ИСТИНА

Формирование плана строения в ходе онтогенеза любого организма – результат целого комплекса межклеточных и межтканевых взаимодействий. Эмбриональная индукция - наиболее важный для раннего развития класс таких взаимодействий - была описана в явной форме Шпеманом и Мангольд в 1924 году. В экспериментах 1921 – 1923 гг. они трасплантировали фрагмент дорзальной губы бластопора эмбриона амфибии на вентральную сторону эмбриона – реципиента и обнаружили, что он индуцирует формирование вторичной оси тела, состоящей, в основном, и тканей реципиента (Spemann, Mangold, 1924). Ими было введено в эмбриологию понятие «эмбриональный организатор». В современной биологии развития эмбриональный организатор определяется как «регион, фрагмент которого способен к индукции вторичной оси тела при эктопической трансплантации» (Stewart and Gerhart, 1990). Это регион, индукционная активность которого запускает каскад событий, необходимых для корректного формирования плана строения как целого, а не только для дифференцировки какой-то конкретной ткани или структуры. Между организатором и окружающими его тканями существует сложная сеть реципрокных взаимодействий, обеспечивающих устойчивость развития. Существует большое количество примеров индукционных взаимодействий и активности регионов-организаторов в развитии беспозвоночных животных. Например, у гребневика Mnemopsis ledei развитие гребных пластинок зависит от индукционных взаимодействий между бластомерами 2-х линий (Henry and Martindale, 2001). В эмбриональном развитии некоторых видов морских ежей вегетативные микромеры дифференцируются автономно в клетки скелетогенной мезенхимы, и, кроме того, действуют как организационный центр, индуцирующий формирование архентерона и вторично - мезенхимальных структур (Horstadius, 1939; Ransick, Davidson, 1993; McClay et al., 2000). Очень часто организаторы ассоциированы с регионом бластопора и/или регионом спецификации мезодермы (эндомезодермы) (Lambert, 2008). За последние несколько десятилетий удалось выявить молекулярную основу активности регионов-организаторов. Было показано, что она основана на сходных наборах молекул и сигнальных путей даже у достаточно далеких друг от друга таксонов, таких как позвоночные, головохордовые, иглокожие и полухордовые, а также, возможно, моллюски (Yaguchi et al., 2006; Lowe et al., 2006; Garcia-Fernandez et al., 2007; Lambert, 2008). Это, по-видимому, и обеспечивает неспецифичность / взаимозаменяемость организаторов, выявленную в экспериментах. С биохимической точки зрения, ассоциированный с бластопором организатор представляет собой сложный сигнальный центр, отвечающий за поддержание градиентов молекул, являющихся компонентами сигнальных путей (в основном, BMP и Wnt – путей) (Garcia-Fernandez et al., 2007). Распространенность эмбриональных организаторов среди самых разных таксонов животных, а также их консервативность (как функциональная, так и биохимическая), заставляют задуматься о том, насколько рано в эволюции появились регионы-организаторы, каковы их эволюционно-первичные и эволюционно-консервативные черты, можно ли считать организаторы далеких друг от друга таксонов гомологами. Для того чтобы приблизиться к решению этих проблем, необходимо детально изучить регионы-организаторы низших многоклеточных животных. Идеальными модельными объектами для такого исследования являются низшие многоклеточные животные Cnidaria, обладающие простым и эволюционно примитивным планом строения, удобным для экспериментального изучения. К сожалению, индукционные взаимодействия в развитии низших многоклеточных животных в настоящее время практически не изучены. Исключениями являются работы, посвященные изучению организаторов пресноводного полипа Hydra и морского колониального гидроида Hydractinia echinata (Browne, 1909; Broune et al., 2005; Stumpf et al., 2010). У взрослого полипа гидры организатором является кончик гипостома, а у личинки-планулы Hydractinia – задний конец тела. Объектами нашей работы стали актиния Nematostella vectensis (класс Anthozoa) и морские колониальные гидроиды Dynamena pumila и Laomedea flexuosa (класс Hydrozoa). Было экспериментально показано, что регионом-организатором у Nematostella vectensis является губа бластопора (область бластопора соответствует заднему полюсу планулы и оральному полюсу полипа Nematostella). Пересадка фрагмента губы бластопора от эмбриона-донора в крышу бластоцеля эмбриона-реципиента приводит к формированию у последнего вторичной оси тела (Kraus et al., 2007). Формирование вторичной оси начинается с заживления раны - разреза крыши бластоцеля реципиента, в который вставляется пересаживаемый фрагмент. Края раны погружаются в бластоцель, что напоминает морфогенетические движения губ бластопора в нормальном развитии. Трансплантированный фрагмент погружается в бластоцель вместе с краями раны, но часть фрагмента остается на поверхности эмбриона. Первые морфологические признаки развивающейся вторичной оси появляются через 24-36 часов после трансплантации. Это вторичный рот, формирующийся на месте зажившей раны, и связанная с ним развивающаяся вторичная глотка. Через 48 часов после трансплантации начинает удлиняться вторичное тело полипа. Формирование вторичной системы мезентериев и вторичных щупалец занимает следующие 2-3 суток. Вторичные мезентерии всегда формируются как ответвления (отростки) мезентериев реципиента. Вторичная система мезентериев функциональна - вторичное тело полипа способно сокращаться, в некоторых случаях независимо от первичного. Ни в одном из экспериментов вторичное тело не формировалось целиком из тканей эмбриона-донора. Были также проведены эксперименты по оценке влияния на исход трансплантации возраста донора и реципиента. Эти эксперименты позволяют сделать вывод о том, что индукционный потенциал эмбрионального организатора меняется с изменением возраста эмбриона. Максимальным индукционным потенциалом обладает губа бластопора средней гаструлы. Наиболее восприимчивы к индукционному воздействию эмбрионы на стадиях ранней и средней гаструлы. К стадии поздней гаструлы восприимчивость тканей реципиента снижается, что, по-видимому, связано со снижением возможности переопределения судьбы клеток аборальной области эмбриона в сторону формирования оральных структур. Как уже упоминалось, у одного из представителей Cnidaria, колониального гироида Hydractinia echinata свойствами организатора обладает задний конец личинки – планулы (Stumpf et al, 2010). Возникает вопрос: насколько универсальным является это свойство заднего конца планулы? Беломорский гидроидный полип Dynamena pumila обладает сложной колонией, морфологически сильно отличающейся от колонии Hydractinia. В ходе метаморфоза планулы Dynamena формируется не первичный полип, а первый модуль колонии, состоящий из трех зачатков (двух первичных гидрантов и верхушки роста). Таким образом, у Dynamena отсутствует преемственность между задним концом тела планулы и гипостомом первичного гидранта. Были проведены эксперименты по трансплантации фрагмента заднего конца планулы Dynamena плануле – реципиенту того же возраста. Трансплантации приводили к формированию в ходе метаморфоза вторичного побега, вовлекающего в свое формирование до 50% тканей реципиента. При контрольных трансплантациях формирования вторичных побегов не наблюдалось. Был сделан вывод о том, что задний конец планулы Dynamena обладает свойствами организатора. Были также экспериментально проверены индукционные возможности верхушки роста гидроидной колонии. Верхушка роста – элемент колонии текатных гидроидов, формирующийся на концах ее побегов и столонов. За счет нее осуществляется рост и морфогенез колонии. Для текатных гидроидов периодическая деградация гидрантов является нормальным процессом. Гидранты колониального гидроида Laomedea flexuosa, проявляющие первые признаки начала регресса, изолировали от колонии, отрезая на уровне диафрагмы гидротеки. В деградирующий гидрант, который приобретал шаровидную форму, подсаживали фрагмент верхушки роста побега. В контрольной группе все гидранты приобрели шаровидную форму и спустя 3-4 суток рассыпались на отдельные клетки. В экспериментальной группе, в течение суток с момента имплантации, формировался гидрант, размеры которого соответствовали исходному объему тканей. Гистологическое исследование таких гидрантов не выявили отличий их строения от такового нормальных гидрантов колонии. Вероятно, имплантация фрагмента верхушки роста индуцировала трансдифференцировку клеток деградирующего гидранта. Таким образом, наши эксперименты выявили следующие регионы-организаторы у представителей книдарий: бластопоральная область эмбриона актинии, задний конец личинки-планулы колониального гидроида, верхушка роста гидроидной колонии. Можно сделать вывод об эволюционной древности индукционных взаимодействий, поскольку они широко распространены в онтогенезе книдарий, которые являются низшими многоклеточными животными. Broun M., Gee L., Reinhardt B., Bode H.R. 2005. Formation of the head organizer in hydra involves the canonical Wnt pathway // Development. V. 132. P. 2907-2916. Browne E. N. 1909. The production of new hydranths in hydra by the insertion of small grafts // J. Exp. Zool. V. 8. P. 1-33. Garcia-Fernandez J., D’Aniello S., Escriva H. 2007. Organizing chordates with an organizer // BioEssays. V. 29. P. 619–624. Henry, J. Q., Martindale, M. Q. 2001. Multiple inductive signals are involved in the development of the ctenophore Mnemiopsis leidyi. // Dev. Biol. V. 238 P 40–46 Horstadius, S. 1939. The mechanics of sea urchin development as studied by operative methods. // Biol. Rev. V. 14. P. 132-179. Kraus Y., Fritzenwanker J.H., Genikhovich G., Technau U. 2007. The blastoporal organiser of a sea anemone // Curr. Biol. V. 17. № 20. P. R874-R876 Lambert J.D. 2008. Mesoderm in spiralians: the organizer and the 4d cell // J. Exp. Zool. (Mol. Dev. Evol.). V. 310B. P. 15–23. Lowe C.J., Terasaki M., Wu M., Freeman R.M., Runft L. 2006. Dorsoventral patterning in hemichordates: insights into early chordate evolution // PLoS Biol. V. № 4. e291. McClay D. R., Peterson R. E., Range R. C., Winter-Vann A. M., Ferkowicz M. J. 2000. A micromere induction signal is activated by b-catenin and acts through Notch to initiate specification of secondary mesenchyme cells in the sea urchin embryo // Development. V. 127. P. 5113 – 5122. Ransick A., Davidson E. H. 1993. A complete second gut induced by transplanted micromeres in the sea urchin embryo // Science. V. 259. P. 1134-1138. Spemann H., Mangold H. 1924. Uber Induktion von Embryonalanlagen durch Implantation artfremder Organisatoren // W. Roux’s Arch. Entwicklungsmech. Organ. V. 100. P. 599-638. Stewart R. M., Gerhart J. C. 1990. The anterior extent of dorsal development of the Xenopus embryonic axis depends on the quantity of organizer in the late blastula. // Development. V. 109. P. 363-372. Stumpf M., Will B., Wittig K., Kasper J., Fischer B., Schmich J., Seipp S. and Leitz T. 2010. An organizing region in metamorphosing hydrozoan planula larvae - stimulation of axis formation in both larval and in adult tissue // Int. J. Dev. Biol. V. 54. P. 795 – 802. Yaguchi, Sh., Yaguchi, J., Burke, R. D. 2006 Specification of ectoderm restricts the size of the animal plate and patterns neurogenesis in sea urchin embryos. // Development V. 133. P. 2337-2346.