Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay

"Элементы": новости науки

Подписаться Бесплатная «Золотая» новостная рассылка Подписчиков 12.967 RSS
←   Ноябрь 2006   →
 1
01.11.2006
04:29:46
15:16:53
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
08.11.2006
15:17:42
17:02:38
 9
10
11
12
13
13.11.2006
03:36:06
04:31:10
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30


За последние 60 дней ни разу не выходила


Сайт рассылки: http://elementy.ru
Открыта: 09-05-2006

Автор
Редакция сайта "Элементы"

Статистика

12.967 подписчиков
0 за неделю
←   Все выпуски   →

Развитие червей начинается с хвоста


Научно-популярная библиотека на «Элементах»

В. Н. Тутубалин и др. Математическое моделирование в экологии: Историко-методологический анализ.

Книга о реальной эффективности применения математических моделей в экологии и других науках, о «колодках мышления» и о чернобыльской катастрофе.

Развитие червей начинается с хвоста

23.11.2006

Червь Caenorhabditis elegans — любимец генетиков и эмбриологов (фото с сайта www.space.gc.ca)
Червь Caenorhabditis elegans — любимец генетиков и эмбриологов (фото с сайта www.space.gc.ca)

Германские биологи расшифровали механизм, управляющий делением клеток развивающегося эмбриона червя Caenorhabditis elegans — модельного объекта для исследований развития животных. Оказалось, что одна из клеток эмбриона — бластомер P2 — выделяет сигнальное вещество, которое заставляет остальные клетки делиться в определенном направлении, в результате чего зародыш приобретает удлиненную форму. Та часть зародыша, где расположена клетка P2, становится его задним концом. Даже кратковременный контакт с клеткой P2 приводит к поляризации остальных бластомеров и заставляет их развиваться не в аморфную клеточную массу, а в удлиненный зародыш с задним концом в том месте, где к нему прикасалась клетка P2.

Нематода (круглый червь) Caenorhabditis elegans — замечательный модельный объект для самых разнообразных исследований. Достаточно сказать, что в 2002 году Сиднею Бреннеру, который первым начал использовать этого крошечного червя в качестве модельного объекта в генетических и эмбриологических исследованиях, была присуждена Нобелевская премия.

Одно из главных достоинств C. elegans — прозрачность. Под микроскопом хорошо видны на просвет все внутренние органы и даже отдельные клетки. Чтобы увидеть во всех подробностях, как из оплодотворенной яйцеклетки развивается червячок с пищеварительной и нервной системами, мускулатурой, органами размножения, достаточно просто положить яйцо C. elegans на предметный столик микроскопа и наблюдать за ним в течение 14 часов — именно столько продолжается эмбриональное развитие этого животного.

Генетики и эмбриологи выявили целый ряд генов, влияющих на развитие червя, причем многие из этих генов имеются также и у других многоклеточных, в том числе и у человека. Как известно, система генетической регуляции развития, включающая Hox-гены и ряд других важных генов-регуляторов, в общих чертах сходна у всех двусторонне-симметричных животных. Однако ученые пока еще очень далеки от полного понимания тех удивительных механизмов, которые заставляют дробящееся яйцо превращаться не в комок клеток, а в сложно и тонко организованное многоклеточное существо.

Генетический анализ позволяет лишь выявить гены, необходимые (но вовсе не обязательно достаточные) для тех или иных аспектов дифференцировки клеток. Например, мутации Hox-генов могут приводить к причудливому перемешиванию признаков, характерных для разных отделов тела (на голове дрозофилы могут вырасти ноги, на заднем сегменте груди — дополнительная пара крыльев). Известны гены, мутации в которых приводят к полному нарушению процессов клеточной дифференцировки, так что вместо нормального эмбриона действительно образуется аморфный комок клеток. Но чтобы понять, как все эти гены вместе руководят развитием, необходимы эмбриологические эксперименты.

C. elegans — идеальный объект для таких исследований. Развитие этого червя прослежено во всех деталях — от оплодотворенного яйца до взрослого организма. В точности известна судьба каждой зародышевой клетки (бластомера); известно, из какого бластомера образуется каждая из клеток взрослого червя. Надо сказать, что развитие круглых червей, в отличие от многих других животных, очень строго детерминировано с самого начала. Даже на стадии двухклеточного эмбриона его бластомеры отнюдь не одинаковы. Разделив их, мы не получим близнецов, как это бывает у позвоночных. Более крупный передний бластомер АB дает большую часть тела, мускулатуру, нервную систему; задний бластомер P1 — меньшую часть тела, включая половые органы и кишечник. Таким образом, судьба этих бластомеров в значительной степени предопределена уже на двухклеточной стадии. Она предопределена изначальной полярностью яйцеклетки: одному ! бластомеру достается больше каких-то веществ, другому меньше.

При этом, однако, бластомеры вовсе не являются замкнутыми системами, изначально запрограммированными на какой-то определенный путь развития. Они не могут правильно развиваться без контакта с другими бластомерами; они обмениваются между собой разнообразными химическими сигналами, корректируя свое поведение в соответствии с переменами в клеточном окружении.

Маркус Бишофф и Ральф Шнабель (Marcus Bischoff, Ralf Schnabel) из Института генетики Технического университета в Брауншвейге (Technische Universität Braunschweig Carolo Wilhelmina, Institut für Genetik, Braunschweig, Germany) задались целью выяснить, какой механизм отвечает за придание эмбриону передне-задней полярности. В экспериментах им чрезвычайно помогло то обстоятельство, что с ранними эмбрионами C. elegans можно обращаться как с миниатюрным конструктором. Бластомеры можно разделять и перекомбинировать произвольным образом, и даже составлять химерные эмбрионы из клеток разных особей. До взрослого червя такие конструкции, как правило, дорасти не могут, но все-таки умирают не сразу и некоторое время развиваются.

Исследователи отделили у четырехклеточных эмбрионов две передние клетки («дочки» бластомера AB), из которых в норме должен развиться почти весь червяк. В отсутствие контакта с задними бластомерами (дочками бластомера P1, которые называются EMS и P2) эти клетки делились хаотически и превращались в бесформенный комок, лишенный передне-задней полярности.

Зародыш C.elegans на стадии 8 клеток. Из фиолетовой клетки разовьется половая система, из оранжевой — кишечник, из желтых — всё остальное. Потомки бластомера P2 — две маленькие клетки, фиолетовая и желтая, вверху слева. Фото с сайта www.wormclassroom.org
Зародыш C.elegans на стадии 8 клеток. Из фиолетовой клетки разовьется половая система, из оранжевой — кишечник, из желтых — всё остальное. Потомки бластомера P2 — две маленькие клетки, фиолетовая и желтая, вверху слева. Фото с сайта www.wormclassroom.org

Ученые предположили, что задние бластомеры выделяют какое-то сигнальное вещество, упорядочивающее деление передних клеток. Это предположение полностью подтвердилось. Оказалось, что «поляризующим центром» зародыша служит бластомер P2 (из него впоследствии развивается половая система, а из EMS — кишечник). Достаточно приложить клетку P2 к потомкам AB хотя бы на пять минут, чтобы клетки «поляризовались». После этого потомки AB делятся не случайным образом, а преимущественно в определенной плоскости, так что в результате из них получается не комок, а удлиненный червеобразный зародыш с выраженным передним и задним концом. Задним концом всегда становится та точка, к которой прикоснулась клетка P2.

Очевидно, сигнальное вещество, выделяемое клеткой P2, влияет на ориентацию веретена деления у дробящихся бластомеров. Сила этого вещества такова, что, прикладывая к клеткам два P2-бластомера в разных местах, ученые получали причудливых монстров с двумя хвостами или L-образно изогнутые зародыши с двумя взаимно перпендикулярными передне-задними осями. Каждая точка контакта с P2 превращалась в задний конец!

Теперь надо было выяснить, что это за вещество. Ранее было известно, что свойством оказывать влияние на ориентацию плоскости деления клеток обладает сигнальный белок Wnt, один из важнейших многофункциональных регуляторов развития у многоклеточных животных. Это белок выделяется одними клетками и воспринимается рецепторами других, что приводит к активизации различных генов-регуляторов, в том числе Hox-генов. Чтобы проверить, действительно ли бластомер P2 поляризует остальные бластомеры при помощи белка Wnt, исследователи использовали мутантные P2-бластомеры с выключенным геном Wnt. Оказалось, что такие P2-бластомеры поляризующим действием не обладают. Таким образом, природа сигнала была установлена.

Оставалось понять, каким образом сигнал передается от одних клеток к другим. Исследователи обнаружили, что клетки, «поляризованные» P2-бластомером, сами приобретают способность поляризовать другие клетки. Однако если у них выключен ген Wnt, этого не происходит. Из этого авторы сделали вывод, что передача сигнала происходит не путем диффузии сигнального вещества, производимого P2-бластомером, из клетки в клетку, а по принципу эстафеты. Поляризованные клетки сами начинают производить белок Wnt и таким образом поляризуют своих соседей.

Дополнительные эксперименты показали, что оставшаяся часть зародыша (та, что получается из бластомера EMS) тоже поляризуется благодаря контакту с P2. Таким образом, бластомер P2 оказался главным организующим центром развивающегося зародыша, определяющим его передне-заднюю полярность. Это важное открытие германских эмбриологов, а также разработанные ими методики сложных манипуляций с бластомерами открывают новые захватывающие перспективы перед учеными, стремящимися проникнуть в тайну развития многоклеточного организма.

Источник: Marcus Bischoff, Ralf Schnabel. A Posterior Centre Establishes and Maintains Polarity of the Caenorhabditis elegans Embryo by a Wnt-Dependent Relay Mechanism // PLoS Biology. 2006. 4(12): e396. DOI: 10.1371/journal.pbio.0040396.

См. также:
1) Новое в науке о знаменитых Hox-генах, регуляторах развития, «Элементы», 10.10.2006.
2) Потрясающий фильм, показывающий всё развитие Caenorhabditis elegans от оплодотворения до готового червячка в ускоренном времени (снято под микроскопом при тысячекратном увеличении).

Александр Марков

Эта новость на «Элементах»
 

Предыдущие новости

21.11 Лесные пожары скорее приводят не к потеплению климата, а к похолоданию

Участившиеся лесные пожары, казалось бы, должны способствовать дальнейшему потеплению, ведь в атмосферу выбрасывается СО2 и другие парниковые газы. Однако в долгосрочном плане они приводят скорее к похолоданию: после уничтожения древесной растительности больше солнечного света отражается от земной поверхности.

20.11 Полный геном неандертальца будет прочтен через два года

Сразу две международные команды ученых сообщили о начале работы по прочтению полного генома неандертальца. На сегодняшний день удалось прочесть фрагменты общей длиной около миллиона нуклеотидов, что составляет 0,04% полного генома. Свидетельств гибридизации между нашими предками и неандертальцами пока не найдено.

20.11 Люди древнекаменного века хоронили новорожденных младенцев с почестями

В Австрии обнаружены останки трех новорожденных младенцев, погребенных с соблюдением сложных обрядов 27 000 лет назад. Это первое известное науке палеолитическое погребение новорожденных. Оно показывает, что уже в то время наши предки относились к новорожденным с определенным уважением и считали их в каком-то смысле полноценными членами общества.

15.11 Бойцы и проныры имеют равные шансы на успех в личной жизни

У жуков-навозников есть две породы самцов — крупные сражаются друг с другом за самку и помогают ей заботиться о потомстве, а мелкие спариваются с самками украдкой, компенсируя низкие шансы на спаривание большим количеством производимой спермы. Оказалось, что обе стратегии дают примерно одинаковые шансы оставить потомство и требуют одинаковых затрат энергии.

14.11 Хищные насекомые помогают растениям добывать азот

Бромелии — тропические растения, живущие на стволах деревьев, — питаются за счет обитающих в скоплениях воды у основания их листьев беспозвоночных, которые разлагают необходимые им органические вещества. Питание бромелий заметно улучшается, если в воде живут хищные личинки стрекоз: они не дают «мирным» личинкам завершить свое развитие и вылететь наружу, унося с собой дефицитный азот.

13.11 Получено генетическое подтверждение скрещивания наших предков с неандертальцами

Американские генетики показали, что самый распространенный вариант важного для роста мозга гена microcephalin появился в популяции Homo sapiens 37 000 лет назад в результате скрещивания наших предков с неандертальцами или другими архаичными представителями человеческого рода и не мог возникнуть просто в результате мутаций.

13.11 Возможность существования плаща-невидимки сведена к математической теореме

Математики доказали, что любой объект можно сделать полностью невидимым для постороннего наблюдателя на всех длинах волн. По крайней мере, в принципе.

13.11 Хладнокровные мыши живут дольше

Мудрость предков говорит, что хладнокровие предохраняет от преждевременной старости. Американские биологи доказали, что это поучение можно понимать буквально. Снизив температуру тела трансгенных мышей на 0,3-0,5 градуса, они добились продления жизни самцов на 12%, а самок — на 20% по сравнению с их обычными сородичами.

10.11 В океане обнаружены сотни тысяч новых видов вирусов

Метагеномный анализ — тотальное выделение ДНК из проб морской воды и ее сравнение с имеющимися генетическими базами данных — показал, что в океане живут сотни тысяч видов ДНК-содержащих вирусов, большинство из которых неизвестны науке. Морские вирусы могут играть важную роль в планетарном круговороте генов, вещества и энергии.
В избранное