Поляризация: зигота фукуса. Как однородность сменяется полярностью? Лекция 9

Почему фукус?
Зигота находится в воде, а не в толще материнских тканей
Ее легко рассматривать и манипулировать
Она подвергается воздействию множества экзогенных стимулов, таких, как свет, температура, и пр.
Водоросли легко выращивать и собирать «урожай зигот»
Популяция зигот прочно прикрепляется к субстрату и развивается синхронно на ранних этапах.

Как живет фукус?
Литораль на ББС
Молодая особь
Зигота
Половозрелая особь
гаметы

Экскурс в развитие фукуса
Яйцеклетка лишена каких-либо признаков полярности
После оплодотворения зигота должна определить «свое место в мире», ориентируясь на сигналы окружающей среды
Происходит становление оси – оно обратимо (при изменении сигналов о.с.)
Происходит фиксация оси – необратимо
Происходит 1 неравное деление на слоевище и ризоид
Происходит развитие слоевища (вверх) и полярный рост ризоида (вниз).

Установление оси
Яйцеклетка неполярна: ядро находится посередине, микротрубочки расходятся от него радиально к поверхности, органеллы распределены равномерно.
Становление ростовой оси происходит после оплодотворения. Поэтому первое влияние – это вход сперматозоида.
Позже зигота подвергается воздействию целого ряда факторов среды.
Первый и самый изученный – свет.
Также: градиент ионов (солености), гравитация, направление тока воды, градиент температуры.
К каждому из факторов зигота проявляет чувствительность лишь в какой-то определенный период
3ч 12ч
16ч
Первое деление

Тайна оплодотворения
Самое раннее событие после слияния гамет – отложение клеточной стенки
Далее ♂ ядро совершает сложный танец, который заканчивается слиянием ядер.

Плазмогамия
Если внешних сигналов не будет, место плазмогамии станет ризоидальным полюсом зиготы

Кариогамия

Тайна оплодотворения (2)
Момент оплодотворения маркируется пиком кальция, который имеет форму волны (в пространстве)
Вместе с ♂ ядром в цитоплазму яйцеклетки мигрируют центриоли и митохондрии.
Они откладываются сбоку от ядра зиготы с той стороны, откуда пришел сперматозоид.

Откуда пришел сперматозоид?
В течение 30 минут возникает актиновый «пэтч», маркирующий место входа сперматозоида.
Позже он может служить маркером ризоидального полюса
Если ситуация меняется, пэтч разбирается и переносится на место «нового ризоидального полюса»

Загадочное желе
Примерно через 3 часа ПО зигота выделяет клейкие вещества равномерно по поверхности и закрепляется на субстрате.
В это время начинается влияние внешних факторов, и через пару часов зигота «намечает» место будущего ризоидального полюса: из этого места выделяется «желе». Этот аморфный, прозрачный слой – первое заметное глазу проявление полярности.
Само собой, источником желе является АГ, затем везикулы – классическая направленная секреция

Ассиметрия эндомембран
Адгезив и эндомембраны накапливаются на ризоидальном полюсе.
В присутствии ингибитора сборки актина процесс блокировался
6 ч
Зеленый – желе
Красный – FM4-64
8 ч
20 ч
LatB

Горячие события на R-полюсе
В области ризоидального полюса связь ПМ и стенки ослабляется – в гипертоничной среде именно там происходит плазмолиз
Ионные токи пронизывают зиготу.
Какие ионы в этом участвуют?

Входящий ток на R-полюсе создается кальцием. Он входит через каналы, локализованные на полюсе, формируя внутриклеточный градиент.
Конечно, это кальций!

Где кальций, там и актин
В основе полярных токов, локализованных на ризоидальном полюсе, лежит неравномерное распределение ионных каналов.
Основу для такого распределения создает F-актин.
В свою очередь, кальций регулирует сборку микрофиламентов. Т.о. система регулируется по принципу обратной связи.

Если убрать то или другое?
При хелатировании кальция ядра сливаются, но полярность не устанавливается. Блокируется сборка цитоскелета.
При разрушении микрофиламентов исчезает направленный ток кальция и поляризации не происходит, хотя клетка может делиться.
Получается равное деление (неправильное!)

Микротрубочки
17ч ПО
19ч ПО
21ч ПО
23ч ПО
26ч ПО
26ч ПО
Кортикальная
часть
Цитозоль
Ядерная плоскость

Итак, у нас есть ось
Ее поддерживают ионные токи, структура цитоскелета, снаружи она маркирована отложением желе.
Ось на этой стадии ещё обратима.

Niklas, K.J., Wayne, R., Benítez, M. et al. Polarity, planes of cell division, and the evolution of plant multicellularity. Protoplasma 256, 585–599 (2019). https://doi.org/10.1007/s00709-018-1325-y

Фиксация оси
Фиксация оси происходит через 10-12 часов ПО.
После этого никакие стимулы не могут поменять полюса местами.
Фиксацию обеспечивают 2 основных компонента:
Поляризованная секреция и
Неравномерное отложение КС.
Аппарат Гольджи в зиготе

Признаки фиксации
Фиксацию оси отслеживают по отложению специального стеночного компонента – F2.
Его предшественники находятся в везикулах (F-гранулы), которые являются производными аппарата Гольджи и собираются в области R-полюса.
АГ накапливаются в перинуклеарной зоне со стороны R-полюса.
В полярный транспорт R-гранул вовлечены микрофиламенты.

Фиксация оси. Стенка
Судьба клеток у фукуса во многом определяется контактом между КС
Поэтому КС играет ключевую роль в фиксации оси

Полярный рост
Вскоре после фиксации оси начинается полярный рост на ризоидальном полюсе.
Он происходит сходно с ростом пыльцевой трубки и корневого волоска.
Ключевыми факторами являются ионные градиенты, поляризованная секреция материалов КС, актиновые филаменты.

Градиенты Сa2+ и рН
Градиент внутриклеточной концентрации кальция усиливается при запуске полярного роста.
Предполагают, что вход кальция происходит через каналы, чувствительные к растяжению.
Усиливается и протонный градиент, который был очень слабым до прорастания.

Градиент рН
Растущий кончик ризоида на 0,3-0,5 ед. рН кислее, чем дистальная часть.
Чем сильнее градиент, тем быстрее рост
Разрушение градиента останавливает рост.
Ингибирование Са2+ каналов снимает ОБА градиента и останавливает рост
Cytosolic pH Gradients Associated with Tip Growth
Author(s): Bryan C. Gibbon and Darryl L. Kropf
Source: Science, New Series, Vol. 263, No. 5152 (Mar. 11, 1994), pp. 1419-1421

Электрическая полярность
Электрическое поле нагнеталось зиготами по мере установления оси и последующего прорастания

Механическая составляющая
Механически направляет рост тандем цитоскелет - стенка.
Сайты адгезии содержат контакты между ПМ и стенкой, а также кортикальный F-актин.
Именно в них сосредоточены Сa2+ каналы.

Актин формирует поляризованную структуру
Актиновые филаменты формируются преимущественно на ризоидальном полюсе.
7ч
11ч
ингибитор

Подготовка к делению
Первое деление зиготы ассиметричное. Его плоскость перпендикулярна оси роста.

Роль центриолей
Центриоли сначала сидят на ядре со стороны входа спермия.
Во время раннего развития отцовские центросомы мигрируют на противоположные стороны ядерной оболочки, обеспечивая нуклеацию микротрубочек, но МТ играют лишь косвенную роль в поляризации.
Незадолго до прорастания ядро и центриоли вращаются, приводя свои полюса в соответствие с закрепленной осью роста.

Выравнивание
«Центросомное выравнивание» начинается с премитотического вращения ядра, которое частично совмещает центросомную ось (определяемую линией, проведенной через две центросомы) с осью ризоид/таллом.
Когда образуется метафазное веретено, оно дополнительно подравнивается.
Постметафазное выравнивание приводит ядра телофазы в почти идеальное совмещение с осью.