Гаструляция и нейруляция.: Часть 2

Видео

Конспект

Следующий после гаструляции этап эмбриогенеза характеризуется важными морфогенетическими преобразованиями у всех организмов с метамерным строением. В этот период происходит сегментация осевой мезодермы, а у хордовых дополнительно формируется центральная нервная система. Данный процесс, традиционно называемый нейруляцией, представляет собой ключевой этап в реализации общего плана строения организма, когда происходит окончательное определение положения всех органных зачатков, производных трех зародышевых листков.

Хотя у беспозвоночных отсутствует ЦНС, гомологичная хордовым, термин "нейруляция" применяется и к ним, поскольку отражает фундаментальный процесс закладки осевых структур организма. В этот период у всех сегментированных животных наблюдаются сходные морфогенетические события: формирование комплекса осевых структур и окончательное определение положения органных зачатков.

Современные молекулярно-генетические исследования выявили удивительное сходство механизмов, контролирующих этот этап развития у различных таксонов. Особый интерес представляют гомеобокс-содержащие гены (Нох у хордовых и Hom у беспозвоночных), содержащие консервативную последовательность ДНК из 183 пар оснований (гомеобокс) и кодирующие 60аминокислотный гомеодомен. Эти гены организованы в кластеры, демонстрирующие принцип коллинеарности - их физическое расположение соответствует порядку экспрессии вдоль передне-задней оси эмбриона.

Гомеобокс-содержащие гены выполняют несколько ключевых функций:

Регуляция процесса сегментации;

Передача позиционной информации;

Контроль специфической дифференцировки клеток;

Определение плана строения организма.

Особенности их работы включают:

Посегментную транскрипцию на ранних стадиях эмбриогенеза;

Ограниченную во времени и пространстве активность;

Автономную регуляцию экспрессии в пределах кластера;

Корреляцию между генетической и морфологической организацией.

Принцип коллинеарности сохраняется у всех сегментированных животных, что свидетельствует о глубокой эволюционной консервативности этих механизмов развития. Специфические продукты активности этих генов обнаруживаются именно в тех сегментах, строение которых они контролируют, что подтверждает их ключевую роль в реализации плана строения организма.

Современные исследования позволили установить следующие ключевые положения:

Гены, содержащие гомеобокс, представляют собой эволюционно консервативную систему регуляторов раннего эмбриогенеза, функционирующую согласно строгой иерархии. Их происхождение прослеживается вплоть до прокариотических организмов, а основная биологическая роль заключается в обеспечении первичных сигналов дифференцировки клеточных ядер зародыша.

В процессе эволюции функциональное значение этих генов претерпевало изменения, однако их универсальное присутствие у всех сегментированных животных свидетельствует о значительно большей общности механизмов развития, чем предполагалось ранее.

Генетический контроль метамеризации, нейруляции и формирования плана строения организма осуществляется сложной системой взаимодействующих генов, где особое значение имеют три параметра:

Временной профиль экспрессии;

Пространственная локализация активности;

Степень влияния на последующие генетические каскады.

При этом чем раньше активируется ген, тем более существенное влияние он оказывает на последующие события развития.

Типы генетических взаимодействий:

Автономное функционирование отдельных генов;

Реципрокные отношения активации/инактивации;

Сложные иерархические сети с прямыми и опосредованными влияниями.

Генетическая иерархия развития: первыми вступают в действие материнские гены (bicoid, oscar, torso), устанавливающие передне-заднюю полярность яйца еще в оогенезе. Их активность создает:

Градиент цитоплазматических различий;

Основу для последующей клеточной дифференцировки;

Химический паттерн, определяющий будущую сегментацию.

Эти материнские факторы регулируют активность генов следующего уровня GAP и Pair-rule, которые:

Контролируют процесс метамеризации;

Начинают экспрессироваться на стадии синцитиальной бластулы;

Работают в тесной координации друг с другом;

Оказывают влияние на гомеотические гены, ответственные за индивидуальные особенности сегментов.

Примечательно, что мутации в гене oscar приводят к изменению экспрессии как GAP, так и Pair-rule генов, что подчеркивает сложность и взаимосвязанность этих регуляторных каскадов.

Гены гомеобокса и механизмы нейральной индукции

Гены гомеобокса (Нох-гены) организованы в хромосомные кластеры, демонстрирующие принцип коллинеарности - их физическое расположение соответствует последовательности экспрессии вдоль передне-задней оси эмбриона. Это позволяет предположить, что эволюция хордовых происходила через дупликацию Нох-генов, причем ланцетник сохранил исходную структуру кластера, характерную для предков позвоночных. Данное предположение подтверждается дупликацией других генов, расположенных в тех же хромосомных участках. Например, у млекопитающих имеется три гомолога единственного инсулиноподобного гена ланцетника. У беспозвоночных эволюция гомеобокссодержащих генов происходила преимущественно через тандемные дупликации.

Кластерная организация Нох-генов характерна для широкого круга организмов: от млекопитающих (человек, мышь), птиц и амфибий до рыб, ланцетников, насекомых и нематод. Однако если у беспозвоночных имеется единственный кластер, то у млекопитающих их четыре, включающие 38 генов, разделенных на 13 паралогических групп, каждая из которых соответствует одному гену ланцетника. При этом процессы метамеризации мезодермы морфологически сходны у всех метамерных организмов.

Нейруляция представляет собой этап, на котором реализуются все клеточные свойства, впервые проявляющиеся во время гаструляции, но в иных пропорциях. К ним относятся:

Пролиферация и миграция клеток;

Поляризация и формирование клеточных пластов;

Изменение геометрии клеточных структур;

Избирательная гибель клеток.