Органогенез. Детерминация и дифференцировка в онтогенезе. Молекулярно-генетические процессы дифференцировки

Наиболее глубокая тайна, с которой имеют дело биологи в настоящий момент – это тайна эмбрионального развития. Конечно, современным ученым известно обо всем этом намного больше, чем раньше но тем не менее многое еще неясно и до сих пор.

Известно, что внутриутробное развитие организма начинается с оплодотворения. Две слившиеся клетки “запускают” процесс формирования живого существа. У человеческого зародыша через 3 недели начинает биться сердце, развивается мозг. В 4 недели появляются зачатки органов, в 5- мозг делится на 3 части, растут органы, в 6 недель формируются глаза, в 7 – начинают формироваться зубы, мускулы, половые железы, а в 8 недель сформированы все органы у эмбриона величиной всего в дюйм (2,54 см), и он выглядит как маленький человечек, то есть становится “человеком в миниатюре”. В 38 недель на свет появляется окончательно сформированный организм.

Как все это происходит? Каким образом из одинаковых клеток формируются различные органы? Какой невидимый дирижер организует и направляет эти процессы, а может существует не один, а несколько дирижеров? Ученые пытаются найти ответы на эти сложнейшие вопросы. В последние десятилетия была раскрыта огромная роль аппарата наследственности. Как доказывает генетика, строго определенный путь развития организма каждого вида детерминирован (determinatio- предопределение), т.е. обусловлен наследственными факторами, содержащимися в ядре зиготы.

Но далеко не все, как полагают ученые, определяется генами. Что из яйцеклетки человека разовьется человек – это бесспорно. Но каким будет человек, появившийся на свет, во многом зависит от еще не совсем понятой последовательности событий во время эмбрионального развития. Ведь несмотря на то, что все клетки происходят от единственной оплодотворенной яйцеклетки и содержат одинаковые гены, одни из них становится клетками сердца, другие - почек, третьи – крови и т.д. Все, видимо, зависит от того, какие из их генов “включаются” или остаются неактивными.

Под действием каких же факторов идет это “включение” или “выключение генов”? Как идет реализация генотипа в онтогенезе? В этом вопросе остается много неясного, хотя некоторые факты привели ученых к убеждению, что гены действуют через кодируемые ферменты.

Так установлено, что в основе многих наследственных аномалий и болезней человека, лежит отсутствие или недостаточная активность некоторых ферментов, например, при фенилкетонурии, альбинизме, алькаптонурии и др. заболеваниях. Необходимо иметь в виду, что развитие признака связано со всем генотипом через многие последовательные процессы, в протекании которых большую роль играет и среда.

В развивающемся зародыше первоначально возникают различные виды клеток за счет неоднородности цитоплазмы в яйцеклетке. Неравномерное распределение компонентов цитоплазмы можно обнаружить уже в яйцеклетке. При дроблении яйца участки цитоплазмы попадают в различные бластомеры. Это различие в характере цитоплазмы может служит регулятором считывания информации с разных генов в различных бластомерах и таким образом влиять на ход дифференцировки.

Дифференцировка (лат. differentiatio – различие) -

1) разделение, расчленение целого на многообразные формы и ступени;

2) возникновение в организме (или в отдельном его участке) в процессе развития морфологических и функциональных различий.

Влияние цитоплазмы на ядро и заключенную в нем генетическую информацию показано в опытах Д. Гердона (1962-1972). Опыты Д. Гердона показали, что, если в растущий овоцит пересаживались ядра из клеток бластулы, то в них прекращались митозы и синтез ДНК, а начинался синтез РНК, но если эти ядра вводились в зрелые овоциты, то в них не происходило синтеза ни ДНК, ни РНК. Ядра, пересаженные в яйцеклетку из дифференцированных клеток функционируют аналогично ядрам зиготы и обеспечивают нормальное развитие зародыша.

Можно сделать вывод, что реализация генотипа регулируется какими-то факторами из цитоплазмы, которые на различных этапах активизируют одни гены и инактивируют другие.

Доказательством этому могут служить наблюдения за политенными хромосомами двукрылых. Отдельные места хромосом образуют вздутия (пуффы), в которых хромосомные нити деспирализованны и с них считывается информация, т.е. они в данный момент наиболее активны. Участки, в которых появляются пуффы, меняются в зависимости от стадии личинки. Было замечено, что у личинки мушки дрозофилы одна из хромосом в клетках слюнных желез в конце третьей личиночной стадии имеет три характерных пуффа, то есть в 3-х местах в данный момент “работали” гены. Когда личинка превращается в предкуколку, они исчезают, а вместо них появляется характерный пуфф в другом локусе той же хромосомы. Если же пересадить слюнные железы предкуколки в тело личинки 3-й стадии, то “предкуколочный” пуфф исчезает, а появляются три “личиночных”. Отсюда можно сделать вывод, что в разные периоды развития организма, а также в различных частях его тела функционируют то одни, то другие гены.

К регулированию деятельности генов имеют отношения белки-гистоны, входящие в состав хромосом. Эти белки связывают значительную часть ДНК, а со свободных от гистонов участков ДНК считывается информация, то есть образуется и-РНК. Освобождение определенных участков ДНК от гистонов осуществляется под действием веществ, поступающих из цитоплазмы.

Установлено действие гормонов на хромосомный аппарат клетки. Например, гормон линьки и метаморфоза – экдизон вызывает образование пуффов на хромосомах.

Таким образом, в начальный период развития белки-ферменты, определяющие развитие признака, образуются в результате деятельности генов, но деятельность генов регулируется какими-то факторами из цитоплазмы, в частности белками-гистонами и гормонами. Процесс онтогенеза представляет цепь реакций, регулирующихся по принципу обратной связи. В этой цепи накопление определенных веществ, образующихся в результате деятельности генов, может либо тормозить, либо стимулировать функцию генов.

Когда же генотип развивающегося организма вступает в регуляцию процесса онтогенеза?

В этой связи интересны исследования А.А. Нейфаха (1959-1965) на развивающихся зиготах рыбы-вьюна, которых облучали рентгеновскими лучами в летальных дозах. Несмотря на такое облучение развитие зародыша продолжалось, но только до гаструляции. Развитие останавливалось, как только начиналась гаструляция, независимо от того, на какой стадии до гаструляции зародыш подвергался облучению. Детальное изучение состава РНК в развивающихся зародышах показало, что еще в овогенезе в яйцеклетке накапливается запас и-РНК, которая у этого вида рыб регулирует развитие зиготы до гаструляции. С началом гаструляции происходит накопление новой и-РНК, нуклеотидный состав которой обусловливается ДНК самой зиготы, а до гаструляции развитие определяется материнским генотипом, то есть и-РНК цитоплазмы, которая была в момент слияния яйцеклетки и сперматозоида.

Многочисленные исследования показывают, что геном овоцита является первичным источником, определяющим развитие организма, и все сложные процессы на самых ранних стадиях эмбриогенеза протекают независимо от генома зародыша. Поэтому в зиготе гены не активны, а транскрипция и-РНК на хромосомных генах в клетках зародыша начинается позже. Например, у костистых рыб на стадии средней бластулы, у бесхвостых амфибий – не ранее конца дробления, а у млекопитающих – начиная со стадии двух бластомеров.

Таким образом, в развивающемся зародыше первоначально возникают различные виды клеток за счет неоднородности цитоплазмы в яйцеклетке от этого зависит первоначальная дифференцировка. Дальнейшее усложнение в строении и формировании частей тела достигается благодаря взаимодействиям между клетками. Одни клетки зародыша приобретают способность влиять на другие, а другие – отвечать на их влияние. Те клетки или части зародыша, которые влияют, называются организационным центром или индуктором, а та часть зародыша, которая изменяется под действием индуктора, называется мишенью или компетентным органом. Сам же процесс изменения свойств местной ткани называется индукция или организация.

Взаимодействие частей развивающегося зародыша доказано на примере формирования глаза. Наиболее ранняя закладка глаза представляет собой участок ткани промежуточного мозга, называемый глазным пузырем. Он растет по направлению к кожной эктодерме, где на месте их сближения образуется хрусталик в виде впячивания эктодермы. Если удалить закладку глазного пузыря, то в данном месте хрусталик не формируется. Если пересадить закладку глазного пузыря в другое место головы или туловища, то в этих местах на границе с эктодермой возникает хрусталик. Хрусталик в свою очередь оказывает влияние на формирование глазной чаши.

Таким образом, развитие одного органа обусловливает формирование последующих. Основные заслуги в изучении этого вопроса и открытие организационных центров принадлежит Г. Шпемену. Он проделал следующие эксперименты. Спинную эктодерму гаструлы зародыша тритона, которая в нормальных условиях превращается в зачаток нервной трубки, пересадил на брюшную сторону зародыша и из этого зачатка развилась кожа живота. В свою очередь на спинную сторону пересадил участок, из которого в нормальных условиях образуется кожа брюшной стороны, то на новом месте этот участок развился в нервную трубку. Из этого эксперимента ясно, что судьба зачатков в стадии ранней гаструлы еще не детерминирована, то есть не определена, так как участок спинной трубки на брюшной стороне не развился в нервную трубку, когда его пересадили, а превратился в кожу живота, а участок с брюшной стороны, пересаженный на спинную сторону не развился в кожу живота, а превратился в нервную трубку.

Такое развитие получило название зависимой дифференцировки или лабильной детерминации.

Стабильная детерминация или независимая дифференцировка – это такое явление, когда пересаженная на другое место часть зародыша продолжает развиваться в ту часть, какая должна быть независимо от окружения. Например, участок нервной трубки, пересаженный на брюшную сторону в более поздний период, продолжает развиваться в нервную трубку на брюшной стороне. В таких случаях говорят о независимой дифференцировке или стабильной детерминации. В развитии организма обычно наблюдается переход от зависимой дифференцировки к независимой, т. е. от лабильной детерминации к стабильной.

Из эктодермы, находящейся на спинной стороне зародыша при обычном эмбриогенезе образуется нервная трубка. Но если в ранней стадии развития удалить участок верхней “губы” бластопора, прилежащий к эктодерме на спинной стороне, то нервная трубка не образуется.

Если на спинную сторону нормальной гаструлы подсадить добавочную верхнюю “губу” бластопора из другого зародыша, то в этом участке образуется сначала дополнительная нервная трубка, а затем весь комплекс осевых органов. Так было выяснено, что в зародыше появляются участки, оказывающие определенное организующее влияние на окружающие их части и обусловливающие необходимую последовательность развития. Г. Шпеман пришел к выводу, что верхняя “губа” бластопора оказывает влияние на клетки эктодермального слоя, направляя их развитие в сторону формирования нервной пластинки. Эта область была организационным центром или эмбриональным организатором – индуктором. В дальнейшем были обнаружены организационные центры для развития других органов.

В экспериментах эмбриолога Д.П. Филатова (1875-1956) было доказано, что к числу организационных центров относится зачаток органа слуха – слуховой пузырек. Продукты метаболизма слуховых пузырьков влияют на мезенхиму, которая образует вокруг них хрящевую капсулу. Пересаживая пузырек в область затылка зародыша, Филатов вызывал развитие добавочной хрящевой капсулы.

Материальная природа организатора до конца не выяснена. Сначала исследователи считали, что организатор - это определенное химическое вещество. Впоследствии (30-е годы 20 столетия) было выдвинуто представление (Чайлд, 1869-1954) о градиенте физиологической активности организма зародыша. Было доказано, что развитие того или иного органа в той или иной части зародыша определяется интенсивностью метаболизма.

Представление, высказанные Чайлдом, согласуются с данными школы Шпемена. Действительно обнаружено, что в гаструле наиболее интенсивный обмен веществ происходит в области верхней губы бластопора, т. е. там, где нормально начинает развиваться нервная трубка.

Таким образом, в развивающемся зародыше первоначально возникают различные виды клеток за счет неоднородности цитоплазмы в яйцеклетке. От этого зависит первичная дифференцировка. Дальнейшее усложнение в строении и формировании частей тела достигается благодаря взаимодействиям между клетками. Одни клетки зародыша приобретают способность влиять на другие (индукторы), а другие - отвечать на их влияние (мишени). Сам же процесс называется организацией или индукцией. Развитие зародыша представляет собой цепь последовательных индукций, влияющих на неоднородную реализацию собственного генотипа клеток в различных частях зародыша.

Но нельзя забывать о том, что условия окружающей среды также оказывают влияние на реализацию генотипа.

Влияние условий жизни матери на развитие зародыша и плода, взаимоотношения между матерью и плодом изучены еще недостаточно. Имеющиеся данные говорят о том, что многие факторы, которым мать подверглась во время беременности, а иногда и задолго до наступления беременности влияют на развитие зародыша и плода. Это происходит потому, что овоциты 1 порядка образуются у млекопитающего до рождения или сразу после него. Любые неблагоприятные факторы, действующие на женский организм в течение всей жизни, могут нарушать нормальное созревание яйцеклеток и стать причиной нарушения развития зародыша. Раз овоциты образуются до рождения женского организма или сразу после него, поэтому чем старше возраст женщины, тем старше и овоциты. Следовательно, на них могут больше отразиться неблагоприятные факторы. А чем старше мать, родившая ребенка (40-45 лет), тем чаще у детей встречаются “хромосомные болезни” и аномалии развития.