На стадии личинки в гонаде самок дрозофилы выделяют мелкие соматические клетки, которые располагаются на ее переднем и заднем полюсах (Brower D. L., Smith R. J., Wilcox M. 1981.), а также крупные половые клетки, которые локализуются в среднем районе гонады (Lasko P. F., Ashburner M. 1990.). У личинок третьего возраста соматические клетки переднего полюса разделяются на 16-20 групп, каждая из которых состоит из 8-9 дископодобных клеток. Из таких клеток в дальнейшем формируются тер - минальные филаменты, которые будут располагаться на конце каждой овариолы (Godt D., Laski F. A., 1995, Spradling A. C. 1993.).

Яйцеводы, придаточные железы (accessory glands), матка, влагалище и наружные половые органы взрослой мухи происходят из клеток генитального (полового) имагинального диска и объединяются с остальными клетками яичника только у куколок на третий день их развития (Estrada В. Casares, Sanchez-Herrero E. 2003.) Таким образом, яичники дрозофилы формируются из трех различных типов клеток: половых клеток, соматических клеток мезодермальиого происхождения и эпителиальных клеток, берущих начало из генитального имагинального диска (Chen E. H., Baker B. S. 1997.).

1.7.1 Половая система взрослых самок дрозофилы

Яичник взрослой мухи состоит из 16-20 овариол, каждая овариола представляет собой полую структуру, внутри которой последовательно располагаются растущие яйцевые камеры. Каждая овариола имеет отверстие в латеральный яйцевод, два латеральных яйцевода объединяются в один общий яйцевод, который, затем, переходит в матку, а далее во влагалище (рис.4). И яйцеводы, и матка хорошо иннервированы и имеют мощную кольцевую мускулатуру, необходимую для продвижения по ним яйца (Bhat K. M., Farkas G., Karch F., 1996.). Сам процесс оплодотворения происходит непосредственно в матке самки. После него сразу же происходит процесс запасания спермы. Для этого используются две сперматеки и непарный семяприемник (рис.4). Семяприемник аккумулирует около 80-90% запасающейся спермы (Braun R. E., Behringer R. R., Peschon J. J., 1989.).

В каждой овариоле зрелого яичника выделяют три района: терминальный филамент, гермарий и вителларий (рис.4). А также в гермарии дрозофилы, выделяют четыре функциональных района: 1, 2А.2В и 3 (Bruckner K., Perez L., Clausen H., Cohen S, 2000.). В передней части гермария располагаются 8-9 клеток терминального филамента. К клеткам терминального филамента присоединяются 2-3 соматические клетки, называемые кэп - клетками (cap cells) (Burnett W. V., 1997.), в непосредственной близости от которых располагаются стволовые клетки, которые дают начало всем половым клеткам яичников, а также соматические клетки, образующие оболочку гермария (рис.3) (Carpenter A. T. 1979.). В первом районе гермария, кроме вышеперечисленных клеток, располагаются также цистобласты - первичные половые клетки, претерпевающие митотические деления, и ранние цисты, состоящие из двух, четырех и восьми половых клеток. Клетки терминального филамента, кэп-клетки и клетки оболочки гермария образуют "нишу", обеспечивающую стимуляцию, развитие и поддержание статуса стволовых клеток (Carpenter A. T., 1981.). В клетках терминального филамента и кэп-клетках активно экспрессируются гены piwi, Yb, decapenta - plegic (dpp), wingless (wg) и hedgehog (hh). При отсутствии продуктов генов piwi и Yb происходит нарушение дифференцировки стволовых клеток (Carpenter A. T., 1994.). Мутации гена dpp или гена saxophone, кодирующего его рецептор, приводят к значительному снижению числа стволовых клеток и замедлению процесса их деления (Chen E. H., Baker B. S., 1997.). Продукты генов wg и hh необходимы для поддержания статуса соматических стволовых клеток, расположенных на границе районов 2А/2В гермария. У мутантов, которые не могут воспринимать Hh - и Wg-сигналы, нарушается пролиферация соматических стволовых клеток (Chung Y. T., Keller E. B., 1990.).

Важным событием, происходящим в первом районе гермария, является деление стволовой клетки, в результате которого образуются цистобласт и новая стволовая клетка, которая занимает место "материнской" стволовой клетки (Coffman C. R., 2003.). Электронно-микроскопические исследования дали понять, что деления стволовых клеток и цистобластов являются строго ориентированными (Cooley L., Verheyen E., Ayers K. 1992.).

Основную роль в ориентации оси веретена деления таких клеток играет фьюсома - это специализированная органелла мембранного происхождения, которая находится только в половых клетках (Cox D. N., Chao A., Baker J., 1998.). В стволовых клетках и цистобластах фьюсома располагается в области контакта стволовой клетки и кэп-клеток, она имеет сферическую форму, состоит из множества мелких везикул и называется спектросомой.

Рис.4. Общий вид репродуктивной системы половозрелой самки D. melanogaster.

При делении стволовой клетки спектросома ориентирует веретено деления, заякоривая один из его полюсов. В дальнейшем, в анафазе - телофазе, спектросома вытягивается вдоль оси веретена, попадая во время цитокинеза в обе дочерние клетки. Клетка, имеющая большее количество материала спекртосомы, остается стволовой, а клетка, получившая меньшее, - цистобластом (Cox D. N., Chao A., Lin H. 2000.). При делениях цистобласта структура спектросомы модифицируется, с данного момента она называется фьюсомой. Цистобласт претерпевает определенное число делений, характеризующее каждый вид. У D. теlanogaster цистобласт делится строго четыре раза, в результате образуется 16-клеточная циста. В норме нарушение числа деле цистобласта случается крайне редко.

У D. melanogaster деления цистобласта сопровождаются неполным цитокинезом, в результате образуется синцитий, который состомт из клеток, называемых цистоцитами. Эти клетки контактируют между собой цитоплазматическими мостами, называемыми также кольцевыми каналами (ring canals). Цистоциты, претерпевающие митозы, делятся синхронно, при этом следует отметить, что эти митотические деления не сопровождаются удвоением клеточного объема. Только после прохождения всех четырех митотических делений все члены шестнадцатиклеточной цисты у дрозофилы синхронно вступают в S-фазу. Каждое деление клеток цисты сопровождается ростом и разветвлением фьюсомы (Cox D. N., Chao A., Baker J., 1998.). Фьюсома проходит через кольцевые каналы в делящейся цисте, образуя разветвленную структуру, связывающую между собой все клетки цисты. Нарушение экспрессии генов, кодирующих специфические белки, приводит к аномалиям в формировании цисты и отсутствию ооцитов. Цистоциты с разным количеством кольцевых каналов содержат разное количество фьюсомного материала. Наибольшее количество фьюсомного материала содержится в самой "основной" клетке, обладающей четырьмя каналами, тогда как более "молодые" клетки содержат меньшее количество фьюсомы. Фьюсома участвует в организации и структурировании сети микротрубочек в развивающейся цисте. Физическая и функциональная взаимосвязь фьюсомы и микротрубочек подтверждается данными о том, что у мутантов hu-li tai shao, характеризующихся отсутствием фьюсомы, нарушается также организация и поляризация сети микротрубочек (Duchek P., Somogyi KM Jekely G., 2001.).

Во втором районе гермария, который делится на две части - 2А и 2В, циста содержит уже 16 клеток, каждая из которых характеризуется определенным числом кольцевых каналов. Две клетки синцития содержат четыре и две клетки - три канала, четыре клетки - два канала, тогда как оставшиеся восемь содержат только по одному каналу (Dumont J. N., 1972.).

Несмотря нато, что цистоциты имеютразное количествокольцевых каналов, на первых этапах развития цисты они выглядят достаточно одинаково, однако при этом прохождении через второй район гермария начинают выявляться первые морфологические признаки будущего ооцита. Ооцитом становится одна из двух клеток с четырьмя кольцевыми каналами, содержащая наибольшее количество фьюсомного материала. В районе 2А гермария к центру фьюсомы направляются минус-концы микротрубочек, формируя центр, организующий микротрубочки. У цисты, проходящей через район 2В, плюс - концы микротрубочек проходят через кольцевые каналы и попадают в каждую из 15 питающих клеток (рис.5) (Duncan J. E., Warrior R, 2002).

В 2А-районе гермария в клетках цисты, обладающих тремя и четырьмя кольцевыми каналами, формируется синаптонемальный комплекс (СК), что свидетельствует о том, что они приступают к мейотическому делению. Когда же циста попадает в район 2В, только клетки с четырьмя каналами находятся в состоянии профазы I мейоза, остальные клетки (с тремя каналами) теряют СК и становятся питающими клетками. В дальнейшем СК сохраняется только в одной клетке с четырьмя каналами, которая станет ооцитом (Field C. M., Alberts B. M., 1995.). ДНК ооцита подвергается конденсации, в результате чего формируется кариосома, мейоз приостанавливается по данным Спрадлинга на профазе I, а по уточненным данным Карпентера - на четвертой стадии профазы I - диплотене (Foe V. E. 1989.). Продолжение мейотического деления происходит только на поздних стадиях оогенеза - на 10-й стадии развития яйцевой камеры. На границе 2А и 2В районов гермария происходит окружение сформированной цисты фолликулярными клетками, которые образуются из двух стволовых клеток-предшественниц соматических клеток. Фолликулярные клетки не только окружают каждую сформировавшуюся цисту, но и разделяют их между собой (Forbes A. J., Lin H., Ingham P. W., 1996.). Следует отметить, что на сегодняшний момент неизвестны специфические маркеры для стволовых соматических клеток гонад и их сложно определить морфологически. Поэтому у разных авторов данные о первоначальном числе фолликулярных клеток, которые окружают сформированную цисту на границе 2А/2В-районов, несколько различаются. По мнению Карпентера (Forbes A. J., Lin H., Ingham P. W., 1996.), а также Марголиса и Спрадлинга это число составляет 16, тогда как Кинг насчитал около 80 фолликулярных клеток, первоначально участвующих в этом процессе.

Цисты, находящиеся в 2В-районе, уже полностью разделены между собой фолликулярными клетками, они плоские по форме и располагаются по всей ширине гермария. В этом районе фолликулярные клетки делятся на три типа две пары полярных клеток, располагающихся на разных полюсах фолликула; от 4 до 6 интерфолликулярных клеток, которые разделяют фолликулы между собой; и эпителиальные фолликулярные клетки, окружающие цисту. Клетки первых двух типов прекращают делиться уже в этом районе гермария. тогда как эпителиальные фолликулярные клетки продолжают активное деление вплоть до 6-й стадии развития яйцевой камеры (Forbes A. J., Spradling A. C., Ingham P. W., Lin H., 1996.). Полярные клетки необходимы для определения переднезадней и дорcально - вентральной осей ооцита, способствуя реорганизации его цитоскелета после 6-й стадии развития яйцевой камеры.

Полярные клетки отличаются от других фолликулярных клеток более круглой формой и специфической экспрессией определенных генов. В них активно экспрессируется ген fringe (Gilbert L.I., latrou K. and Gill S. S. 2005.). Установлено, что мутации по генам fringe и Notch приводят к отсутствию полярных клеток и к формированию сложных фолликулов, в которых несколько цист окружены единым фолликулярным эпителием. (Gilbert L.I., latrou K. and Gill S. S. 2005.). В яичниках мутантных самок интерфолликулярные клетки, разделяющие между собой соседние яйцевые камеры, отсутствуют, в результате формируются сложные фолликулы, подобные таковым у мутантов Notch и Delta. Двойные гетерозиготные комбинации между генами Notch, Delta, daughter-less и toucan приводят к нарушению разделения яйцевых камер, что свидетельствует о том, что продукты всех этих генов участвуют в одних и тех же сигнальных путях (Gondos B., 1969.).

В третьем, последнем, районе гермария располагается только одна циста круглой формы, ооцит локализуется в ее задней части. Это один из первых признаков формирования переднее - задней оси в камере. Как возникает эта полярность, остается неясным, однако показано, что мутации генов dicephalic, spindle C и encore нарушают полярность камеры (Gonzalez-Reyes A., Elliott H., 1997.). В отдельных яйцевых камерах этих мутантов ооцит лежит в центре камеры, а 15 питающих клеток располагаются с двух сторон, спереди и сзади.

Пройдя третий район гермария, сформированный фолликул покидает гермарий и попадает в вителларий. Дальнейшее развитие яйцевой камеры обычно разделяют по морфологическим критериям на 14 стадий (рис.5) (Grammont M., Irvine K. D. 2001.) или на 20 стадий по данным Маргаритиса. В дальнейшем в обзоре будет использована общепринятая классификация по Кингу. По мнению Кинга, яйцевая камера, покидающая гермарий, находится на первой стадии развития, однако существует и другое мнение - что это событие происходит, когда камера находится уже на второй стадии (Grammont M., Irvine K. D. 2002.). Яйцо, находящееся на 14-й стадии, уже готово к оплодотворению.

Развитие цистобласта в 16-клеточную цисту занимает 3 дня, за 7 дней цистобласт развивается до яйцевой камеры 1-й стадии (Grammont M., Irvine K.D. 2002.). Дальнейшее развитие значительно ускоряется, и формирование зрелого яйца занимает 3 дня. В норме каждая овариола продуцирует до двух зрелых яйцеклеток в день, а в сумме одна самка способна ежедневно откладывать до 80 яиц.

Рис.5. Схематическое изображение овариолы (с модификациями). На переднем конце овариолы располагается гермарий с терминальным филаментом. Серым указан ооцит. (Ст. - стадия).

1.7.2 Транспорт цитоплазмы питающих клеток в ооцит