Введение к работе
Актуальность проблемы. Исследования развития нематод внесли большой вклад в эмбриологию. Именно у нематод в конце прошлого века было впервые найдено и детально изучено детерминированное, или мозаичное, дробление и сформулированы гипотезы о его механизмах, не потерявшие своего значения до настоящего времени. Исследуя развитие аскариды, Бовери (Boveri, 1887) на основании обнаруженного им явления димину-ции хроматина предположил, что механизм детерминации эмбриональных клеток непосредственно сопряжен с процессом их деления; позднее при изучении того же объекта было разработано представление . об ооплазматической сегрегации (zur Strassen, 1891; Boveri, 1899, 1910).
Существенная роль ооплазматической сегрегации вскоре была экспериментально обнаружена у многих животных, не только с мозаичным, но и регулятивным развитием (Morgan, 1927; Иванов, 1937). Идея о непосредственной сопряженности детерминации клеток с процессом их деления в настоящее время широко обсуждается (Stent, 1985; Bailey, 1986), но прямых экспериментальных доказательств этого механизма пока нет.
Важнейшим признаком мозаичного развития с самого начала предполагалась строгая предопределенность судеб клеток на всех стадиях, то есть инвариантность их генеалогии, приводящая в результате к формированием личинки с постоянным клеточным составом. Фактически, однако, доказать это удалось лишь недавно при изучении нового модельного объекта - мелкой почвенной нематоды Caenorhabditis elegans (Sulston et al., 1983). На этом виде были проведены и обширные экспериментальные исследования, в настоящее время составляющие основу знаний о механизмах развития нематод.
Расположение и судьба всех клеток зародыша С. elegans зтрого постоянны. На ранних стадиях дробления различия блас-гомеров связаны с ооплазматической сегрегацией. На стадии 28 і более клеток все они детерминированы, так как в это время зародыш С. elegans полностью лишен способности к регуляции. і то же время, на более ранних стадиях (например, "четырех теток) некоторые из бластомеров С. elegans еще не детерми-
нированы; существенную роль в их детерминации играют межклеточные индуктивные взаимодействия. Лежащие в основе развития С. elegans молекулярные механизмы в ряде случаев обнаружили глубокое сходство с таковыми у других животных, в том числе позвоночных. Таким образом, за исключением такой особенности, как инвариантность генеалогии эмбриональных клеток, по механизмам развития С. elegans от других животных принципиально не отличается.
В связи с вышеизложенным, возникает вопрос: является ли жесткая программа клеточных делений необходимым условием развития нематод и насколько она связана с механизмами детерминации клеток и постоянством клеточного состава личинок? Имеющиеся в настоящее время данные о развитии С. elegans не позволяют дать однозначный ответ на этот вопрос.
Одним из путей решения сформулированной проблемы может стать сравнительное исследование. Действительно, если инвариантность генеалогии клеток связана с фундаментальными механизмами развития нематод, то она должна быть обнаружена у всех видов. Разумеется, что для подобного сравнения необходимо достаточно полное представление о генеалогии клеток -от яйца до личинки. До настоящего времени подробные исследования генеалогии клеток проводились только на представителях подкласса Rhabditia - С. elegans, аскаридах и некоторых других. У всех них она оказалась поразительно единообразной, различаясь лишь незначительных деталями (Sulston et al., 1983). У.других нематод генеалогия клеток глубоко не прослежена, но, по-видимому, у большинства она инвариантна, хотя в ряде случаев проспективное значение бластомеров явно резко отличается от такового у нематод Rhabditia (Дроздовский, 1975; Малахов, 1986). Наиболее своеобразным оказалось развитие представителей отряда Enoplida, у которых была обнаружена вариабельность расположения бластомеров на ранних стадиях дробления, что привело к предположению об изменчивости их проспективного значения (Черданцев и др., 1972; Малахов, Акимушкина, 1976). Таким образом, сравнение развития и анатомии личинок С. elegans и нематод отряда Enoplida представляло наибольший интерес, но до настоящего времени его нельзя било осуществить из-за недостаточной изученности последних: так, у них не были исследованы генеалогия клеток и процессы
морфогенеза, отсутствовали сведения об ооплазматической сегрегации и регуляции развития, практически не было изучено строение личинок (в частности, не было известно, характерно ли для' них постоянство клеточного состава).
Цель и задачи исследования. Целью работы было исследование эмбрионального развития и анатомии личинки первой стадии у морской нематоды Enoplus brevis из отряда Enoplida.
В ходе работы решались следующие задачи:
-
Подробно описать развитие и, в частности, изучить значение схемы расположения бластомеров на ранних стадиях и связь клеток зародыша через высокопроницаемые контакты.
-
Экспериментально исследовать проблему регуляции развития и ооплазматической сегрегации.
-
Разработать методику маркировки зародыша внутриклеточными метками (Люцифером желтым и пероксипазой хрена) и с ее помощью изучить процесс гаструляции и генеалогию эмбриональных клеток.
-
Исследовать анатомию личинки первой стадии и проблему постоянства у нее клеточного состава.
5). Сопоставить развитие и строение личинки Е.brevis с таковыми у нематод других видов.
Научная новизна. Проведено подробное исследование раннего развития Е. brevis. Описан процесс выделения направительных телец. Впервые для нематод экспериментально показана связь эмбриональных-клеток с помощью высокопроницаемых контактов. Показано, что, в отличие от большинства изученных видов нематод, у Е. brevis. геометрия раннего дробления не играет существенной роли и не предопределена изначально. Проведено экспериментальное изучение регуляции развития. Впервые для нематод разработана методика прижизненной маркировки клеток зародыша внутриклеточными метками (Люи.4>ером желтым и перок-сидазой ; хрена). С помощью маркировки бластомеров на разных стадиях развития подробно исследованы раструляция и генеалогия клеток у Е. brevis. Проведены детальные исследования анатомии личинки первой стадии у Е. brevis. Впервы изучена іроблема постоянства клеточного состава'у личинок нематод юдк^асса Enoplia.
Теоретическое и практическое значение. Полученные результаты позволяют рассматривать Е. brevis в качестве удобной модели 1.ля изучения проблем эмбриологии. Ценность исследований этого вида повышается благодаря возможности сопоставления с С. elegans - стандартным объектом современной биологии развития.
Полученные данные позволили выявить общие закономерности развития нематод и, в частности, показать, что наблюдаемая у большинства видов нематод инвариантность генеалогии зародышевых клеток не имеет фундаментального характера.
Полученные данные могут быть использованы в университетских курсах по эмбриологии и зоологии беспозвоночных животных.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на VII Всесоюзном научном совещании эмбриологов "Закономерности индивидуального развития животных" (Ленинград, 1986), на II Всесоюзной конференции "Простые нервные системы и их значение для теории и практики" (Казань, 1988), на III Европейском конгрессе по клеточной биологии (3-rd Europ. Cong. Cell Biol., Firenze, Italy, 1990), на Ежегодной конференции Британского общества Биологии развития, Ассоциации исследований мозга и Британского общества Клеточной биологии (Ann. Conf. BSDB, BRA and BSC8, Leeds, 1991), на научных заседаниях и семинарах Института проблем передачи информации РАН, кафедры эмбриологии ЛГУ, кафедры зоолсгии беспозвоночных МГУ.
Публикации. Основные материалы диссертации изложены в восьми печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 135 страницах машинописного текста и состоит из введения, пяти глав (обзор литературы, объекты и методы исследований и три главы результатов и их обсуждения), заключения,, выводов v иллюстраций. Иллюстрации включают 36 таблиц микрофотографик и рисунков. Список литературы включает 216 источников, иг них 39 на русском и 177 на иностранных языках.