Гетерогенність яйцеклітини

Зріла яйцеклітина, яку Т.Х. Морган справедливо вважав самої диференційованої клітиною в організмі, являє собою мозаїчну, високогетерогенную систему. Один з процесів, що приводить до гетерогенності яйцеклітини – овоплазматіческая сегрегація.

Нерівномірний розподіл компонентів цитоплазми в яйцеклітині можна виявити вже на стадії дозрівання. Як було показано в п. 7.2, овоплазматіческую сегрегацію супроводжує поляризація яйцеклітини. Зупинимося детальніше на процесах, що призводять до овоплазматіческой сегрегації і ролі останньої в диференціюванні клітин зародка.

Формування сегрегації цитоплазми детально вивчено в созревающем яйці дрозофіли. Неоднорідність цитоплазми яйцеклітини виникає у тому числі внаслідок нерівного становища її полюсів серед клітин материнського організму. До переднього полюса яйцеклітини примикають фолікулярні і живлять клітини, які продукують мРНК для білка bicoid. Ця мРНК транспортується в яйцеклітину, і ще до запліднення встановлюється градієнт її концентрації з максимумом на передньому кінці яйцеклітини, що обумовлює в подальшому розвитку формування головних структур зародка з цієї частини яйця. Майбутній задній полюс сусідить з фолікулярними клітинами, які доставляють в цю область яйця мРНК, зчитану з гена nanos, детерминирующую освіту заднього кінця зародка (рис. 8.26). Таким чином, ще в незаплідненою яйцеклітині дрозофіли формується передньо-задня вісь майбутнього організму. Аналогічно задається і дорсо-вентральна вісь. Речовини, що мають чіткий градієнт розподілу, прийнято називати морфогенное. Слід звернути увагу, що градієнти морфогенное в яйцеклітині дрозофіли створюються завдяки активності в оточуючих яйце фолікулярних і живлять клітинах генів материнського організму. Вони отримали назву – «гени з материнським ефектом».

Слід звернути увагу, що більшість запасених в яйцеклітині мРНК спочатку знаходиться в неактивному стані в комплексі з білком у вигляді інформосом. Такі неактивні мРНК можуть бути розподілені в цитоплазмі досить рівномірно. Створення їх градієнтів здійснюється завдяки їх нерівномірної активації. Механізми активації можуть бути різними. Так, наприклад, встановлено, що фіксація мРНК на цитоплазматичному матриксе яйцеклітини (локалізація мРНК в певних зонах яйця) призводить до їх активації. Показано, що надалі транслюються тільки локалізовані мРНК, а нелокалізованние руйнуються.

Інші механізми виборчої трансляції запасених мРНК спостерігаються на наступних етапах формування овоплазматіческой сегрегації і пов’язані з переміщеннями цитоплазми внаслідок запліднення.

Проникнення сперматозоїда в яйцеклітину в момент запліднення і подальший рух його пронуклеуса призводить до посилення овоплазматіческой сегрегації. У яйці спостерігаються складні переміщення цитоплазми і її функціональна перебудова. В результаті вона стає ще більш неоднорідною. Цей процес добре помітний в тих випадках, коли різні ділянки цитоплазми містять гранули речовин різного забарвлення (жовток, темний пігмент та ін.).

Хорошим прикладом може служити яйце асцидії. Сіра цитоплазма центральній частині яйцеклітини оточена кортикальним шаром, що містить жовті ліпідні включення. На анімальному полюсі розташовується світла цитоплазма з ядерним матеріалом. Відразу після запліднення цитоплазма яйця переміщається, і кортикальний її шар формує жовтий серп, розташований між екватором і вегетативним полюсом (рис. 8.27).

Переміщення цитоплазми внаслідок запліднення добре помітні і в яйцеклітині амфібій. У ній шар темного пігменту меланіну спочатку покриває всі анімальне півкулю. Після проникнення сперматозоїда поверхневий – кортикальний – шар цитоплазми товщиною в кілька мікрометрів повертається приблизно на 30о щодо внутрішньої маси жовтка в напрямку, який залежить від місця проникнення сперматозоїда. В результаті цього у деяких амфібій проти місця проникнення спермія з’являється серповидная слабопигментированние область, названа сірим серпом. У ній пізніше, в ході гаструляції, виникає дорзальная губа бластопора. Внаслідок всіх зазначених переміщень цитоплазми формуються осі зародка. Сторона, де формується сірий серп, стає дорзаль-ної, а протилежна, де спостерігається впровадження сперматозоїда – вентральної. Анімальной-вегетативна вісь відповідає головно-хво-СТОВ осі майбутнього зародка (див. Рис. 7.3).

Переміщення цитоплазми внаслідок проникнення сперми в яйцеклітину – ще один механізм, що призводить до виборчої трансляції запасених в яйцеклітині мРНК. Зокрема, завдяки в тому числі і цьому механізму здійснюється детерминирование Дорс-вентральній осі зародка. У оогенезі у амфібій на вегетативному полюсі яйця запасаються мРНК для білка Xwnt11. Після запліднення і повороту цитоплазми частина цієї мРНК переміщається по стороні, протилежної впровадженню сперматозоїда, в напрямку Анімаль-ного полюса. В області сірого серпа відбувається поліаденілювання молекул мРНК Xwnt11, що призводить до їх активації і подальшої трансляції. У результаті тільки в цій області яйця утворюється відповідний білок – один з основних дорсалізующіх факторів. Решта мРНК для Xwnt11 у вегетативному півкулі, мабуть, залишається репресованої. Виконані дослідження встановили, що саме поворот цитоплазми є механізмом, що запускає трансляцію мРНК Xwnt11 через поліаденілювання.

Аналіз результатів багатьох проведених експериментів дозволив зробити висновок, що в створенні сегрегації цитоплазми яйцеклітини провідна роль належить цитоскелету. Так, транспорт мРНК, що надходять з навколишніх клітин і синтезованих в самій яйцеклітині, до місця їх локалізації в цитоплазмі здійснюється на великі відстані по микротрубочкам, а на малі – по микрофиламентам. Вважають, що місцем локалізації в клітині морфогенетичних детермінант може бути кортикальний шар або цитоскелет клітини. Припускають також, що і переміщення цитоплазми яйця, спостережувані після запліднення, визначаються цитоскелетом. Зокрема, у цьому процесі можливе значне участь центриоли сперматозоїда і відходять від неї мікротрубочок. За допомогою порушує збірку мікротрубочок колхіцину вдається придушити транспорт і активацію мРНК, переміщення цитоплазми і ооплазматічеськая сегрегацію в цілому.

У ході дроблення різні ділянки цитоплазми зиготи, що містять специфічний набір речовин, потрапляють у різні бластомери. Експериментами з мікроін’єкціями колоїдних частинок золота показано, що при дробленні цитоплазма яйцеклітини розподіляється між бла-Стомера, що не перемішуючись. Відмінності в характері цитоплазми можуть служити регулятором зчитування інформації з різних генів у різних бластомерах і тим самим впливати на хід їх диференціювання. Показано, що цитоплазматические фактори білкової природи проникають в ядро ​​бластомера і шляхом виборчої активації або інактивації конкретних генів визначають характер зчитує інформацію. Вважають, що таким способом морфогенетические детермінанти, що містяться в окремих ділянках цитоплазми, жорстко, часом необоротно контролюють зумовленість (детермінованість) даного бластомера до утворення клітин певного типу.

Таке жорстке визначення долі бластомерів спостерігається у оболочечніков, до яких відносяться і асцидії. Неодноразово експериментально доведено, що у цих тварин кожен бластомер відповідальний за утворення специфічного набору тканин личинки, при цьому кожна клітина диференціюється автономно, незалежно від оточуючих її клітин. Тунг і інші дослідники пересаджували в цитоплазму бластомера, позбавленого генетичного матеріалу, ядро ​​з іншого бла-Стомера. Показано, що подальший розвиток клітини-реципієнта йде шляхом того бластомера, чия цитоплазма йому дісталася. Виявлено також, що видалення у оболочечніков будь-яких бластомерів призводить до відсутності у личинки якраз тих структур, які в нормі з них формуються, а ізоляція певних груп клітин зародка приводить до формування з них характерних структур поза зв’язком з іншими клітинами. Так, в серії експериментів на 8-клітинному зародку обол-чечніков показана здатність тільки однієї пари бластомерів, що містять фермент ацетилхолінестеразою, давати початок м’язової тканини.

У асцидій після запліднення по-різному забарвлені області цитоплазми яйця розподіляються за різними бластомер, детерминируя їх подальшу долю. Клітини бластули, що успадкували цитоплазму жовтого серпа, дають початок м’язових клітин, цитоплазму сірого екваторіального серпа – утворюють хорду і нервову трубку, анімальную цитоплазму – стають епідермісом личинки, що містять жовток вегетативної області – формують в ході розвитку кишку (див. Рис. 8.27).

Жорстка детермінація долі бластомерів, обумовлена ​​складом речовин потрапив туди ділянки цитоплазми яйця, виявлена ​​і в ряду інших тварин, наприклад гребневіков, круглих і кільчастих хробаків, молюсків. Тип розвитку цих тварин, диференціювання клітин яких визначається дуже рано в розвитку завдяки насамперед ово-плазматичної сегрегації, названий мозаїчним.

Крім овоплазматіческой сегрегації у визначенні долі бла-Стомера на самих ранніх етапах розвитку може брати участь й інший системний механізм – міжклітинні взаємодії. У цьому випадку розвиток бластомерів більшою мірою залежить від їх взаємодій з сусідніми клітинами, міжклітинним матриксом, які визначаються положенням цих бластомерів в зародку. Подібний тип розвитку, що спостерігається у голкошкірих і хребетних, названий регуляційних.

Слід, однак, мати на увазі, що в розвитку і музичних, і регуляційних зародків беруть участь обидва механізму, однак ступінь їх впливу значно різниться, і основну роль грає один з них. Так, локалізація специфічних білків або м-РНК в певних областях зиготи не обмежена мозаїчними зародками. Виявлено, що анімальних і вегетативні області яєць амфібій, що мають регуляційної тип розвитку, містять унікальні мРНК. Крім того, в цитоплазмі вентральній області зиготи жаби була виявлена ​​так звана статева детермінанта. Клітини, які отримують при дроблення

нии цитоплазму з даною речовиною, стають попередниками статевих клітин, і їх нащадки дають початок гаметам. Показано, що у зародків ряду інших тварин, ранній розвиток яких є в основному регуляційних і визначається міжклітинними взаємодіями, виявляються подібні статеві детермінанти. Містять їх бластомери в ході подальшого розвитку дають початок попередникам гамет і мігрують у закладку гонад.

Крім овоплазматіческой сегрегації, гетерогенність яйцеклітини визначається також неоднорідністю організації її Плазмаліт-ми. Так, для овуліровавшіх яйцеклітин ссавців характерна своєрідна організація цитоскелету, що в свою чергу призводить до мозаїчної організації плазматичної мембрани. Основна частина мембрани яйцеклітини утворює мікроворсинки, і лише приблизно від однієї десятої до однієї п’ятої загальної поверхні яйцеклітини миші представлено районом, в якому немає мікроворсинок. Під плазма-лемою в цій області яйцеклітини розташовується густа мережа мікро-филаментов, а глибше знаходиться мейотіческое веретено метафази II. У інших ссавців район, який не має мікроворсинок, також відповідає тій області цитоплазми, де розташовується мейотіческое веретено.

При заплідненні спермий контактує з мембраною яйцеклітини в будь-якому місці, багатому микроворсинками. Після цього микроворсинки зникають, генетичний матеріал спермия потрапляє в цитоплазму яйцеклітини, а частина мембрани спермия вбудовується в місці його проникнення в мембрану яйцеклітини. В результаті виникає різнорідність плазматичноїмембрани, яка відбивається на декількох діленнях дроблення. Перші два бластомери мають однаковий розмір, але не цілком однакові характеристики. Під час інтерфази синтез рибосомальної РНК в ядерцях цих бластомерів відбувається в різний час, тривалість фази реплікації ДНК у них також неоднакова. Один з бластомерів містить в плазмалемме антигени, а в цитоплазмі – структурні компоненти хвоста спермія. Передбачається, що саме цей бластомер вступає у друге розподіл дроблення на 20-60 хв раніше іншого. Мембранні антигени спермия зберігаються в плазмалеммой у нащадків цього бластомера ще протягом кількох поділів. Встановлено, що нащадки саме цього бластомера, який на 2-клітинної стадії ділиться першим, з більшою ймовірністю дадуть початок розвитку внутрішньої клітинної маси бластоцисти, тоді як нащадки запізнілого при діленні бластомера з більшою ймовірністю стануть джерелом для формування внезародишевих частин ембріона.

Таким чином, гетерогенність яйцеклітини не тільки визначає подальшу диференціювання клітин зародка, а й забезпечує розвиток зародка як єдиної системи.

Посилання на основну публікацію