«МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ КЛЕТКИ 2-Е ИЗДАНИЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ В 3 томах 3 Перевод с английского канд. биол. наук В. П. Коржа, канд. биол. наук Н.В. Сониной, ...»

16.1.9. Из эктодермы образуется эпидермис и нервная система [9, 11] Наружная стенка зародыша после гаструляции представлена листком эктодермы, из которой позже образуется наружный слой кожи эпидермис. Однако этим будущее эктодермы не исчерпывается: из эктодермы формируется также вся нервная система. Процесс образования этой системы называется нейруляцией; он начинается с утолщения широкого дорсального участка эктодермы, который затем сворачивается в трубку и отделяется от остальной части клеточного слоя. Такое преобразование индуцируется хордой и мезодермой, лежащими под этой областью эктодермы (см. разд. 16.6.3). Трубка, образовавшаяся из эктодермы, носит название нервной трубки; в процессе дальнейшего развития из нее возникнет головной и спинной мозг. Вдоль линии, по которой нервная трубка отделяется от будущего эпидермиса, от него обособляется еще некоторое число эктодермальных клеток; позже эти клетки поодиночке мигрируют через мезодерму. Это клетки нервного гребня, из которых образуются практически все компоненты периферической нервной системы (в том числе сенсорные и симпатические ганглии, шванновские клетки, образующие миелиновую оболочку периферических нервов) (см. разд. 19.1.1), а также клетки надпочечников, секретирующие адреналин, и пигментные клетки кожи. В области головы многие клетки нервного гребня дифференцируются в хрящ, кость и иные типы соединительной ткани, которые в других частях тела формируются из мезодермы. Это один из немногих случаев, не укладывающийся в общее представление о соответствии трех зародышевых листков трем «концентрическим» слоям взрослого организма. Органы чувств, передающие нервной системе информацию о зрительных, звуковых, обонятельных и иных стимулах, также развиваются из эктодермальных закладок - одни из нервной трубки, другие - из нервного гребня, третьи - из наружного слоя эктодермы (см. рис. 19-55, разд. 19.7.1). Например, сетчатка образуется как вырост мозга и, следовательно, является производным нервной трубки, тогда как обонятельные клетки дифференцируются прямо из эктодермального эпителия носовой полости.

16.1.10. Нервная трубка образуется в результате координированных изменений формы клеток [6, 12] Образование нервной трубки - это событие, весьма достойное нашего внимания (рис. 16-13). Сначала поверхность гаструлы представляется довольно однородной, но некоторые изменения здесь уже происходят: эктодерма возле средней линии начинает приподниматься, образуя нервную пластинку. Боковые края нервной пластинки утолщаются; эти утолщения, называемые нервными валиками, постепенно сближаются, а в самой пластинке вдоль средней линии образуется желобок. В конце концов валики сходятся над ним и сливаются, в результате чего Рис. 16-13. Образование нервной трубки у Хепорus. Вид снаружи с дорсальной стороны. Разрезы проходят в плоскости, указанной прерывистой возникает полая нервная трубка, покрытая сверху сплошным слоем эктодермы. Как и в случае гаструляции, все эти процессы обусловлены вытягиванием, адгезией и сокращением отдельных клеток эпителиального слоя. Клетки нервной пластинки связаны между собой прочными латеральными соединениями. Вначале клетки удлиняются в направлении, перпендикулярном клеточному слою. Такое удлинение формы клеток связано с удлинением микротрубочек и необходимо для продолжения нейруляции: при воздействии колхицина - вещества, вызывающего разрушение микротрубочек, нервные валики не образуются вовсе или же - коль скоро они возникли - исчезают. Удлинившиеся клетки приобретают затем клиновидную форму с узкими концами, направленными к верхней (апикальной) поверхности клеточного слоя. Так как клетки прочно соединены между собой боковыми поверхностями, а ширина их у основания остается прежней, клеточный пласт в целом прогибается (рис. 16-14).

Сужение клеток на верхушке происходит вследствие сокращения пучков актиновых филаментов, которые проходят под апикальной поверхностью клеток, там, где клетки соединяются поясами адгезии (см. разд. 14.1.3).

16.1.11. Скопление клеток мезодермы делится, образуя сомиты по обе стороны от продольной оси тела [13] По бокам от вновь образованной нервной трубки лежат обширные участки мезодермы (рис. 16-15). Из утолщенной медиальной области мезодермы образуются позвонки, ребра, скелетные мышцы, а также соединительнотканный слой кожи. Вначале мезодерма на каждой из сторон представлена единой массой ткани, но вскоре она делится на «блоки», называемые сомитами (рис. 16-16). Каждый сомит соответствует одному элементу в возникающем в результате дифференцировки скелете и будет делиться впоследствии на три части. Часть сомита, обращенная к хорде, называется склеротомом и является источником клеток, образующих ребра и позвонки; часть, обращенная наружу и прилежащая к дорсальной поверхности эмбриона, называется дерматомом и является источником клеток, формирующих соединительнотканный слой кожи, или дерму;

оставшаяся часть сомита именуется миотомом (между склеротомом и дерматомом) и является источником клеток скелетных мышц.

Сомиты обособляются не все сразу, а последовательно один за Рис. 16-14. Изгибание клеточного пласта вследствие изменений формы клеток, опосредованных взаимодействием микротрубочек и актиновых филаментов. По мере сужения апикальных концов клеток мембраны их наружных поверхностей становятся вогнутыми. Это может являться симптомом быстрого изменения формы вследствие сокращений, которые имеют место в условиях плотного соприкосновения боковых поверхностей соседних клеток, где тормозится перетекание избытка мембраны вдоль контактирующих комплексов по бокам клеток.

Рис. 16-15. Схематическое изображение поперечного разреза через туловищную область эмбриона лягушки после замыкания нервной трубки. (Т. Mohun, R. Tilly, R. Mohun and J. M. W. Slack, Cell, 22, 9-15, 1980.) Рис. 16-16. Образование сомитов у Xenopus. Вверху- внешний вид Рис. 16-17. Сравнение эмбриогенеза рыб, амфибий, птиц и зародыша при наблюдении сбоку. Прерывистой линией показана млекопитающих. Ранние стадии развития (вверху) очень сходны;

плоскость горизонтального разреза, изображение которого поздние стадии (внизу) различаются значительно сильнее. Самые представлено в середине. Внизу схема перегруппировки клеток ранние стадии изображены примерно в одинаковом масштабе, а мезодермы в процессе формирования сомитов (при большом более поздние стадии - в разном. (Е. Haeckel, Anthropogenic, oder увеличении). У Xenopus все клетки, из которых потом образуются Entwickelungsgechichte des Menschen. Leipzig, Engelmann, 1874.) сомиты, исходно ориентированы под прямым углом к оси тела. В процессе формирования сомитов все клетки каждой группы другим по направлению от головы к хвосту. Сегментация сопровождается изменением взаимных связей между клетками мезодермы. В ранней, несегментированной мезодерме сохраняется электрическое сопряжение клеток через щелевые контакты, исчезающие непосредственно перед или во время формирования сомитов. Очевидно, сначала изменяется характер взаимосвязи между клетками, затем они собираются в компактные группы и образуют сомиты (см. рис. 16-16). Позже мы увидим, что физическая сегментация коррелирует с появлением химических различий между соседними группами клеток сомитов (см. разд. 16.5.20), сегментирование которых напоминает расположение полосок у зебры. По всей вероятности, селективное сцепление, основанное на различиях в химизме поверхности клеток, является причиной разделения массива клеток на физически обособленные сомиты.

16.1.12. План строения тела позвоночного животного складывается в миниатюре на ранней стадии и сохраняется в период роста эмбриона [9] Длина эмбриона на стадии формирования сомитов не превышает нескольких миллиметров, он обычно состоит из 105 клеток. До сих пор мы имели в виду Xenopus, но форма и размеры эмбриона примерно одинаковы и у саламандры, и у рыбы, и у курицы и у человека (рис. 16-17). На более поздних стадиях эмбрионы будут значительно различаться по величине и форме, но на этой стадии хорошо видно, что план строения у них один и тот же. Детали будут добавляться позже по мере роста зародыша. А пока центральная нервная система представлена нервной трубкой с утолщенным концом, из которого впоследствии разовьется головной мозг; кишечник и его производные заложены в виде энтодермальной трубки, сегментам туловища соответствуют сомиты. Некоторые типы соединительной ткани сердечно-сосудистой системы представлены более периферической несегментированной мезодермой, а эпидермальный слой кожи - эктодермой. В ходе последующего развития линейные размеры всех этих компонентов могут увеличиваться в 10, 100 и более раз, а суммарный объем и число клеток - в миллионы раз, но общий план строения тела остается прежним.

Яйца большинства видов животных представляют собой довольно крупные клетки, содержащие запасы питательных веществ и других клеточных компонентов, синтез которых регулируется материнским геномом. У амфибий первым и весьма важным движением после оплодотворения является поворот кортекса яйца по отношению к его внутреннему содержимому. Асимметрия, создаваемая этим поворотом, равно как и исходная асимметрия в распределении содержимого в яйце перед оплодотворением, определяет будущие передне-заднюю и дорсовентральную оси тела. В ходе последующих делений дробления яйцо делится на множество более мелких клеток, однако общий объем зародыша не увеличивается. Клетки наружных слоев эмбриона формируют между собой плотные контакты, изолируя внутреннее содержимое эмбриона от окружающей среды. Внутрь эмбриона проникает жидкость, в результате чего в нем формируется полость (бластоцель). Стенка такого зародыша называется бластодермой, а сам зародыш носит название бластулы.

В процессе гаструляции бластодерма на одном конце зародыша начинает втягиваться внутрь вследствие изменения формы ее клеток.

Полагают, что движущей силой последних этапов гаструляции является конвергентное расширение впячиваемого эпителия за счет изменения упаковки его клеток, что трансформирует эмбрион в трехслойную структуру с внутренней трубкой (энтодермой), наружным покровом (эктодермой) и промежуточным слоем клеток, который отделился от этой эктодермы (мезодермой). Из энтодермы в дальнейшем сформируется выстилка кишки и ее производных, из эктодермы - главным образом эпидермис и нервная система, а из мезодермы - большая часть мышц и соединительной ткани, сердечно-сосудистая система и мочеполовой тракт. В результате гаструляции сближаются и взаимодействуют между собой группы клеток, находившиеся ранее вдали друг от друга.

Например, дорсальная мезодерма вызывает утолщение эктодермы, теперь лежащей над нею; данный участок сворачивается и отделяется, формируя нервную трубку и нервный гребень. Этот процесс, именуемый нейруляцией, также зависит от изменения формы эктодермальных клеток. В средней части дорсальной мезодермы расположен тяж специализированных клеток, именуемый хордой; этот тяж образует центральную ось эмбриона. Удлиненные массы мезодермы, лежащие по бокам от хорды, фрагментируются и дают начало сомитам, из которых возникают позвонки и скелетная мускулатура.

16.2. Клеточная память и возникновение разнообразия клеток [14] Из оплодотворенного яйца может развиться самец или самка, морской еж, лягушка или человек. Результат развития определяется геномом: линейная последовательность А-, G-, С- и Т-нуклеотидов в ДНК организма должна направлять создание множества различающихся химически клеточных типов, которые организованы в пространстве определенным образом. Задача биологии развития состоит в объяснении этого процесса. Прежде всего необходимо ответить на вопрос, каким образом в эмбриогенезе возникают различия между исходно одинаковыми клетками. Для иллюстрации основных законов развития обратимся сначала к земноводным, а затем к млекопитающим.