Эволюционные различия в ультраструктурных компонентах и механизмах дифференцировки клеток животных

Лекция 02
Эволюционные различия в
ультраструктурных компонентах и
механизмах дифференцировки
клеток животных
• Эволюционные различия состоят в единых
инновациях всех типов клеток позвоночных в
сравнении с беспозвоночными:
• 1) Подразумевают главенство консерватизма:
гены, сигнальные цепочки (на примере Foxгенов, Hh- и Wnt-сигнальных цепочек)
• 2). Действие гормонов и их рецепторов (на
примере стероидов –липидных гормонов)
• 3) У беспозвоночных - поляризация клеток:
рафты (не содержащие или содержащие
стеролы), редко - волоски
• 4) У позвоночных - поляризация клеток:
волоски- очень часто, рафты -повсеместно
•Стеролы и их
производные
широко
распространены у
всех эукариот
Виды стеролов. Стеролы- это особый вид липидов. Они входят в
состав клеточных мембран, главным образом в рафты.У
беспозвоночных в мембранах может содержатся до нескольких
десятков (сотен) различных стеролов. Только холестерин служит у
позвоночных субстратом стероидных гормонов. Только один стерол
- холестерин входит в состав рафтов позвоночных.
Все гормоно-подобные стероиды у беспозвоночных
образуются только из холестерина
FoxO (daf-16) у нематоды регулирует долголетие, то есть переживание
неблагоприятных условий (активен в сенсорных нейронах и в гиподерме).
Фактически транскрипционные факторы этого семейства координированно
регулирует углеводный и липидный обмен (Matyash et al., 2004; с
модикациями).
Ядерные рецепторы (особая разновидность транскрипционных
факторов) появляются только у многоклеточных (начиная с
беспозвоночных) животных, а их подсемейство – стероидные
рецепторы, появляются еще позже (главным образом, у
позвоночных) (Baker, 2001-2008)
Большинство генов в геномах
многоклеточных животных –
консервативно.
• Понятия «Консервативные гены,
кодируемые ими белки и сигнальные
цепочки (сети)» подразумевают
эволюционную гомологию генов и их
регуляторных цепочек у многоклеточных
животных.
• Гомологичные гены такого рода
называются ортологичными.
Мутации, ведущие к крупным перестройкам
организма,
могут затрагивать гены, контролирующие узловые
пути раннего развития (часто их регуляторные
районы).
Число белок-кодирующих генов в геномах (до двух
десятков тысяч) многоклеточных организмов хотя и
может увеличиваться в эволюционом ряду от низших
к высшим, но всё же не настолько, чтобы объяснить
все эволюционные усложнения организации их
форм.
Вероятнее, что многие гены высших животных
гомологичны генам низших и могут контролировать
сходные функции, приобретая одновременно и
новые. Такие гены называются ортологичными.
Гомологичные гены в геноме животных одного и того
же вида называются паралогичными.
Главный путь усложнения геномов - усложнение
регуляторных механизмов экспрессии генов
Wnt-сигнальный каскад у различных организмов (гомологичные
элементы у разных видов животных отмечены одинаковым цветом)
(Gilbert, 2003).
Консерватизм и широкая тканевая специфика
действия FoxO (Nakae et al., 2008).
• Рафты жесткие
элементы
плазматических
мембран клеток,
перемещающиеся
планарно внутри
мембран
Структура рафтов в мембранах животных. Рафты - главным
образом, липидные структуры - отвечают за биохимическую и
структурную поляризацию клеток. Их количество в мембранах
клеток эволюционно возрастает. У нематоды рафты найдены
только в ограниченном числе типов клеток (Zurzolo et al.,2003).
• В состав рафтов беспозвоночных могут входить
разнообразные стеролы, встречающиеся у животных
или заимствованные с пищей у других организмов
• В состав рафтов позвоночных входит только
холестерин. Благодаря его свойствам, рафты имеют
оптимальную ригидность и служат направленному
транспорту, сигналингу и поляризации
биомолекулярных структур.
• В рафтах позвоночных избирательно
концентрируются рецепторы ряда важных
паракринных факторов, включая Hedgehog и Wnt.
Они, кроме всего прочего, модифицируются
липидами и благодаря им реализуют свои функции.
•Первичные
волоски
(primary cilia),
жгутики
Сперматогенез
акросома
головка
Секреторный пузырекс
Гидролитическими
ферментами
митохондрии
Микротрубочки
аксонемы
ядро
Средняя часть
Митохондрия
Плазматическая
мембрана
хвост
Плотное волокно
Плазматическая
мембрана
жгутик
Движение за счет
динеиновых моторных белков,
Гидролиз АТФ
Сократительный аппарат жгутика
сперматозоида млекопитающего (активация
подвижности в epididymis). Роль АТФ-азного
белка динеина в обеспечении жгутика
энергии (Gilbert, 2003)
Структура клеточного волоска у
многоклеточных животных (Gerdes et al., 2009)
Внутриклеточный везикулярный и
внутриволосковый («внутрижгутиковый»)
транспорт(Gerdes et al., 2009)
Цилиогенез (морфогенез
волоска) (Gerdes et al., 2009)
Shh- и Wnt- сигналинг в первичном волоске (Gerdes et al., 2009)
Цилиопатии как пример проявления
нарушений модульной организации
многоклеточных животных
• Целый ряд структурно-физиологических аномалий
животных и человека, имеет множественные
проявления и обусловлен дефектами формирования
и функционирования первичных волосков
(цилиопатии): почечный кистоз, сцепленный с
полидактилией,кистозы печени, поджелудочной
железы, утрата зрения/дефекты ЦНC, связанные с
апоптозом (нейродегенеративные заболевания),
дефекты внутренннего уха, другой сенсорики,
нарушения нормальной лево-правой ассимметрии
органов (situs inversus), бронхиальная
недостаточность и т.д. и т.п.