Морфогенез одноклеточных

Организмами, которые внесли наибольший вклад в доказательство того, что пространственную организацию единичных клеток обусловливают по существу такие же градиенты и поля, как и те, которые имеют место у многоклеточных, оказались зеленые морские водоросли, имеющие общее название Siphonales, и реснитчатые простейшие. В пользу универсалистской точки зрения, которую мы сейчас стремимся выработать, говорит то, что различия между растениями и животными в этой ситуации стираются, как это уже имело место при сопоставлении гидроидов и Acrasinae в плане морфогенеза многоклеточных и при рассмотрении биологических часов в предыдущей главе. Водорослью, которая дает наилучшее представление о типе моделей, необходимых для понимания пространственной упорядоченности в единичных клетках, опять оказалась Acetabularia. И точно так же, как этот организм привел нас к механизмам, контролируемым мембраной как к вероятным кандидатам на роль генераторов биологических часов, он теперь обращает наше внимание на мембрану как структуру, ответственную за начальную генерацию формы. Таким образом, измерение времени и пространства оказывается тесно связанным со свойствами биологических поверхностей.

Acetabularia является идеальным объектом для изучения морфогенетических механизмов из-за ее больших размеров, способности к регенерации и легкости, с которой можно удалить ядро или пересадить его от одного вида с характерной морфологией другому. Кроме того, четкая дифференциация клетки на шляпку, стебелек и ризоид может использоваться для исследования определяющих морфогенетических факторов (см. рис. 5.3). Самой первой работой, которая сделала Acetabularia крайне важным в экспериментальном отношении объектом, была работа Геммерлинга (Hammerling, 1934; 1963). Он показал, что не только стебелек регенерирует шляпку после ампутации, но что регенерация происходит и после того, как отрезан ризоид, содержащий ядро. Регенерация может происходить даже спустя много недель после удаления ядра, причем время регенерации контролируется светом (в темноте никакой регенерации не происходит). Удаление ядра из очень молодых растений провоцирует преждевременное образование шляпки; поэтому очевидно, что информация, необходимая для морфогенеза, присутствует уже на ранних стадиях роста, даже если она не проявляется в целом растении до тех пор, пока оно не достигнет определенных размеров (2—3 см). Такие данные указывают на то, что ядро не связано с морфогенезом непосредственно, точно так же как оно не является обязательным для функционирования биологических часов. Однако Геммерлинг обнаружил, что пересаживание стебельков и ризоидов разных видов, имеющих отчетливо различающиеся типы структур шляпки, может привести к конфликту между двумя типами морфогенетической информации. Если, например, стебелек Acetabularia mediterranea, у которой удалены шляпка и ризоид, пересажен на ризоид А. сгеnulata, то регенерируется шляпка A. mediterranea. Однако если эту шляпку опять удалить и дать возможность вырасти второй, то она начнет приобретать морфологические особенности, соответствующие привитому ядру, A. crenulata. Если и эту вторую шляпку ампутировать, то следующая будет совершенно точно соответствовать типу ядра. Этот эксперимент является морфогенетическим аналогом эксперимента с часами, в котором объединяются стебелек с находящимся в противофазе ризоидом и его ядром, в результате чего после нескольких циклов начинает доминировать фаза ядра. Такие факты говорят нам, что хотя цитоплазматические механизмы, как создающие морфогенетическую карту (градиентную систему), так и обеспечивающие работу часов, могут функционировать независимо от ядра, они все же чувствительны к ядерным воздействиям. Очевидно, что организуют события в пространстве или во времени именно цитоплазма и ее органеллы.

(см. скан)

Рис. 5.3. Фотография Acetabularia mediterranea, на которой видны сформировавшаяся шляпка, стебелек и ризоид, который содержит ядро.

Обширные исследования некоторых биохимических аспектов морфогенеза Acetabularia, проведенные Браше и его коллегами (см. Brachet, 1964; Brachet, Bonnotto, 1970), показали, что вещество, необходимое для формирования апикальной шляпки, чувствительно к ультрафиолетовому облучению и рибонуклеазе и что его появление может быть ингибировано актиномицином D. Эти данные убедительно указывают на участие в морфогенетическом процессе РНК, как и ожидалось. Кроме того, авторы также установили, что верхушка является главным центром синтеза цитоплазматических белков и что полирибосомы чаще всего встречаются именно в этой области, хотя синтез белков идет во всей цитоплазме и продолжается даже в тех частях растения, которые не регенерируют шляпки. Проблема пространственной организации эпигенетических процессов усложняется еще и тем, что существует активное движение протоплазмы, или циклоз, которое эффективно перемешивает содержимое цитоплазмы во всем растении от верхушки до основания, и все же распределение морфогенетической информации образует устойчивый градиент. Этот градиент сохраняется даже при центрифугировании растения, в ходе которого цитоплазма временно перераспределяется, и при осторожном удалении цитоплазмы из стебелькового сегмента и ее замене той же самой или другой цитоплазмой (Сандахчиев и др., 1972). Очевидно, градиент локализован на структурах, которые не нарушаются при этих обработках, например на мембранах или кортексе, примыкающем к полисахаридной клеточной стенке, и именно инфузории дают нам дальнейшие доказательства роли клеточной поверхности в морфогенезе.

Некоторые относительно крупные инфузории, такие, как Stentor, Tetrahymena, Paramecium, Euplotes, Blepharisma, Spiro-stotnum, были изучены достаточно детально, когда ученые пытались выяснить особенности механизмов, управляющих регенерацией и морфогенезом неклеточных систем. Их пространственная структура бывает очень сложной и включает ротовые структуры, внутренние органеллы и кортикальные структуры, такие, как реснички, флагеллы, трихоцисты и т. д., образующие весьма характерный узор. Небольшие фрагменты организма способны к восстановлению целого, и в то же вермя существуют особые области, которые оказывают доминирующее организующее влияние на остальную клетку, вызывая согласованную пространственную упорядоченность даже после серьезного хирургического вмешательства. Эти области названы «организационными зонами» (Jerka-Dziadosz, 1964). Нарушая хирургическим путем ориентации и связи между участками кортекса реснитчатых и изучая устойчивость наследуемых аномальных структур кортекса, некоторым исследователям, работающим в этой области

(Sonneborn, 1963; Tartar, 1967; Nanney, 1968), удалось построить интересную картину, показывающую значение кортекса в морфогенезе и его связь с информацией, содержащейся в ядре. Сравнительно недавно опубликованный обзор Френкеля (Frankel, 1974) и подробный анализ морфогенетических механизмов в Chilodonella cucullulus, выполненный Качановской (Kaczanowska, 1974), убедительно указывают на то, что принципы пространственной организации у реснитчатых по существу идентичны принципам организации многоклеточных и что основные механизмы действуют в кортексе.

Это положение не ново, оно было высказано и четко сформулировано Дришем еще в 1908 г. и позднее Стумпфом (Stumpf, 1968). Френкель показывает, как постулат о градиентах, исходящих из ротовых зачатков, которые являются организующими центрами, объясняет данные о нарушениях ресничных и околоротовых структур в результате трансплантации и вырезания участков, а также результаты экспериментов, связанных с выяснением влияния ядра на эти структуры. И опять оказывается, что центром, ответственным за пространственную организацию, чувствительным к специфической ядерной информации, но действующим независимо от нее, является цитоплазма и, в частности, ее поверхностная структура, связанная с кортексом. Посмотрим теперь, можно ли объяснить такое поведение, опираясь на простыё общие свойства биологических поверхностей, с тем чтобы выяснить возможность создания универсального фундамента, лежащего в основе первичных событий морфогенеза как у одноклеточных организмов, так и у многоклеточных.