Генетические подходы к пониманию процесса развития

Основные достижения последних лет привели к значительному скачку в нашем понимании молекулярных механизмов тех процессов и явлений, которые ранее были только констатированы. Первым достижением является разработка новых молекулярных биотехнологий для контроля и управления экспрессией генов. Вторым является открытие механизмов и молекул, которые управляют развитием нервной системы удивительно сходным образом у различных животных. Например, как мы уже упоминали в главе 1, гены, которые управляют развитием глаза у развивающегося цыпленка, мышонка или человека очень сходны с генами, определяющими формирование глаза дрозофилы. Таким образом, гены, определяющие развитие дрозофилы, грибов-дрожжей и нематод (C.elegans), часто имеют гомологов среди генов, определяющих развитие позвоночных. Третьим достижением является использование полосатой коралловой рыбы (zebra fish, официальное русское название «полосатый данио», Brachydanio rerio), впервые предложенной Страйзингером, как особенно удачного объекта для изучения развития позвоночных. Эмбрион полосатого данио прозрачен, что позволяет непосредственно наблюдать за отдельными клетками во время эмбриогенеза, который у данио происходит довольно быстро. Наиболее важным является то, что были разработаны приемы, при помощи которых у данио могут быть вызваны, контролированы и поддержаны на определенном уровне направленные мутации, что открывает дорогу к обнаружению важных генов позвоночных, которые могут иметь гомологов у некоторых видов более просто устроенных беспозвоночных.

Развитие нервной системы в раннем периоде

В раннем периоде морфогенеза позвоночных область гаструлы, из которой в дальнейшем формируется нервная система, представляет собой простую полоску эктодермы (рис. 1). Клетки этой полоски находятся под влиянием факторов роста (включая два белка из семейства костных морфогенетических белков, ВМР-2 и ВМР-4), которые подавляют нервную дифференцировку и приводят к развитию эпидермальной ткани. Затем из особого «организационного» региона гаструлы, названного Шпемановским организационным центром (Spemann organizer, в яйцах амфибий) или Гензеновским узелком (Hensen's node, у эмбрионов цыпленка и млекопитающих), происходит выделение свободно диффундирующих белков, которые блокируют действие этих факторов роста. Эти белки (известные как фоллистатин (follistatin), ноггин (noggin) и хордин (chordin)) активируют сигнальные каскады в клетках, расположенных рядом с организационным центром, что приводит к дифференцировке клеток в нейроны и формиро ванию нервной пластинки. Нервная пластинка представляет собой полоски продолговатых нейроэктодермальных клеток, из которых в дальнейшем будет сформирована нервная система.

Рис. 1. Ранний морфогенез в эмбрионе позвоночного. Вид сзади на развивающийся эмбрион цыпленка в первый день жизни. (А) 5-6 ч.: образование и удлинение первичной полоски (В) 15-16 ч.: образование первичного желобка и Гензеновского узелка. (С) 19-22 ч.: образование головного отростка и нервной пластинки. (D) 23-24 ч.: образование нервного валика, хорды и мезодермальных сомитов.

Рис. 2. Образование нервной трубки в эмбрионе цыпленка. (А) Диаграмма нейруляции (В-Е) Микрофотограммы образования нервной трубки, сделанные при помощи сканирующего электронного микроскопа. (В) Нервная пластинка, образованная продолговатыми клетками в дорзальной области эктодермы. (С) Нервный желобок, образованный продолговатыми неирозпителиальными клетками и окруженный мезенхимальными клетками. (D) Нервные валики, покрытые уплощенными зпидермальными клетками. (Е) Нервная трубка, покрытая эпидермисом с расположенными по обеим сторонам сомитами и хордой внизу.

Рис. 3. Ранний период развития головного мозга человека. Вид сбоку на развивающийся мозг и схематический горизонтальный срез через пузыри. (А) На 4 неделе развития ЦНС человека состоит из трех первичных пузырей. (В) К 6 неделе развития можно различить пять вторичных пузырей. (С) В возрасте 2 месяцев серии складок, сужений и утолщений образуют различные области мозга. Дальнейшее развитие характеризуется преимущественным ростом конечного мозга в форме буквы «С» (показано стрелками).

Нервная пластинка затем утолщается по своему краю, края ее приподнимаются, образуя нервные валики, которые сливаются друг с другом по средней линии, образуя полую нервную трубку (рис. 2). Процесс, благодаря которому осуществляется формирование нервной пластинки и превращение ее в нервную трубку, называется нейруляцией Некоторые из клеток, расположенные по краям нервных валиков, остаются между нервной трубкой и вышележащей эктодермой. Эти клетки формируют нервный гребень. Клетки нервного гребня мигрируют в направлении от нервной трубки и образуют большое разнообразие периферических тканей, в том числе нейроны и клетки-спутники в сенсорной, симпатической и парасимпатической нервной системе, клетки надпочечника, пигментные клетки эпидермиса, кости и соединительные ткани в области головы.

По мере развития в передней (головной или ростральной) части нервной трубки формируется серия утолщений, сужений и изгибов, образующих отдельные анатомические области мозга (рис. 3). Каудальная часть нервной трубки остается относительно простой по строению, сохраняя вид полой трубки, и в дальнейшем на ее основе формируется спинной мозг.

Образование предшественников нервных клеток и глии

Стенка нервной трубки первоначально состоит из одного слоя быстро делящихся клеток. Каждая клетка простирается от полостного, вентрикулярного края к наружной, пиальной поверхности. По мере того, как каждая клетка проходит свой клеточный цикл, ее ядро мигрирует вверх и вниз от вентрикулярной (желудочковой) к пиальной поверхности (рис. 4А). Синтез ДНК происходит в то время, когда ядро расположено у пиальной поверхности; во время деления клетки (cytokinesis) ядро лежит у вентрикулярной поверхности и на некоторое время клетка теряет связь с пиальной поверхностью. После деления одна или обе дочерние клетки могут потерять контакт с вентрикулярной поверхностью и мигрировать вверх. Этот момент является переломным: они превращаются либо в нейроны, либо в клетки глии. Если они мигрируют в направлении от вентрикулярной зоны, большинству этих клеток суждено стать нейронами в постмитотической фазе (то есть они уже никогда не смогут делиться. Предшественники глиальных клеток, с другой стороны, могут делиться даже после достижения своего окончательного месторасположения.

По мере того, как все больше и больше формируется постмитотических клеток, нервная трубка утолщается и приобретает трехслойное строение: наиболее глубоко расположена вентрнкулярная зона (где продолжается деление клеток), затем средняя зона в виде мантии (плащевая зона), где находятся тела мигрирующих нейронов, а также поверхностный краевой (маргинальный) слой, состоящий из отростков более глубоко расположенных клеток (рис. 4В). Такая трехслойная структура сохраняется в спинном и продолговатом мозге (рис. 4С). В других областях, таких как кора больших полушарий и мозжечок, некоторые нейроны мигрируют в краевую зону и формируют корковую пластинку, которая затем созревает и формирует взрослую кору.