Роль цитоскелета в регуляции раннего развития зародыша

Развитие животных связано с интенсивными морфологическими изменениями отдельных клеток и целых тканей. Обычно эти изменения осуществляются при непосредственном участии цитоскелета. Примером участия цитоскелета в регуляции раннего развития зародыша является ранняя фаза эмбриогенеза Drosophila melanogaster, характеризующаяся наличием процесса целлюляризации бластодермы.

В процессе развития зигота Drosophila подвергается 13 синхронным делениям, при этом происходит только деление ядер, а цитоплазма остаётся общей. Образуется сентициальный эмбрион с примерно 6000 ядер, большинство которых располагается в поверхностном слое цитоплазмы. Во время интерфазы цикла 14 происходит целлюляризация бластодермы – цитокинез, превращающий монослой синтициальных ядер в монослойный столбчатый эпителий. В данном процессе выделяют две фазы: медленную и быструю. Во время медленной фазы происходит инвагинация мембраны радиально между ядрами. Когда образовавшиеся борозды, углубившись, достигают уровня основания ядра, начинается быстрая фаза. Во время неё происходит смыкание мембран борозд под ядрами, ограничивающее клетки с базальной стороны.

Решающую роль в процессе целлюляризации играют элементы цитоскелета, такие как микротрубочки, актин, миозин. В начале цикла 14 из пары центросом, находящихся на апикальном конце будущих клеток, формируются длинные микротрубочки и их плюс-концы удлиняются внутрь зародыша. Одновременно у переднего (внутреннего) края борозды начинают концентрироваться актиновые филаменты, вместе с миозином образующие актомиозиновый сократительный аппарат в виде гексагональной структуры вокруг ядра.

Выявлено ряд генов, кодирующих белки цитоскелета, а также белки связывающиеся с цитоскелетом (они обеспечивают связь других компонентов клетки с цитоскелетом, регулируют его сборку/разборку и пространственную организацию и т.п.), вовлечённых в данный процесс:

гены zip, sqh, jar кодируют миозины;

chic, tsr, anillin, dia – кодируют актин- связывающие белки

dah - кодирует мембрансвязывающий белок DAH, который предположительно связывает актиновые филаменты с инвагинирующей мембраной

nuf – кодирует белок, который участвует в доставке актина и DAH в область инвагинации мембраны путём мембранного транспорта по микротрубочкам.

Образовавшиеся актомиозиновые гексагоны связаны друг с другом и образуют сеть на всей поверхности эмбриона. В обеспечении правильной организации и структурной целостности гексагонов участвуют продукты генов nullo, sry-α и bnk. В течение медленной фазы гексагоны вместе с лидирующим краем борозды продвигаются внутрь зародыша, углубляя борозду. Углубление борозд обеспечивается, по-видимому, несколькими процессами.

Во-первых, в процессе целлюляризации в цитоплазматическую мембрану встраиваются везикулы (поставляя новые мембраны) и отдельные компоненты мембран. Данные везикулы поступают от комплекса Гольджи предположительно с участием моторных белков (таких, как динеины, кинезинподобные белки). Транспорт везикул происходит от плюс-конца микротрубочек (для прикрепления везикул к плюс-концам требуется белок CLIP-190) к их минус-концу. Собственно сам процесс встраивания мембран и их компонентов в мембрану в районе борозды должен приводить к дальнейшему её углублению.

Кроме того, процесс углубления борозд внутрь эмбриона, помимо работы актино-миозинового аппарата и встраивания новых мембран, по-видимому может обеспечиваться также работой моторных белков, обеспечивающих движение к плюс-концу микротрубочек (например, некоторыми кинезинами).

Когда образовавшиеся борозды углубившись достигают уровня основания ядра начинается быстрая фаза. Во время быстрой фазы форма гексагонов меняется на кольцевую, борозды ещё больше углубляются, а диаметр колец постепенно уменьшается до полного их смыкания. Возможно, решающую роль в регуляции диаметра гексагонов принадлежит белку Bnk. Предполагается, что в медленной фазе белок Bnk связывает актиновые гексагоны, чем препятствует их сокращению. При достижении углубившимися бороздами уровня основания ядра Bnk деградирует и начинается быстрая фаза – гексагоны отделяются друг от друга и сокращаются, замыкая клетки с базальной стороны.

Перестройка цитоскелета во время целлюляризации представляет собой строго регулируемый процесс, в частности выявлено, что существенную роль в регуляции играют белки Rho1 и Cdc42.

Rho1 представляет собой ГТФазу, G-белок, который контролирует полимеризацию актина и сокращение актомиозинового комплекса. В связанном с GDP состоянии Rho1 не активен; он активируется при замене GDP на GTP факторами обмена гуаниновых нуклеотидов (белки RhoGEF). Предполагается, что Rho1 регулирует сборку актина через актинсвязывающий белок Dia. Данный белок влияет на работу профилина, являющегося регулятором полимеризации актина. Также Rho1 влияет на работу киназы Drok, ингибирующей активность белка MBS. MBS представляет собой фосфатазу лёгкой цепи миозина; ингибирование этой фосфатазы приводит к изменению конформации миозина и сокращению актомиозинового комплекса.

Другим регулятором перестройки цитоскелета в процессе целлюляризации является киназа Cdc42, чьё действие на цитоскелет противоположно действию ГТФазы Rho1.

В целом на данный момент выявлено более двух десятков генов, чьи продукты вовлечены в процесс целлюляризации бластодермы Drosophila melanogaster. Тем не менее, детальное описание функций большинства из них отсутствует.

Литература.

1. Mazumdar, A., M. Mazumdar. How one becomes many: blastoderm cellularization in Drosophila melanogaster. Bioessays. 2002. 24:1012–1022.

2. M. Padash Barmchi, S. Rogers, U. Hacker. DRhoGEF2 regulates actin organization and contractility in the Drosophila blastoderm embryo. J. Cell Biol. 2005. 168(4): 575 - 585.