Данные, свидетельствующие о материнской регуляции раннего развития

У большинства видов животных экспрессия генов диплоидного ядра происходит не сразу. Данные о том, что раннее развитие контролируется факторами, запасенными или синтезированными в ооците, получены в ряде экспериментов на рубеже нашего века (см. обзор Davidson, 1976). Результаты этих экспериментов отчетливо показали доминантность материнских признаков на начальных стадиях эмбриогенеза и переключение на отцовские или гибридные характеристики только в более позднем развитии. О таких долговременных материнских влияниях мы упоминали при обсуждении ориентации дроблений у зародышей улитки, у которых

Таблица 14.2. Данные Дриша по материнскому контролю числа клеток первичной мезенхимы в гибридных зародышах морского ежа (Источник: Davidson, 1976.)

Яйцеклетки	Спермии	Среднее число клеток первичной мезенхимы (в скобках указан разброс значений)

цитоплазма ооцита содержит фактор, управляющий поворотами плоскостей дробления в правом или левом направлении.

В 1898 г. Ханс Дриш скрестил два вида морских ежей и обнаружил, что среднее число первичных клеток мезенхимы в гибриде зависит исключительно от вида, давшего яйцо (табл. 14.2). В сходном эксперименте яйцеклетки морского ежа Cidaris оплодотворяли спермой морского ежа Lytechinus (Tennant, 1914). При этом было обнаружено, что в образующихся бластомерах сохраняются все хромосомы, а формирование архентерона и время образования мезенхимы соответствуют материнскому типу развития (табл. 14.3). Отцовские гены проявлялись впервые при закладке скелетных клеток.

Таблица 14.3 Данные Теннанта по контролю этапов ранней гаструляции в гибридных зародышах морского ежа

Виды морского ежа	Инвагинация архентерона	Образование мезенхимы, ч	Источник клеток первичной мезенхимы
Источник: Davidson, 1976.

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

__________________ ТРАНСЛЯЦИОННАЯ И ПОСТТРАНСЛЯЦИОННАЯ РЕГУЛЯЦИЯ РАЗВИТИЯ___________________ 207

Рис. 14.11. Дробление в отсутствие ядра. А. Физическое энуклеирование ооцита Arbacia с помощью центрифугирования в растворе сахарозы. Б. Развитие энуклеированной части ооцита в партеногенетические мерогоны, лишенные ядер. Обычно энуклеированные ооциты претерпевают аномальное дробление, однако некоторые энуклеированные ооциты развиваются до стадии бластулы; иногда даже в отсутствие продуктов ядерного синтеза вылупляется аномальная личинка. (По Harvey, 1940.)

Вторая группа данных, свидетельствующих о материнской регуляции раннего развития, получена в работах по энуклеации. Если после оплодотворения яйца из него удалить ядро, то можно выяснить, как далеко проходит развитие в отсутствие синтеза новых мРНК. Энуклеация проводилась с помощью физических, химических и генетических методов. Физическую энуклеацию ооцита осуществила Харвей (Harvey, 1940). Она помещала неоплодотворенные яйцеклетки морского ежа в раствор сахарозы, имеющий ту же плотность, что и сами яйцеклетки. При центрифугировании суспензия расслаивалась, и в конечном счете яйцеклетки разрывались на две глобулы (рис. 14 11. А). Легкая часть содержала ядро, а тяжелая часть оказывалась энуклеированной. Затем Харвей партеногенетически активировала энуклеированные части, поместив их в гипотоническую морскую воду. Эти части («партеногенетические мерогоны») дробились, образовывали аномальную бластулу (лишенную бластоцеля) и благополучно выклевывались (рис. 14.11,5). Дальше развитие прекращалось. Результаты аналогичных экспериментов с использованием ооцитов лягушки также показали, что дробление может происходить даже при полном отсутствии хромосом (в том случае, если в икру были инъецированы центриоли для компенсации тех, которые в норме поставляются спермием). В этом случае также возникает аномальная бластула. Опыты по физической энуклеации показывают, что определенные яйцеклетки даже в отсутствие ядра способны проходить в своем развитии стадию средней бластулы.

Запасенные мРНК

Данные о том, что ооцит контролирует раннее развитие благодаря запасенной им мРНК, были впервые получены двумя группами исследователей (Brachet et al., 1963; Denny, Tyler, 1964). Результаты этих исследований показали, что энуклеированные и активированные части яйцеклеток морского ежа содержат РНК и могут синтезировать белки со скоростью, сравнимой со скоростью синтеза в нормально оплодотворенных яйцах. В энуклеированных ооцитах транскрипции происходить не может, следовательно, для синтеза белков в них должна использоваться запасенная мРНК. Было показано, что прирост в белковом синтезе не может быть обусловлен транскрипцией митохондриальной ДНК ооцита (Craig, Piatigorsky, 1971). Представляется, что ооцит создал запас мРНК, которые не транслируются до оплодотворения.

Мягкие способы энуклеации стали возможны, когда было открыто, что антибиотик актиномицин D ингибирует синтез РНК, и транскрипция может быть выключена путем помещения свежеоплодотворенной яйцеклетки в раствор этого антибиотика. Когда ооциты морского ежа обрабатывали актиномицином D в концентрации, достаточной для

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

208_______________ ГЛАВА 14________________________________________________________________________

Рис. 14.12. Влияние ингибиторов синтеза белка на развитие морского ежа Lytechinus. А. Контрольная личинка на стадии плутеуса. Б. Развитие прекращается на стадии бластулы, если транскрипция новых мРНК подавлена актиномицином D. В. Развитие прекращается на стадии одной клетки, если трансляция новых белков подавляется эметином или циклогексимидом

подавления синтеза РНК в ней на 94%, зародыши в своем развитии все еще достигали стадии бластулы (рис. 14.12. Б) (Gross, Cousineau, 1964). То, что это развитие зависит от запасенных мРНК, а не от предварительно синтезированных белков, было показано с помощью обработки оплодотворенных ооцитов эметином или циклогексимидом. Эти антибиотики ингибируют трансляцию, и зародыши, оплодотворенные в присутствии этих ингибиторов, не могут развиваться вовсе (рис. 14.12. В).

В ряде исследований был продемонстрирован всплеск белкового синтеза вскоре после оплодотворения. Результаты экспериментов Гросса и его коллег с использованием актиномицина D показали, что в химически энуклеированных зародышах синтез белка после оплодотворения увеличивается точно так же, как в контрольных (рис. 14.13). Однако спустя 6-10 ч в обработанных зародышах наблюдается спад белкового синтеза и второй всплеск белкового синтеза на стадии бластулы у них не происходит. Молекулы мРНК для этого второго подъема синтеза белка транскрибируются в ядре. Таким образом, зародыши, обработанные актиномицином D, могут развиваться вплоть до выклева на стадии бластулы, а далее развитие останавливается. Следовательно, запасенных мРНК ооцита

А

Рис. 14.13. Синтез белка у зародышей морского ежа Arbacia punctulata, оплодотворенных в присутствии или в отсутствие актиномицина D. В течение первых нескольких часов сколько-нибудь существенного различия в скоростях синтеза новых белков не наблюдается. Всплеск синтеза новых белков, который начинается на стадии средней бластулы, связан с трансляцией новосинтезированных мРНК и не наблюдается у зародышей, развивающихся в присутствии актиномицина D. (По Gross, Cousineau, 1964.)

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

______________ ТРАНСЛЯЦИОННАЯ И ПОСТТРАНСЛЯЦИОННАЯ РЕГУЛЯЦИЯ РАЗВИТИЯ_____________ 209

Рис. 14.14. Материнский эффект «0»-мутации у аксолотля. После спаривания гетерозигот особи с генотипом «0/0» могут развиваться благодаря тому, что их матери имели аллель дикого типа. Самцы «0/0» стерильны. Однако у самок «0/0» могут образовываться мутантные ооциты. которые после оплодотворения останавливаются в развитии на стадии гаструлы, даже если при оплодотворении сперматозоидом был внесен аллель дикого типа. (По Brothers, 1979.)

достаточно для обеспечения развития только до стадии вылупляющейся бластулы.

Опыты на амфибиях дали похожие результаты, правда, в этом случае стимулом для увеличения скорости синтеза белка оказалась овуляция яйца, а не его оплодотворение. В активированных энуклеированных ооцитах лягушки белки, синтезируемые вскоре после оплодотворения, продуцируются не только в соответствующих количествах, но и именно тех типов, что и в контрольных нормальных зародышах (Smith, Ecker, 1965; Ecker, Smith, 1971). В этом случае цитоплазма ооцита также оказывается «запрограммированной» для обеспечения процессов раннего развития даже в отсутствие ядра. В конечном счете в ядрах зародыша инициируется транскрипция, но даже эта транскрипция в эмбриональных ядрах должна быть активирована материнскими факторами ооцита. Эта концепция получила поддержку в исследованиях 0-мутанта мексиканского аксолотля. 0-Мутация, обусловленная материнским эффектом, заключается в том, что гомозиготные самки откладывают яйца, которые благополучно оплодотворяются и совершенно нормально развиваются до стадии позднего дробления и ранней бластулы (Briggs, Cassens, 1966). На стадии средней бластулы яйца, откладываемые самкой 0/0, обнаруживают замедленный митоз. В таких зародышах образуется спинная губа бластопора, но дальнейшее развитие всегда останавливается во время гаструляции (рис. 14.14). На стадии бластулы в ооцитах самок дикого типа начинается синтез новых белков (Malacinski. 1971). Однако в ооцитах самок 0/0 на стадии бластулы не происходит этот всплеск белкового синтеза и набор белков оказывается идентичен тому, что продуцируют энуклеированные зиготы. В то время как в контроле (норме) на стадии поздней бластулы наблюдается интенсивный синтез РНК, в мутантных зародышах синтез РНК не обнаруживается вовсе или отмечается низкий уровень продукции РНК (рис. 14.15). Было показано, что у зародышей, полученных от самок 0/0, отсутствует фактор, который активирует геном на стадии бластулы (Briggs, Cassens, 1966). Этот фактор можно было изолировать из цитоплазмы нормальных бластомеров или из ядерного сока премейотических ооцитов. Когда этот фактор инъецировали в ооциты от самок 0/0, он предотвращал остановку развития на стадии гаструлы, позволяя зародышу развиваться нормально.

Таким образом, для активации ядер амфибий нужен специфический фактор. В отсутствие такого фактора развитие продолжается только до той стадии, которая обеспечивается запасенными мРНК ооцита. У амфибий запасенного ооцитного материала достаточно, чтобы зародыш мог начать гаструляцию. Однако дальше развитие без синтеза новых РНК идти не может.

Результаты опытов по физической, химической и генетической энуклеации ооцита с очевидностью свидетельствуют о том, что в его цитоплазме действительно существуют запасенные мРНК и что продукты этих мРНК обеспечивают раннее развитие зародыша.

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

210_______________ ГЛАВА 14_____________________________________________________

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: