ULTRASTRUCTURAL CHARACTERISTICS OF THE STRATIFIED SKIN EPITHELIUM OF AIDANOSAGITTA MACILENTA (CHAETOGNATHA) AND THEIR EVOLUTIOARY SIGNIFICANCE

Full Text

Введение. Становление тканевой организации и возникновение эпителиальной ткани в процессе эволюции многоклеточных животных - одна из фундаментальных проблем современной биологии. В настоящее время имеется большой материал по строению эпителиев, указывающий на дивергентное развитие разных видов эпителиальной ткани. В то же время, на клеточном и тканевом уровнях отмечаются черты сходства, возникающие параллельно и независимо в разных систематических группах [2]. Поскольку признается, что именно ультраструктурные признаки наиболее консервативны и поэтому пригодны для филогенетического сравнения [3], особенно актуально сравнительное изучение ультраструктуры клеток и тканей представителей разных систематических групп. Большое количество работ с использованием молекулярногенетического подходов посвящаются изучению низших многоклеточных и вопросу происхождения Metazoa [12], анализу полухордовых [4, 14], хордовых [6] и происхождению позвоночных и человека [8, 11]. Молекулярно-генетические методы, ценность которых не подлежит сомнению, проясняют многие вопросы филогении, но не дают ответа на вопрос о морфологических преобразованиях тканей в процессе эволюции. Уникальный эволюционный феномен представляют щетинкочелюстные, или морские стрелки (Chaetognatha), обладающие многослойным кожным эпителием - единственный случай среди беспозвоночных. Щетинкочелюстные - морские свободноживущие животные, постоянные представители планктона. На основании некоторых морфологических и эмбриологических признаков щетинкочелюстных сближают с вторичноротыми, однако молекулярно-генетические исследования не подтверждают эту точку зрения [10, 13]. Интерес к изучению этой группы еще более вырос в связи с результатами молекулярногенетических исследований, на основании которых Chaetognatha рассматриваются как рано отделившаяся группа (ветвь) первичноротых [9], близкая к общему предку билатерально-симметричных животных (Bilateria). Это предположение согласуется с палеонтологическими находками древних животных (Euconodonta), которые считаются близкими родственниками щетинкочелюстных [5]. В последние годы появилось значительное число исследований, посвященных изучению генома, строения нервной системы, особенностям эмбрионального развития щетинкочелюстных. Однако подробно изучены лишь отдельные виды морских стрелок. Цель настоящей работы - изучение ультраструктурной организации уникальной тканевой системы - многослойного кожного эпителия у представителя щетинкочелюстных Aidanosagitta macilenta. Материал и методы. В качестве объекта исследования выбран вид Aidanosagitta macilenta Kassatkina (тип Chaetognatha, сем. Sagittidae). Материал собран в летние месяцы (июнь - август) в заливе Петра Великого (Японское море). На проведение данного исследования получено разрешение локального этического комитета (протокол № 4 от 20.12.2018 г.). Для электронно-микроскопического изучения животных фиксировали на холоду (4 ºС) 2,5 % глутаральдегидом на какодилатном буфере при рН 7,4 в течение 40-60 мин с последующей дофиксацией 2 % раствором четырехокиси осмия. Зафиксированный материал обезвоживали и заливали в аралдит. Для ориентировки в препарате использовали полутонкие срезы (1-2 мкм), окрашенные толуидиновым синим. Для электронно-микроскопического исследования тонкие срезы (50-80 нм) получали на ультратоме LKB III (Швеция) и снимали на сетки или бленды. В последнем случае применяли формваровые пленки-подложки. Срезы контрастировали насыщенным спиртовым раствором уранилацетата и цитратом свинца. Просмотр и фотографирование срезов проводили на электронных микроскопах JEM-7 (Япония), JEM-100B (Япония). Результаты исследования. В области туловища A.macilenta кожный эпителий содержит 3-5 слоев клеток. В средней зоне эпителиального пласта клетки имеют многоугольную форму, так что выступы одной клетки заходят в углубления между соседними клетками. Клетки глубоких слоев - крупные, с более темной цитоплазмой, часто имеют аркообразную форму. По мере приближения к поверхности клетки становятся более вытянутыми и уплощенными, цитоплазма поверхностных клеток более электронно-плотная. Поверхностные клетки могут содержать обширную вакуоль в цитоплазме, а на поверхности - очень короткие немногочисленные микроворсинки. Клетки эпителия обладают уникальной особенностью: бóльшая часть объема их цитоплазмы заполнена фибриллярными структурами диаметром около 7 нм, образующими слои, параллельные поверхности. Внутри отдельного слоя микрофиламенты ориентированы преимущественно параллельно поверхности эпителия, однако направлены не прямолинейно, а изгибаясь вправо и влево, так что на срезе возникает структура в форме длинного колоса. Ширина слоев составляет 0,14- 0,2 мкм. В соседних слоях направление расположения филаментов изменяется под углом около 90°. В совокупности микрофиламенты образуют единую сеть. Помимо филаментов, в составе сети имеются тесно ассоциированные с ними более или менее равномерно рассеянные мелкие плотные гранулы. Филаменты сети связаны с поверхностью цитоплазматической мембраны, ядра и органелл. Ядро и немногочисленные органеллы находятся в центре клетки. Ядро имеет удлиненную, часто неправильную, форму; в поверхностных клетках ядра вытянуты и уплощены. Ядра ориентированы в основном параллельно поверхности эпителия. Поперечный размер ядер составляет 2-4 мкм, продольные размеры - от 5 до 7-10 мкм. В клетках более глубоких слоев ядра светлые, в клетках вышележащих слоев - более темные. Встречаются небольшие ядрышки диаметром около 0,5-0,6 мкм. Наружная ядерная мембрана плохо просматривается, ядерные поры очень малочисленны. Органеллы представлены одной или несколькими митохондриями, прилежащими к ядру; также вблизи ядра имеются скопление рибосом и комплекс Гольджи, отдельные элементы гранулярного эндоплазматического ретикулума. Митохондрии крупные, имеют на срезах округлую, овальную или удлиненную, а иногда кольцевидную форму. Их малый диаметр составляет 0,5-1,0 мкм, больший - около 2,0-4,0 мкм. Кристы трубчатого строения проходят в разных направлениях в электронно-светлом матриксе. Клетки связаны особыми «мостичными» (фибриллярными) контактами, расположенными регулярно по всей их поверхности. Контакты образованы «толстыми» - диаметром 30-40 нм - фибриллами, соединяющими в виде мостиков плазмолеммы контактирующих клеток (рисунок, а). Продольные и поперечные разрезы фибрилл хорошо различимы на электронных микрофотографиях. Фибриллы располагаются на расстоянии 0,05-0,1 мкм друг от друга. От точек их соединения с клеточными мембранами в цитоплазму отходят фибриллы такого же диаметра, направления и электронной плотности, так что возникает картина фибрилл, пересекающих мембраны соседних клеток и как бы «прошивающих» цитоплазму. Фибриллы таким образом кажутся непрерывными и прослеживаются на расстояние до 0,3-0,5 мкм. На концах они истончаются и разветвляются, вплетаясь в микрофибриллярную сеть цитоплазмы (см. рисунок, б). В точках контакта с «толстыми» фибриллами мембраны выглядят утолщенными, похожие уплотнения встречаются на границе с фибриллярной сетью. Эти уплотнения представляют собой, по-видимому, гранулы, рассеянные в микрофибриллярной сети. По ходу одной «толстой» фибриллы можно видеть 4 уплотнения: 2 - на уровне мембран и 2 - на границе с микрофибриллярной сетью. Мембраны между соседними контактами часто имеют более низкую электронную плотность, создавая впечатление перерывов. При этом фибриллярные «мостики» сохраняют свою целостность, в результате чего возникают единые фибриллярные тяжи, связывающие и объединяющие микрофибриллярные сети соседних клеток. Иногда фибриллы располагаются сближенно, группами - по 2-3. В этих случаях в пространстве, ограниченном фибриллами и контактирующими мембранами, обнаруживается электронно-плотное вещество (см. рисунок, в). В отдельных участках эпителия находятся клетки иного строения: это мерцательные клетки с ресничками, снабженными «корневыми нитями» (базальными тельцами). Клетки образуют 2-3 слоя на поверхности эпителия. Базальные части этих клеток связаны с клетками нижележащих слоев «мостичными» контактами, апикальные части клеток - промежуточными и септированными соединениями. В базальной зоне эпителия располагаются элементы интраэпителиальной нервной системы - нервные волокна диаметром до 2,3 мкм, которые ориентированы продольно, вдоль оси тела. В нервных волокнах различимы нейротрубочки, нейрофиламенты и пузырьки различного диаметра со светлым содержимым (см. рисунок, г). Базальные клетки эпителия охватывают пучки нервных волокон, принимая аркообразную форму. Наиболее крупные нервные отростки имеют многослойную мембранную миелиноподобную оболочку (см. рисунок, г), что свидетельствует о существовании соответствующих глиальных клеток, ее образующих. Обсуждение полученных результа тов. В клетках кожного эпителия A. maci lenta доминирующими структурами являются фибриллы, которые поддерживают целостность клетки и придают ей существенную прочность. Сходное строение имеют клетки и у других исследованных видов щетинкочелюстных [7, 15]. Наличие структур, пересекающих межмембранное пространство, придает «мостичным» контактам сходство с септированными соединениями. Однако они отличаются от септированных контактов значительным расстоянием между мембранами, намного бóльшими диаметром и длиной связующих элементов, расположением по всей поверхности контактирующих клеток. Отсутствие аналогов для «мостичных» контактов среди известных типов межклеточных соединений: промежуточные (zonula adhaerens), десмосомы (macula adhaerens), плотные (zonula occludens), щелевые (nexus), септированные - позволяет выделить их в особый тип. Такие контакты («columnar junctions») описаны также в кожном эпителии у других представителей щетинкочелюстных: Sagitta setosa [7], Parasagitta elegans [15]. «Мостичные» контакты отсутствуют у представителей других групп животных, что можно полагать отличительной чертой тканевой организации щетинкочелюстных. Наличие многослойного кожного эпителия, особых «мостичных» контактов и митохондрий с трубчатыми кристами свидетельствует об обособленном положении группы Chaetognatha. Многослойный кожный эпителий щетинкочелюстных и эпидермис позвоночных не тождественны по своему строению, они представляют случай тканевых параллелизмов. Кожный эпителий щетинкочелюстных представляет собой примитивную двухкомпонентную тканевую систему, в которой эпителиальные клетки тесно и неразрывно ассоциированы с элементами нервной ткани. В то же время, присутствуют усложнения строения в виде примитивной миелинизации нервных волокон. Наличие миелинизированных аксонов коррелирует со способностью щетинкочелюстных к быстрым скачкообразным движениям. Поскольку щетинкочелюстных рассматривают как очень древнюю группу [9], близкую к предкам билатеральных животных, можно предполагать, что гипотетические предки Bilateria обладали покровами, в которых еще были совмещены эпителиальные и нейральные элементы. Заключение. Существует мнение, что на ранних этапах эволюции животных нервная система не была обособлена, а располагалась интраэпителиально в виде нервного плексуса. Среди современных животных интраэпителиальная нервная система встречается у первичноротых и низших вторичноротых, в частности, кишечнодышащих [1]. Авторы выражают благодарность коллективу группы ультраструктуры клеточных мембран Института цитологии РАН, проф. Яну Юдовичу Комиссарчику и д-ру биол. наук Екатерине Сергеевне Снигиревской за помощь, содействие в выполнении работы на базе лаборатории и ценные консультации. Вклад авторов: Концепция и дизайн исследования: М. В. С. Сбор и обработка материала: А. П. К., М. В. С. Написание текста: М. В. С., А. П. К. Редактирование: М. В. С., А. П. К. Авторы сообщают об отсутствии в статье конфликта интересов.

About the authors

M. V. Stolyarova

St. Petersburg State Pediatric Medical University

Email: mvstolyarova@yandex.ru
Department of Histology and Embryology n.a. prof. A. G. Knorre 2 Litovskaya St., St. Petersburg 194100

A. P. Kassatkina

V. I. Il’ichev Pacific Oceanological Institute

Laboratory of Ecology 43 Baltiyskaya St., Vladivostok 690041

References

Supplementary files