HALEMBRIOLÓGIA. Zebrahal (Zebrafish, Danio (Brachidanio) rerio)

Halfejlõdés

http://zfin.org/zf_info/zfbook/stages/index.html

Zebrahal

HALEMBRIOLÓGIA Zebrahal (Zebrafish, Danio (Brachidanio) rerio)

Petesejt Az érett petesejt (ovum) a fejlődés kezdeti lépéseihez szükséges anyagok mindegyikét tartalmazza. Citoplazmáját a hímivarsejt plazmamembránjával fúzionálni képes sejtmembrán, valamint a spermiumkötő receptorai révén fajspecifikus megtermékenyítést biztosító szikmembrán (membrana vitellina) veszi körül. A csontoshalak petesejtje polarizált: a nagymennyiségű szikanyag túlnyomó része a vegetatív póluson koncentrálódik, míg a sejtmagot is tartalmazó, szikben szegény citoplazma az animalis póluson helyezkedik el (poly-telolecithalis pete). A szikanyag mennyisége és elhelyezkedése a későbbi barázdálódás szempontjából fontos, mivel annak típusát – a blastomerák méretét és osztódásuk ütemét – határozza meg (a magosztódást követő membránszintézis sebessége a szikben gazdag vegetatív póluson elmarad az animális pólushoz képest). Azon petesejtek, amelyek nagymennyiségű szikanyagot tartalmaznak, ráadásul ez a sejt egyik pólusán koncentrálódik, ún. meroblasticus barázdálódáson mennek át: ennek során segregatio csak az animális, szikben szegény citoplazma területén zajlik. Zigóta (0–45 perc) E periódus a megtermékenyítéstől az azt kb. 40 perc múlva követő első osztódásig tart. A megtermékenyítés speciális citoplazma mozgásokat indukál: a szikmentes citoplazma méginkább az animális pólus felé mozdul, kiemelve ezzel a csírakorongot (blastodiscus) a szikben gazdag vegetatív citoplazma felszínéről (1.ábra, “1 cell”; 2A ábra). A csírakorong, felülnézetben, elliptikus: megkülönböztethető egy, az állat leendő hossztengelyével párhuzamos hosszabb, valamint egy erre merőleges rövidebb tengelye.

1

Halfejlõdés


Zebrahal

Barázdálódás (45 perc–2,2 óra) A citoplazma osztódásai meroblasticusak: az osztódási síkok csak a csírakorong területét osztják blastomerákra, s kezdetben ez utóbbiak citoplazmahidakon keresztül kapcsolatban maradnak a szikben gazdag vegetatív pólus citoplazmaállományával. Az első osztódás síkja verticalis: az osztódási barázda a csírakorong hossztengelyére merőlegesen az animális póluson jelenik meg, majd gyorsan terjed a vegetatív pólus felé. Eredményeképpen két egyenlő méretű blastomera alakul ki – az osztódás tehát incomplet, verticalis, equalis (1.ábra, “2 cells”; 2B ábra). A második osztódás síkja az elsőre merőleges, így a csírakorong hossztengelyébe esik, s négy egyenlő méretű blastomerát eredményez (1.ábra, “4 cells; 2C ábra). A harmadik sejtciklusban a négy sejt mindegyike osztódik, mégpedig az első osztódási síknak megfelelően: az osztódási barázda a hossztengelyre merőlegesen, az első osztódás síkjának mindkét oldalán megjelenik. Eredménye 2x4 blastomera (1.ábra, “8 cells”; 2D ábra). A negyedik osztódás a 8 sejtet a második síkjával, azaz a hossztengellyel párhuzamosan osztja 2–2 egyenlő részre. A sejtek elrendeződése ezután 4x4, tehát felülnézetben 4 centralis sejtet 12 marginalis vesz körül. A centralis sejtek ekkor elvesztik az őket a vegetatív citoplazmával összekötő citoplazmahídjaikat, azaz e sejtek lesznek az elsők, amelyeket minden oldalon teljes plazmamembrán határol. Ezzel szemben a marginális sejtek továbbra is megőrzik citoplazmakapcsolatukat az alattuk lévő, szikben gazdag citoplazmával (1.ábra, “16 cells”; 2E ábra). Az ötödik sejtciklus 32 sejtet eredményez 4x8-as mintázatban (1.ábra, “32 cells”; 2F ábra). A hatodik osztódás síkja az előzőektől eltérően nem verticalis, hanem horizontális, azaz a felszínnel párhuzamos. Eredményeképpen a 64 sejt két sejtrétegbe rendeződik: a mélyebben fekvő sejtek (deep cells) fölött azokat beborító, burkoló sejtek (enveloping cells, “EVL”) helyezkednek el (1.ábra, “64 cells”). (Az embriót a mélyebben fekvő sejtek és utódaik alkotják majd.) Blastula stádium (2 1/4 – 5 1/4 óra) Ez a periódus a 8-dik osztódási ciklussal, 128 sejtes állapottal kezdődik, s a kb. 14-dik ciklusnál kezdődő gastrulatioval ér véget. Mivel a fejlődés során blastocoel – azaz üreg – nem jelenik meg, helyesebb stereoblastuláról beszélni: a mélyben elhelyezkedő sejtek (deep cells) között ugyanis csupán szabálytalan, extracelluláris 2

Halfejlõdés


Zebrahal

üregrendszer látható. Az osztódások síkja kevésbé meghatározott mint az előző állapotban, s a szinkronizált osztódások aszinkronná válnak. A 10-dik osztódás kezdetén a marginális sejtek citoplazmájukat és magjaikat az alattuk lévő, szikben gazdag citoplazmába bocsátják, s ezért alacsonyabbakká válnak. Az így kialakuló, magokat tartalmazó, kezdetben gyűrű alakú citoplazma a szik syntytialis réteg (yolk syntytial layer, “YSL”, 1.ábra, “1k cell”). Az YSL kialakulása után azon EVL sejtek, amelyek eddig a második gyűrűt alkották a csírakorong peremén, most marginális pozícióba kerülnek: mivel azonban e sejtek már nem rendelkeznek citoplazmahidakkal, ettől kezdve a csírakorong minden sejtjét teljes plazmamembránnal határolja. Az YSL sejtmagok ugyan osztódnak, de e magosztódásokat nem követi membránszintézis, s a sziket tartalmazó citoplazma syntytialis marad (1.ábra, “high–oblong”). Az YSL a csontoshalak specialitása: mindvégig extraembrionális marad, tehát nem vesz részt az embrió szöveteinek kialakításában. Kezdetben gyűrűt alkot, ám hamarosan behúzódik a csírakorong centralis területei alá is, kialakítva a nutritív funkcióval rendelkező belső syntytiumot (internal YSL, “IYSL”), amely az embryogenezis végéig megmarad. Az YSL külső szegélye (extarnal YSL, “E-YSL”) desmosomákkal szorosan hozzákapcsolódik a felette lévő marginalis sejtcsoporthoz, s így a későbbiekben az epibólia frontvonalába kerül majd. Az epibólia során mind az YSL, mind pedig a csírakorong körülnőni igyekszik a szikanyagot. Kezdeti lépéseként a legmélyebben fekvő blastomerák (deepest blastomers, “DEL cells”) a fölöttük lévő sejtek közé furakodva elindulnak a felszín felé – a csírakorong vastagsága tehát csökken (1.ábra, “dome”, 30% epibólia). Ez, a radiális intercalationak nevezett aktív sejtátrendeződés vezeti be és indukálja az epibóliaként megjelenő sejtvándorlást. A “tülekedés” eredményeként a marginális sejtek – az alattuk lévő, s hozzájuk desmosomákkal kapcsolódó E-YSL réteggel együtt – egyre jobban eltávolodnak a csírakorong központjától, s elkezdik körülölelni a szikanyagot. Mindeközben az EVL egyrétegű marad. A syncytialis sziksejt alakja jelentősen megváltozik: a belső YSL (I-YSL), elfoglalva a felszín felé elmozdult DEL sejtek helyét, kiboltosodik, míg a külső YSL gyűrűjének átmérője megnő, hiszen körülfogni igyekszik a szikanyagot (1.ábra, dome–30% epiboly). (Megjegyzendő, hogy az epibólia a korán aktiválódó zigotikus gének kontrollja alatt áll!)

3

Halfejlõdés


Zebrahal

Gastrula állapot (5 ¼–10 óra) A gastruláció során az epibólia folytatódik, ám ezen közben morfogenetikus sejtmozgások kialakítják a csíralemezeket, valamint az embrionális tengelyeket. 50%-os epibóliánál a csírakorong széle (az itt felszaporodó sejtek miatt) megvastagodik, s kialakul a csíraöv (e peremet az angol nyelvű irodalom germ ring-nek nevezi, lsd. 1. ábra, girmring). A vándorló sejtek jelentős része e szegély egyetlen pontja felé tart, s így annak közelében összegyűlve a lokális megvastagodásként megjelenő embriópajzsot (embrionic shield) alkotja, amely kijelöli az embrió dorsalis oldalát (1.ábra, shield). Mivel az embriónak nem volt blastocoelje, a gastrulának sem lesz ősbélürege1 és a külvilágból ebbe vezető, hagyományos értelemben vett ősszájnyílása (blasto- vagy gastroporus) sem; a csírakorong szélére érkező, s a girm ring mentén mélybe forduló DEL sejtek azonban jezik az ősszájnyílás funkciójával rendelkező területeket. A csírakorong peremén a blastoderma önmaga alá fordulva kettőzetet alkot: a felső az epiblast, amely folyamatosan szolgáltatja az alsó réteg, azaz a hypoblast sejtjeit (1.ábra, 8h, 4.ábra). E két réteg között csupán egy keskeny hasadék (Brachet’s cleft) látható, amelynek azonban nagyon fontos szerepe van: megakadályozza, hogy az epi- és hypoblast sejtek elhagyják saját rétegüket, s keveredjenek. A két sejtrétegben eltérő irányban vándorolnak a sejtek: a dorsalis régió (embriópajzs) kivételével az epiblast sejtek a csírakorong pereme felé haladnak, ott a mélybe fordulnak, majd a hypoblast rétegben a peremtől elvándorolnak. Azon sejtek, amelyek az epiblast rétegében maradnak, az ectodermát alkotják, s a későbbiekben az epidermist, az idegrendszert, a dúclécet, valamint az érzékszervi placodokat fogják alkotni. A hypoblast sejtek a mesodermát, valamint az endodermát szolgáltatják (lsd. sorstérkép, 3.ábra). (A hypoblat csupán egy-két sejtréteg vastagságú az embrió egész területén, s jelenleg nem ismert, hogyan különül e két utóbb említett csíralemezre.) Az EVL sejtek nem osztódnak, s nem is vándorolnak – e helyett az egész embriót beburkoló, védő funkciójú peridermat hozák létre, amelynek egyetlen rétegében nagyon lapos sejtek láthatók. Az embriópajzs a DEL sejtek tömörülése (4.ábra). Azon sejtek, amelyek itt fordulnak a mélybe, az ún. axialis hypoblastot alkotják: előre, a feji vég felé vándorolnak, s a praechordalis lemez, valamint a

1

a blastocoel a későbbi sejtvándorlások, egyúttal az archenteron számára biztosít teret az embrióban

4

Halfejlõdés


Zebrahal

chorda mesoderma alkotói lesznek. A praechordalis lemezből differenciálódik majd a kikelési mirigy (hatching gland), valamint a garat endodermalis hámja, a praechordalis lemezt követő chorda mesoderma pedig a gerinchúr előfutára lesz. A blastoderma szélén, azaz a germ ring területén – lassabban ugyan, mint az embriópajzs területén, de – mindenhol zajlik sejtbevándorlás. Azon hypoblast sejtek, amelyek itt fordulnak a mélybe, a paraaxialis hypoblastot alkotják, amelynek rétege a középsík felé nyomulva megközelíti az axialis hypoblastot. A paraaxialis hypoblast elülső (anterior) területének sejtjei a fej izomzatát (szemmozgató izmok, zsigerívek izmai), míg az őket caudalisan követők az őscsigolyák (somiták) szegmentálódó állományat fogják adni (3. ábra). Az epibolia előrehaladtával az embriópajzs az animalis pólus felé terjeszkedik, s feltűnővé válik, hogy a dorsalis oldalon vastagabb, mint a ventralis oldalon. Ez az eltérés az axialis mesoderma jelenlétével magyarázható. A gastrulatio felénél az axiális és a mellette húzódó paraaxialis hypoblast egyre inkább elkülönül, mivel az utóbbi a középsík mindkét oldalán ellaposodik. A gastrulatio végén a dorsalis epiblast (ectoderma) a neurulatio kezdetét jelezve vastagabbá válik, s az axialis hypoblast fölött megjelenik a velőlemez. 90%-os epiboliánál a vegetatív pólus szomszédságában már csak egy kis részen, a szikdugó területén marad fedetlen a sziktömeg (1.ábra, 9h). A gastrula állapot végén, amikor az epibolia befejeződik, az embrió hossztengelyében megjelenik a farokbimbó (1.ábra, 10, 11h). Segmentatios periódus (10–24 óra) E stádium során igen sok morfogenetikus lépés zajlik: megjelennek a somiták, láthatóvá válnak az első szervtelepek, az embrió hosszának növekedésével a farokbimbó egyre feltűnőbbé válik, s megjelennek az első, bár még koordinálatlan mozgások is. Az állatka körülöleli a hajdani vegetatív pólust is, így farokbimbója egyre inkább a feje felé irányul (1.ábra, 14, 16, 18h). Az őscsigolyák egymás után jelennek meg a törzs, valamint a farok terülerén (1.ábra, 12–18h). Egyik, természetesen szelvényenként ismétlődő sejtcsoportjuk a törzs- és farokizomzatot kialakító myotom (más néven myomer, 3.ábra). A belőlük fejlődő myoblastok izomszekrényeket hoznak létre, amelyek között transversalis lefutású kötőszövetes lemezek, myoseptumok jelennek meg. A csigolyaporcokat adó, s szintén szelvényesen felsorakozó sclerotom sejtjei – fiatal somitában – ventromedialis helyzetűek. A későbbiekben mesenchymatikussá válnak és dorsalis irányba vándorolva felsorakoznak a myotom és a gerinchúr közötti területen. 5

Halfejlõdés


Zebrahal

Általában a gerinces embriók somitáiban még egy harmadik sejtcsoport, a bőr kötőszövetes rétegeit (cutis, subcutis) adó dermatom is elkülönül. Zebrahal esetében azonban nem tisztázott, hogy ennek sejtjei is az őscsigolyából származnak-e. A gerinchúr antero-posterior irányban differenciálódik: belső sejtjei vacuolizálódnak, a felszíniek pedig kezdetben egy sejtréteget alkotva körülveszik őket, majd a későbbiekben a gerinchúr kötőszövetes tokját létrehozó sejtekké fejlődnek. A most már csak ectodermalis sejtek által alkotott epiblast intenzív fejlődésen megy át. Ekkor a – velőlemezként megjelenő – központi idegrendszer kezdeménye már jól láthatóan jelen van. Ez annak köszönhető, hogy a neuralis ectoderma területén a köbhámsejtek hengerhámsejtekké differenciálódnak, s így kimagasodnak az eretei alakjukat megőrző epidermalis ectoderma sejteinek környezetéből (5.ábra). A primordium ezután lefűződik, s a mélybe süllyedve kezdetben egy tömör (!) neuralis pálcát (neural rod) alkot. Ürege (neurocoel, a későbbi canalis centralis és az agyhólyagok üregrendszere) csak ezt követően alalkul ki a sejtek apicalis felszíneinek egymástól való eltávolodása révén. A neurulatio ezen, csontoshalakra jellemző formáját secunder naurulationak nevezik, szemben a más gerinces osztályokban leírt primaer neurulatioval, ahol a neurocoel a velőlemez lefűződésekor, pontosabban a velősáncok záródásakor formálódik meg. Az agyhólyagok differenciálódása már a neurocoel megjelenése előtt megindul. A neurális pálca cranialis része a szegmentációs periódus elején ugyan vastagabb, mint a leendő gerincvelői területen, ám tagolatlan (6.A ábra). 10, egymástól jól elkülönülő tágulata (neuromer) jelenik meg (6.B ábra): az első három a prosencephalicus agyhólyagból fejlődő telencephalon és diencephalon, valamint a mesencephalicus eredetű mesencephalon. A további 7 (rhombomerák) a rhombencephalon területén a formálódó medulla oblongatat alkotja. A diencephalonból differenciálódó szemhólyagok a periódus elején, a nyúltvelőhőz kapcsolódó kisagy (cerebellum) pedig a végén jelennek meg (6.C ábra, 1.ábra, 22h) . A stádium végét az agykoponya alatt elhelyezkedő, arckoponyát alkotó szigerívek megjelenése jelzi. A zsigerívek kialakulásásnak stádiuma (Pharyngula period, 24–48 óra) Az e stádiumba lépő embriók bilaterális szimmetriával, jól fejlett gerinchúrral, teljes somitaszámmal, s intenzíven fejlődő idegrendszerrel rendelkeznek. A periódus neve arra utal, hogy ezen időszak egyik

6

Halfejlõdés


Zebrahal

legfeltűnőbb eseménye a zsigerívek megjelenése és fejlődése: 7 zsigerív kezdemény alakul ki, amelyek közül a második és a harmadik közötti határ a legszembetűnőbb. Az első, a mandibularis (állkapcsi), a második a hyoid (nyelvcsonti) ív; a 3–6-dik ívekből a kopolyúk fejlődnek, míg a 7-dikből a garatfogakat viselő garatcsontok alakulnak ki (1.ábra: 31–42h). Mesenchymalis sejtek tömörülésével megformálódnak az úszóbimbók (1.ábra, 48h). Megjelennek a pigmentsejtek egyrészt a retinában, másrészt a bőrben (ide dúcléc eredetű melanocyták vándorolnak be). Kirajzolódik a keringési rendszer (1.ábra, 31–48h): a szív dobogni kezd, s ürege egyre jobban tagolódik. A véráramlás megindul, megjelennek a páros aortaívek – az első a legkorábban, a többi öt a stádium vége felé. A szegmentációs periódus végén, az egyes myotomok mozgása még koordinálatlan. A zsigerívek kialakulásának idején azonban az embrió mozgásai ritmikus úszómozgássá szerveződnek, s a kishal érintésre érzékennyé válik. Kikelési periódus (48–72 óra) Az állkapocs és a száj régió jelentős változáson megy át. A periódus elején jelentős mesenchymalis sejtcsoportosulások figyelhetők meg a mandibularis és a hyoid ív területén, s ezekből a stádium végére porctelepek fejlődnek: a (palato)quadratum porc az első zsigerív dorsalis, a mandibularis (Meckel– féle) porc pedig annak ventralis részén (1.ábra, 48–72h). A második zsigerívből differenciálódó dorsalis hyomandibularis porc ventralisan a szájfenék izomzatát támasztó ceratohyalis porchoz kapcsolódik. A porcok mellett az azokat mozgató izomzat is kialakul. A 3–6-dik zsigeríveken megjelennek a kopoltyúk, s közöttük kialakulnak a kopoltyúrések (az első a hyoid ív mögött, az utolsó a garatív előtt). A garatíven megjelennek a garatfogak.

7

Halfejlõdés

Zebrahal


1.ábra Az embrionális fejlődés egyes állomásai camera lucida rajzokon. Felfelé a korai stádiumokban az animalis pólus néz, később a feji vég (kivéve két ábrához – girmring, shield – tartozó animalis pólus felöli nézeteket). Az embrió többnyire bal oldalról láthat. A pigmentáció nincs feltüntetve. 1 cell

2 cells

4 cells

8 cells

16 cells

32 cells

64 cells

128 cells

256 cells

8

Halfejlõdés

Zebrahal


512 cells

1k cell

high

YSL

oblong

sphere

dome I-YSL

30% epiboly

50% epiboly

girmring

csíraöv 9

Halfejlõdés

shield

8h

feji vég csíraöv

Zebrahal


embriópajzs

9h epiblast Brachet-rés

hypoblast feji vég

szikdugó embriópajzs

csíraöv

10h

11h

12h szemhólyag

somiták

farokbimbó

10

Halfejlõdés

Zebrahal


14h

16h

18h

fülhólyag

19.5h

22h

25h mesencephalon cerebellum

mesencephalon cerebellum

11

Halfejlõdés

Zebrahal


31h

35h

42h

mandibularis ív

mandibularis ív

hyoid ív

hyoid ív

kopoltyúívek

szív

48h

60h

72h Meckel-porc

szív

(palato)quadratum porc

szív úszóbimbó

mell-

kopoltyú-

úszó

ívek

12

Halfejlõdés


Zebrahal

2.ábra A segregatio első 5 osztódása az animalis pólus felöl nézve. A külső, sejtek alatti, körgyűrű a sziksejt membránja, az “A” ábrán az osztatlan ellipszis a csírakorong. “B-F” az egymást követő osztódások, amelyek közül a páratlan számúak a csírakorong rövidebb, a párosak pedig a hosszabb tengelyével párhuzamosak. (Kimmel, 1991) (Az embrió feji vége balkéz felé esik.)

feji vég

3.ábra A DEL-sejtek sorstérképe 50%-os epibóliánál, a girm ring és a hypoblast megjelenése előtt. Ekkor a blastoderma félgömbként borul a sziksejtre. Az EVL sejtek a peridermát alkotják, így itt nem szerepelnek, csakúgy, mint ahogy nincs ábrázolva az YSL és a sziksejt sorsa sem. A rajz egyes szervtelepeket nem mutat (ilyen pl. a kikelési mirigy a garathám dorsalis szegélyén). A gyomor, hasnyálmirigy és az úszóhólyag a máj mellett, attól lateralisan, a simaizmok telepe pedig a szív szomszédságában helyezkedik el.

13

Halfejlõdés


Zebrahal

4.ábra Gastrulatio. Felső kép: sejtvándorlások az embriópajzs területén és környékén (dorsalis nézet). Alső kép: a gastrula hosszmetszete. A blastoderma szegélyén (germ ring) sejtek fordulnak a mélybe csakúgy, mint az embriópajzs területén. Az előbbi területen bevándorló sejtek a paraaxiális, míg az utóbbinál bevándorlók az axialis mesodermát képezik majd.

14

Halfejlõdés


Zebrahal

5.ábra A secunder neurulatio kezdeti lépései keresztmetszeti képeken. (Papan and CamposOrtega, 1994). A: a velőlemez hengerhámsejtjei, B: a sejtek besüllyedése, D: a tömör neuralis pálca.

6.ábra A központi idegrendszer tagolódása a szegmentációs periódusban. A: a 6-somitás állapotban nincs morfológiai tagolódás. B: A 18-somitás embrióban 10 neuromer jelenik meg (telencephalon(T), diencephalon (D), mesencephalon (M), valamint 7 rhombomera (r1–7)). C: A diencephalon dorsalis oldalonán az epiphysis (E) jelenik meg, a ventralis oldal kiszélesedésével pedig a hypothalamus indul fejlődésnek (D). A középagyban elkülöníthető a tectum (M) és a tegmentum. A cerebellum (C) világosan elválik a közép- és utóagytól. (Kimmel, 1993; scale bar: 200 µm)

15

HALEMBRIOLÓGIA. Zebrahal (Zebrafish, Danio (Brachidanio) rerio)

Recommend Documents