Из чего развивается нервный гребень
Для того чтобы выяснить, какие генетические изменения привели к включению программы образования нервного гребня или черепа, лучше всего было сравнить ланцетника с относительно простым позвоночным животным. (Нам совершенно не нужны генетические изменения, которые привели, например, к образованию конечностей в ходе эволюции позвоночных; это лишь усложняло бы картину.) Первыми позвоночными животными были бесчелюстные (Agnatha). Эта архаичная группа животных давно вымерла за исключением двух групп: миног и миксин.
Так как у этих животных нет челюстей, то они достаточно привередливы в выборе пищи. Ранние бесчелюстные фильтровали планктон, но у современных миног сформировались весьма отталкивающие пищевые привычки. Миноги – паразитические кровососущие животные: они вцепляются в жертву своими круглыми ртами, усаженными острыми зубами. Кузины миног, миксины, тоже достаточно мерзкие твари: от зубов охотящихся за ними хищников они ускользают, выделяя огромное количество вязкой слизи из расположенных на боках тела желез, а на своих жертв – рыб нападают ночью, прогрызают в их теле дырку и, проникнув внутрь, поедают сначала внутренности, а потом и мышцы.
Филогенетическое древо (самые ранние предки в нижней части рисунка) позвоночных, их ближайших сородичей бесчелюстных (включая миног) и более отдаленных родственников – ланцетников
Пусть современные бесчелюстные обладают весьма отвратительными чертами, но они тем не менее позвоночные, а значит, у них есть череп. Во всяком случае, у взрослых особей; у личинки миноги черепа нет, и вообще эта личинка очень похожа на ланцетника. Так, у личинок миноги есть (так же, как и у ланцетника) жаберные щели, полая нервная трубка, тянущаяся вдоль спины, и хвост, расположенный позади заднего прохода – то есть имеют место все признаки хордового животного. Однако после превращения личинки во взрослую особь у миноги развивается внутренний хрящевой скелет, включая и позвонки, а также мозговой череп – признаки позвоночного животного.
Так же как анатомические структуры не появляются ниоткуда, не появляются ниоткуда и новые гены. Они должны откуда-то браться, и новые гены обычно появляются за счет удвоения (дупликации) уже существующих, благодаря ошибкам в ходе репликации ДНК. При анализе генома становится ясно, что крупные участки ДНК удвоились по ходу эволюционного развития позвоночных от предковых форм. Так, например, у млекопитающих в ДНК имеют место четыре кластера гомеозисных генов, отвечающих за формирование органов и тканей (гены кластера Hox), а у ланцетников такой кластер только один. Ланцетник – живой реликт древних предков позвоночных, – и ему хватает для органогенеза одного набора гомеозисных генов. Развитие началось после того, как эти кластеры удвоились.
При появлении в геноме дубликата каких-то генов могут произойти несколько вещей. Иногда одна копия оказывается просто лишней, дегенерирует, а иногда и просто исчезает. Но существует и другая, более интересная возможность: один ген продолжает выполнять свою старую функцию, а дубликат может начать делать что-то новенькое. Правда, гены могут выполнять больше одной функции; например, они могут включаться в разные периоды развития организма и каждый раз меняют свою функцию. Поэтому третья возможная судьба – это образование двух вариантов одного гена, которые тем не менее начинают исполнять разные функции, превращаясь таким образом в разные и независимые друг от друга гены. Оба они становятся необходимыми, и ни один из них не дегенерирует – они просто развиваются в разных направлениях, беря на себя новые функции.
Миллионы лет назад несколько активных удвоенных генов, взвалив на себя дополнительную роль в развитии эмбриона, привели к эволюции позвоночных, завершившейся возникновением нервного гребня и черепа. Сравнительно недавно эти же гены здорово постарались, чтобы из некоего эмбриона в результате получились именно вы. Клетки гребня нервного желобка отвечают на генетические сигналы, неотличимые от сигналов, которыми пользовались эмбрионы наших самых отдаленных предков – первых позвоночных. У каждой из этих клеток из тела выпячивается отросток (псевдоподия), похожий на псевдоподии амебы, а затем клетка гребня медленно начинает ползти, разделяя на своем пути скопления клеток промежуточного слоя зародышевого диска.
Некоторые клетки мигрируют на совсем короткое расстояние, оставаясь вблизи спинного мозга, – из них формируются нервные узлы – ганглии – чувствительных нервных клеток. Другие клетки уползают на шею, а затем на время становятся неактивными, ожидая момента, когда они превратятся в секретирующие гормоны клетки щитовидной железы. Третьи оказываются в месте образования будущего рта, где они участвуют в формировании зубов. Четвертые клетки нервного гребня оказываются в перегородке, разделяющей крупные сосуды грудной клетки. Есть клетки нервного гребня, трансформирующиеся в клетки мозгового слоя надпочечников, из которых впоследствии образуются клетки, секретирующие гормон адреналин. Некоторые клетки нервного гребня нагружаются жиром и становятся листками, обертывающими и изолирующими нервные волокна. Некоторые клетки совершают очень дальнее путешествие и оседают в коже, давая начало пигментным клеткам. Очень много клеток нервного гребня оказываются в голове, где откладываются в основании формирующегося черепа. Без нервного гребня у нас не было бы лица.
Возьмите любой приличный учебник эмбриологии, и вы найдете там длинный список всех тканей взрослого организма, образующихся из клеток нервного гребня. Правда, открытие и исследование маршрутов этих клеток представляло собой нелегкую как в научном, так и в техническом плане задачу.
В 1893 году Джулия Платт, посвятившая изучению эмбриологии девять лет – сначала в Гарварде (США), а потом во Фрейбурге (Германия), опубликовала статью, в которой утверждала, что у эмбриона саламандры некоторые хрящи черепа формируются из клеток нервного гребня. В то время это было весьма смелое заявление, потому что считалось, что все хрящи и кости происходят из мезодермы, среднего слоя зародышевого диска. Все знали, что эктодерма (слой, из которого развивается нервный гребень) формирует эпидермис и нервные структуры. Предполагать что-то иное было просто немыслимо, так как подобные идеи представлялись смехотворными. О чем вообще говорит эта калифорнийская дама? В эмбриологической литературе поднялся шквал абсолютно неконструктивной критики. Один эмбриолог даже предположил, что мисс Платт, видимо, не слишком аккуратно готовила свои препараты. Правда, в конце концов выяснилось, что Джулия Платт была все же права, но это не спасло от краха ее научную карьеру, которая завершилась в 1898 году после окончания работы над докторской диссертацией.
Отчасти причина, по которой в научном сообществе возникли сомнения относительно утверждений Джулии Платт, заключалась в том, что она сосредоточила свое внимание на небольших различиях во внешнем виде клеток развивающегося эмбриона. Различия были настолько незначительны, что некоторые сомневались в том, что они вообще существуют. Джулия Платт исследовала под микроскопом тонкие срезы эмбриона саламандры, и была уверена, что видела разницу между клетками, происходившими из эктодермы, и клетками – производными мезодермы и энтодермы. На первый взгляд кажется, что различить их очень трудно, но таким методом пользовались и все другие эмбриологи: эктодермальные клетки (включая клетки нервного гребня) были мельче клеток мезодермы и содержали гранулы коричневого пигмента. Правда, исследование опиралось на визуальное изучение различных эмбрионов разных возрастов, и это делалось для того, чтобы реконструировать миграцию клеток нервного гребня. Как могли эмбриологи быть уверенными, что, рассматривая разные эмбрионы, они видят одни и те же клетки?
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Arabic Bulgarian Chinese Croatian Czech Danish Dutch English Estonian Finnish French German Greek Hebrew Hindi Hungarian Icelandic Indonesian Italian Japanese Korean Latvian Lithuanian Malagasy Norwegian Persian Polish Portuguese Romanian Russian Serbian Slovak Slovenian Spanish Swedish Thai Turkish Vietnamese
definition - Нервный гребень
Нервный гребень - совокупность клеток, выделяющихся из краевых отделов нервного желобка во время его замыкания в нервную трубку . Клетки нервного гребня обладают развитой способностью мигрировать в организме. Клетки нервного гребня развиваются в весьма разнообразные структуры. Из-за этих двух особенностей и сравнительной лёгкости экспериментов с этим временным органом нервный гребень широко исследуется в эмбриологии.
Производные нервного гребня
Клетки нервного гребня образуются почти на всём протяжении замыкающейся нервной трубки. В нём различают несколько уровней по длине, из клеток разных уровней развиваются разные структуры.
Из нервного гребня развиваются многие ганглии нервной системы (спинальные, вегетативные), глиальные клетки периферической нервной системы (шванновские), вспомогательные клетки нервных окончаний, а также пигментные клетки (меланоциты кожи), хрящи лицевого черепа, часть мозговых оболочек, хромаффинные клетки надпочечников, одонтобласты (клетки, секретирующие дентин) и т. д. В сердце из мезенхимальных клеток, происходящих из нервного гребня, формируется перегородка между аортой и легочным стволом
Миграции клеток нервного гребня
Сейчас точно неизвестна причина миграции клеток нервного гребня. Одна из перспективных гипотез гласит, что в основе миграции клеток - чувствительность к фибронектину и ламинину - белкам внеклеточного матрикса . Показано, что введение антител к этим белкам блокирует миграцию.
Известны три основных пути миграции:
- В вентральном направлении через передний отдел сомита, то есть по окружности, перпендикулярной оси нервной трубки, вниз. Мигрировавшие таким образом клетки образуют вегетативные (симпатические и парасимпатические) ганглии, вещество надпочечников, спинальные ганглии.
- Клетки, примыкающие к заднему отделу, мигрируют через передний, то есть вначале движутся вдоль оси нервной трубки, а потом спускаются также, как в первом случае. Образуют спинальные ганглии.
- Миграция в дорсолатеральном направлении - под эктодерму, то есть в стороны от нервной трубки, не спускаясь. Образуют меланоциты.
Ссылки
- "Нервный гребень и его нейральные производные" , Сосунов А. А. // СОЖ, 1999, No 5
Нервная трубка
Смыкание валиков
У птиц и млекопитающих в процессе нейруляции выступающие части нервной пластинки, называющиеся нервными валиками , смыкаются по всей длине нервной трубки неравномерно.
Обычно смыкается сначала середина нервной трубки, а потом смыкание идет к обеим ее концам, оставляя в итоге два несомкнутых участка - передний и задный нейропоры.
У человека смыкание нервной трубки более сложное. Первым смыкается спинной отдел, от грудного до поясничного, вторым - участок ото лба до темени, третьим - лицевой, идет в одном направлении, к нейрокраниуму, четвертым - участок от затылка до конца шейного отдела, последним, пятым - крестцовый отдел, также идет в одном направлении, от копчика.
При несмыкании второго участка обнаруживается смертельный врожденный порок - анэнцефалия. У зародыша не формируется головной мозг.
При несмыкании пятого участка обнаруживается поддающийся коррекции врожденный порок - расщепление позвоночника, или Spina bifida. В зависимости от тяжести расщепление позвоночника делят на несколько подтипов.
В процессе нейруляции образуется нервная трубка.
В поперечном сечении в ней сразу же после образования можно выделить три слоя, изнутри наружу:
1. Эпендимный - псевдомногослойный слой, содержащий зачаточные клетки.
2. Мантийная зона - содержит мигрирующие, пролиферирующие клетки, выселяющиеся из эпендимного слоя.
3. Наружная краевая зона - слой, где образуются нервные волокна.
Плакоды, или эпидермальные плакоды - производные эктодермы, формирующиеся в месте контакта нервной трубки с эктодермой.
Нервный гребень - это совокупность клеток, выделяющихся из дорзальных отделов нервного желобка во время его замыкания в нервную трубку.
Гистогенез (от др.-греч. ἱστός - ткань + γένεσις - образование, развитие) - совокупность процессов, приводящих к образованию и восстановлению тканей в ходе индивидуального развития (онтогенеза). В образовании определенного вида тканей участвует тот или иной зародышевый листок. Например, мышечная ткань развивается из мезодермы, нервная - из эктодермы, и т. д. В ряде случаев ткани одного типа могут иметь различное происхождение, например, эпителий кожи имеет эктодермальное, а всасывающий кишечный эпителий - энтодермальное происхождение.
Эктодерма (от экто… и дерма) - наружный зародышевый листок эмбриона (см. Эмбрион) на ранних стадиях развития. Из эктодермы образуются:
1. кожный эпителий,
2. нервная система,
3. органы чувств,
4. передний и задний отделы кишечной трубки.
Энтодерма (от энто… и дерма ), или энтобласт , - внутренний зародышевый листок многоклеточных животных.
У первичноротых энтодерма выстилает полость первичной кишки, из неё образуется средняя кишка и все её добавочные железы.
У вторичноротых образует внутренний слой кишечной трубки.
У позвоночных из энтодермы развивается слизистая оболочка всего кишечника и связанные с ним железы (печень, поджелудочная железа и др.).
У рыб, кроме того - плавательный пузырь и внутренние жабры, а у высших позвоночных - лёгкие.
Энтодерма и её производные у хордовых животных оказывают индукционное влияние на развитие хордомезодермы и некоторых производных эктодермы (рот, анус, жаберные щели, наружные жабры) и, в свою очередь для нормального развития нуждаются во влияниях, исходящих от различных экто- и мезодермальных закладок.
краткое содержание других презентаций
У всех позвоночных сразу за гаструляцией следует процесс нейруляции, который на самом деле может начинаться еще до завершения гаструляционных движений.
При нейруляции обширная зона дорзальной эктодермы, простирающаяся от переднего до заднего конца животного, утолщается и перемещается с поверхности внутрь зародыша, образуя закладку центральной нервной системы, тогда как окружающая ее эктодерма, стягиваясь со всех сторон, сходится на срединной дорзальной линии зародыша и сливается. Головной и спинной мозг представлены на этой стадии толстостенной трубкой. Между этой нервной трубкой и лежащей выше эпидермальной эктодермой находится тяж — клеток, называемый нервным гребнем. На более ранней стадии эти клетки образуют две полоски, отделяющие утолщенную нервную пластинку от окружающей ее эктодермы. Во время нейруляции морфогенетические движения соединяют эти полоски вместе. Само собой разумеется, что нервный гребень представляет собой часть эктодермы.
Нервный гребень - это временное скопление клеток, которое распадается вскоре после возникновения. Большинство клеток нервного гребня начинает мигрировать по направлению к вентральной стороне зародыша сразу после завершения нейруляции. Первые исследователи, применяя гистологические методы, без труда установили, что при нормальном развитии клетки нервного гребня участвуют в образовании спинных корешков головных и туловищных ганглиев, однако многие клетки нервного гребня ускользали от их внимания, поскольку они включаются в мезенхиму, из которой у зародышей позвоночных развивается своего рода рудиментарная соединительная ткань. Тем не менее некоторые исследователи предполагали, что клетки нервного гребня принимают участие в образовании тех частей хрящевого скелета головы, которые у позвоночных палеозоя были связаны, а у ныне живущий позвоночных связаны, с жаберными дугами и называются спланхнокраниумом. Тем эмбриологам, которые считали, что все ткани скелета происходят из мезодермы, это предположение представлялось ошибочным. Противоречивость взглядов явилась одной из причин интенсивного изучения судьбы нервного гребня, особенно у амфибий. В результате было получено много убедительных данных о его развитии, однако и до настоящего времени некоторые вопросы остаются еще без ответа.
У некоторых амфибий эктодермальные клетки в определенный период четко отличаются от мезодермальных и энтодермальных клеток тем, что в них присутствуют пигментные гранулы, ранее придававшие анимальному полушарию яйца характерный вид. В связи с этим на неокрашенных или слабо окрашенных срезах зародышей на стадиях после завершения нейруляции можно проследить миграцию клеток нервного гребня. Эти наблюдения, дополненные исследованиями с применением прижизненных красителей, не оставляют сомнений в том, что клетки нервного гребня участвуют в образовании скелета головы. Однако этими способами распознавания клеток нервного гребня можно пользоваться только на самых ранних стадиях развития, и ни один из них не дает нам полной уверенности в том, что отдельные клетки нервного гребня идентифицированы правильно, если они перемешаны с клетками другого происхождения. Опыты по пересадке клеток с ядрами, меченными 3 Н-тимидином, так же как и опыты по межвидовым пересадкам клеток нервного гребня, дали дополнительные сведения о судьбе этих клеток. Стало ясно, что нервный гребень дает начало многим тканям; из его производных развиваются шванновские клетки, которые образуют миелиновую оболочку периферических нервных волокон, клетки соединительной ткани хвостового плавника у личинок амфибий, важные элементы симпатической нервной системы и мозгового вещества надпочечников. Если у зародыша удалить определенный участок нервного гребня, то на более поздних стадиях развития у такого зародыша в соответствующем участке не разовьются хроматофоры. Поведение клеток нервного гребня при культивировании их in vitro также показывает, что хроматофоры образуются именно из них.
Все клетки ранних зародышей амфибий содержат некоторое количество желтка. Пока этот запас не израсходуется, клетки можно культивировать в простых солевых растворах без добавления органических питательных веществ. В таких условиях у части клеток нервного гребня развиваются отростки, а цитоплазма заполняется меланином. Эти клетки весьма сходны с меланоцитами, которые придают коричневую или черную окраску коже многих позвоночных. Таким образом, подтверждаются данные экспериментов по удалению участков нервного гребня, и мы можем с уверенностью сказать, что именно из клеток нервного гребня образуются меланоциты. Однако эксперименты, в которых после полного удаления нервного гребня в области головы и хвоста появляются, хотя и с опозданием, многочисленные меланоциты, показывают, что меланоциты образуются не только из клеток нервного гребня, но, вероятно, также из клеток, мигрирующих из нервной трубки. Имеет ли место такое явление при нормальном развитии, остается пока не вполне ясным.
Нервный гребень интересен во многих отношениях. Ни сам гребень, ни его производные не обнаружены у современных представителей родственных позвоночным бесчерепных хордовых Branchiostoma и асцидий, хотя их раннее зародышевое развитие во многом сходно с развитием позвоночных. По-видимому, нервный гребень - приобретение самых первых черепных позвоночных. Парадоксально, что эти данные разрушают старые представления о том, что определенные виды тканей происходят только из определенных зародышевых листков, и одновременно порождают такие же мысли, но в менее категоричной форме.
Эволюционная история древних позвоночных, восстановленная частично по остаткам ископаемых животных, а частично по данным сравнительной анатомии ныне живущих форм, свидетельствует о том, что по мере того, как у животных увеличивался рот, элементы, которые ранее поддерживали передние жабры, начинали функционировать как челюсти. То, что хрящи жаберных дуг и хрящи челюстей у ныне живущих амфибий имеют общее происхождение - и те и другие развиваются из нервного гребня, - подтверждает эту точку зрения. Такое же происхождение имеют два маленьких палочковидных хряща (трабекулы), лежащие под передним мозгом. Это еще раз убедительно свидетельствует о том, что ранее существовали позвоночные животные с жаберной щелью, находившейся перед той щелью, которая у современных акул является первой. Вероятно, трабекулы представляют собой сместившиеся остатки скелета этой пары жабр, которые у ныне живущих позвоночных принимают участие в формировании эмбриональной черепной коробки.
Нервный гребень вызывает также и более непосредственный интерес. Меланоциты, происходящие из нервного гребня, распознать очень легко (их отличие от других клеток отражено в самом названии), а поэтому их распространение в коже, особенно у амфибий, можно изучать in vivo. Даже в том случае, если бы меланоциты всегда распределялись равномерно по поверхности тела животного, вопросы, возникающие в связи с этим, казались бы весьма заманчивыми. Что побуждает клетки мигрировать? Является ли движение клеток случайным или оно заранее предопределено? Что заставляет клетки прекращать миграцию? Однако их распределение не всегда равномерно; у некоторых видов они собираются группами, определяя своеобразный узор окраски животного. А это ставит перед нами новые вопросы, ответить на которые еще более сложно.
Если, например, будущие меланоциты способны взаимно отталкиваться друг от друга, то они будут двигаться до тех пор, пока не распределятся в поверхностном слое зародыша почти равномерно, и затем остановятся. Есть данные о том, что они и в самом деле ведут себя подобным образом in vitro. Если, кроме того, в одних тканях скорость движения меланоцйтов уменьшается, а в других нет, то естественно, что меланоциты будут задерживаться и концентрироваться там, где их движение замедлено. В пользу существования такого механизма свидетельствуют некоторые данные. Исследование нервного гребня послужило важным стимулом к развитию целого направления в цитологии, занимающегося изучением причин клеточных перемещений или причин отсутствия таких перемещений.
Рис. 1. (а) — разрез зародыша трехслойного животного после образования всех листков, нервной трубки и нервного гребня. Эктодерма отмечена синим, мезодерма — красным, энтодерма — желтым. (b), (c) — нервный гребень вместе с нервной трубкой образуются после впячивания части эктодермы. Рисунок с сайта devbio.biology.gatech.edu
Из эмбрионального зачатка под названием нервный гребень возникает на удивление много типов клеток, необходимых для развития головы позвоночных. При этом сам этот зачаток происходит из слоя клеток, возможности которого намного уже. Американские ученые обнаружили, что секрет широкого репертуара нервного гребня заключается в более позднем выборе специализации его клетками. Они сохраняют свойства ранней стадии эмбрионального развития — бластулы, когда остальные клетки уже давно их утратили.
На самом деле самое замечательное, что появилось у позвоночных, — это их голова. Во-первых, в ней есть зубастая пасть, которая позволяет кусаться, а не просто печально фильтровать какую-нибудь мутную воду, надеясь, что в ней окажется нечто съедобное. Во-вторых, в голове позвоночного есть крупный мозг, который позволяет животному перехитрить своих жертв или, наоборот, хищников, которые охотятся на него самого. Большой мозг дает возможность помнить много полезной информации и в перспективе — даже переделывать окружающий мир под себя. В комплекте с крупным головным мозгом позвоночных идет прочный череп, необходимый для его защиты. Интересно, что значительная часть довольно разнообразных элементов, необходимых для сборки головы позвоночного (хрящи и кости черепа, мозговые оболочки, дентин) образуется из единственного эмбрионального зачатка — нервного гребня.
Этот нервный гребень давно раздражает ученых, потому что до сих пор он плохо вписывался в наши представления об эмбриональном развитии животных. Одно из главных достижений биологии — это обнаружение общих зачатков, которые возникают в ходе развития большинства многоклеточных животных. Эти зачатки представляют собой три слоя клеток, на которые в какой-то момент делится почти любой зародыш. Каждый из слоев (зародышевых листков) дает начало определенной группе тканей и органов, важных для всех животных. Из внутреннего слоя — энтодермы — образуется пищеварительная система. Внешний — эктодерма — дает начало всем покровам тела животного. Из среднего зародышевого листка — мезодермы — образуется то, что может быть полезным между покровами и внутренностями, — кости, мышцы и хрящи (любопытно, что мезодерма есть не у всех животных: например, ее нет у губок). С тех пор как образуются эти три листка, клетки, их составляющие, теряют часть потенциальных возможностей. Действительно, у оплодотворенной яйцеклетки есть возможность дать начало всем клеткам организма — хоть мышечным, хоть клеткам печени, хоть зрительному эпителию сетчатки. Но чем дальше развивается зародыш, тем точнее определена судьба каждой составляющей его части.
Эту стройную картину нарушает нервный гребень, который происходит из эктодермы — то есть листка, клетки которого занимаются созданием покровов (рис. 1). Как уже упоминалось, возможности нервного гребня очень широки: он может давать начало и хрящам, и костям, и нервным клеткам, и глии (вспомогательным клеткам нервной системы), и пигментным клеткам, и клеткам жировой ткани, и клеткам желез. Репертуар нервного гребня явно шире, чем у эктодермы, из которой он возникает (особенно смущает способность нервного гребня образовывать хрящи и кости — явно мезодермальные структуры). Получалось, что клетки, которые пошли по одному пути специализации, как бы откатывались назад, чтобы снова стать менее специализированными, а потом вообще получить совершенно другую функцию.
Чтобы понять чувства биологов, можете представить, что ваш приятель, который всегда был программистом, внезапно решает переквалифицироваться в повара. Конечно, это нарушает вашу картину мира. Но смена пути развития клетки в организме пугает даже больше. Хотя у каждой клетки нашего тела есть полный набор генов, который теоретически позволяет ей приобрести любую другую возможную специализацию, было бы крайне неприятно, если бы клетки зрительного эпителия однажды решили попробовать себя в роли мышц. Поэтому мы считаем, что откатывание клеток назад, в сторону меньшей специализированности, запрещено (потому что потом из этого состояния они могли бы превратиться в нечто неуместное в этой части организма).
Об этом говорит и метафора известного английского биолога Конрада Уоддингтона, который сравнивал развитие организма со спуском мраморного шарика с горы (рис. 2). Путь шарика определяется рельефом (его называют эпигенетическим ландшафтом Уоддингтона), и на развилках шарик может катиться в разные стороны, спустившись в итоге к определенной точке у подножия горы. Клетку, обретающую специализацию, можно сравнить с таким шариком: она теряет плюрипотентность, как шарик теряет высоту, и в конце концов получает определенную функцию (скатывается в определенную точку под горой). При этом мы совершенно не ожидаем, что шарик в какой-то момент покатится вверх или что клетка в какой-то момент станет менее специализированной, чем была раньше.
Так что же нам делать с нервным гребнем, который имеет очень широкие возможности, но образуется из клеток, которые должны заниматься только образованием покровов? На ландшафте Уоддингтона такая ситуация соответствует перемещению шарика вверх по склону, что ученым не симпатично. К счастью, биологам из Северо-Западного университета в Эванстоне недавно удалось с этим разобраться. Они обнаружили, что факторы, которые поддерживают широкие возможности клеток нервного гребня (плюрипотентность), — те же, что вырабатываются в клетках на более ранней стадии развития зародыша, когда он еще представляет собой однослойный пузырь из клеток (бластулу). Если искусственно поддерживать экспрессию таких факторов (Pax7 и Snail1) в других клетках зародыша, их возможности тоже останутся широкими — то есть с помощью специальных факторов можно будет вызвать у них появление признаков разных зародышевых листков.
Ученые предположили, что клетки нервного гребня на самом деле не проходят через эктодермальную стадию, а просто сохраняют свои широкие возможности со стадии бластулы даже тогда, когда все другие клетки уже определились, частью каких зародышевых листков они станут. Действительно, когда ученые культивировали в лаборатории клетки нервного гребня, оказалось возможным запустить их не только по мезодермальному пути развития (на котором можно получить кости и хрящи), но, что неожиданно, даже по энтодермальному пути. Насколько нам сейчас известно, в природе с клетками нервного гребня такого не происходит. Однако способность клеток нервного гребня развиваться по пути всех трех зародышевых листков подтверждает, что эта структура просто сохраняет свойства клеток более ранней стадии — бластулы, а не каким-то странным образом приобретает возможности мезодермы в дополнение к эктодермальным.
Благодаря результатам статьи отпадает необходимость выделять нервный гребень в отдельный зародышевый листок, как это иногда делали раньше. Оказалось, что эти клетки не обладают уникальными возможностями изменять свою судьбу, а просто позже определяются, какой из путей выберут. Важно, что они способны пойти не только по эктодермальному или мезодермальному пути, как раньше считалось, но и по энтодермальному, хотя в природе, по-видимому, это не требуется.
Еще важно, что Конрад Уоддингтон может покоиться в мире: неприятное исключение из движения живых существ по его ландшафтам оказалось мнимым.
У всех позвоночных сразу за гаструляцией следует процесс нейруляции, который на самом деле может начинаться еще до завершения гаструляционных движений.
При нейруляции обширная зона дорзальной эктодермы, простирающаяся от переднего до заднего конца животного, утолщается и перемещается с поверхности внутрь зародыша, образуя закладку центральной нервной системы, тогда как окружающая ее эктодерма, стягиваясь со всех сторон, сходится на срединной дорзальной линии зародыша и сливается. Головной и спинной мозг представлены на этой стадии толстостенной трубкой. Между этой нервной трубкой и лежащей выше эпидермальной эктодермой находится тяж — клеток, называемый нервным гребнем. На более ранней стадии эти клетки образуют две полоски, отделяющие утолщенную нервную пластинку от окружающей ее эктодермы. Во время нейруляции морфогенетические движения соединяют эти полоски вместе. Само собой разумеется, что нервный гребень представляет собой часть эктодермы.
Нервный гребень — это временное скопление клеток, которое распадается вскоре после возникновения. Большинство клеток нервного гребня начинает мигрировать по направлению к вентральной стороне зародыша сразу после завершения нейруляции. Первые исследователи, применяя гистологические методы, без труда установили, что при нормальном развитии клетки нервного гребня участвуют в образовании спинных корешков головных и туловищных ганглиев, однако многие клетки нервного гребня ускользали от их внимания, поскольку они включаются в мезенхиму, из которой у зародышей позвоночных развивается своего рода рудиментарная соединительная ткань. Тем не менее некоторые исследователи предполагали, что клетки нервного гребня принимают участие в образовании тех частей хрящевого скелета головы, которые у позвоночных палеозоя были связаны, а у ныне живущий позвоночных связаны, с жаберными дугами и называются спланхнокраниумом. Тем эмбриологам, которые считали, что все ткани скелета происходят из мезодермы, это предположение представлялось ошибочным. Противоречивость взглядов явилась одной из причин интенсивного изучения судьбы нервного гребня, особенно у амфибий. В результате было получено много убедительных данных о его развитии, однако и до настоящего времени некоторые вопросы остаются еще без ответа.
У некоторых амфибий эктодермальные клетки в определенный период четко отличаются от мезодермальных и энтодермальных клеток тем, что в них присутствуют пигментные гранулы, ранее придававшие анимальному полушарию яйца характерный вид. В связи с этим на неокрашенных или слабо окрашенных срезах зародышей на стадиях после завершения нейруляции можно проследить миграцию клеток нервного гребня. Эти наблюдения, дополненные исследованиями с применением прижизненных красителей, не оставляют сомнений в том, что клетки нервного гребня участвуют в образовании скелета головы. Однако этими способами распознавания клеток нервного гребня можно пользоваться только на самых ранних стадиях развития, и ни один из них не дает нам полной уверенности в том, что отдельные клетки нервного гребня идентифицированы правильно, если они перемешаны с клетками другого происхождения. Опыты по пересадке клеток с ядрами, меченными 3 Н-тимидином, так же как и опыты по межвидовым пересадкам клеток нервного гребня, дали дополнительные сведения о судьбе этих клеток. Стало ясно, что нервный гребень дает начало многим тканям; из его производных развиваются шванновские клетки, которые образуют миелиновую оболочку периферических нервных волокон, клетки соединительной ткани хвостового плавника у личинок амфибий, важные элементы симпатической нервной системы и мозгового вещества надпочечников. Если у зародыша удалить определенный участок нервного гребня, то на более поздних стадиях развития у такого зародыша в соответствующем участке не разовьются хроматофоры. Поведение клеток нервного гребня при культивировании их in vitro также показывает, что хроматофоры образуются именно из них.
Все клетки ранних зародышей амфибий содержат некоторое количество желтка. Пока этот запас не израсходуется, клетки можно культивировать в простых солевых растворах без добавления органических питательных веществ. В таких условиях у части клеток нервного гребня развиваются отростки, а цитоплазма заполняется меланином. Эти клетки весьма сходны с меланоцитами, которые придают коричневую или черную окраску коже многих позвоночных. Таким образом, подтверждаются данные экспериментов по удалению участков нервного гребня, и мы можем с уверенностью сказать, что именно из клеток нервного гребня образуются меланоциты. Однако эксперименты, в которых после полного удаления нервного гребня в области головы и хвоста появляются, хотя и с опозданием, многочисленные меланоциты, показывают, что меланоциты образуются не только из клеток нервного гребня, но, вероятно, также из клеток, мигрирующих из нервной трубки. Имеет ли место такое явление при нормальном развитии, остается пока не вполне ясным.
Нервный гребень интересен во многих отношениях. Ни сам гребень, ни его производные не обнаружены у современных представителей родственных позвоночным бесчерепных хордовых Branchiostoma и асцидий, хотя их раннее зародышевое развитие во многом сходно с развитием позвоночных. По-видимому, нервный гребень — приобретение самых первых черепных позвоночных. Парадоксально, что эти данные разрушают старые представления о том, что определенные виды тканей происходят только из определенных зародышевых листков, и одновременно порождают такие же мысли, но в менее категоричной форме.
Эволюционная история древних позвоночных, восстановленная частично по остаткам ископаемых животных, а частично по данным сравнительной анатомии ныне живущих форм, свидетельствует о том, что по мере того, как у животных увеличивался рот, элементы, которые ранее поддерживали передние жабры, начинали функционировать как челюсти. То, что хрящи жаберных дуг и хрящи челюстей у ныне живущих амфибий имеют общее происхождение — и те и другие развиваются из нервного гребня, — подтверждает эту точку зрения. Такое же происхождение имеют два маленьких палочковидных хряща (трабекулы), лежащие под передним мозгом. Это еще раз убедительно свидетельствует о том, что ранее существовали позвоночные животные с жаберной щелью, находившейся перед той щелью, которая у современных акул является первой. Вероятно, трабекулы представляют собой сместившиеся остатки скелета этой пары жабр, которые у ныне живущих позвоночных принимают участие в формировании эмбриональной черепной коробки.
Нервный гребень вызывает также и более непосредственный интерес. Меланоциты, происходящие из нервного гребня, распознать очень легко (их отличие от других клеток отражено в самом названии), а поэтому их распространение в коже, особенно у амфибий, можно изучать in vivo. Даже в том случае, если бы меланоциты всегда распределялись равномерно по поверхности тела животного, вопросы, возникающие в связи с этим, казались бы весьма заманчивыми. Что побуждает клетки мигрировать? Является ли движение клеток случайным или оно заранее предопределено? Что заставляет клетки прекращать миграцию? Однако их распределение не всегда равномерно; у некоторых видов они собираются группами, определяя своеобразный узор окраски животного. А это ставит перед нами новые вопросы, ответить на которые еще более сложно.
Если, например, будущие меланоциты способны взаимно отталкиваться друг от друга, то они будут двигаться до тех пор, пока не распределятся в поверхностном слое зародыша почти равномерно, и затем остановятся. Есть данные о том, что они и в самом деле ведут себя подобным образом in vitro. Если, кроме того, в одних тканях скорость движения меланоцйтов уменьшается, а в других нет, то естественно, что меланоциты будут задерживаться и концентрироваться там, где их движение замедлено. В пользу существования такого механизма свидетельствуют некоторые данные. Исследование нервного гребня послужило важным стимулом к развитию целого направления в цитологии, занимающегося изучением причин клеточных перемещений или причин отсутствия таких перемещений.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Читайте также: