Первый признак формирования нервной системы – заметное изменение формы эмбриона. Гаструляция уже нарушила простую форму диска, удлинив его по будущей передне-задней оси тела. После гаструляции удлинение продолжается: короткий и «коренастый» эмбрион становится вытянутым и тонким по мере того, как клетки, меняясь местами с соседями, перебираются все ближе к центральной линии (линии голова – хвост) и выстраиваются вдоль нее. На рис. 16, представляющем схему аналогичного процесса у плодовых мушек, показан один из способов того, как клетки, меняясь местами, могут изменить форму всей ткани.[72],[73] Клетки, которые раньше были отделены друг от друга другими клетками, например L1 и R1, становятся соседями, а клетки, которые жили бок о бок, например M1, M2 и М3, расстаются и расходятся в разные стороны. За счет этого процесса короткий и широкий участок ткани становится длинным и тонким.
Рис. 16. Изменение формы участка ткани за счет смены клетками соседей
Вероятно, клетки могут не только меняться местами, но и активно мигрировать в направлении центральной линии. Оба процесса осуществляются благодаря способности клеток воспринимать сигналы (большинство из них еще только предстоит расшифровать, хотя кое-какие мы уже знаем[74]), которые указывают им направление «голова – хвост» и «лево – право». Этот внутренний «компас»[75] позволяет клеткам ориентироваться в плоскости клеточного пласта. Благодаря работе этого компаса происходит так называемое конвергентное вытяжение эмбриона вдоль оси «голова – хвост»: клетки левой и правой сторон эмбриона конвергентно перемещаются к его центральной линии и выстраиваются вдоль нее. В результате тело эмбриона приобретает удлиненную форму, характерную для взрослого организма. В частности, широкий и короткий участок, расположенный вдоль центральной линии спины, становится длинным и тонким. В том месте, где образуется голова, он, правда, остается чуть более широким, так что тело эмбриона слегка напоминает по форме замочную скважину.
После стабилизации общей формы тела начинается активное развитие нервной системы. Нотохорд, который уже проходит вдоль центральной линии тела (глава 4), секретирует сигнальные белки. Эктодерма в радиусе действия этих сигналов (на практике это означает полоску эктодермы, лежащую непосредственно над нотохордом) готовится к превращению в нервную ткань. В клетках этой полоски включаются ранее неактивные гены; клетки немного утолщаются, готовясь к последующим изменениям формы. Образуется нервная пластинка. Ее клетки немного отличаются друг от друга в зависимости от положения: клетки, находящиеся непосредственно над нотохордом, образуют центральную полоску, а те, что находятся на границе с обыкновенной эктодермой, образуют две краевые полоски. На этом этапе полоски не отличаются внешне, но в дальнейшем они дадут начало соответственно центральной части и краям глубокой борозды (рис. 17).
Клетки нервной пластинки связаны друг с другом тем же типом межклеточных контактов, что и клетки эмбриона на ранней стадии развития, когда они образовывали компактную клеточную массу (глава 3). Внутри каждой клетки эти контакты соединяются друг с другом белковыми микрофиламентами, образующими непрерывную механическую сеть (рис. 18). Важно отметить, что эта сеть в основном залегает не в середине клеточного пласта, а вблизи обращенной наружу поверхности клеток.
Наличие этой сети означает, что никакая клетка не может изменить форму, не оказав при этом воздействия на окружающих ее соседей. Это, в свою очередь, означает, что действия отдельных клеток могут привести к изгибанию эпителиального пласта. Клетки центральной полоски производят большое количество белка Shroom, который взаимодействует с системой микрофиламентов, перестраивая ее так, чтобы межклеточные контакты подтягивались ближе друг к другу.[76] Если смотреть сбоку, профиль клеток центральной полоски изменяется от прямоугольного до клиновидного (рис. 19, а—б). Однако клетки по-прежнему крепко соединены межклеточными контактами, а значит, когда отдельные клетки приобретают клиновидную форму, промежутков между ними не образуется. Это приводит к скручиванию всего клеточного пласта[77] (см. рис. 19, б). В результате этого скручивания центральная линия эктодермы, расположенная вдоль спинной стороны эмбриона, прогибается внутрь, и образуется глубокая бороздка (рис. 19, в). Клетки краевых полосок, напротив, расширяют свои апикальные стороны и сужают базальные, (механизм этого процесса пока непонятен). Такое изменение формы клеток тоже приводит к изгибанию пласта, но уже в другую сторону – вместо борозды образуется валик. Оба процесса приводят к одному и тому же результату: область эктодермы, которая пойдет на формирование нервной ткани, прогибается внутрь и погружается вглубь эмбриона, а края этой области сдвигаются ближе друг к другу.
72
Bertet C, Sulak L, Lecuit T. Myosin-dependent junction remodelling controls planar cell intercalation and axis elongation. Nature. 2004; 429:667–71.
73
Rauzi M, Lenne PF, Lecuit T. Planar polarized actomyosin contractile flows control epithelial junction remodelling. Nature. 2010; 468:1110–14.
74
Wang J, Hamblet NS, Mark S, Dickinson ME, Brinkman BC, Segil N, Fraser SE, Chen P, Wallingford JB, Wynshaw-Boris A. Dishevelled genes mediate a conserved mammalian PCP pathway to regulate convergent extension during neurulation. Development. 2006; 133:767–78.
75
Компасом клеткам служит так называемая планарная полярность клеток (planar cell polarity – PCP). Эпителиальная клетка имеет две полярности. Первая – апико-базальная (апикальная сторона клетки – наружная сторона пласта, базальная – внутренняя), а вторая – PCP – полярность в плоскости эпителиального пласта. Через каждую эпителиальную клетку и через весь эпителиальный пласт можно провести ось, направление которой совпадет с передне-задней осью эмбриона. Некоторые компоненты клетки расположены асимметрично относительно этой оси. Благодаря PCP эпителиальные клетки могут перемещаться в плоскости пласта неслучайным образом. –
76
Lee CC, Liu KL, Tsang YM, Chen SJ, Liu HM. Fetus in fetu in an adult: diagnosis by computed tomography imaging. J Formos Med Assoc. 2005; 104:203–5.
77
Kinoshita N, Sasai N, Misaki K, Yonemura S. Apical accumulation of Rho in the neural plate is important for neural plate cell shape change and neural tube formation. Mol Biol Cell. 2008; 19:2289–99.