Animal/species        Stage        Ion channels/currents        Functions        References
Sea urchin        2-Cell        L-type Ca2+        Cell cycle-related        Yazaki et al., 2001

         Early embryo        L-type Ca2+      Cluster at the animal pole/developmental role
         Dale et al., 1997

                  Voltage gated Ca2+        Developmental role        de Arauo Leite and Marques-Santos, 2012

                  Aquaporins        Developmental role        Amaroli et al., 2013

                  Gap junctions        Cluster at the vegetal pole/developmental role        Yazaki et al., 1995

Ascidian        2-Cell        Gap junctions        Stage-related        Dale et al., 1991a

                  IP3r-Ca2+        Possible embryo polarity        Albrieux and Villaz, 2000

         Early embryo
         Na+ - Ca2+ - K+        Stage-related        Block and Moody, 1987; Simoncini et al., 1988;
          Shidara and Okamura, 1991

                  Ca2+ - K+        Blastomere-related/developmental role        Okado and Takahashi, 1990

                  Na+ - Ca2+        Stage-related/normal embryo development        Cuomo et al., 2006

                  Na+ - Ca2+ - K+        Neural induction        Takahashi and Okamura, 1995;
                   Takahashi and Tanaka-Kunishima, 1998

                  Gap junctions        Stage-related        Dale et al., 1991a; Tosti, 1997

Fish        2-Cell        Ca2+        Normal embryo development        Sanhueza et al., 2009

         Early embryo
         K+        Cell cycle-related        Medina and Bregestovski, 1988

                           Development and patterning        Stengel et al., 2012

                  Na+        Stage-related        Novak et al., 2006

                  IP3r-Ca2+        Developmental role        Lee et al., 1987; Ashworth et al., 2007;

                  TRPM4-like Ca2+        Developmental role        Cheng et al., 2015

                  Store operated Ca2+        Citokinesis        Chan et al., 2015

                  Cl-        Generation of cavity        Shigemoto, 1999

Amphibian        early embryo
                  K+        Cell cycle-related        deLaat and Bluemink, 1974

                           Left-right pattern        Morokuma et al., 2008

                  IP3r-Ca2+        Cell cycle-related        Kubota et al., 1993

                           Axis determination        Hatayama et al., 2011

                  L-type Ca2+        Neural induction        Drean et al., 1995; Leclerc et al., 2006

Mouse        2-cell        L-type Ca2+        Embryo development, growth and survival        Lu et al., 2003

         Early embryo        K+        Cell cycle-related        Day et al., 1993

                  ERG-K+        Cell cycle-related        Day et al., 1998a, 2001

                  T-type Ca2+        Cell cycle-related        Day et al., 1998b

                  K+        Cell death developmental role        Trimarchi et al., 2000; Hur et al., 2012

                  K+ - Ca2+        Stage-related        Mitani, 1985

                  ERG-K+        Stage specific developmental effects        Winston et al., 2004

                  Cl-        Amino acid uptake        Sonoda et al., 2003

                           Cell cycle-related        Kolajova et al., 2001

                  TRP Mg2+        Developmental role        Komiya and Runnels, 2015

                  IP3r-Ca2+        Cleavage-related distribution        Parrington et al., 1998

                  Gap junctions        Normal embryo development        Becker and Davies, 1995;
                   Becker et al., 1995; Bevilacqua et al., 1989

         Morula        IP3r-Ca2+        Normal embryo growth
         and differentiation        Stachecki and Armant, 1996

                  Gap junctions        Compaction-related        Lee et al., 1987

         Blastocyst        Aquaporins        Blastocele formation developmental role preimplantaion
         Richard et al. 2003; Nong et al. 2013; Xiong et al. 2013

                  Cl-        Expansion        Arnaiz et al., 2013

                  Na+        Implantation        Ruan et al., 2012

Bovine        Early embryo        Gap junctions        Stage-related        Boni et al., 1999

Human        Blastocyst        Gap junctions        Stage-related        Dale et al., 1991b

                  IP3r-Ca2+        Development-related organization        Balakier et al., 2002
 

Вступление Ca2+ в клетку обеспечивается посредством или напряжением контролируемях каналов или обусловливается истечением из хранилищ Ca2+ посредством лигандами контролируемых каналов на мембранах органелл. Большинство событий, лежащих в основе последнего механизма, ассоциирует с двумя семействами каналов ионов Ca2+, сохраняющимися в эндоплазматическом и/или саркоплазматическом ретикулуме всех типов клеток: ryanodine receptor (Ryr) и inositol 1,4,5-trisphosphate receptors (IP3r; Berridge, 1993), которые существенны для жизни, поскольку нарушения IP3r приводят к тяжелым аномалиям в структуре и функциях организма (Mikoshiba, 2011). Связь между двумя упомянутыми выше механизмами обеспечивается с помощью capacitative/store-operated проникновения Ca2+, при котором опустошение внутриклеточных хранилищ Ca2+ активирует приток Ca2+ (Parekh, 2003; Murali and Lewis, 2015). Подавление регуляции вступления Ca2+ , оперирующего с хранилищами, во время мейоза млекопитающих, как было установлено, является критическим для перехода от яйца к эмбриону (Lee et al., 2013). Наконец, др. категория ионных каналов представлена каналами, пропускная способность которых контролируется механическими стимулами, это т. наз. каналы, контролируемые натяжением (Sachs, 2010). Ток, генерируемый потоком ионов через ионные каналы, ассоциирует с временной модификацией RP. В частности, деполяризация плазматической мембраны вызывает сдвиг RP в направлении более положительных значений, тогда как гипер-поляризация приводит к сдвигу RP в направлении более отрицательных значений. Модификации электрического ресурса плазматической мембраны находятся среди самых первых событий на некоторых ступенях процесса репродукции. Роль токов ионов в физиологии ооцитов хорошо известна. Гаметы являются клетками, которые во время роста, созревания и активации подвергаются глубоким модификациям электрических свойств плазматической мембраны (Tosti and Boni, 2004; Cuomo et al., 2005, 2006; Boni et al., 2007). В частности, при оплодотворении одним из самых ранних событий является осуществление пропуска через специфические ионные каналы, которые генерируют поток ионов через плазматическую мембрану, известный как ток при оплодотворении (Dale, 1994). Этот ток сопровождается временными изменениями в RP, который деполяризуется у некоторых водных животных (Dale and De Felice, 1984; Chambers, 1989; De Simone et al., 1998; Glahn and Nuccitelli, 2003), и гипер-поляризуется у некоторых млекопитающих (Miyazaki, 1988; Gianaroli et al., 1994; Tosti et al., 2002). Во время раннего эмбриогенеза описывается снижение возбудимости бластомеров (Arnoult and Villaz, 1994; Cuomo et al., 2006). В то время как канонические токи ионов K+, Na+ и Ca2+ подвергаются заметной модуляции во время разных стадий эмбриогенеза, вновь формируемые каналы щелевых соединений начинают устанавливать межклеточные коммуникации между бластомерами, чтобы выполнять существенную роль во развити (Moody et al., 1991).

Figure 1. Ion currents modulating the processes of embryonic development in animals are differently distributed and flow through ion channels located on the plasma membrane. The main ions inside the cell are potassium cations (K+), whereas sodium (Na+) and calcium (Ca2+) cations are largely external. Gap junctions (GJ) are intercellular channels that allow blastomeres to communicate through the passage of ions and small molecules.

Function of Ion Currents in Embryo Development

Aquatic Animals

Клетка может экспрессировать и перераспределять ионные каналы в соответствии с физиологическими нуждами. Следовательно, возможно, что у растущего эмбриона разные расположения таких каналов могут оказывать выраженное влияние на события во время развития (Vermassen et al., 2004).

В начале 1970s, впервые было предположено, что электрические изменения во время делений бластомеров обусловлены внесением новой плазматической мембраны, что характерно для митотических делений (Bluemink and de Laat, 1973). Изменения в проницаемости мембран во время эмбрионального развития наблюдаются у некоторых видов, у которых ранние дробления были ассоциированы с гипер-поляризацией мембраны и связаны с усилением проницаемости для K+ (Tupper, 1972; Weisenseel and Jaffe, 1972). Позднее, у Xenopus laevis, было продемонстрировано, что повышенная проницаемость к ионам K+ совпадает с началом внесения новой мембраны, которая обладает отличающимися свойствами проницаемости для ионов, чем предсуществующая мембрана (deLaat and Bluemink, 1974). Во время дробления эмбриона, наблюдалось циклическое поведение для активируемых натяжением токов ионов K+, для проводимости мембраны и RP, подчеркивая тем самым роль проведения K+ в раннем развитии (Medina and Bregestovski, 1988).

Интересно, что др. исследования предоставили доказательства, что зависимая от клеточного цикла модуляция каналов является одним из общераспространенным паттернов в раннем эмбриогенезе (Bregestovski et al., 1992). У ранних эмбрионов Xenopusсвязь между активностью тока ионов K+ и ранним развитием ассоциирует со становлением формирования лево-правостороннего паттерна, это первый намек на участие ионных каналов в становлении оси у эмбрионов позвоночных (Morokuma et al., 2008). Ранние исследования на Xenopus laevis детально описали кинетику экспрессии субъединицы L-type Ca2+ канала и локализацию во время ранних ст. эмбриогенеза (Drean et al., 1995). Было предположено, что экспрессия L-type Ca2+ канала в плазматической мембране может выполнять регуляторную роль в приобретении нейральной компетентности. Впоследствии показано вовлечение dihydropyridine-sensitive Ca2+ каналов на ориентацию эктодермальных клеток в направлении нейральной судьбы у Xenopus, подтверждение первоначальной идеи, что ток Ca2+ через L-type Ca2+ каналы может играть центральную регуляторную роль в нейральной индукции, было получено (Moreau and Leclerc, 2004; Leclerc et al., 2006).

IP3r каналы подвергаются гигантскому увеличению в ряде стадий ранней гаструлы Xenopus laevis, (Kume et al., 1997b, 1997a; Kume, 1999), указывая на потенциальную роль во время гаструляции. Сходные наблюдения на эмбрионах ранних стадий дробления подтверждают тесную корреляцию между системой передачи IP3-обеспечиваемых сигналов Ca2+ и ходом клеточного цикла у эмбрионов Xenopus (Kubota et al., 1993), и лево-правосторонней асимметрией в формировании эмбриона (Hatayama et al., 2011).

Зигота и эмбрион асцидий окружены толстой вителлиновой мембраной, наз. хорионом. Механическое или ферментативное удаление этой добавочной мембраны делает возможной использование записи электрофизиологических сигналов с голой плазматической мембраны.

У асцидии Halocynthia roretzi, арестованные на стадии дробления эмбрионы были проанализированы на разных ст. развития, получено детальное описание проницаемости плазматической мембраны бластомеров; эта информация была скоррелирована или с активностью токов ионов или презумптивными тканевыми регионами (Takahashi and Yoshii, 1981). В презумптивных мышечных бластомерах присутствовали всплески (spikes) Ca2+, тогда как Na+/Ca2+-зависимые потенциалы действия наблюдались в эктодермальных бластомерах. Интересно, что снижение токов Na+ и Ca2+ обнаруживалось в следующие 10 ч. после ареста дробления, что сопровождалось постепенным увеличением аномального тока K+ в ходе всего эмбрионального развития. У арестованных эмбрионов идентифицированы 4 типа реакций мембран у бластомеров с 8- до 32-клеток, т.е., нейральная, эпидермальная, мышечная и невозбудимая, и увязана с основными активностями тока ионов (Hirano et al.,1984). Эти находки привели к гипотезе, что дифференцировка мембраны происходит по-разному среди бластомеров на разных ступенях скорее, чем как результат непрерывного линейного роста.

У Halocynthia, изменения в заторможенных rectifier K+ каналах во время развития недифференцированной эмбриональной клеточной стадии к полностью дифференцированной нейральной и мышечной клеточным стадиям были записаны с использованием изолированных остановленных на ст. дробления бластомеров (Okado and Takahashi, 1990; Shidara and Okamura, 1991).

Оценка паттерна активности тока ооцита на ст. 8 клеток у Boltenia villosa показала, что наивысшая активность тока Na+ зарегистрирована в ооците во время первого деления дробления и отсутствовала только в бластомерах iна ст. 8 клеток, тогда как токи Ca2+ и K+ остаются постоянной плотности во всех клетках. Хотя постоянное присутствие этих токов в бластомерах разных онтогенетических судеб была выявлена на ст. 8 клеток, было предположено, что Ca2+ и K+ каналы добавляются вместе с новыми мембранами во время этих стадий (Block and Moody, 1987). Эта ситуация, однако, меняется во время последующего ходя ст. гаструлы, было предположено, что осциллирующий паттерн тока ионов по ходу ст. развития играет ключевую роль в дифференцировке клеточных типов. Позднее было продемонстрировано, что бластомеры мышечного клона у эмбрионов Boltenia зависят от напряжением управляемых токов Ca2+, тогда как все бластомеры обнаруживают задержку направленных наружу токов K+ и потеря внутрь направленных rectifying K+ токов присутствует на более ранних стадиях, демонстрируя тем самым клон-специфическое развитие токов ионов во время эмбриогенеза (Simoncini et al., 1988). Кроме того, у Boltenia, токи Na+ присутствуют на плазматической мембране зрелых ооцитов, подвергаясь широкому перераспределению вскоре после оплодотворения, снижаясь после первого деления дробления эмбриона, подтверждая специфическую функцию оплодотворения и минимальную роль в эмбриогенезе (Block and Moody, 1987; Hice and Moody, 1988; Coombs et al., 1992).

Интересная билатеральная асимметрия разных семейств IP3-завуисимых каналов Ca2+ и связанной с ними передачи сигналов Ca2+ описана на ст. 2 клеток у эмбрионов асцидии Phallusia mammillata. Однако, электрофизиологические записи не выявили изменений в плотности напряжением контролируемых каналов Ca2+ в каждом бластомере (Albrieux and Villaz, 2000). Эта асимметрия указывает на присутствие односторонней связи в передаче сигналов IP3-зависимого Ca2+ между двумя бластомерами, при этом возможно её участие в становлении полярности эмбриона.

Асцидии Ciona intestinalis прекрасная модель для изучения механизмов репродукции и эмбрионального развития. Во время ранних стадий развития описана функциональная экспрессия токов Ca2+ и Na+; в частности, аккуратная электрофизиологическая характеристика плазматической мембраны каждого бластомера была осуществлена со ст. 2- до ст. 8 клеток. Четкий осцилляторный паттерн обнаруживает достоверное снижение токов Ca2+ и Na+ со ст. зиготы до ст. 4-х клеток, указывая, что эти токи играют минимальную роль в сигнальных событиях, связанных с первым эмбриональным митотическим циклом. В соответствии с критической ролью 8-клеточной стадии, отмечается достоверное увеличение активности всех токов, без каких-либо различий между бластомерами, за исключением бластомера заднего вегетативного конца B4.1. Здесь неожиданно и Na+ и Ca2+ обнаруживают более низкие значения токов. Эти находки подтверждают минимальную роль токов Ca2+ и Na+ в первом митотическом эмбриональном цикле; однако, высокая проницаемость мембран соответствует инициальной сегрегации разных тканей, подтверждая возможную корреляцию между экспрессией каналов и становлением клеточных клонов после ст. 8 клеток (Cuomo et al., 2006).

Несмотря на выявляемую минорную роль токов Na+, было установлено, что ингибирование токов Na+ во время оплодотворения генерирует розетку, т.е. аномалию эмбриона, описанную в 1960's (Reverberi and Ortolani, 1962), которая эквивалентна эмбриону ст. 8-16 клеток, у которых потеряна их пространственная ориентация. Тот факт, что отсутствие токов Na+ при оплодотворении генерирует эту аномалию эмбрионов, подкрепляется находками Tosti et al. (2003), которые подтвердили, что ионы, генерирующие ток фертилизации (fertilization current), участвуют в обеспечении корректного эмбрион/личинка развития Ciona intestinalis.

У эмбрионов асцидий, арестованных на ст. 8 клеток, специфические клеточные контакты между эктодермальными и вегетативными бластомерами обеспечивают индукцию нервной ткани. В этом процессе продемонстрировано участие трех главных ионных каналов, особенно длительно продолжающегося Ca2+-зависимого потенциала действия, участвующего в эпидермальной дифференцировке, оборот Na+ каналов во время нейральной индукции и возможно супрессия inward rectifier K+ каналов сразу после нейральной индукции (Takahashi and Okamura, 1995; Takahashi and Tanaka-Kunishima, 1998).

Также у эмбрионов морского ежа активность разных ионных каналов была продемонстрирована как функциональная в развитии. Во время специфической стадии митотического цикла у 2-клетоных эмбрионов, выявлена активность циклического L-type Ca2+ канала (Yazaki et al., 1995). Это поведение, подтвержденное функциональной связью между эмбриональным клеточным циклом и токами Ca2+, демонстрирует, что специфические ионные каналы экспрессируются поляризовано в бластомерах. Те же самые авт. позднее охарактеризовали электрические свойства всего эмбриона морского ежа на ст.16 клеток, высоко поляризованной стадии, которая включает три популяции бластомеров, отличающиеся размером (макромеры, мезомеры и микромеры). Сильная поляризации активности тока Ca2+ обнаруживается вдоль animal/vegetal оси, при этом кластер на анимальном полюсе постепенно убывает, чтобы исчезнуть в малые микромеры. Напротив, последние обладают высокой проводимостью в отношении двух др. популяций бластомеров, возможно управляемой с помощью токов K+. Это исследование предоставило первое указание на функциональное участие Ca2+ каналов в развитии эмбрионов морского ежа и это было подтверждено морфологическими дефектами, наблюдаемыми у эмбрионов, развивающихся при низкой концентрации Ca2+ в среде (Dale et al., 1997). Недавние исследования подчеркнули критическую роль тока внеклеточного Ca2+ через напряжением контролируемые каналы для развития ранних эмбрионов морского ежа (de Ara?jo Leite and Marques-Santos, 2012). У морского ежа Paracentrotus lividus, участие активности serotonergics и ионных каналов было продемонстрировано в событиях клеточного дробления ранних эмбрионов, подтверждая присутствие фотосинапсов между бластомерами. Это позволило предположить, существование ограничению распределения серотониновых рецепторов по мембране в период делений дробления и локализованной межбластомерной контактной зоны. Возможная роль пространственно-временного ограничения рецепторов в контактной зоне между бластомерами делает возможной взаимосвязь с последующим эмбриональным развитием (Shmukler and Tosti, 2002; Shmukler et al., 2008).

Рыбки данио стали недавно важной экспериментальной моделью биологии развития; однако, мало известно о функциональной роли активности ионных каналов и отсутствуют прямые электрофизиологические данные у эмбрионов этих рыб. Участие напряжением контролируемых Na+ каналов у эмбрионов и личинок рыбок данио описано Novak et al. (2006), которые описали паттерны экспрессии у личинок и эмбрионов у 8 членов семейства генов (scna), кодирующих у рыбок данио белки Na+ каналов.

Далее сходные исследования на ранних эмбрионах рыбок данио выявили экспрессию множественных транскриптов напряжением контролируемых Ca2+ каналов на ст. перед дифференцировкой. Хотя воздействие на эмбрионов фармакологических блокаторов Ca2+ каналов не вызывало нарушений раннего развития, наблюдались более поздние эффекты, указывающие на то, что эти каналы могут играть роль в гомеостазе Ca2+ и контролировать клеточные процессы во время раннего эмбрионального развития (Sanhueza et al., 2009). Очень недавние исследования, посвященные связи между передачей сигналов Ca2+, дроблением, дифференцировкой и ростом, показали экспрессию и функциональную способность transient receptor potential melastatin 4 (TRPM4) белка и подтвердили роль TRPM4-подобного канала в регуляции Ca2+ во время раннего развития рыбок данио (Cheng et al., 2015).

Исследования раннего развития рыбок данио выявили экспрессию трех разных IP3 рецепторных генов. IP3-чувствительные хранилища Ca2+, как было установлено, являются критическими для прогрессирования от зиготической ст. до ст. дробления (Lee et al., 2003), и далее было продемонстрировано, что фармакологическое ингибирование IP3 рецепторов нарушает формирование ранней бластулы, указывая на роль этих каналов во время раннего развития у этого вида (Ashworth et al., 2007). Недавние исследования оценивали участие проникновения Ca2+ из оперируемых хранилищ в ранних эмбриональных делениях рыбок данио и показали, что эти каналы являются функциональными в углубляющихся эмбриональных бороздах дробления и в прикреплении дочерней клетки посредством подъема уровня Ca2+ (Chan et al., 2015).

Исследования на рыбках данио генов Ryr показали дифференциальную экспрессию этих каналов во время всего роста эмбриона от дробления и далее, подтверждая тем самым, что регуляция сигналов Ca2+ посредством этих рецепторов ассоциирует с разными аспектами эмбрионального развития, от органогенеза до дифференцировки скелетно-мышечной, сердечно-сосудистой и нервной систем (Wu et al., 2011). Morpholino исследования на рыбках данио предоставили доказательства роли напряжением контролируемых K+ каналов, Kcnh1, в регуляции раннего эмбрионального развития и формирования паттерна (Stengel et al., 2012).

Mammals

Токи ионов играют также ключевую роль во время раннего эмбрионального развития млекопитающих. Связь между активностью ионного канала K+ и клеточным циклом в ходе M и G1 фаз, и выключением перехода G1-к-S, была установлена на эмбрионах мышей (Day et al., 1993). Позднее те же самые авт. продемонстрировали действие ERG-like K+ ионного канала в качестве таймера раннего эмбриона мыши (Day et al., 1998a, Day et al., 2001), а изменение T-type Ca2+ тока ассоциирует с клеточным циклом (Day et al., 1998b), подтверждая участие этих токов в развитии эмбриона. Более того, у эмбрионов мыши временное истечение K+ через чувствительные к tetraethylammonium K+ каналы сопровождается сжатием клеток, указывающим на клеточную гибель (Trimarchi et al., 2000).

Циклическое поведение некоторых K+ каналов было описано у мышиных эмбрионов; в частности, было обнаружено участие специфических ERG- K+ каналов во время преимплантации эмбрионов мыши на базе экспрессии и расположения этих белковых каналов на плазматической мембране. Фармакологические исследования ингибирования таких токов продемонстрировали индукцию стадио-специфических онтогенетических дефектов, подтвердив функциональную роль этих токов ионов в направлении нормального эмбрионального развития (Winston et al., 2004). Недавно истекание K+ через двухпоровый домен K+ каналов было показано как улучшающее эмбриональное развитие мыши (Hur et al., 2012).

Прямая запись амплитуды токов Ca2+ внутрь у эмбрионов мышей и хомячков показала их прогрессивное снижение во время раннего развития и, наконец, их исчезновение на 8-клеточной стадии. У эмбрионов хомячка внезапное увеличение тока после 2-клеточной стадии показало обратную корреляцию с паттерном токов Ca2+ (Mitani, 1985). Эти данные указывают на потенциальную роль или Ca2+ или K+ токов во время дифференцировки мембран у эмбрионов млекопитающих.

Platelet-activating factor (PAF), как было установлено, индуцирует увеличение внутриклеточной концентрации Ca2+, при этом возникает потребность во внешнем Ca2+. Этот Ca2+ временно необходим для сигнального каскада для нормального эмбрионального роста и выживания. Запись потенциала у эмбрионов на ст. 2-х клеток выявила присутствие L-type Ca2+ каналов, ингибирование которых существенно снижало PAF-индуцированный временный ток Ca2+ t (Lu et al., 2003).

То, что внутриклеточные сигналы Ca2+ регулируют эмбриональный рост, было показано на мышиных моделях путем демонстрации зависимого от Ca2+ улучшения или пери- или пре-имплантационной стадии (Stachecki et al., 1994a, 1994b). В дальнейшем те же авт. продемонстрировали, что высвобождение Ca2+ в мор4уле мыши происходит преимущественно через IP3r, и что отклонения в уровнях внутриклеточного Ca2+ вызывают ускорение или задержку эмбрионального роста и дифференцировки (Stachecki and Armant, 1996). Следовательно, IP3r каналы играют роль у эмбрионов млекопитающих, это подтверждается присутствием разных изоформ этого рецептора у мышей (Mehlmann et al., 1996; Pesty et al., 1998; Fissore et al., 1999) и человека (Goud et al., 1999).

У ранних эмбрионов мыши изучение экспрессии мРНК разных изоформ IP3r продемонстрировало разную регуляцию и роль этих трех подтипов между оплодотворением и ранним развитием (Parrington et al., 1998). У эмбрионов человека IP3r-каналы подвергаются динамическому перераспределению во время ранних делений дробления. В частности, высокая плотность IP3r-каналов возникает в специфических сайтах бластомеров на ст. 2-х и 4-х клеток, указывая на потенциальное место возникновения будущих делений дробления. После прохождения ст. 8 клеток, такие кластеры наблюдались вокруг ядер бластомеров. Перемещение с периферии во внутриклеточные сайты может указывать на необходимость в новых каналах для эмбриона, т.к. время этого события совпадает по времени с активацией эмбрионального генома (Goud et al., 1999). Наконец, подтипы 1 и 2 IP3r каналов, как было установлено, располагаются в виде регулируемых паттернов в бластомерах преимплантационных эмбрионов человека (Balakier et al., 2002). Интересные недавние исследования описывают вклад ионов марганца (Mg2+) в эмбриогенез, предоставляя модель участия TRPM6 и TRPM7 ионных каналов во время эмбриогенеза (rev. Komiya and Runnels, 2015). Анионные каналы, такие как Cl-каналы, выполняют несколько ролей, но основная роль заключается в регуляции объема соматических клеток и у ранних преимплантационных эмбрионов. Во время культивирования эмбрионов потребление аминокислот, как было установлено, обеспечивается с помощью Cl- каналов у мышей (Sonoda et al., 2003), а активируемый опуханием ток анионов у ранних эмбрионов мыши, как было установлено, онтогенетически регулируется и зависит от клеточного цикла (Kolajova et al., 2001).

Изменения в экспрессии Cl- каналов у преимплантационных эмбрионов мыши было продемонстрировано недавно. В частности, запись потенциала с целой клетки продемонстрировала присутствие DIDS-чувствительного, outwardly rectifying Cl- тока в ходе эмбрионального развития, при этом наблюдалась высокая проводимость у зиготы, морулы и бластоцитов. Второй DIDS-нечувствительный Cl- ток был выявлен в клетках, дифференцирующихся в клон трофобласта и во время экспансии бластоцита (Arnaiz et al., 2013).

Многие разные типы каналов участвуют в генерации жидкости бластоцеля, включая набуханием активируемые анионные каналы (Baltz, 2001). Роль aquaporins (AQPs), белков водных каналов, связанная с регуляцией гомеостаза клеточной воды, была изучена у эмбрионов морских ежей, мышей и человека, продемонстрировав их экспрессию и участие в развитии преимплантационных эмбрионов млекопитающих (Edashige et al., 2000; Amaroli et al., 2013; Nong et al., 2013; Xiong et al., 2013). Члены семейства AQPs участвуют в процессах формирования бластоциста в качестве физиологических медиаторов перемещения жидкости через трофэктодерму во время образования полости и имплантации (Cho et al., 2003; Richard et al., 2003; Watson et al., 2004). Активация эпителиальных Na+ каналов (ENaC) в эпителиальных клетках эндометрия мыши с помощью высвобождаемых эмбрионов сериновой протеазы, трипсина, запускает истечение Ca2+, приводящее к сложному пути с участием высвобождения prostaglandin E2. Эти находки показали новую роль ENaC в регуляции продукции и высвобождения PGE2, который необходим для имплантации эмбрионов (Ruan et al., 2012).

Gap Junction Channels In Embryo Development

Щелевые соединения (GJ) являются межклеточными устройствами, играющими фундаментальную роль в эмбриональном развитии путем становления коммуникаций и диффузии ионов и клеточных метаболитов между соединенными бластомерами. GJ являются специализированными трансмембранными каналами, формируемыми белками коннексинами, которые обнаруживают паттерны экспрессии, меняющиеся в ходе развития (Kumar and Gilula, 1996; White and Bruzzone, 2000). GJ выполняют разнообразные роли в клетках, тканях и биологических процессах, таких как эмбриональное развитие, где они участвуют в компакции (Kidder et al., 1987), кавитации (Ducibella et al., 1975) и коммуникациях между бластомерами (Larsen and Wert, 1988; DeHaan, 1994; Lo, 1996). Некоторые линии доказательств подтверждают участие GJ в эмбриональном развитии, включая профили экспрессии членов семейства генов коннексинов во время эмбрионального развития у Xenopus (Llandesman et al., 2003) и мыши (Davies et al., 1996; Kidder and Winterhager, 2001).

У др. млекопитающих и человека биохимические исследования также идентифицировали регуляцию экспрессии коннексинов во время развития (Bloor et al., 2004; Fl?chon et al., 2004). GJ, как было установлено, играют основную роль в жизнеспособности эмбрионов (Fleming et al., 2000); , однако, как они способны регулировать нормальный рост эмбрионов, остается открытым вопросом. Противоречивые литературные данные указывают на функциональные потребности в GJ в преимплантационном развитии (see Houghton, 2005 for review). Фактически, GJ устанавливаются у ранних эмбрионов мыши (Lo and Gilula, 1979) и, как было установлено, пертурбации с коммуникациями GJ на ст. 8-16 клеток приводят к декомпактизации морулы, это в свою очередь вызывает дефекты развития (Bevilacqua et al.,1989; Becker and Davies, 1995; Becker et al., 1995), хотя и без нарушений образования бластоциста или поляризованного расположения клеточных клонов (Vance and Wiley, 1999).

Электрофизиологические подходы кажутся очень благонадежными для изучения функции GJ во время разных ст. эмбрионального развития. У асцидии Ciona intestinalis, электрическое купирование между бластомерами происходит посредством GJ у 2-клеточных эмбрионов, при этом функциональная материнская экспрессия присутствует уже на ст. зиготы (Dale et al., 1991a; Tosti, 1997). На ст. 16 клеток эмбрионы морского ежа имеют функциональный кластер GJ, расположенный противоположно кластеру L-type Ca2+ каналов на вегетативном полюсе (Yazaki et al., 1999). Регионализация GJ между мкромерами и микромерами коррелирует с индуктивными взаимодействиями между этими бластомерами и их производными. Более того, с помощью ингибирования GJ электрических коммуникаций на ст. 16 клеток, происходит задержка последующей гаструляции и возникают онтогенетические дефекты в формировании первичной кишки (archenteron) (Yazaki, 2001).

Электрическое купирование клеток, которое хорошо изучено у асцидий и морского ежа, обнаружено также у млекопитающих, где задержка и уменьшение экспрессии межклеточных коммуникаций позволяет различать между телячьими эмбрионам, полученными in vivo и in vitro (Boni et al., 1999). В этом исследовании прогрессивное снижение проницаемости через соединения было зарегистрировано во время ранних стадиях эмбрионального роста, одновременно с существенными различиями между it и шм продуцированными эмбрионами. Эта последняя находка четко связывает эмбриональную онтогенетическую компетентновть с возникновением межклеточных коммуникаций, подтверждая специфическую роль GJ в модуляции нормального эмбрионального развития. Возникновение GJ во время эмбрионального развития зависит от стадии и вида; фактически, у мышей, как элетрическое, так и красочное купирование устанавливаются на ст. 8 клеток и связано в компакцией (Lee et al., 1987), тогда как у эмбрионов человека купирование краски посредством GJ происходит только на стадии бластоциста (Dale et al., 1991b). Это может быть обусловлено или замещением материнских соединений теми, которые возникают в результате активации генома, или в результате специфической потребности в GJ коммуникациях на критических стадиях поляризации и образования бластулы.

Concluding Remarks

Embryogenesis is characterized by repeated rounds of mitotic divisions during which blastomere plasma membrane undergoes spatio-temporal rearrangements. Each cell cycle re-establishes the functional and structural integrity of the membranes; however, membrane electrical properties appear to be modified by transient expression and up- and down-regulation of different ion channel activities.

In this review, we have described the expression, activity, and organizational changes of plasma membrane ion currents occurring from zygote to blastula/pre-implantation stages in different animal species from aquatic animals, as model organisms for the study of reproduction and embryonic development, to mammals and human. The correlation between ion channel occurrence and stage-specific differentiation events of the developing embryo account for a dynamic role for ionic conductance in the regulation of functionality, polarity establishment, and inter-blastomere communication of the newly developing and differentiating embryo. The main questions to be answered by future studies concern the molecular mechanisms underpinning the expression of specific patterns of ion currents characteristic of different embryonic cell types and tissues.