Развитие одноклеточных эукариот

Все многоклеточные эукариотические организмы произошли в процессе эволюции от одноклеточных простейших. У этих простейших впервые появились основные особенности, присущие развитию эукариот.

Ацетабулярия. Это гигантская одиночная клетка (2-5 см), состоит из 3х частей- шляпки, стебелька и ризоида. Если пересадить ядро одного вида в энуклеированный ризоид другого, шляпка которого сильно отличалась по форме, то можно обнаружить, что образовывалась новая шляпка, соответствующая виду донора ядра (несколько недель). Можно сделать вывод, что во врмяэтого процесса происходит ядерный контроль клеточного морфогенеза и взаимодействие между ядром и цитоплазмой.

Naegleria gruberi. Одним из наиболее замечательных случаев «дифференцировки» у простейших - имеет строение то амебы, то жгутиконосца. На протяжении большей части своего жизненного цикла N. представляет собой типичную амебу, питающуюся почвенными бактериями и размножающуюся путем простого деления. Однако, когда суспензия бактерий оказывается разбавленной (будь то дождевой водой или водой, добавленной экспериментатором), каждая особь N. быстро приобретает обтекаемую форму, и на переднем конце ее развиваются два длинных жгутика (в течение 1 часа, тубулиновые микротрубочки). Таким образом, вместо того чтобы иметь в одном организме несколько дифференцированных клеточных типов, одна эта клетка обладает разными клеточными структурами и биохимическими особенностями в разные периоды своей жизни.

Половое размножение—это еще одно изобретение простейших, которое оказало глубокое воздействие на более сложные организмы.

Необходимо отметить, что половой процесс и размножение—два различных явления, которые могут существовать отдельно друг от друга. Размножение—это возникновение новых особей, половой процесс - создание новых комбинаций генов, происходящих от двух разных особей. Размножение при отсутствии полового процесса свойственно тем организмам, которые размножаются простым делением; когда происходит деление амебы или отпочковывание новых особей гидры, при этом никакого перераспределения генов не наблюдается.

У одноклеточных организмов нередко встречается также половой процесс без размножения. Бактерии могут передавать гены от одной особи другой с помощью особых половых ворсинок, называемых половыми пилями, или фимбриями. Эта передача осуществляется независимо от размножения.

Простейшие также способны перераспределять гены независимо от размножения. Так, например, у парамеций размножение происходит путем простого деления надвое, а половой процесс— путем конъюгации. Две парамеции соединяются своими ротовыми аппаратами, и между ними возникает цитоплазматический мостик. У обеих парамеций макронуклеус (осуществляющий регуляцию метаболических процессов) разрушается, тогда как микронуклеус подвергается мейозу, за которым следует митоз; возникает восемь гаплоидных микронуклеусов, из которых все, за исключением одного, разрушаются. Оставшийся микронуклеус делится снова и образует два микронуклеуса — стационарный и мигрирующий. Каждый мигрирующий микронуклеус перемещается по цитоплазматическому мостику в соседний конъюгант и сливается с его стационарным микронуклеусом («оплодотворяет» его), благодаря чему в обеих клетках возникает новое диплоидное ядро. Когда конъюгируюшие партнеры расходятся, это диплоидное ядро делится, давая начало новому микронуклеусу и новому макронуклеусу. При этом парамеции не размножаются, происходит только половой процесс.

У одноклеточных эукариот наблюдается и объединение этих двух независимых явлений, полового процесса и размножения; в этом случае говорят о половом размножении. На рис. 1.14 (Гилберт) представлен жизненный цикл хламидомонады (Сlатуdотопаs). Этот организм обычно существует в виде гаплоидной формы подобно гаметам млекопитающих, т.е. каждая хромосома у хламидомонады имеется в единственном числе. Однако особи каждого вида по поведению при спаривании подразделяются на две группы — плюс и минус. Когда особи разных групп встречаются, происходит объединение их цитоплазмы и слияние ядер с образованием диплоидной зиготы. Эта зигота является единственной диплоидной клеткой в жизненном цикле хламидомонады; осуществляя в конечном счете мейоз, она образует четыре новые клетки. Здесь мы имеем дело с половым размножением, поскольку в процессе мейоза происходит перераспределение хромосом, и вместе с тем возникает большее число особей. Обратите внимание, что при таком типе полового размножения простейших гаметы морфологически идентичны — различия между спермием и яйцом еще не возникло.

Колониальные эукариоты: эволюция дифференцировки

Одним из наиболее важных экспериментов эволюции было создание многоклеточных организмов. Возникновение многоклеточности шло, по-видимому, несколькими путями; здесь мы рассмотрим только один из них. Этот путь заключается в упорядоченных делениях репродуктивной клетки и последующей дифференцировке новообразованных клеток. Этот путь возникновения многоклеточности можно проследить на замечательной серии организмов, относящихся к порядку Volvocales.

Наиболее просто устроенные организмы среди Volvocales представляют собой совокупность нескольких клеток, по строению напоминающих хламидомонад У рода Gonium в результате деления одной клетки образуется плоская пластинка, состоящая из 4—16 клеток, каждая из которых имеет собственный жгутик; все жгутики находятся на одной и той же стороне пластинки. У близкого рода Pleudorina 16 клеток образуют шар, а у Еиdorina подобный шар содержит 32 или 64 клетки, расположенные строго закономерно. Следовательно, у этих организмов выработалась очень важная особенность развития: упорядоченное деление одной клетки дает начало многим клеткам, расположение которых предсказуемо. Эта особенность развития является предвестником процесса дробления яйца у более высокоорганизованных животных.

Для следующих двух родов порядка V. характерна другая важная особенность развития— дифференцировка клеток разных типов в пределах одного организма, причем репродуктивные клетки дифференцируются из соматических. У Еиdoriпа, например, каждая клетка способна образовать путем митоза (и в норме образует) полноценный новый организм. Однако у представителей родов Pleudorina и Volvox лишь относительно небольшое число клеток обладает такой способностью. Однако у более сложно организованных представителей этого рода, как, например, у V.саrteri, имеется полное разделение функций. Репродуктивные клетки, из которых позднее возникает новая генерация, обособляются во время деления клеток, формирующих новый организм. У репродуктивных клеток никогда не образуются функциональные жгутики и они не участвуют в движении или других соматических функциях индивидуума; они полностью специализированы для размножения.

Таким образом, если более примитивных вольвоксовых можно рассматривать как колониальные организмы (поскольку каждая клетка в них способна к независимому существованию и воспроизведению вида), то в случае V. саrteri мы имеем истинный многоклеточный организм с двумя четко обособленными и независимыми типами клеток (соматическими и репродуктивными), которые необходимы для того, чтобы поддерживать существование Половые клетки у него формируются под воздействием высоких температур. Эти условия приводят к синтезу и секреции соматическими клетками белка, являющегося индуктором полового процесса. Возникшие в результате оплодотворения зиготы могут долго оставаться в анабиотическом состоянии, переживая длительный период высыхания. Так вольвокс нашел способ существовать во временных водоемах, образуемых весенними дождями и пересыхающих в жаркую погоду летом.

Эукариоты: генетические механизмы кодирования биологической сложности

Характерная особенность генома эукариоиот – исключительно низкая плотность белок-кодирующих последовательностей. Если у покариот такие последовательности занимают до 95% геномной ДНК, то у эукариот – 5%. Очевидно, что при репликации в результате неправильного спаривания комплементарных нитей ДНК возможны делеции и дупликации. Решением проблемы неправильного спаривания было появление хроматина, обеспечившего несколько уровней укладки ДНК. По мере репликации ДНК с ней связываются белки хроматина. С появлением хроматина стала возможна упорядоченная сегрегация хромосом при клеточных делениях, что создало предпосылки для появления сегментированных геномов и диплоидности. Диплоидность отодвинула границу мутационной катастрофы ошибок, что привело к увеличению генома эукариот на несколько порядков. Кроме того, диплоидность обеспечила возникновение кроссинговера – блочной перетасовки фрагментов гомологичных хромосом. Все это вызвало устойчивость геномов эукариот к повторам и привела к появлению принципиально новых свойств ДНК и кодирования генетической информации.

Долгое время некодирующую ДНК эукариот рассматривали как нефункциональную, т.к. доля белок-кодирующей ДНК в них очень мала. Однако постепенно стала формироваться иная точка зрения, говорящая о том, что кроме триплетного кода и трансляционной машины, в клетки имеются другие коды и средства их чтения (концепция Э. Трифонова, 1997). Такие как

• коды регуляции транскрипции (огромное разнообразие вариантов транскрипции генов – во множестве разных тканей, на разных этапах развития многоклеточного организма, при различных функциональных состояниях. Для этого существует сложная структура регуляторных районов генов эукариот, набор транскрипционных факторов в ядре, различные начала старта транскрипции Взаимодействие регуляторных районов генов с регуляторными белками, связывание ТФ).

• коды формирования нуклеосом и хроматина (нуклеосомы формируются в определенных участках геномной ДНК и их расположение в геномах неслучайно, элементами кода хромосомной упаковки ДНК являются короткие олигонуклеотиды, распределенные определенным образом вдоль нуклеосомного сайта и определяющие конформационные свойства ДНК, кроме того, хроматин является важнейшим фактором регуляции транскрипции, от его укладки зависит доступность генов для транскрипции, существуют специальные механизмы перестройки (ремоделирования) хроматина в зависимости от дифференцировки и функционального состояния клетки).

• коды блочной организации кодирующих районов генов эукариот (экзон-интронная структура, альтернативный сплайсинг – один ген дает множество вариантов мРНК, и как следствие – вариантов белков, эти механизмы позволяют наращивать сложность генетических программ регуляции экспрессии генов без увеличения размеров геномов, интроны не являются генетически инертной ДНК, т.к. содержат большое число регуляторных элементов (сайты связывания ТФ, энхансеры и т.д.), блочная эволюция – образование новых белков за счет перекомбинаторики существующих, наибольшее совершенство – гены иммуноглобулинов).

• коды модуляции функций геномов (один из элементов – тандемные повторы, их модулирующее влияние проявляется при изменении числа копий в кластерах, диспергированные повторы, МГЭ – способоствуют адаптационной пластичности эукариот, увеличивая мутабильность конкретных локусов в определенные периоды времени).

• коды функционирования: генные сети (ГС – группа координированно функционирующих генов, контролирующих формирование определенного фенотипического признака организма (4 основные класса ГС – гомеостаза, циклических процессов, стрессового ответа и морфогенеза). Один и тот же ген может входить в состав нескольких ГС, могут быть разные режимы функционирования – стационарный или циклический. Особый класс ГС – интеграторы, включает те или иные локальные ГС в зависимости от состояния или стадии развития. Сложность ГС увеличивалась в ходе эволюции – 1) возникновении ГС клеточной дифференцировки (примитивные многоклеточные – билатеральные животные), 2) ГС эмбриогенеза с детерминацией бластомеров сразу после оплодотворения (личинки примитивных первично- и вторичноротых), 3) интеграция ГС пролиферации и дифференцировки (организация клеток в ткани и органы), 4) ГС-интеграторы морфогенеза (Hox-гены). Т.о. каждый из этих ароморфозов сопровождался поялением нового иерархического уровня организации ГС онтогенеза. Кроме того, темпы морфологической эволюции постоянно возрастали, вероятно, вследствие мощнейшего роста возможностей комбинаторики ГС и появления многих новых иерархических уровней ГС.

Видимо, поэтому корреляция между числом генов и морфологической сложностью у многоклеточных эукариот не соблюдается, т.к. имеющегося разнообразия ГС вполне достаточно для выполнения генетических программ, контролирующих сколь угодно сложные фенотипические признаки организмов.

Таким образом, сложность организации достигает нового уровня, который, как мы увидим, чрезвычайно важен для развивающегося организма.

ТЕМА № 2

ДРОБЛЕНИЕ

С.Гилберт. Биология развития.Т.1. Гл. 2, 3.

Строение гамет (спермия, яйцеклетки). Виды яйцеклеток. Ооплазматическая сегрегация. Дробление. Определение и биологическое значение дробления. Бластула, бластомеры, бластоцель. Основные типы дробления у разных групп организмов (асцидии, иглокожие, амфибии, моллюски, птицы, насекомые, млекопитающие). Особенности дробления у млекопитающих.

Строение гамет

В оплодотворении участвуют два типа клеток - спермий и яйцо, которые специализированы для осуществления оплодотворения.

Сперматозоид

К аждый спермий содержит гаплоидное ядро, двигательную систему, обеспечивающую перемещение ядра, и акросомный пузырек, заполненный ферментами, необходимыми для проникновения ядра в яйцо. Большая часть цитоплазмы спермия элиминируется при его созревании, и сохраняются только некоторые органеллы, видоизмененные для выполнения спермием своей функции. В период созревания спермия его гаплоидное ядро приобретает обтекаемую форму, а ДНК сильно уплотняется. Впереди от такого конденсированного плоидного ядра лежит акросомный пузырек, произошедший от аппарата Гольджи и содержащий ферменты, которые переваривают белки и полисахариды. Запас ферментов в акросомном пузырьке служит для проникновения спермия через наружные покровы яйца. Энергия для биения жгутика, благодаря которому осуществляется продвижение спермия, исходит от кольца митохондрий, расположенных в области шейки спермия.

Морфология зрелых сперматозоидов может сильно различаться. У некоторых животных они лишены жгутика (некоторые беспозвоночных, например круглых червей, высших раков, моллюсков). Тем не менее они могут двигаться при помощи ламеллоподий, содержащих микротрубочки. У других животных, обладающих жгутиковыми сперматозоидами, микротрубочки в головке сперматозоида в ходе спермиогенеза элиминируются и образуется хвост.

У млекопитающих сперматогенез протекает непрерывно в течение всего периода половозрелости. Значительная часть созревающих сперматозоидов обнаруживает аномалии и гибнет. Основные виды аномалий — большее число жгутиков и отклонение от нормального содержания ДНК в ядре. Первое — следствие неограниченного размножения центриолей; второе — результат неправильного расхождения хромосом в мейозе.

Яйцеклетка

Все материалы, необходимые для начальных стадий роста и развития зародыша, должны быть запасены в зрелом яйце. Поэтому, если спермий избавляется от большей части своей цитоплазмы, то развивающееся яйцо не только сохраняет содержащиеся в нем запасные материалы, но и активно увеличивает их количество. Оно либо само синтезирует, либо поглощает белки желтка, который служит источником питания развивающегося зародыша. Даже яйца с относительно небольшим содержанием желтка имеют значительные размеры. Объем яйца морского ежа превосходит объем спермия более чем в 10000 раз.

Итак, цитоплазма яйца представляет собой огромную кладовую запасов, накопленных в период вителлогенеза. Что же запасает яйцеклетка.

1. Белки. Пройдет еще много времени, прежде чем зародыш окажется способным самостоятельно питаться или получать пищу от матери. Клетки зародыша на ранних стадиях нуждаются в запасенных заранее источниках энергии и аминокислот. У многих видов такими источниками являются накопленные яйцом белки желтка. Многие из желточных белков синтезируются в других органах (печени, жировом теле) и транспортируются к яйцу.

2. Рибосомы и тРНК. Как мы увидим ниже, вскоре после оплодотворения в яйце резко увеличивается синтез белка. Этот синтез осуществляется при участии рибосом и тРНК, которые уже имеются в яйце. Развивающееся яйцо (ооцит) обладает специальным механизмом синтеза рибосом, и в ооцитах некоторых амфибий в течение профазы мейоза образуется до 10¹² рибосом.

3. Матричная РНК. У большинства организмов информация для осуществления белкового синтеза, происходящего в раннем развитии, заключена уже в ооците. Полагают, что яйца морского ежа содержат 25—50 тыс. различных типов мРНК. Однако эти мРНК до оплодотворения остаются в неактивном состоянии.

4. Морфогенетические факторы. Эти молекулы, направляющие дифференцировку клеток для образования различных тканей и органов, по-видимому, рассеяны по всему яйцу и распределяются между разными клетками при дроблении.

Яйцеклетки различных видов животных сильно различаются по форме и строению. У большинства видов Я. имеет округлую или овальную форму, реже – удлиненную (у насекомых). Иногда, например, у губок, Я. не имеет определенной формы и способна к амебоидным движениям. Размеры Я. варьируют в зависимости от количества желтка в цитоплазме. Самые большие Я. у птиц – у страуса, они достигают 15 см и весят 1,5 кг. Величина Я. не зависит от размеров тела животного, она обычно связано обратной зависимостью с плодовитостью – животные, охраняющие потомство (птицы), откладывают несколько крупных яиц, у рыб, не проявляющих заботы о потомстве, число Я. достигает нескольких миллионов. Такой корреляции нет у животных, имеющих плаценту – они производят одновременно несколько мелких зародышей.

Виды яйцеклеток

Изолецитальные- содержат одиночные желточные включения (иглокожие, моллюски, черви, млекопитающие).

Мезолецитальные – содержат среднее количество желтка (амфибии).

Полилецитальные – содержат большое количество желтка. Делятся на

- телолецитальные - желток находится на одном из полюсов (рыбы, птицы) и

- центролецитальные – желток сосредоточен в центре (насекомые).

Строение яйцеклетки морского ежа

Ц итоплазма яйца окружена плазматической мембраной. Во время оплодотворения она регулирует поступление в яйцо некоторых ионов (главным образом Ка⁺) и способна сливаться с плазматической мембраной спермия. К плазматической мембране снаружи примыкает желточная оболочка. Образованная гликопротеинами, эта оболочка играет важную роль в обеспечении видовой специфичности прикрепления спермия. У млекопитающих желточная оболочка очень толстая и носит название прозрачной оболочки (zona pellucida). Яйцо млекопитающих окружено также слоем клеток лучистого венца (согоna radiata). Это фолликулярные клетки, которые доставляли пищу яйцу вплоть до его овуляции. Слой цитоплазмы, располагающийся непосредственно под плазматической мембраной яйца морского ежа, называется кортикальным слоем или кортексом. Цитоплазма этого слоя имеет более упорядоченное строение, чем цитоплазма более глубоких слоев, и в ней содержатся высокие концентрации глобулярных молекул актина. При оплодотворении молекулы актина полимеризуются, образуя длинные тяжи, известные под названием микрофиламентов. Микрофиламенты необходимы для осуществления клеточного деления; кроме того, они участвуют в образовании выростов, увеличивающих клеточную поверхность, — микроворсинок, которые способствуют проникновению спермия в клетку. В кортексе заключены кортикальные гранулы Они содержат протеолитические ферменты и формируются аппаратом Гольджи. Ферменты и мукополисахариды, содержащиеся в гранулах, участвуют в защите яйца от проникновения сверхчисленных спермиев после того, как первый спермий придет в контакт с ним; один из белков окружает зародыш на ранних стадиях развития и объединяет бластомеры в период дробления.