Радиально-симметричные животные, такие как Cnidaria, к которым принадлежит и пресноводный полип гидра ( Hydra), имеют диффузную нервную сеть. Несмотря на свою примитивность, она позволяет животным выполнять довольно сложные для них задачи: захватывать добычу, менять положение, расслаблять тело и прикрепляться подошвой к субстрату, выбрасывать непереваренные остатки пищи и т.п. Критическим этапом в эволюции высших организмов стало появление билатеральной схемы строения тела. С образованием медиолатеральной оси, появилась возможность сконцентрировать нервную систему в виде узла и локализовать мышечные клетки. Эти свойства дали, в свою очередь, возможность маневрирования контролируемых волнообразных движений удлиняющегося тела, что позволило животным осуществлять более сложные и эффективные передвижения.

Появление билатеральной схемы тела связано с появлением организатора срединной линии у радиально-симметричных животных. Таким организатором может быть источник или область стока (sink region) морфогенетического вещества, обеспечивающего позиционную информацию для дорсо-вентральных (DV) или медио-латеральных осей. Нейроны ЦНС локализуются в областях, близких к организаторам срединной линии. У Drosophila melanogaster, к примеру, родоначальники специфических нервных клеток появляются на совершенно определенном расстоянии от срединной линии (1). Если такие родоначальники нервных клеток трансплантировать ближе к срединной линии их функции изменятся в соответствии с их новым положением, но останутся неизменными при трансплантации дальше от срединной линии. Такой тип поведения клеток типичен для систем интерпретирующих позиционную информацию (2).

Организатор срединной линии имеет форму, отличающуюся от обычного Шпемановского организатора. Он простирается вдоль всей передне-задней (anteroposterior - AP) оси и имеет небольшую медио-латеральную протяженность. Образование такого организатора – крайне тонкий процесс. Как объяснить тот факт, что клетки, расположенные латеральнее срединной линии, не являются составной частью организатора, а клетки, расположенные вдоль срединной линии, вполне годятся для этой роли? Если это связано с участием каких-то латеральных ингибиторов, то почему срединная линия не рассыпается на отдельные кусочки? Как происходит коррекция ориентации срединной линии вдоль оси и почему она не закручивается подобно спирали вокруг тела? Хорошо известно, что все процессы развития координируются взаимодействием молекул. Какие типы молекулярных взаимодействий могут участвовать в образовании организатора срединной линии с нужными свойствами? В данном обзоре представлены как уже хорошо известные факты, изложенные в литературе, так и данные теоретического анализа паттерн-формирующих реакций для доказательства того, что такой паттерн может появиться в результате сочетания нескольких паттерн-формирующих реакций.

Сравнительный анализ позвоночных, насекомых и планарий показал, что в процессе эволюции существовали разные стратегии формировании срединной линии. У позвоночных дорсальный организатор вызывает инициацию и элонгацию срединной линии в переднем и заднем направлениях, а срединная линия и позже образующийся нервный ствол развиваются дорсально. У насекомых дорсальный организатор репрессирует образование срединной линии, поэтому срединная линия находится на вентральной стороне. Этим можно объяснить хорошо известный факт, что под влиянием одной и той же сигнальной системы нервный ствол развивается дорсально у позвоночных и вентрально у насекомых (3, 4). У позвоночных срединная линия последовательно удлиняется вдоль АР оси, тогда как у насекомых она образуется вдоль DV оси. Доказано, что у плоских червей планарий DV ось имеет иерархический примитивный паттерн. Граница между клетками с дорсальной и вентральной спецификацией, которая проходит через весь организм, приобретает организующие свойства вторично и локализует дорсальную срединную линию репульсивно, т.е. посредством «отталкивания». .

В настоящее время общепринято считать, что билатерально симметричные организмы эволюционировали из радиально-симметричных чашевидных или гаструлообразных организмов, что такой переход произошел лишь единственный раз в процессе эволюции и что именно это событие привело к urbilaterian (7, 8). Полагают, что разнообразие ныне существующих высших организмов является результатом более поздней диверсификации. Различные стратегии формирования срединной линии, описанные в данной работе, поднимают ряд вопросов, касающихся концепции уникальной urbilaterian родоначальника, а авторы предлагают возможные сценарии важнейших этапов эволюции билатеральных организмов.

Согласно одной из гипотез образование срединной линии, она рассматривается как часть или остаток бластопора - отверстия, посредством которого полость зародыша животного на стадии гаструлы сообщается с окружающей средой (9-11). Предполагается, что изначально округлый бластопор удлиняется в одном направлении и укорачивается в другом, формируя, таким образом, удлиненную щелевидную структуру – будущую срединную линию и невральную сторону (РИС,1а-с). Существует также вариант этой гипотезы, так называемая radial head hypothesis (12), согласно которой срединная линия – результат элонгации исходно круглого бластопора, начинающейся с заднего конца. Однако недавние исследования генной экспрессии подтвердили классическую гипотезу, в соответствии с которой бластопор образует самый задний полюс (13, 14), а не срединную линию (РИС.1, d-f). Например, предполагают, что ген Brachyury, является маркером бластопора. Если модель бластопор-срединная линия верна, то можно ожидать, что ген brachyury экспрессируется у насекомых вдоль срединной линии, однако его экспрессия ограничена лишь задним полюсом (15). Отсюда возникает вопрос: если не существует никакой элонгации бластопора, предшествующей образованию срединной линии, то как может сигнальная система обнаружить, что должна генерировать узкий, но протяженный источник или область стока (sink region)?

Проблемы формирования полоски

Ряд наблюдений показал, что формирование срединной линии базируется на самой настоящей паттерн-формирующей реакции. Маркеры, соответствующие срединной линии, могут восстанавливаться после ее удаления (16-18), указывая на то, что существующий организатор срединной линии оказывает влияние на какой-то вид латерального ингибирования. В целом, формирование паттерна является возможным, если субстанция, само-усиливающая собственную продукцию, взаимодействует с долгосрочным антагонистом (2, 19, 20). Nodal–lefty2 взаимодействие, участвующее в формировании срединной линии, имеет вполне предсказуемые свойства. Активация гена nodal является самоусиливающейся и регулирует образование своего собственного антагониста lefty2, который, в свою очередь, блокирует активацию nodal (21-23). Однако математическое моделирование паттерн-формирующих процессов показало (РИС.2), что прямая, обособленная в форме полоски организующая область, не может быть образована посредством только одной паттерн-формирующей реакции. В отсутствии других ограничений, активированные области, формируемые таким путем, имеют точечную или пятнообразную форму поскольку градация вокруг максимума является одной и той же во всех направлениях (РИС.2а). Однако активированные области, имеющие форму полоски, могут появляться, если самоусиливающая реакция «перенасыщена» из-за возможных ограничивающих скорость этапов. (24, 25) (РИС.2b). Локализованный максимальный пик вызывает расширение активированных областей до тех пор, пока не наступит равновесие между самоусилением и антагонистической реакцией. Однако для стабильной активации латеральное ингибирование требует расположенных рядом неактивированных клеток, в которые могут быть «сброшены» антагонисты и/или из которых может быть получен необходимый ко-фактор. Эти, на первый взгляд, несовместимые требования – т.е. крупные активированные области и неактивированные клетки, расположенные в непосредственной близости –удовлетворяются полосковидным паттерном. В такой ситуации каждая активированная клетка имеет активированных «соседей» вдоль полоски и неактивированных «соседей», расположенных перпендикулярно.

Однако такая формирующая полоску система еще недостаточна для появления отдельной прямой полоски. После инициации случайной флуктуации формируются меандрические полоски, которые могут раздваиваться (РИС.2b). Ширина полосок и ее внутренних областей имеют один и тот же порядок, напоминая доминантные колонки в зрительной коре (26), рисунок зебры или тропической рыбы (27). Проблему появления множественных полосок нельзя объяснить усилением латерального ингибирования, поскольку в этом случае полоска распалась бы на отдельные кусочки. Следовательно, необходима дополнительная паттерн-формирующая реакция, позволяющая сформировать единственную полоску – будущий организатор срединной линии. Если такой паттерн подвергнется мутации, может нарушиться регулярный характера системы срединной линии.

Туловище предка становится мозгом

Считают, что книдарии напоминают древние многоклеточные организмы еще до появления билатеральности в эволюции. Следовательно, такие животные как гидра могут рассматриваться в качестве живых ископаемых, дающих информацию о формировании оси до развития билатеральности. Сравнение паттерна экспрессии некоторых критических генов указывает, что почти все тело радиально-симметричного гидроподобного предка у высших организмов превратилось в мозг и сердце (28) (РИС.1d-f ). Ген Otx, являющийся маркером переднего и среднего мозга, экспрессируется по всему телу гидры, за исключением самых терминальных областей (29). Гомологичный ген у short-germ насекомого Tribolium castaneum (сем. Чернотелки) экспрессируются в передней половине эмбриона и важен для формирования головы (30). Паттерн экспрессии Nkx2.5 (31) указывает, что подошва ныне существующей гидры имеет ту же позиционную адресность, что и передний мозг и сердце высших организмов, и что он отражает наиболее передние невральные и энтодермальные структуры (32-34). Подошва гидры имеет свойства насоса, поэтому на частоту её сокращений могут влиять пептиды, меняющие частоту сокращений сердца у млекопитающих (35, 36). Так называемая голова гидры, включающая гипостом и гастральное отверстие (анус), представляет наиболее заднюю структуру, т.е. бластопор, на что указывает экспрессия генов brachyury и Wnt (37, 38). Это указывает на то, что гастральное отверстие было сформировано в месте, которое у ныне существующих высших организмов находится точно позади по отношению к среднему мозгу (задняя Otx граница). Гомологи goosecoid (39) и brachyury (37) экспрессируются у гидры в рядом расположенных кольцах (rings ) вблизи гастрального отверстия. У позвоночных goosecoid участвует в паттернировании головы (40), а brachyury - в формировании хвоста (41), следовательно туловище – наиболее крупная часть всех ныне существующих высших организмов – эволюционировало и дифференцировалось вблизи заднего конца организма-родоначальника. Эта гипотеза объясняет другие довольно запутанные наблюдения о том, что гены, обычно экспрессирующиеся в мозге, например, гомологи aristaless и ems (42, 43) и задней части ( brachyury) (41) экспрессируются на одном и том же конце туловища. С другой стороны, типичные Hox гены с их 3’-5’ коллинеарной организацией, характерной для формирования туловища у высших организмов, не были найдены у гидры (44, 45). Это свидетельствует в пользу предположения о том, что гидра сохраняет древний осевой паттерн до формирования туловища и срединной линии, появившихся во время эволюции.

Т.о. сравнение паттернов молекулярной экспрессии у coelenterate и высших организмов показало, что АР ось высших организмов состоит из двух частей. Родоначальная древняя передняя часть использовалась для паттернирования тела радиально симметричных предков, а у высших организмов она распространяется от наиболее переднего положения к задней границе среднего мозга. Она включает сигнальные системы для формирования сердца и germ-cells. С помощью такой схемы можно объяснить, почему сердце и germs cells расположены гораздо ниже по сравнению с их окончательным положением во взрослом организме. Предполагают, что высоко консервативный паттерн мозга высших организмов (46-48) зарождается в консервативном паттерне тела радиально-симметричных общих предков. Вновь эволюционировавшая часть – туловище – образуется в результате добавления структур, расположенных кзади по отношению к мозгу (РИС. 1f). Такая последовательность событий повторяется в онтогенетическом развитии многих животных, включая позвоночных, short germ насекомых и аннелид.

Решение проблемы у позвоночных

АР организатор становится крупным кольцом. Как было сказано выше, паттернирование тела древних радиально-симметричных организмов и элементарное АР паттернирование мозга у высших организмов считаются гомологичными процессами. Классические эксперименты показали, что у гидры гипостом действует как организатор для единственной оси. Гены β-Catenin, Tcf, Wnt и brachyury экспрессировались в этом организаторе, Wnt экспрессия ограничивалась небольшой областью в виде пятна, окружающей гастральное отверстие (38). В отличие от гидры, такие же зоны у амфибий и рыб – маргинальная зона и зародышевое кольцо (germ ring) – представляют собой кольца с диаметром почти такого же крупного размера, что и у эмбриона. Имеются доказательства, что древний участок АР оси, т.е. область, простирающаяся от переднего конца тела к задней границе мозга, еще контролируется бластопором, несмотря на его увеличение до кольца. Такая АР организация не требует организатора типа Шпемановского, что наиболее четко было продемонстрировано для рыбки полосатый данио. Формирование любого дорсального организатора супрессировалось удалением цитоплазматических компонентов из оплодотворенного яйца (49). Тем не менее, Otx and Krox20, являющиеся маркерами передней части АP оси, экспрессировались в нормальном переднее-заднем порядке радиально-симметричнным способом (в этом эксперименте экспрессия невральных маркеров осуществлялась, несмотря на утрату дорсального сигнала из-за супрессии гена swirl/Bmp2). Таким образом, скорее кольцо бластопора (область Wnt/brachyury экспрессии), а не дорсальный организатор типа Шпемановского, эквивалентен организатору радиально-симметричного родоначальника. Последовательная активация клеток, расположенных кзади, имеет место в маргинальной зоне (50), за исключением Шпемановского организатора. Доказано, что Wnt действует как морфоген для АР паттернирования головы (51-53), но известно, что и другие молекулы участвуют в этом процессе (13).

Крупное бластопорное кольцо обязательно ориентировано перпендикулярно по отношению к АР оси. Вторичный, похожий на пятно организатор, появляющийся на этом кольце, является, следовательно, вполне подходящим кандидатом для организации будущей оси, перпендикулярной АР оси. Расширение небольшого пятна в крупное кольцо было необходимым условием для генерирования внеосевого положения, чтобы организовать такую вторую ось. В отличие от небольшой области организатора у гидры, крупный, имеющий форму кольца бластопор у позвоночных не может появиться спонтанно, а должен приобрести спецификацию с помощью сигнальной системы. У Xenopus laevis это зависит от формирования крупной когерентной энтодермальной области. Граница между энтодермой и эктодермой имеет форму крупного кольца и оно формирует мезодермальную маргинальную зону и бластопор (РИС 3d-f). У эмбриона гидры энтодермальные клетки сначала появляются в случайном порядке (54). Т.о. во время эволюции происходят важные изменения в раннем развитии, необходимые для превращения маленького пятна в крупный бластопор, имеющий кольцевую форму. Выраженная асимметрия, такая как Nieuwkoop centre у амфибий (55), нуждается в гарантии того, что только один организатор сформирован на большом кольце. Это особенно важно для крупных эмбрионов, таких как у лягушек, т.к. ингибиторное взаимодействие вокруг большой маргинальной зоны необходимо довольно продолжительное время (56). Такая асимметрия менее важна для небольших эмбрионов, таких как у мышей, где каждый из бластомеров четырехклеточного эмбриона способен формировать целый организм.

У гидры перегруппированные клетки могут формировать нормальное целое животное (57), тогда как сходные манипуляции у позвоночных дают только отдельные структуры (58). В терминах предполагаемой модели это ведет к регенерации единственной организующей области (РИС.2а). Однако бластопорное кольцо не может быть воспроизведено спонтанно путем саморегуляции, делая восстановление всей системы координат невозможным.

Формирование срединной линии путем элонгации. Механизм формирования срединной линии у позвоночных, можно проиллюстрировать на следующих аналогах. Облака множества форм могут образовываться спонтанно. Однако одно единственное прямолинейное облако на голубом небе появляется только как след от самолета: движущееся похожее на пятно устройство оставляет позади себя узкую, но удлиненную структуру. Аналогично Шпемановский организатор или первичный узелок работает как движущаяся, похожая на пятно, структура, оставляющая после себя срединную линию. DV (или медиолатеральная) ось организована срединной линией, но не самим организатором. Значительное, с широким диапазоном боковое ингибирование организатора гарантирует формирование единственной срединной линии. Сама срединная линии может состоять из цепочки стабильно дифференцированных клеток или системы, формирующей полоску, которая нужна только для ослабления латерального ингибирования. В обоих случаях полоска будет устойчивой против распада на отдельные кусочки. Если латеральное ингибирования срединной линии слабое, тогда в экспериментальных условиях рядом могут сосуществовать две срединные линии. Однако новая организующая область может быть инициирована только на значительном расстоянии (59). На РИС.3 показана модель, согласно которой spot-like патер-формирующая система инициирует strip –формирующую систему, которая, в свою очередь, перемещает spot-формирующую систему, вызывая удлинение полоски. Со временем образуется единственная прямая полоска.

Положение, в котором впервые появляется организатор, обычно рассматривается как антеро-дорсальное, но это не всегда верно. Его раннее положение антериорально только по отношению к еще не сформированному туловищу, но постериорально по отношению к мозгу; т.е. находится позади изначальной АР оси. Это наиболее очевидно для куриного эмбриона, у которого голова и сердце формируются антериаорально по отношению к положению раннего узелка (РИС.4). Значит, срединная полоска у позвоночных появляется в двух частях. Передняя часть распространяется кпереди из раннего узелка и нужна для DV паттернирования мозга. Это достигается с помощью мезодермальных клеток, перемещающихся на ранних стадиях из бластопора и мигрирующих под будущую головную эктодерму (60). Клетки, происходящие из организатора и экспрессирующие особые гены, такие как chordin и goosecoid приобретают форму полоски в пределах пласта мезодермальных клеток, формируя прехордальную пластинку. Через индукцию прехордальная пластинка дает возможность образоваться нейронам в поверхностной эктодерме.

Элонгация срединной линии кзади базируется на нескольких процессах. Клетки из наиболее латерального положения движутся по направлению к организатору и формируют срединную линию вместе с клетками происходящими из пула стволовых клеток организатора. Этот процесс приводит к появлению кольцевидной структуры мезодермы, перпендикулярной АР оси, для того чтобы затем превратиться в палочковидную структуру параллельную АP оси (РИС.3). Это было показано при изучении экспрессии brachyury во время гаструляции (61, 62). У организатора амфибий области, организующие голову и туловище, могут различаться на ранних стадиях развития (63). Нотохорда появляется во время задней элонгации и формирования туловища.

Клетки, противоположные дорсальному организатору, обычно рассматриваются как вентральные. Однако недавние исследования по картированию судьбы клеток показали, что эти «вентральные» клетки образуют крайне важные задние структуры (64, 65). Такое несоответствие может быть устранено, если иметь в виду, что проходит довольно много времени пока клетки-антиподы приблизятся достаточно близко к организатору. В течение этого времени срединная линия достигает своей АР длины. Следовательно, клетки диаметрально противоположные организатору, интегрируются в аксиальный паттерн на относительно поздней стадии и образуют задние структуры. Согласно предполагаемому механизму, дорсальная или вентральная судьба решается не в зависимости от расстояния от организатора, а в зависимости от финального расстояния до срединной линии, которая расположена слева кзади движущегося организатора.

Срединная линия является не только структурой, которая образуется в двух частях: различные механизмы используются для паттернирования передней и задней частей эмбриона. В области мозга молекула Wnt используется в зависимости от концентрации (51-53). В туловище же колебания присутствуют в наиболее задней части, что периодически приводит к образованию сомитов (66, 67). Такие же колебания имеют место при активации генов Hox (68, 69). Сочетание временно’го периодического паттерна и последовательной активации генов было предсказано на основании теоретических расчетов (2) при вычислении появления пространственно периодического паттерна – сомитов – в которых отдельные индивидуальные единицы отличаются друг от друга, подчиняясь определенной системе и воспроизведению. Это дает возможность периодическому паттерну (сомитам) и паттерну АР-специфической генной активации формироваться точно в регистре.

Граница между средним и задним мозгом является важной организующей областью мозга, (70) а задняя граница Otx экспрессии играет важную роль в ее установлении. Соответствующая задняя граница Otx экспрессии следует за гипостомальной организующей областью (29) (РИС.1). Это означает, что задний конец организма-родоначальника соответствует заднему концу среднего мозга у позвоночных. Действительно, АР организация заднего мозга и первые 6-8 сомитов напоминают третью АР систему, в которой градиент ретиноевой кислоты функционирует как морфоген (71,72). Это указывает на то, что АР паттернирование является трехэтапным процессом: во-первых, наиболее передние древние части паттернируются Wnt градиентом. Во-вторых, начальные стадии задней элонгации контролируются вторичной градиентной системой, которая использует ретиноевую кислоту для формирования заднего мозга и первых сомитов. И, наконец, даже наиболее задние структуры появляются в результате «колебательной» генной активации. Следовательно, организующая область на границе среднего и заднего мозга может быть потомком первичного организатора, который когда-то появился у радиально-симметричных предков. Wnt играет критическую роль в этих организующих областях, и обе они расположены кзади по отношению к области Otx экспрессии.

Решение проблемы у насекомых

Стратегия формирования срединной линии у насекомых в корне отличается от ее формирования у позвоночных. У D. melanogaster имеется дорсальная организующая область, но она не располагается на бластопоре и не удлиняет срединную линию. Не существует также никаких превращений пятновидной области в палочковидную, а срединная линия полностью распространена вдоль АР оси с самого начала. Предполагают, что репрессия происходит из дорсального пятновидного организатора и это ограничивает переход полоски системы срединной линии на противоположную вентральную сторону. Превращение вентральной линии в узкую длинную полоску достигается паттернирующим механизмом, основанном на самоусилении и долгосрочном ингибировании (24) (РИС.5). Одновременное формирование срединной линии вдоль АР оси и ее истончение вдоль DV оси – наиболее четко показано у short germ насекомого T. castaneum (73) (РИС. 5d-g).

У D. melanogaster формирование срединной линии зависит от связи между ооцитом и окружающими его фолликулярными клетками (74,75). Во время критической стадии развития ооцит имеет форму конуса. Ядро движется от заднего конца к пограничному положению на округлой передней стороне (76). Этот процесс неизбежно связан с нарушением симметрии (77). Связь между ядром и ближайшими фолликулярными клетками посредством сигнального пути эпидермального фактора роста (epidermal growth factor - EGF) ведет к образованию дорсально организующего центра (78) – процесс в который вовлечена ауторегуляция и ингибиторные компоненты (79) и это соответствует главной теории автора (2, 19, 20). На этой стадии фолликулярные клетки на вентральной стороне находятся все примерно на одном расстоянии о дорсального организатора (РИС. 6а). Репрессирующее влияние белка Gurken, который продуцируется в дорсальном организаторе, ограничивает экспрессию гена pipe вентральными фолликулярными клетками (80-82). Результирующая экспрессия гена pipe оказывается шире, чем вентральная срединная линия. Через сложный каскад похожая на плато активация pipe в фолликулярных клетках дает начало характерной срединной линии в ооците (74,75). То, что широкая pipe полоска (благодаря снижению gurken активности) ведет не к расширению срединной линии, а к ее расщеплению на две параллельных линии (83) (РИС.6с), является четким индикатором того, что здесь участвует истинный паттернформирующий процесс. Механизм, который объясняет эти наблюдения, проиллюстрирован на РИС.6. Т.о., у D. melanogaster проблема множественных полосок, свойственная механизму формирования полоски, разрешается с помощью репрессии, исходящей из дорсального пятновидного организатора. Если такое репрессивное влияние функционирует не полностью, то система, формирующая полоски, образует множественные, изогнутые и раздвоенные полоски (83) (см. РИС. 2), что и соответствует теоретически ожидаемому.

Плоские черви: DV граница

Более пристальный взгляд на планарий показал, что перечень возможных проблем еще не исчерпывается вышеизложенными примерами. Планарии хорошо известны по их почти неограниченной способности к регенерации (84-86), а иерархичность их АР и DV осей, как оказалось, кардинально отличается от насекомых и позвоночных. У планарий конфронтация между дорсальными и вентральными клетками является непременным условием для регенерации передней или задней терминальных областей (87, 88), тогда как у позвоночных древний АР паттерн может быть сформирован без участия DV паттерна (49). Как показано ниже, многие данные указывают, что у планарий сначала детерминируются латеральные позиции, а формирование срединной линии является вторичным событием.

Никакой информации о формировании срединной линии у планарий нет, хотя гомолог bone morphogenetic protein (BMP) был клонирован у Dugesia japonica (РИС.7а). Он контролирует форму срединной линии на дорсальной стороне вдоль АР оси. Все эти наблюдения дают возможность предположить наличие следующего механизма: (РИС.7b-d). На самых ранних стадиях развития формируется DV паттерн, который специфицирует дорсальные и вентральные части организма (89). Такая детерминация остается неизменной во время всех последующих регуляций паттерна. Граница между дорсальной и вентральной частями, опоясывающая организм, приобретает организующие свойства. Передние или задние терминальные структуры зависят от этой организующей границы и могут появиться вблизи нее. До тех пор пока расстояние между терминальными структурами небольшое и не накладываются никакие другие конструкции, большинство передних и задних структур появляется на наибольшем возможном расстоянии друг от друга. Интеркаляция структур между полюсами ведет к удлинению организма. DV граница, окружающая удлиненный организм, работает как источник медиолатеральной организации, подавляя образование срединной линии. Таким способом две основных оси тела удерживаются в состоянии перпендикулярном друг другу. Например, образование полоски BMP экспрессии, о которой говорилось выше, может быть объяснено тем, что BMP является частью паттерн-формирующей системы, и что подавление влияния распространяется от DV границы (РИС.7 e, f). Придерживаясь этой модели, Orii с соавт. (90) обнаружили, что в длинных фрагментах с любой стороны, не содержащей срединной линии, BMP экспрессия распространена сначала довольно широко и со временем сжимается.

Такая динамика соответствует модели формирования паттерна, в соответствии с которой регенерация срединной линии происходит на последующих этапах. Удаление BMP-экспрессиирующей срединной линий способствует ингибированию BMP активации. Сначала происходит более или менее одинаковая активация, но через локальное самоусиление и долгосрочное ингибирование начинается конкуренция за BMP активирование и в выигрыше окажутся те клетки, которые имеют наибольшее расстояние от DV границы. И хотя для планарий нет никаких данных, ауторегуляция BMP экспрессии и диффузного BMP антагониста была описана для других систем (91,92). В экспериментах по регенерации, описанных выше, первая локализация BMP появляется недалеко от надрезанной стороны (90). Предположительно проходит некоторое время во время регенерации до того как DV граница станет полностью функциональной и приобретёт свое репеллентное влияние. Такой механизм будет означать, что у планарий наиболее латеральное положение детерминируется первым, а срединная линия лежит ниже на самом большом возможном расстоянии.

Разделение на четкие верхние и нижние части у плоского червя является аналогом других плоских систем в биологии. Пластинчатая форма крыла или крыла D. melanogaster также зависит от конфронтации двух слоев с разной детерминацией: дорсального и вентрального в имагинальном диске (93) и абаксиального (abaxial) и адаксиального (adaxial) в крыле (94, 95). В обоих случаях первичная граница между двумя ранними детерминантами приобретает организующие функции – свойство, которое было предсказано для обеих систем теоретически (96,97).

Заключение

У высших организмов установление DV оси является непременным условием образования ЦНС. Формирование соответствующих областей-организаторов с их протяженным распространением вдоль АР оси и достаточно небольшим распространением перпендикулярно этой оси, требует нескольких связанных реакций. Примеры, обсуждаемые в данном обзоре, показывают, что в этот процесс вовлечен широкий спектр механизмов, формирующих срединную линию, несмотря на то, что в реализации этих механизмов участвуют часто одни и те же молекулярные компоненты. У позвоночных формирование срединной линии происходит в результате последовательной элонгации, управляемой силами организатора. Срединная линия появляется на той же стороне эмбриона, что и организатор (РИС.3). У насекомых дорсальный организатор «отталкивает» срединную линию. Срединная линия, а, следовательно, и ЦНС, появляются на вентральной стороне. Вся АР ось присутствует с самого начала (РИС.5) и никаких перемещений узелка и прехордальной пластинки в этом случае не требуется. Предполагают, что у планарий происходит обратная последовательность событий: сначала детерминируются наиболее латеральные позиции, а затем срединная линия (РИС.7). Скорее всего, этим еще не исчерпан список возможных механизмов. Их разнообразие неизбежно поднимает вопрос о том, действительно ли переход от радиально симметричного к билатерально симметричному плану тела происходит во время эволюции всего один раз, как это постулируется urbilaterian концепцией? Существует альтернативная и весьма вероятная возможность того, что паттернирующие системы, необходимые для АР и DV осей уже эволюционировали у радиально-симметричных древних организмов и что обе эти системы участвовали в организации АР оси (единственной оси, имеющей систематический паттерн у этих организмов). Действительно, chordin/Bmp сигнальный путь, ответственный за DV паттернирование у всех высших организмов (98) имеется и у радиально симметричных Сoelenterates (44, 99-101) (T. Holstein, F. Rentzsch and B.Hobmayer, personal communication). И chordin-Bmp, и β-catenin-Wnt-Nkx2.5 паттерны ориентированы параллельно АР оси. Следовательно, образование вторичной оси у Bilateria (двусторонне-симметричные животные) основано на взаимной переориентации двух ранее существующих, изначально почти параллельных паттернирующих систем, а не на изобретении новой системы. Разные phyla обнаруживают разные механизмы разделения двух паттернирующих систем и трансформации от пятновидного к полосковидному организатору.

Срединная линия и нервный ствол появляются дорсально у позвоночных, но вентрально у насекомых (3,4) (РИС. 3 h,i и 6а). Возможное происхождение такой необычной DV-VD инверсии широко обсуждалось (102-104). Схема, предложенная автором в настоящей статье, предполагает альтернативную возможность - отклонение от радиальной симметрии достигается у обоих phyla путем создания внеосевого организатора, который маркирует дорсальную сторону. У насекомых такой дорсальный организатор отталкивает срединную линию, которая в результате появляется вентрально вместе с нервным стволом. У позвоночных же организатор элонгирует срединную линию, заставляя ее локализоваться дорсально. Значит, DV-VD конверсия может осуществляться с помощью механизма, фундаментально отличающегося от механизма формирования срединной линии. Возможно, что высказанная гипотеза о разных способах формирования срединной линии была «точкой невозвращения» в расхождении разных phyla. Если же urbilaterian некогда существовала, разные способы формирования срединной линии, описанные в статье, будут указывать на удивительную гибкость к модификациям первичного способа образования срединной линии. В любом случае, связь нескольких паттерн-формирующих реакций, основанных на локальном самоусилении и долгосрочных антагонистических эффектах, является мощным инструментом в появлении сложных паттернов надежным и саморегулирующимся путем. Срединная линия является лишь одним из них.

База: http://cnidbase.bu.edu/ (aristaless | β-catenin | ems | goosecoid | Nkx2.5 | Otx | Tcf |) http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=gene (Brachyury | chordin | Gurken | nodal | lefty2 | Krox20 | pipe)

1. Udolf, G., Luer, K., Bossing, T. & Technau, G. M. Commitment of the CNS progenitors along the dorsoventral axis of Drosophila neuroectoderm. Science 269, 1278-1281 (1995).