12345

O kontroli genetycznej procesów rozwojowych niewątpliwie najwięcej wiemy dzięki badaniom muszki Drosophila melanogaster. Poznaliśmy kaskadę genów, których aktywacja jest niezbędna dla wykształcenia polarności przednio-tylnej i grzbieto-brzusznej larwy i powstającego z niej osobnika dorosłego. Okazuje się, że na początku procesów, prowadzących do takiego zróżnicowania ciała owada, leży zróżnicowanie przestrzenne cytoplazmy oocytu, które ustala się jeszcze przed zapłodnieniem, gdy komórka ta wzrasta w jajniku. W tym czasie do cytoplazmy oocytu przedostają się wytwarzane w jądrach tzw. komórek odżywczych cząsteczki informacyjnego kwasu rybonukleinowego (mRNA), których transport zależy od mikrotubul cytoszkieletu. Z kolei oddziaływania między rosnącym oocytem a otaczającymi go tzw. komórkami pęcherzykowymi prowadzą do modyfikacji cytoszkieletu, czego skutkiem jest niesymetryczne umiejscowienie jądra oraz niejednorodne rozmieszczenie w cytoplazmie pewnych typów mRNA. Wniknięcie plemnika uruchamia translację na matrycy mRNA nagromadzonego w czasie oogenezy. Powstające białka - będące czynnikami regulującymi zarówno translację innych typów mRNA obecnych w oocycie, jak i transkrypcję genów zarodka - także są rozmieszczone nierównomiernie, co powoduje wystąpienie gradientów stężeń dostarczających informacji pozycyjnej. W rezultacie w nie zapłodnionym jeszcze oocycie zdeterminowane są przyszła część przednia i tylna ciała owada, a także jego strona brzuszna i grzbietowa.

Sytuacja, z jaką mamy do czynienia u D. melanogaster, czyli zdeterminowanie osi ciała zarodka w nie zapłodnionym jeszcze oocycie, nie jest typowa dla innych zbadanych pod tym względem gatunków modelowych. Znacznie częściej wydarzenia występują u nich w kolejności, jaką obserwujemy u nicienia Caenorhabditis elegans. W przeciwieństwie do Drosophila, oocyt C. elegans jest promieniście symetryczny i jego polarność pozostaje nieokreślona aż do momentu wniknięcia plemnika. Do tej chwili każdy punkt na powierzchni oocytu może stać się tylnym końcem zarodka w zależności od miejsca penetracji przez plemnik. W tym rejonie zapłodnionego jaja powstaje przedjądrze męskie, a centriola wniesiona przez plemnik organizuje mikrotubule komórki. W rezultacie pewne składniki cytoplazmy oocytu rozmieszczają się nierównomiernie wzdłuż osi, wyznaczającej oś przednio-tylną zarodka. Na przykład tak zwane ziarna P (kompleksy białek i RNA) gromadzą się w jego przyszłej tylnej części. Lokalizacja przedjądrza męskiego, determinująca tylny biegun zarodka, decyduje także o miejscu powstania bruzd w czasie pierwszych nierównomiernych podziałów bruzdkowania. W trakcie tych podziałów powstają komórki założycielskie poszczególnych linii somatycznych oraz komórki linii płciowej. Wykształca się także oś grzbieto-brzuszna zarodka i w zarodku 4-komórkowym obecne są już wszystkie osie i płaszczyzny symetrii larwy, która się z niego rozwinie.

W rozwoju kręgowców tak wczesna determinacja poszczególnych linii komórkowych nie zachodzi, a różnicowaniem i organogenezą rządzą oddziaływania komórek pochodzących z poszczególnych listków zarodkowych. U zwierząt należących do różnych gromad tej grupy ustalenie polarności zarodka zależy prawdopodobnie od działania różnych mechanizmów. Jednak u najlepiej poznanych pod tym względem kręgowców, czyli u płazów, odbywa się to podobnie jak u nicienia: wnikający plemnik dostarcza informacji pozycyjnej w wyniku modyfikacji cytoszkieletu oocytu wskutek oddziaływania mikrotubul nukleowanych przez centriolę plemnika.

Jako płaz modelowy wykorzystywana jest obecnie afrykańska żaba szponiasta Xenopus laevis. U tego gatunku (podobnie zresztą jak i u większości płazów) w rosnącym w jajniku oocycie gromadzone są duże ilości żółtka. Stanowi ono materiał odżywczy zarodka aż do momentu, gdy swobodnie pływająca kijanka zacznie pobierać pokarm ze środowiska. W oocycie żółtko rozkłada się nierównomiernie: na jednym biegunie jaja jest go niewiele, na drugim, po przeciwnej stronie komórki, występuje obficie. Linia łącząca oba bieguny wyznacza oś animalno-wegetatywną, względem której oocyt zachowuje symetrię promienistą. Gradient stężenia żółtka rośnie wzdłuż osi od bieguna animalnego do wegetatywnego. Rozkład innych składników także pozostaje nierównomierny. Na biegunie animalnym leżą chromosomy, w okolicy, gdzie jest mniej żółtka, występuje więcej rybosomów i mitochondriów. W czasie oogenezy w oocycie gromadzi się również mRNA, a pewne jego typy są obecne wyłącznie w wegetatywnym, obfitującym w żółtko rejonie jaja. Oocyt X. laevis jest więc komórką promieniście symetryczną, spolaryzowaną wzdłuż osi animalno-wegetatywnej. Stosunki te występują nadal w bruzdkującym zarodku - podobną polaryzację stwierdzamy w blastuli, składającej się z kilku tysięcy komórek. Komórki te mają różne rozmiary, te znajdujące się na biegunie wegetatywnym i obładowane żółtkiem są znacznie większe od leżących na biegunie animalnym. Wnętrze blastuli stanowi jama (blastocel), nieco przesunięta w kierunku bieguna animalnego. Los komórek blastuli w przyszłej kijance zależy od ich położenia względem osi animalno-wegetatywnej. Wiadomo, że komórki z części animalnej blastuli wytworzą naskórek i ośrodkowy układ nerwowy, a wegetatywne - jelito i jego pochodne. Komórki leżące pomiędzy nimi, w centralnym rejonie blastuli, dadzą wszystkie tkanki i narządy pochodzenia mezodermalnego: strunę grzbietową, zastąpioną następnie przez kręgosłup, kości, mięśnie, ścięgna, układ moczowo-płciowy, serce, krew. Różnicowanie i organogeneza następują jednak dopiero wtedy, gdy w czasie gastrulacji poszczególne listki zarodkowe zostaną prawidłowo rozmieszczone. Powstaje wówczas zarodek, w którym wyraźnie zaznacza się oś grzbieto-brzuszna i przednio-tylna, polaryzacja ta jednak zostaje zdeterminowana znacznie wcześniej, w czasie zapłodnienia. Pozornie promieniście symetryczna blastula niesie w sobie informację o polaryzacji przyszłej kijanki, zapisaną na poziomie molekularnym. Dane te są wykorzystywane w czasie gastrulacji i określają miejsce rozpoczęcia się owego procesu. U płazów przebiega to następująco: w pewnym miejscu środkowego rejonu blastuli powstaje zagłębienie, wyznaczające miejsce przyszłej pragęby, czyli rejonu gastruli, przez który komórki mezodermy wwędrowują do wnętrza zarodka pomiędzy ektodermę a endodermę. Ta strona blastuli zostanie wkrótce częścią grzbietową kijanki, przeciwny rejon wytworzy jej część brzuszną. Przejście zapłodnionego jaja z symetrii promienistej na dwuboczną dokonuje się w chwili, gdy po wniknięciu plemnika następuje reorganizacja cytoplazmy oocytu. Zachodzi wtedy rotacja warstwy najbardziej podpowierzchniowej względem leżącej głębiej. Kierunek tego ruchu zależy od mikrotubul, których polimeryzację powoduje centriola wniesiona przez plemnik. W rezultacie podpowierzchniowy rejon jaja przesuwa się o 30° w kierunku miejsca wniknięcia plemnika do oocytu. Ten ruch cytoplazmy inicjuje kaskadę zdarzeń decydujących o polarności zarodka. Komórki blastuli zlokalizowane w rejonie przyszłej strony grzbietowej, „dziedziczące” w czasie bruzdkowania cytoplazmę oocytu z rejonu przeciwnego do punktu wniknięcia plemnika, mają właściwości sprzyjające rozpoczęciu gastrulacji w tym właśnie miejscu. Dla zdeterminowania owego rejonu blastuli konieczne jest oddziaływanie czynników aktywowanych w zapłodnionym jaju wskutek rotacji cytoplazmy z białkami syntetyzowanymi w tym czasie na matrycy mRNA, zlokalizowanego w rejonie wegetatywnym oocytu.

Jak widać na przykładzie modelowych przedstawicieli zarówno bezkręgowców, jak i kręgowców, polarność zarodka ustala się zwykle na bardzo wczesnych etapach rozwoju i wynika z polaryzacji komórki jajowej, której ostateczną strukturę zapewnia u wielu zwierząt reorganizacja cytoplazmy w czasie zapłodnienia. Oocyty i zarodki ssaków są, jak się wydaje, zaskakującym wyjątkiem od tej reguły.

W badaniach mechanizmów rozwojowych ssaków za organizm modelowy służy mysz. Fizjologię rozrodu tego zwierzęcia poznano dość dobrze, co pozwoliło na opracowanie prostych, rutynowo stosowanych w laboratoriach technik stymulowanego rozrodu z wykorzystaniem tak zwanej superowulacji. Pod wpływem podawanych hormonów samice myszy owulują obficie i są pokrywane przez samce w łatwym do przewidzenia momencie, dzięki czemu otrzymuje się wiele oocytów lub zapłodnionych jaj naraz. Zarodki myszy można także łatwo hodować in vitro, a co jeszcze ważniejsze, zarodki takie - poddane ewentualnie różnym manipulacjom - potrafimy następnie wprowadzić do dróg rodnych samicy, gdzie przechodzą one pełen rozwój aż do urodzenia.

12345
powrót na górę strony
Wykład
Początki organizmu, czyli Ex ovo omnia
Strona
2/5
Autor
Wydział Biologii Uniwersytetu Warszawskiego
Kliknij nazwisko autora, aby zobaczyć notkę biograficzną w serwisie Nauka Polska