Клеточные механизмы окраски данио

самка Данио рерио
Самка Данио рерио

Внутри животного царства наблюдается удивительное многообразие окраски и цветовых рисунков, которые играют важную роль в стратегии выживания организмов. У пресноводной рыбки данио рерио в течение 20 дней после оплодотворения примитивная модель окраски личинок сменяется на рисунок, состоящий из 4-5 продольных темных полос и 4 светлых промежуточных полос. Темные полосы состоят из тонких слоев иридофоров и ксантофоров, тогда как промежуточные — из иридофоров, покрытых ксантофорами.


Существует три типа пигментных клеток:
Иридофоры — (от греч. iris, род. п. iridos — радуга и phoros — несущий) — включают кристаллы азотистого основания — гуанина, придающего блеск коже у рыб, земноводных и пресмыкающихся;
Ксантофоры — (от греч. xanthos — желтый и phoros — несущий) — ярко окрашенные желтые, оранжевые и красные пигментные клетки кожи низших позвоночных и ряда групп беспозвоночных, напр. ракообразных. В состав этих клеток входят птеридины и каротиноиды.
Меланофоры — (от греч. melas, род. падеж melanos — чёрный и phoros — несущий) — включает гранулы с пигментом меланином. Меланофоры отличается от меланоцита тем, что способен перемещать гранулы с пигментом (меланосомы) по клетке. Меланофоры встречаются у рыб, амфибий и рептилий. Совместно с иридофорами и ксантофорами формируют дермальную единицу. Меланофоры могут быть иннервированы (рыбы, рептилии) и неиннервированы (амфибии), в зависимости от этого реакции агрегации/дисперсии пигмента могут проходить либо быстро (5-10 мин), либо медленно (50-80 мин) соответственно. Агрегация активируется различными стимулами, например, адреналином.
Меланобласт — предшественник меланофора


Иридофоры имеют две морфологически разные, но генетически схожие формы: плотные иридофоры промежуточных полос и рыхлые синие иридофоры темных полос. На границе первой промежуточной полосы иридофоры меняют форму и, по средством миграции и пролиферации, в виде рыхлых клеток распространяются дорсально и вентрально (вверх и вниз) в коже мальков. Они формируют сцепленную сеть клеток, покрывающую бока рыб, и выглядят как светлые полосы, расположенные на удалении от горизонтального миосептума, где рисунок формируют плотные иридофоры.


Горизонтальный миосептум — соединительная ткань, частично развивающаяся на верхушке шевроно-подобного миотома и отделяющая дорсальную (верхнюю) и вентральную (брюшную) мышечные стенки тела.


Меланобласты появляются между промежуточными полосами вдоль периферических нейронов, иннервирующих кожу; между собой они отличаются по размеру и могут укрупнятся, образуя компактные темные полосы. Таким образом, темные и светлые полосы формируются различными клеточными путями. Ксантофоры тоненьким слоем располагаются поверх темных полос и плотно покрывают иридофоры светлых полос, что придает им желтоватый оттенок. Взрослые иридофоры и меланобласты образуются из небольшого пула стволовых клеток, расположенных в сегментарном повторяющемся дорсальном моторном ганглии. В свою очередь, происхождение ксантофоров до настоящего времени оставался загадкой.

Анализ мутантных особей данио, не имеющих одного или двух типов пигментных клеток, указывает на критическое значение наличия всех трех типов клеток в появлении взрослой полосатой окраски этих рыбок (подробнее о данио).

Иридофоры играют основную роль в формировании полос, и мутаантные особи с отсутсвием иридофоров не имеют полос на теле. С другой стороны, мутанты с отсутствием ксантофоров (накаут генов pfeffer/fms/csl1a) и меланофоров (накаут генов nacre/mitfa) имеют плохо выраженный неупорядоченный полосатый рисунок. Ген pfeffer (pfe), кодирующий белок csf1a/fms, экспрессируется и требуется в ксантофорах. У взрослых данио мутантов с выключенным геном pfe ряд темных и светлых полос различимы, хотя и неупорядочены. У них полосы из меланофоров распадаются на отдельные пятна, плотные иридофоры захватывают полосы, а затем в зоне промежуточных светлых полос появляются эктопические меланофоры (леопардовый данио). Введение эмбрионам pfe мутантам клеток-предшественников ксантофоров путем трансплантации бластомеров, имеющих нормальный набор экспрессируемых генов, раскрыло важность ксантофоров в формировании четких полос и их окрашивании.

Авторы исследования, опубликованного в 28 августа в журнале Science (Mahalwar et al., 2014), определили источник происхождения ксантофоров и в условиях in vivo установили роль этих клеток в формировании цветового рисунка данио рерио.

В своей работе с целью маркирования ксантофоров личинок на стадии метаморфозы они использовали трансгенные линии данио Tg(fms:Gal4.VP16) вместе с соответствующей линией Tg(Pax7:GFP). Маркированные клетки визуализировались на дорсальной стороне эмбриона через 24 часа после оплодотворения (S1). Эти клетки мигрировали дорсолатерально (под эктодерму, то есть в стороны от нервной трубки, не спускаясь) вдоль нервного гребня, дифференцировались в ксантофоры и распространялись по коже личинки. На брюшной стороне их плотность была снижена (Рис. 1, A и B).

Рисунок 1. Распределение ксантофоров у личинок, метаморфных и взрослых рыб. Пигментация и ксантофоры личинок (A и B) и взрослых особей (C и D). Острие стрелок: на границе полос плотные ксантофоры; стрелки: рыхлые ксантофоры в полосах. (E и F) ксантофоры под высоким увеличением. (G, 1-3) развитие ксантофоров от личинки до постметаморфозной стадии. (H) Нормальная (сверху) и обработанная адреналином (снизу) кожа данио. (I) Плотность ксантофоров на границе полос (XI), ксантофоры полос (XS) и меланофоры (M) взрослых данио. Масштаб: 100 мкм.

Нервный гребень — совокупность клеток, выделяющихся из краевых отделов нервного желобка во время его замыкания в нервную трубку. Клетки нервного гребня обладают развитой способностью мигрировать в организме. Клетки нервного гребня развиваются в весьма разнообразные структуры. Из-за этих двух особенностей и сравнительной лёгкости экспериментов с этим временным органом нервный гребень широко исследуется в эмбриологии.


К 5 дню после оплодотворения личинка имела 6-8 ксантофоров на один сегмент. У взрослых рыб ксантофоры распределялись поверх темных и светлых полос на протяжении всей поверхности тела (Рис.1, C и D). Ксантофоры, связанные с промежуточными светлыми полосами, располагались плотно, были широкими с мелкими выростами и ярко оранжевой пигментацией (стрелки на рисунке 1, D, E, и H; и на рис.2 — S2). С другой стороны, ксантофоры в области темных полос имели сетчатую структуру, распределялись рыхлым слоем. Они ветвились, имели длинные продольные выросты и обладали светлой желтоватой пигментацией (стрелки на рисунке 1, D, F, H; и на рис.2 — S2). Их плотность была в 2.5 раза ниже, чем в промежуточных светлых полосах (Рис. 1I и Рис. S2). Полученные данные свидетельствуют о существовании двух типов ксантофоров: компактных и ярких в области промежуточных полос, и звездчатых, невзрачных в области темных полос.

Модель окраски личинок развивается в модель окраски взрослых особей.
Рисунок 2. Модель окраски личинок развивается в модель окраски взрослых особей. (A, 1-4) A Tg(pax7:GFP) маркированный кластер из 6 ксантофоров, полученный после трансплантации бластомера, линия из белых точек: миосептум. Стрелки в (A, 3-4): клетки в митозе на 23 день после оплодотворения. (B) Клон ксантофоров, полученный на 5 сутки после оплодотворения. (C) Возрастание числа ксантофоров на особь Tg(Pax7:GFP) cluster; каждая линия представляет один обнаруженный кластер. Масштаб: 100 мкм

Анализ развития ксантофоров во времени показал, что эти клетки у личинок сохраняются, их число возрастает с наступлением метаморфозы и, в конечном счете, они покрывают дорсолатеральную поверхность кожи. С целью маркирования кластеров ксантофоров для анализа поколений авторы исследования трансплантировали клетки эмбрионов линии Tg(pax7:GFP) диким особям на стадии бластулы. Число ксантофоров оставалось постоянным вплоть до стадии метаморфозы (16-20 дней после оплодотворения), когда они начали делиться, и их число увеличилось вдвое за одну неделю (5 особей; 7 кластеров ксантофоров; рис. 2C). Во второй части эксперимента, исследователи провели анализ клонов ксантофоров, полученных у личинок линии Tg(sox10:ERT2-Cre). У этих особей ген тамоксифен-зависимой Cre редуктазы экспрессировался ниже sox10 промотера. Ксантофоры личинок этой линии клонов, маркированные флюоресцирующим белком DsRed, были метаморфными (Рис. 2B; 6 клонов).


Метаморфными (метаморфическими) — т.е. претерпевающими метаморфозы. В контексте статьи пигментные клетки ксантофоры имели две формы — плотную и рыхлую (звездчатую).


Наблюдение за поведением кластеров (связанных групп клонов) маркированных ксантофоров у особей Tg(sox10: Cre) продолжалось во время метаморфозы (Рис. 3A и рис. S5). Кластеры ксантофоров сохраняли свое положение при формировании темных и светлых полос, тогда как число ксантофоров в каждом кластере постоянно увеличивалось (Рис. 3C и рис. S6) во время метаморфозы (Рис. S7). Таким образом, метаморфоза полос протекает в отсутствии глобально реорганизации ксантофоров (Рис. S9). Однако приток иридофоров во время метаморфозы приводит к компактизации окруженных ксантофоров (Рис. S4). Более того, после прибытия меланофоров и возрастания их числа в области полос, ксантофорам приходится потесниться (Рис. 3B и 4). Метаморфоза сопровождается появлением большого числа меланофоров в коже. Они расширяются и формируют компактные темные полосы. Это приводит к реорганизации, разделению ксантофоров, и снижению их плотности (Рис. 1, D до I, и 3B и Рис. S6B). Ксантофоры в области темных полос меняют форму своих выростов, позволяя вновь прибывшим меланофорам занять свое место (Рис. 4A). В конечном счете, ксантофоры становятся звездчатыми с длинными выростами (стрелки Рис. 4, B и C) и формируют сетчатую структуру в области темных полос (Рис. S8 и S9).

Рисунок 3. Ксантофоры демонстрируют ограниченную общую реорганизацию. (A и B) Кластеры Tg(sox10:Cre)-маркированных ксантофоров. Пунктирная линия описывает отдельные кластеры, которые обнаруживаются в ходе морфогенеза полос. (B) Поступление меланофоров в область полос приводит к обособлению ксантофоров в отдельные кластеры. Пнктирные квадраты указывают на предполагаемые участки полос, где появляются меланофоры. (C) Возрастание числа ксантофоров на один Tg(sox10:Cre)-маркированный кластер; каждая линия описывает один клатер. Масштаб: 100 мкм

Ксантофоры развивающихся темных и светлых полос часто имеют филоподии (выросты), направленные к границе между полосами. Это приводит к разделению клеток и интеграции проксимальных ксантофоров на границе, либо их слабому перемещению на участки между полосами (стрелки Рис. 4C, и рис. S10). Для этих клеток характерна ограниченная локальная пролиферация и локальная реорганизация в зависимости от условий участка (Fig. 4C). Подобное поведение совершенно не свойственно иридофорам, которые отличаются интенсивной локальной пролиферацией, обширным распределением вдоль дорсовентральной оси. Благодаря своей схематичной организации, они служат шаблоном для образующихся полос. Генетический анализ указывает на роль ксантофоров в поддержании числа меланофоров, но также повышении четкости границ между темными и светлыми полосами за счет их взаимного отталкивания. Ксантофоры присутствуют на первой границе между полосами и принимают участие в ограничении наплыва меланофоров к боковой линии личинок, а также захвате метаморфных меланофоров в этой области. С другой стороны, звездчатые ксантофоры темных полос необходимы для сохранения меланофоров и для компактной организации этих полос.

Рисунок 4. Формирование темных полос. Изменение в развитии ксантофоров в зависимости от условий. Таймлапс регистрация маркированных ксантофоров во время метаморфоза. (A, 1-3) Ксантофоры присутствуют в следующих возможных областях темных полос (стрелка) до появления меланофоров. (B, 1-3) ксантофоры около темных полос или на границе полос направляют выросты (стрелки) к границе. Они подвергаются клеточному делению. (C, 1-5) Ксантофоры (стрелка) локально реорганизуются после прибытия меланофоров в область темной полосы. Незначительное перемещение ксантофоров на границу полос (острие стрелки). Звездочками указаны меланофоры. которые двигаются от границы между полосами. Они встречают ксантофоры (острие стрелок). Масштаб: 100 мкм.

Авторы работы обнаружили, что полосатая модель окраски данио рерио обусловлена пролиферацией, локальным построением и короткими перемещениями ксантофоров в коже рыбок.

Данные исследования противоречат гипотезе, согласно которой формирование полос на теле начинается со спонтанного распределения меланофоров и ксантофоров, которые выстраиваются, активно перемещаясь, отталкиваясь и притягиваясь. Эта модель может быть правдива для формирования рисунка на плавниках, однако даже тогда она требует серьезного изменения поведения клеток. Анализ показал. что меланофоры едва ли самостоятельно двигаются, тогда как ксантофоры перемещаются ограничено между и на границе полос. Взаимодействие между тремя типами пигментных клеток и их среда важны для формирования цветового рисунка на теле. Ксантофоры играют факультативную роль в этом процессе. Они покрывают кожу метаморфных рыб, у которых имеются метаморфные меанофоры и иридофоры (Рис. S11). Полосатая модель окраски достигается изменением формы иридофоров и ксантофоров, которые принимают рыхлую или плотную форму в зависимости от условий. В обоих случаях обе формы клонально одинаковы и зависят от особенностей клетка-клеточного взаимодействия. Меланофоры существуют в полосах только в одной форме. Суперпозиция плотных форм иридофоров и ксантофоров на границе темных и светлых полос, и рыхлых иридофоров и ксантофоров поверх меланофоров в области полос, порождает четкий контраст между золотистым и синим окрашиванием рисунка на теле данио.
——
Prateek Mahalwar, Brigitte Walderich, Ajeet Pratap Singh, Christiane Nüsslein-Volhard. Local reorganization of xanthophores fine-tunes and colors the striped pattern of zebrafish. Science. 2014.

Реакция постоянных читателей:

Заметил ошибку, тык*:

 Orphus

Комментарии Вконтакте:

Добавить комментарий

Войти с помощью: 

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *