Организатор Спемана-Мангольда — группа клеток, ответственных за индукцию нервных тканей в процессе развития эмбрионов амфибий . Впервые описанный в 1924 году Гансом Шпеманном и Хильдой Мангольд , введение организатора предоставило доказательства того, что на судьбу клеток могут влиять факторы из других клеточных популяций. [1] Это открытие существенно повлияло на мир биологии развития и фундаментально изменило понимание раннего развития.
Органайзер Шпемана-Мангольда впервые описали в 1924 году Ганс Спеманн и Хильда Мангольд . До его открытия несколько групп выдвигали гипотезу о том, что существует часть развивающегося эмбриона , которая служит «центром организации». В 1918 и 1921 годах Ганс Спеманн показал, что трансплантация презумптивного эпидермиса в область презумптивной нервной ткани изменит судьбу трансплантированных клеток на судьбу их нового места назначения, и то же самое произошло, когда он трансплантировал презумптивную нервную ткань туда, где формировался презумптивный эпидермис. Спеманн также показал, что при трансплантации кусочка верхней губы бластопора в область презумптивного эпидермиса формируется вторичный эмбриональный зачаток , включающий вторичную нервную трубку , хорду и сомиты . Кроме того, разделение эмбриона пополам и поворот анимального полюса относительно вегетативного полюса приводили к распространению детерминации от нижнего вегетативного полюса, где располагалась верхняя губа бластопора, к верхней животной половине. Он также слил вместе две одинаковые половинки разных эмбрионов и наблюдал образование нервной пластинки . Эта работа предоставила первоначальные доказательства в поддержку идеи о существовании некоего «центра организации», который был определен раньше другой эмбриональной ткани и влиял на детерминацию окружающих клеток. [1]
Чтобы проверить эту гипотезу Спемана, одна из его аспирантов, Хильда Мангольд, провела эксперименты между 1921 и 1922 годами с использованием эмбрионов Triturus cristatus и Triturus taeniatus , находившихся в стадии гаструляции . Проведенный эксперимент напоминал эксперимент 1918 года, однако вместо гомопластической трансплантации она использовала эмбрионы двух близкородственных видов тритонов. Одним из преимуществ использования эмбрионов cristatus и taeniatus было то, что в клетках эмбрионов cristatus не было пигмента, поэтому судьбу трансплантата можно было легко отследить, если его поместить среди пигментированных клеток taeniatus . Кусок верхней губы бластопора был удален из эмбриона cristatus и трансплантирован в вентральную область презумптивного эпидермиса эмбриона taeniatus , вдали от развивающегося бластопора хозяина. После этой трансплантации она наблюдала образование вторичного эмбрионального зачатка, что соответствует их предыдущей работе. Этот вторичный эмбрион имел нормальные черты первичного эмбриона, включая такие структуры, как нервная пластинка и хорда, хотя они немного отставали в развитии. Срез эмбриона показал, что клетки трансплантата были включены в мезодерму , нервную пластинку, и составляли почти всю хорду вторичного эмбриона. Далее было показано, что нервная пластинка почти полностью состоит из клеток эмбриона хозяина taeniatus . Эти эксперименты пришли к выводу, что кусок верхней губы бластопора можно трансплантировать в индифферентную ткань другого эмбриона и побудить ткань хозяина к образованию вторичного эмбриона, таким образом рассматривая трансплантированную ткань как «центр организации». [1]
Открытие организатора Спемана-Мангольда считается одним из самых влиятельных открытий в области биологии развития и привело к тому, что Ганс Спеманн был удостоен Нобелевской премии в 1935 году за свою работу (Манголд трагически погиб до присуждения Нобелевской премии, поэтому был не имеют права). Механизмы работы этого организатора были предметом десятилетий последующих исследований.
Организатор Спемана-Мангольда относится к популяции клеток эмбриона Xenopus laevis , которая устанавливает дорсо-вентральную и передне-заднюю оси. [2] Хотя организатор существует и у других видов, термин «организатор Спемана-Мангольда» специально зарезервирован для эмбриона амфибии. Организатор Шпемана-Мангольда расположен в дорсальной губе бластопора , где зарождаются гаструляционные движения. Первичные клетки-организаторы мигрируют и локализуются вперед. Ячейки-организаторы подразделяются на головные, туловищные и хвостовые организаторы. Эти отдельные популяции клеток имеют разные индукторы и создают уникальные градиенты факторов роста по мере их миграции. Вторичные межклеточные взаимодействия далее устанавливают оси по мере продолжения гаструляции и нейруляции . [3]
Организатор Спемана-Мангольда особенно важен для индукции мезодермы . В трехсигнальной модели дорсализирующий сигнал от организатора опосредуется градиентами костного морфогенного белка (BMP), что приводит к образованию клеток мезодермальной судьбы. Два других сигнала возникают из вегетативного полюса и индуцируют крайнюю вентральную и дорсальную мезодерму в вышележащей маргинальной зоне. [4]
Для формирования организатора Шпемана-Мангольда в вегетативной шляпке должны присутствовать материнские факторы , такие как mVegT. [5] Передача сигналов пути Wnt является другим важным материнским сигналом в формировании организатора и необходима автономно для экспрессии генов-организаторов. [2] Siamois ( Sia ) и Twin ( Xtwn ) экспрессируются в начале экспрессии зиготических генов в бластуле и активируются посредством передачи сигналов Wnt в центре бластулы, экспрессирующем Chordin и Noggin (BCNE). [6] [5] Sia и Xtwn могут функционировать как гомо- или гетеродимеры, связываясь с консервативным сайтом P3 внутри проксимального элемента (PE) гусекоидного ( Gsc ) промотора . [6] Передача сигналов Wnt также действует совместно с mVegT, повышая регуляцию Xnr5, секретируемого из центра Ньюкупа , во внутренней дорсо-вегетативной области, что затем индуцирует дополнительные факторы транскрипции, такие как Xnr1, Xnr2, Gsc , chordin ( chd ). Последний сигнал опосредуется передачей сигналов Nodal/Activin , индуцируя факторы транскрипции , которые в сочетании с Sia будут индуцировать ген cerberus ( cer ). [5]
Организатор имеет как транскрипционные, так и секретируемые факторы. Факторы транскрипции включают goosecoid, Lim1 и Xnot, которые все являются гомеодоменными белками . Гусекоид был первым обнаруженным геном-организатором, обеспечивающим «первую визуализацию клеток-организаторов Шпемана-Мангольда и их динамических изменений во время гаструляции». [7] Хотя это был первый ген, который был изучен, это не первый ген, который был активирован. После активации транскрипции с помощью Sia и Xtwn Gsc экспрессируется в субпопуляции клеток, охватывающей 60° дуги в дорсальной маргинальной зоне . [8] Экспрессия Gsc активирует экспрессию секретируемых сигнальных молекул. [7] Вентральная инъекция Gsc приводит к фенотипу , который наблюдался в оригинальном эксперименте Спеманна и Мангольда: двойниковая ось. [8]
Секретируемые факторы организатора образуют градиенты в эмбрионе для дифференциации тканей.
После открытия Организатора Зепмана-Мангольда многие лаборатории бросились первыми открывать побудительные факторы, ответственные за эту организацию. [9] Это оказало большое международное влияние: лаборатории в Японии, России и Германии изменили взгляды на организацию развития и ее изучение. [9] [10] [11] Однако из-за медленного прогресса в этой области многие лаборатории отодвигают исследовательские интересы от организатора, но не раньше, чем открытие уже оказало влияние. [9] Спустя 60 лет после открытия Организатора множество Нобелевских премий было вручено биологам развития за работы, на которые оказал влияние Организатор. [10]
До середины 19 века Япония была закрытым обществом, которое не участвовало в достижениях современной биологии до конца того же века. В то время многие студенты, уехавшие за границу для обучения в американских и европейских лабораториях, вернулись с новыми идеями о подходах к наукам о развитии. Когда вернувшиеся студенты попытались включить свои новые идеи в японскую экспериментальную эмбриологию, они были отвергнуты членами Японского биологического общества. После публикации органайзера Спемана-Мангольда еще больше студентов отправились учиться за границу в европейские лаборатории, чтобы узнать больше об этом органайзере и вернуться, чтобы использовать эти знания для достижения огромных преимуществ в эмбриональной биологии того времени. Открытие организатора повлияло на многие проекты индукции эмбрионального развития в Японии. Например, Т. Ямада создал теорию двойного потенциала индукционного процесса у эмбрионов. Еще одним открытием после открытия организатора стала модифицированная карта судьбы Фогта с использованием тритона и бластулы Xenopus , сделанная исследователем Осаму Накамура. Новую концепцию трансдифференцировки предложили Т. С. Окада и Г. Эгучи. Эти и многие другие открытия в Японии были вдохновлены публикацией организатора Спемана и Мангольда. [9]
Публикация организатора Зепмана-Мангольда также имеет огромное влияние на российские исследования развития. Организатора Шпемана поначалу не приняли в России. Российские ученые не согласились с идеей эмбриональных индукторов ( морфогенов ), поскольку внимание российских исследователей было сосредоточено на закономерностях развития в эволюции . Лишь после того, как другой исследователь, А. Гурвич, опубликовал свою теорию эмбриональных полей , русские учёные стали принимать другие теории развития , в том числе и теорию органайзера Сепмана-Мангольда, поскольку она согласовывалась со многими положениями теории Гурвича. Благодаря этому новому влиянию лаборатории в Москве и Ленинграде начали концентрироваться на генетическом контроле индивидуального развития, а не на эволюционном развитии. Россия начала анализировать морфогенетические взаимодействия тканей аналогично Спеману, используя систему глаз-хрусталик. Благодаря этому исследованию Россия смогла расширить свою деятельность в этой области благодаря исследованиям линз и нейронной индукции , а открытие линзовой индукции повлияло на начало открытия в России исследовательских механических лабораторий. [11]
В Германии период сразу после публикации Шпемана-Мангольда был известен как период небольшого прогресса, поскольку многие вопросы, поднятые новым организатором, остались нерешенными. Целостный взгляд организатора Спемана-Мангольда нуждался в дополнительных исследованиях, поскольку на момент публикации многие методы были недоступны. Спеманн положил начало движению в области биологии развития и молекулярной биологии и оказал влияние на многие проекты в Германии, основанные на его открытиях. Работа Спеманна с измельченной тканью-организатором указала на присутствие морфогенов, что затем привело к гипотезе двойного градиента Тойвонена и Саксена. Это привело к открытию, что исследованные ткани содержат факторы, вызывающие индуцирующую активность. Благодаря открытию организатора Шпемана-Мангольда и предложению морфогенов, лаборатории в Германии смогли дополнительно изучить механизмы развития, используя новые методы для расширения знаний в этой области. [10]