Эмбрионы, гены и эволюция - Рудольф Рэфф

Рис. 4-8. Становление цитоплазматической локализации у зародыша асцидии Styela partita (Conklin, 1905). А. Яйцо с еще интактным зародышевым пузырьком (1). Б. Разрушение зародышевого пузырька и перемещение цитоплазмы. В и Г. Зародыш на стадии двух бластомеров (в двух разных ракурсах) с хорошо выраженным желтым серпом. Д. Стадия 8 бластомеров. Е. Ранняя личинка, у которой материал желтого серпа сосредоточен вокруг мышечных клеток хвоста (6).

1-зародышевый пузырек; 2-желточные гранулы; 3-желтый серп; 4-желток; 5-прозрачная цитоплазма; 6-мышечные клетки; 7-нервная пластинка.

У ряда организмов становление локализации происходит лишь после того, как дробление достаточно продвинулось. Изучение зародыша гребневика Mnemiopsis, проведенное Фриманом (Freeman), дало один из наиболее хорошо документированных примеров этого явления. Гребневики составляют небольшую группу прозрачных животных, несколько сходных по виду с медузами. Они обладают двулучевой симметрией и обычно снабжены восемью рядами гребных пластинок; каждая пластинка состоит из длинных слившихся между собой ресничек, при помощи которых гребневики плавают. Если потревожить животное, то можно наблюдать волнообразные вспышки зеленоватого света, испускаемого особыми клетками-фотоцитами, находящимися в меридиональных каналах, которые расположены под рядами гребных пластинок. Как ресничные клетки гребных пластинок, так и фотоциты уже имеются на личиночной стадии, и дифференциация как тех, так и других обусловлена действием локализованных детерминантов зародыша.

Развитие Mnemiopsis происходит по мозаичному типу. Если отделить друг от друга бластомеры двуклеточного зародыша, то из каждого бластомера разовьется неполный зародыш, содержащий структуры одной из сагиттальных половинок нормального зародыша. При разделении бластомеров 4-клеточного зародыша образуются четвертушки нормального зародыша, содержащие покрытые ресничками гребные пластинки и фотоциты. Восьмиклеточные зародыши состоят из бластомеров двух типов: четырех клеток E и четырех клеток М. Если отделить их друг от друга и дать им возможность развиваться, то из клеток E образуются неполные зародыши, содержащие покрытые ресничками гребные пластинки, но лишенные фотоцитов, а из клеток M - неполные зародыши, содержащие фотоциты, но лишенные гребных пластинок. При следующем делении, в результате которого получается 16-клеточный зародыш, бластомеры E и бластомеры M делятся неравномерно. Из каждого бластомера E получается один макромер (клетка Е) и один микромер (клетка е); каждый бластомер M аналогичным образом дает макромер M и микромер m. Цитоплазматические детерминанты распределяются между этими клетками таким образом, что после дальнейшего развития наблюдается следующая картина дифференцировки:

Микромеры е — ресничные гребные пластинки

Макромеры Е — ресничных гребных пластинок нет

Микромеры m — фотоцитов нет

Макромеры M — фотоциты

Фримен проделал ряд микрургических экспериментов, чтобы выяснить, на какой стадии дробления устанавливается характер локализации детерминантов. С этой целью он нанес на карту те участки бластомеров 2- и 4-клеточного зародыша, из которых на 8-клеточной стадии должны образоваться клетки Е и М. Если локализация детерминантов наступает на ранних стадиях дробления, как это показано на рис. 4-3, то удаление цитоплазмы из участка Е или из участка М бластомера 2-клеточного зародыша должно приводить к таким же результатам, как и удаление всех бластомеров Е или всех бластомеров М на 8-клеточной стадии. Иными словами, удаление Е-участка цитоплазмы из бластомера 2-клеточного зародыша приведет к тому, что клетки, образующиеся в процессе дальнейшего развития этого бластомера, утратят способность к формированию ресничных гребных пластинок, тогда как удаление М-участка приведет соответственно к утрате способности к формированию фотоцитов. В действительности, как установил Фримен, это предсказание не подтверждается. Локализация этих двух потенций в бластомерах едва намечается на 2-клеточной стадии, но почти полностью выражена у 4-клеточного зародыша; из этого следует, что, хотя цитоплазматические материалы, детерминирующие дифференцировку гребных пластинок и фотоцитов, уже присутствуют в яйце в начале дробления, они окончательно локализуются лишь к третьему дроблению.

Сроки локализации детерминантов у дробящихся зародышей подвержены регуляции. Работы Фримена и Герье (Freeman, Guerrier), а также Дэна и Икеда (Dan, Ikeda) и других авторов показывают, что события, связанные с локализацией и ранней детерминацией морфогенеза, сопряжены с регуляцией сроков митотических делений дробления - с так называемыми часами дробления. Эти часы представляют собой мало изученный механизм, при помощи которого зародыш отсчитывает в реальном времени число проделанных циклов дробления и определяет параметры следующего дробления. Существование этих часов было продемонстрировано в экспериментах, в которых одно из ранних делений дробления подавляли, а затем дроблению давали возможность возобновиться. Так, например, у зародышей морского ежа четвертое деление дробления бывает неравномерным, приводя к образованию как микромеров, так и более крупных бластомеров. Если подавить один из ранних циклов деления, а затем допустить дальнейшее дробление, то последующие деления происходят в ладлежащие сроки, несмотря на то что они запаздывают на один цикл. Таким образом, в срок, соответствующий четвертому дроблению нормального зародыша, экспериментальный зародыш образует только 8 клеток вместо 16. Важно отметить, что, хотя экспериментальный зародыш образует только 8 клеток, дробление у него происходит неравномерно, как и у нормального зародыша в эти сроки, и образуются микромеры. Стало быть, сроки наступления неравномерного дробления, при котором возникают микромеры, регулируются внутренними часами, отсчитывающими абсолютное время, а не числом фактически предшествовавших ему циклов дробления. Начало хода часов, по-видимому, сцеплено с формированием звезды. У некоторых зародышей часы приводятся в действие при завершении мейоза, у других - при инициации первого деления дробления.

Сопряженность локализации детерминантов с часами дробления можно продемонстрировать в экспериментах с подавлением дробления. Возможность отделения этой локализации и типа дробления от числа циклов дробления создает значительный эволюционный потенциал, потому что если эти параметры ранних стадий развития контролируются разными генами, то в таком случае мутации могут вызвать существенные изменения в соотношениях между этими событиями. Изменения такого типа и в самом деле возникали при эволюционных модификациях в развитии как Spiralia, так и хордовых. Соответствующие примеры рассматриваются далее в этой главе.

На пространственную регуляцию локализованных детерминантов оказывает влияние ориентация звезд или веретен митоза, которые определяют расположение осей зародыша (Связь между ориентацией звезд и веретен в первых делениях и расположением осей зародыша не является общим правилом и не обнаруживается в развитии многих животных.- Прим. ред.). Эта ориентация контролируется генами, как можно прекрасно показать на примере регуляции направления закручивания спирального завитка раковины у брюхоногих. Обычно особи прудовика Limnaea peregra бывают правовращающими, т.е. раковина и сама улитка закручены в правую сторону. Однако время от времени в природных популяциях попадаются левовращающие особи; они представляют собой как бы зеркальное отображение правовращающей формы, т. е. раковина и тело закручены у них в левую сторону. Как показано на рис. 4-9, левосторонняя или правосторонняя симметрия выявляется у улиток в начале дробления и направление спирального дробления устанавливается при втором дроблении по ориентации митотических веретен. Ориентация веретена в делящейся клетке определяет местоположение борозды дробления, а тем самым и границу между бластомерами, образующимися при данном делении. Симметрия у Limnaea, по-видимому, контролируется парой аллелей одного гена, причем этот ген наследуется по типу материнского эффекта. Тип симметрии потомков зависит только от генотипа матери. Аллель правозакрученности (L) доминирует над аллелем левозакрученности (l). Но из яиц, отложенных особью, гомозиготной по аллелю левозакрученности (ll), развиваются левозакрученные улитки, даже если эти яйца были оплодотворены спермой особи, гомозиготной по аллелю правозакрученности (LL). Это происходит потому, что ген, контролирующий тип симметрии, оказывает свое действие во время оогенеза, т. е. тогда, когда в наличии имеется только аллель левозакрученности. Однако фенотипически левозакрученные потомки от этого скрещивания имеют генотип Ll, и из всех отложенных ими яиц разовьются правозакрученные улитки вследствие экспрессии в ооците доминантного аллеля (L).