевает циклические изменения. Активность MPF в бластомерах лягушки на ранних стадиях дробления наивысшая в М-фазе и не выявляется в S-фазе. Такая же цикличность обнаруживается и в энуклеированных бластомерах. Установлено (Newport. Kirschner, 1984), что даже при отсутствии белкового синтеза наступление репликации ДНК (Sфаза) и вступление в митоз (М-фаза) определяются исключительно увеличением и утратой активности MPF. Дробящиеся клетки могут быть блокированы в S-фазе путем инкубации их с ингибитором белкового синтеза. Когда в такие клетки инъецируют MPF, они вступают в М-фазу. Ядерная оболочка этих клеток разрушается, и происходит конденсация хроматина с образованием видимых хромосом. Через 1 ч активность MPF снижается и хромосомы возвращаются к состоянию, характерному для S-фазы. MPF действует, вероятно, путем изменения структуры ядерной оболочки. Через 15 мин после его введения наблюдается гиперфосфорилирование трех ос

Рис. 3.40. Модель регуляции клеточного цикла бластомеров на ранних стадиях дробления у амфибий В присутствии MPF S-фаза клеточного цикла переходит в М-фазу. Когда активность ΜPF прекращается (в результате его разрушения или функциональной инактивации), совершается переход от М-фазы к S-фазе. CSF стабилизирует MPF, задерживая клетку в М-фазе. Ионы кальция противодействуют эффекту CSF, т.е. они возвращают клетку в фазу S. (По Newport, Kirschner, 1984.)

новных белков ядерной оболочки. В течение следующих 15 мин оболочка деполимеризуется и разрушается (Miake-Lye, Kirschner, 1985).

Модель регуляции двухфазного клеточного цикла представлена на рис. 3.40. В цитоплазме продолжается образование MPF (либо путем трансляции мРНК для MPF, уже запасенной в клетке, либо путем активации предшественника MPF). MPF побуждает клетку к переходу от S-фазы к M-фазе. Когда MPF инактивируется, клетка возвращается в S-фазу. Таким образом. MPF управляет клеточным циклом. CSF и ионы кальция регулируют работу регулятора, контролируя содержание MPF в клетке. CSF, по-видимому, стабилизирует MPF, удерживая клетку в состоянии митоза. Ионы кальция, инактивируя CSF, тем самым создают возможность инактивации MPF. При добавлении CSF прекращаются также циклические сокращения кортикального слоя цитоплазмы, а последующая инъекция ионов кальция снова их стимулирует. Таким образом, на ранних стадиях развития цитоплазма определяет скорость клеточных делений и продолжительность S- и М-фаз цикла.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: