Детерминация половых клеток у насекомых

Яйца некоторых насекомых также содержат зародышевую плазму, функция которой, по-видимому, очень сходна с функцией зародышевой плазмы у Parascaris. У галлицы Wuchtiella persicariae большая часть ядер утрачивает 32 из 40 исходных хромосом! Однако на заднем полюсе яйца находятся два ядра, в которых не происходит диминуции хроматина и которые в течение некоторого времени не делятся (рис. 7.22). Потомки этих двух ядер в конечном счете включаются в первичные половые

Рис. 7.22. Сегрегация линии половых клеток и диминуция хроматина у Wachtiella. А. Диминуция хроматина зависит от положения ядер. Первые три деления являются нормальными. После этого все ядра, за исключением одного, лежащего на заднем полюсе яйца, теряют 32 из 40 хромосом. Б. Если на стадии 8 клеток в области заднего полюса зародыша наложить лигатуру так, чтобы ни одно ядро не могло войти в эту область, то во всех ядрах на стадии 16 клеток происходит диминуция хроматина, даже если связь с полярной плазмой восстановлена. (По Geyer-Duszynska, I959.)

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. 2: Пер. с англ. – М.: Мир, 1994. – 235 с.

26________________ ГЛАВА 7______________________________________________________________________________

Рис. 7.23. Полярные гранулы из фракционированных молярных клеток дрозофилы. Микрофотография получена с помощью просвечивающего электронного микроскопа. (С любезного разрешения Α. Ρ Mahowald.)	Рис. 7.24. Полярные клетки зародыша дрозофилы непосредственно перед завершением делений дробления. Они видны на верхнем конце зародыша. Фотография получена с помощью сканирующего электронного микроскопа. (С любезного разрешения А. Р. Mahowald.)

клетки¹. Если препятствуют миграции этих ядер в область заднего полюса путем наложения лигатуры, тο в каждом ядре происходит диминуция хроматина и возникающая из такого яйца галлица оказывается стерильной Если ослабить лигатуру и позволить таким ядрам переместиться в область заднего полюса, то первичные половые клетки образуются, но они никогда не становятся функциональными гаметами (Geyer-Duszynska. 1959). Было показано (Kunz et al.. 1970), что элиминированный хроматин содержит гены, являющиеся активными в период образования первичных половых клеток. Герминативная цитоплазма насекомых отличается от любой другой цитоплазмы яйца. Хегнер (Hegner, 1911) обнаружил, что при удалении или разрушении этой области до формирования клеток на заднем полюсе яиц некоторых жуков зародыши, развившиеся из таких яиц, не имеют половых клеток и оказываются стерильными. Очень удачно, что эта задняя полярная плазма маркирована полярными гранулами (рис. 7.23). Роль этих гранул в детерминации половых клеток неизвестна, однако их постоянная связь с полярной плазмой и с происходящими из нее полярными клетками делает полярные гранулы удобными маркерами этой области яйца. Данную область полярных клеток легко идентифицировать с помощью сканирующего электронного микроскопа (рис. 7.24).

Современные исследования полярной цитоплазмы проводятся преимущественно на зародышах дрозофилы. В течение первых двух часов после оплодотворения зародыш дрозофилы развивается как синцитий. Иными словами, происходит только деление ядер без соответствующего деления цитоплазмы. В результате формируется слой неклеточной синцитиальной бластодермы, содержащий около 3500 ядер. Каждое ядро окружается клеточной мембраной, и бластодермальный слой становится клеточной бластодермой. Опыты по трансплантации (Zalokar. 1971; Illmensee. 1968. 1972) показали, что все ядра синцития эквивалентны и тотипотентны. Однако клетки в клеточной бластодерме строго детерминированы. К сходному заключению пришли и другие исследователи (Schubiger. Wood. 1977). которые накладывали лигатуры на яйца дрозофилы, находящиеся на разных стадиях развития. В ядрах дрозофилы диминуции хроматина не происходит и ядро синцитиальной стадии может дать начало либо первичным половым, либо соматическим клет-

¹ Пример галлицы и Parascaris выглядит как очень убедительное доказательство в пользу гипотезы Вейсмана о сегрегации ядерных детерминантов (которая обсуждается в гл. 8). Эти случаи диминуции хроматина и элиминации хромосом являются исключениями из общего правила (гл. 9 и 10), поскольку обычно в ядрах дифференцированных клеток сохраняются неиспользуемые гены; мы не располагаем данными о том, что в различных соматических клетках Wachtiella или Parascaris сохраняются разные части их генома.

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. 2: Пер. с англ. – М.: Мир, 1994. – 235 с.

__________________ ДЕТЕРМИНАЦИЯ ПОСРЕДСТВОМ ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКОЙ СПЕЦИФИКАЦИИ___________ 27

1

Рис. 7.25. Способность полярной плазмы «излечивать» зародыш от индуцированной облучением стерильности. А. Методика трансплантации полярной плазмы от необлученного донора к облученному хозяину, Б. Продольные срезы через заднюю область зародыша дрозофилы, фиксированного к моменту завершения периода дробления. I. - нормальный зародыш с бластодермой и полярными клетками: // зародыш, который был облучен на ранней стадии дробления; бластодерма сформировалась, но полярные клетки отсутствуют; Ill - зародыш. облученный на ранних стадиях дробления, которому затем инъецировали полярную плазму от нормального зародыша. Видны бластодерма и полярные клетки (Из Okada et al.. 1974.)

кам. Их детерминация зависит от области яйца. в которую они мигрируют. Одной из этих областей является задняя полярная плазма. Таким образом, полярная плазма, по-видимому, содержит морфогенетические детерминанты для образования половых клеток.

Было обнаружено (Geigy, 1931), что облучение полярной плазмы ультрафиолетом приводит к стерильности мух. развившихся из облученных яиц, a Окада и др. (Okada et al.. 1974). продолжившие эту линию исследований, показали, что введение полярной плазмы из необлученных зародышей-доноров в облученные яйца устраняет их стерильность (рис. 7.25). Введение любой другой части цитоплазмы в их опытах не приводило к такому результату.

В том же, 1974 г. автономность этой цитоплазматической области и ее способность детерминировать любое ядро дрозофилы была доказана остроумными опытами Илменси и Мэховалда (lllmensee, Mahowald, 1974). В этих опытах (рис. 7.26) неправдоподобно малое количество (5-100 пиколитров) энуклеированной полярной плазмы было перенесено из яиц дрозофилы дикого типа (донор) в область переднего полюса генетически маркированных яиц (хозяин) до их целлюляризации. (Эти яйца хозяина несли хромосомные мутации multiple wing hair (mwh и ebony (e).) После формирования клеточной бластодермы клетки переднего полюса зародыша-хозяина напоминали нормальные полярные клетки заднего полюса, содержали включенные в них полярные гранулы и их морфология была типичной для нормальных полярных клеток. Чтобы проверить, станут ли эти клетки предшественниками функциональных половых клеток, Мэховалд и Илменси трансплантировали модифицированные клетки переднего полюса в заднюю область дробящихся зародышей, содержащих свои собственные генети-

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. 2: Пер. с англ. – М.: Мир, 1994. – 235 с.

28 ГЛАВА 7

Рис. 7.26. Способность зародышевой (полярной) плазмы детерминировать судьбуклеток, которые ее содержат. Полярную плазму яйца дрозофилы дикого типа (белое) инъецировали в передний (но не в задний) полюс генетически маркированных (мутантных) зародышей (обозначен темно-серым цветом). Образовавшиеся на переднем полюсе клетки напоминали нормальные клетки предшественники половых клеток, которые видны на заднем полюсе. Эти передние полярные клетки затем трансплантировали в область заднего полюса зародыша-хозяина (обозначен светло-серым цветом), маркированного другими мутациями так, что потомки этих клеток могли мигрировать в гонады. Когда этих мух спаривали с мухами, несущими ту же вторую группу маркеров (но не имевшими трансплантированных клеток), часть потомства оказывалась дикого типа. Следовательно, половые клетки такого потомства произошли не οт родительской линии мух. (По lllmensee, Mahowald, 1974.)

чески маркированные полярные клетки¹. Эти новые зародыши-хозяева были маркированы по другим мутациям рецессивным yellow (y), while (w) и sinqed (sn³). Все мухи, развившиеся из таких зародышей, несли мутации yellow, white и singed. Этих мух скрестили с другими мухами, несущими такие же мутации. В большинстве случаев (88 из 92 скрещиваний) в потомстве появились особи, идентичные обоим родителям. Однако в четырех случаях возникли потомки дикого типа. Их появление указывало на то. что некоторые половые клетки у этих мух произошли из трансплантированных клеток, следовательно, половая плазма одного зародыша была способна побудить ядра клеток в области переднего полюса другого зародыша детерминировать развитие функциональных половых клеток! Использован-

¹ Это было сделано для того, чтобы дать им возможность включиться в развивающуюся гонаду. Имеются данные, полученные на других организмах, о том. что полярная плазма содержит также детерминанты для соответствующей миграции половых клеток в гонады (Züst, Dixon, 1977; Ikenishi, Kotani, 1979).

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. 2: Пер. с англ. – М.: Мир, 1994. – 235 с.

__________________ ДЕТЕРМИНАЦИЯ ПОСРЕДСТВОМ ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКОЙ СПЕЦИФИКАЦИИ_________________ 29

ная методика оказалась также полезной для установления времени локализации этого детерминанта. Илменси и др (Illmensee et al.. 1976) обнаружили, что детерминант первичных половых клеток способен функционировать до оплодотворения и локализуется в развивающемся ооците примерно в то же самое время, когда желток достигает его заднего конца.

Сама природа предоставляет в наше распоряжение свидетельства о значении полярной плазмы и полярных гранул для развития половых клеток. Самка дрозофилы, гомозиготная по мутации qrand-childless, продуцирует фенотипически нормальное, но стерильное потомство [GG (самец) х дд (самка) ® Gg (стерильны)]. Мэховалд и др. (Mahowald et al., 1979) показали, что если таких самок спарить с нормальными самцами, то ядра зародышей, получившихся в результате скрещивания, никогда не мигрируют в полярную плазму яйца. У этих зародышей полярные клетки не образуются, а у получившихся взрослых особей нет первичных половых клеток, из которых развиваются гаметы. Другая мутация с материнским эффектом – agametic - вызывает отсутствие первичных половых клеток примерно у половины потомков, полученных от гомозиготных самок. В этом случае у потомков формируется нормальное число полярных клеток, но полярные гранулы разрушаются вскоре после оплодотворения (Engstrom et al.. 1982). Опыты по трансплантации показали, что дефект заключается в самой полярной плазме, а не в яичнике. Таким образом, теперь получены очень четкие доказательства того, что полярные гранулы имеют прямое отношение к образованию половых клеток.

Эти полярные гранулы были выделены из зародышей дрозофилы (Waring et al.. 1978): оказалось, что они содержат белок и РНК. Молекулярная масса этого белка ( в гранулах, по-видимому, преобладает один белок) равна 95000: он обладает основными свойствами и синтезируется заново в период оогенеза, так что полярные гранулы не наследуются непосредственно через цитоплазму яйца. РНК присутствует в полярных гранулах ооцита. но не обнаруживается после того, как сформировались полярные клетки (Mahowald. 1971a. b). Возможно, что эта РНК чрезвычайно важна для формирования половых клеток. Окада и Кобаяси (Okada. Kobayashi. 1987) инъецировали РНК из яиц и ранних дробящихся зародышей дрозофилы зародышам, у которых полярные клетки были убиты ультрафиолетом. Эти зародыши-хозяева формировали полярные клетки и развивались в мух, имевших половые клетки.

Полярные гранулы изменяются в процессе развития. До оплодотворения плотные гранулы, содержащие мембраны, группируются вокруг митохондрий, а затем диспергируются, прежде чем ядра достигнут полюса. Впоследствии полярные клетки включают в себя эти гранулы. Когда полярные клетки мигрируют в половой валик, полярные гранулы деконденсируются на филаменты. называемые nuage. Этот материал скапливается около оболочки ядра. Такое поведение полярных гранул обнаружено у всех изученных представителей животного царства (Eddy. 1975) и, вероятно, имеет важное значение для гаметогенеза.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: