Лекция № 1. Молекулярно-генетические механизмы индивидуального развития.
Основными компонентами эмбрионального развития являются следующие.
1. Клеточный рост, приводящий к увеличению количества клеток и их размеров.
2. Клеточная дифференцировка – появление специфических черт строения клетки, благодаря чему одинаковые клетки в процессе дифференцировки приобретают специфические различия.
3. Детерминация – выбор путей дифференцировки.
4. Эмбриональная индукция.
5. Клеточные перемещения.
6. Межклеточные взаимодействия – сегрегация (избирательная сортировка), адгезия.
7. Апоптоз, или запрограммированная гибель клеток.
Клеточный рост. Размножение всех соматических клеток осуществляется путем митотического деления.
Основные виды деления клетки в ходе гистогенеза:
· стволовой митоз – из одной материнской стволовой клетки образуются две дочерние;
· ассиметричный митоз – из двух дочерних клеток одна является стволовой, а вторая вступает на путь дифференцировки;
· квантальный митоз – обе дочерние клетки отличаются от стволовых, так как уже приступили к дифференцировке.
В основе роста клетки лежат гипертрофия и гиперплазия клеточных органелл, накопление клеточных включений. Наряду с митозом рост клеток приводит к увеличению общей массы зачатка.
Регуляция клеточного роста осуществляется на следующих уровнях:
- внутриклеточном – под действие генов, ответственных за митотическое деление благодаря триггерным белкам цитоплазмы, которые подавляют или активизируют митоз;
- межклеточном – благодаря эффекту контактного торможения. При тесном контакте двух клеток их деление подавляется. Регуляция клеточного роста на межклеточном уровне осуществляется также под действием кейлонов – так называемая кейлонная регуляция. Кейлоны – вещества белковой природы, которые вырабатываются дифференцированными клетками. При воздействии на стволовые клетки кейлоны способны подавлять митоз. Существуют индукторы, которые, напротив, стимулируют митоз. Таким образом постоянство клеточного состава регулируется кейлонами и индукторами;
- организменном – размножение клеток делением регулируется нервной системой, эндокринной и иммунной. Например: гормоны, стимулирующие митотическую активность клеток, – инсулин, териотропные гормоны; гормоны, подавляющие митоз, – глюкокортикоиды.
Клеточная дифференцировка – биохимические, морфологические, функциональные изменения развивающейся структуры, при которых однородные образования превращаются во все более различные. В результате дифференцировки образуется специализированная морфологическая структура, выполняющая определенную функцию. Уровни дифференцировки:
- оотипическая – возникновение различий в строении разных зон яйцеклетки;
- бластомерная – появление различий у бластомеров
- зачатковая – появление зародышевых листков и зачатков органов, различных по строению;
- гистогенетическая – появление в одном зародышевом листке зачатков разных тканей.
Дифференцировка происходит не одномоментно, а в течение определенного периода времени и является следствием происходящей детерминации.
Детерминация– выбор конкретного пути развития или выбор пути дифференцировки. На ранних стадиях развития у клетки имеются потенциальные возможности превращения в разные типы клеток. В ходе развития число таких потенциальных возможностей ограничивается. Такое уменьшение клеточных потенций называется коммитированием. Закрепление окончательного пути развития клетки и представляет собой процесс детерминации. Причиной детерминации является индуцирующее влияние окружения.
Процессы дифференцировки и детерминации протекают на уровне генома. Дифференцировка клетки происходит без изменения генома. Любая клетка образуется в результате деления одной и той же зиготы – значит все соматические клетки содержат одинаковый полный набор генов, сформированный в зиготе, то есть ДНК всех клеток, независимо от уровня дифференцировки, идентична. Процессы детерминации заключаются в активации (экспрессии) одних генов и подавлении (репрессии) других генов, в результате чего возникают различия между клетками, вот почему клетки дифференцированы по-разному. В настоящее время изучены лишь некоторые механизмы избирательного включения (экспрессии) генов. Упрощенно это можно представить следующим образом: в самих генах имеются участки, включающие ген – энхансеры и участки, выключающие ген – сплансеры. В действительности эти процессы значительно сложнее и происходят на уровне транскрипции РНК (дифференциальная транскрипция) под влиянием различных энхансеров. Одни из них могут активизироваться только на определенной стадии развития, другие энхансеры активизируются только в определенных тканях.
До сих пор неясно, как запускаются механизмы дифференцировки и детерминации. В настоящее время существует представление о гомеобоксе – так называемом участке ДНК, состоящем из приблизительно 180 пар нуклеотидов. В одном и том же геноме эта последовательность имеется во множестве копий и практически одинакова у различных видов животных (дрозофилы, мыши, человека и др.). Несмотря на различные типы развития этих организмов гены, содержащиеся в гомеобоксе, выполняют одинаковую функцию и рассматриваются как гены, способные регулировать экспрессию других генов. Именно такая последовательность ДНК – гомеобокс – регулирует ранний эмбриогенез. В свою очередь ген гомеобокса инициируется по-видимому микроокружением клетки, которое оказывает на него индукционное влияние.
Эмбриональная индукция – это направление гистогенетического процесса в нужное русло путем выделения одним зачатком веществ – индукторов, действующих на другой зачаток ткани. В качестве индукторов могут быть различные факторы – питательные вещества, кислород, уровень рН, концентрация солей, гормоны, медиаторы. При этом клеточный материал, на который воздействует индуктор, не индифферентен, то есть имеет место не односторонняя индукция, а взаимодействие частей развивающегося зародыша. Способность эмбрионального материала реагировать на различные индукционные влияния называется компетентностью (эмбрионального материала). Иными словами, индукция – это влияние микроокружения, которое приводит к экспрессии генов, компетентных реагировать на данные факторы.
Поведение клеток в процессе развития не является только их собственной функцией, оно обусловлено интеграционными связями между клетками, которые возникают в определенных условиях существования и в определенное время индивидуального развития. Как только в результате дробления возникли два первых бластомера, каждый из них становится неразрывной частью новой биологической системы; эта система и определяет его дальнейшее поведение.
При нормальном развитии направление дифференцировки строго определено окружением. Если на ранних стадиях развития клетки слабо детерминированы и мало дифференцированы – в ходе развития происходят изменения в самих клетках и формируется биосистема с установившимися внутренними связями, саморегуляцией, относительной автономностью. Чем выше дифференцировка системы, тем меньше вероятность передетерминации.
В эксперименте можно произвести передетерминацию клеток зародыша, поместив их в другие условия развития. При трансплантации участка зародыша на ранних стадиях развития его клетки легко адаптируются к новым условиям, передетерминируются и развиваются уже в новом окружении. В эксперименте таким образом можно передетерминировать закладку органа. Но чем выше дифференцировка ткани, тем меньше вероятность передетерминации.
Клеточные перемещения – осуществляются пассивным и активным путем. Пассивные перемещения происходят в результате деления клеток. Активные – за счет работы внутриклеточных сократительных структур, связанных через подмембранный слой с поверхностными рецепторами.
В эмбриогенезе закономерные перемещения клеточных масс – миграция клеток – происходят в фазе гаструляции, а также в период гисто- и органогенеза. Миграция осуществляется с помощью нескольких механизмов. Различают:
- хемотаксис – движение клетки в направлении градиента концентрации определенного химического фактора. Например, движение спермия в ходе оплодотворения;
- гаптотаксис – перемещение клеток по градиенту концентрации адгезионной молекулы, которая находится не в растворе, а во внеклеточном матриксе. Например, миграция клеток протока пронефроса у амфибий, где движение клеток ориентируется по градиенту щелочной фосфотазы на поверхности мезодермы;
- гальванотаксис – влияние электрических токов на морфогенез. Например, силы слабых электрических полей, существующих в организме достаточно для изменения направления роста нервов. Роль гальванотаксиса в эмбриогенезе установлена также при оплодотворении;
- контактное ориентирование – существуют физические преграды для перемещения клеток и остается открытым только один канал. Такой механизм описан у рыб при образовании плавников. Коллагеновые фибриллы в основании развивающегося плавника у зародышей костистых рыб образуют субстрат, который обеспечивает преимущественное направление движения клеток мезенхимы из туловища в область плавника;
- контактное ингибирование – движение после контакта одной мигрирующей клетки с поверхностью другой. Суть механизма перемещения заключается в том, что при образовании ламеллоподии одной клеткой и контакта ее с другой, она прекращает рост и постепенно исчезает, но в другой части мигрирующей клетки при этом формируется новая ламеллоподия. В итоге происходит миграция подвижных клеток от центральной массы клеток. Механизм контактного ингибирования характерен для мезенхимальных клеток.
Межклеточные взаимодействия – адгезия (склеивание клеток) и сегрегация – (сортировка клеток) – играют важную роль в процессе миграции, благодаря чему зародыш существует как единое целое.
Взаимодействие между клеточными поверхностями. Существует три класса молекул клеточной мембраны, участвующих в обеспечении специфических взаимодействий с другими клетками.
1. Молекулы клеточной адгезии (МКА) – белковые молекулы, участвующие в адгезии «клетка-клетка». Молекулы объединяют клетки в эпителиальные слои. Кадгерины– отвечают за пространственную сегрегацию (сортировку) клеток и объединение клеток в ткани и организацию формы тела. Мембранные ферменты – гликозилтрансферазы – соединяются с углеводными субстратами по типу «ключ-замок» и осуществляют прочное сцепление клеток. Иммуноглобулины МКА (N-MKA, L-МКА) – МКА, структура которых напоминает структуру антител, и выполняют различные функции в зависимости от содержания в них сиаловой кислоты: при низком содержании клеточная адгезия стимулируется, при высоком – подавляется.
2. Молекулы адгезии молекул к субстрату – внеклеточный матрикс содержит волокна, гликозаминогликаны и гликопротеины. Компоненты внеклеточного матрикса синтезируются самими клетками. Он разделяет соседние группы клеток и препятствует взаимодействию между ними, но также служит субстратом миграции. Существуют молекулы адгезии: коллаген (образует волокна во внеклеточном матриксе), ламинин, фибронектин (связующие молекулы между мигрирующей клеткой и другими компонентами внеклеточного матрикса). Для молекул внеклеточного матрикса мигрирующие клетки формируют рецепторы: синдекан, соединяющийся с фибронектином и коллагеном, необходим для установления и поддержания структуры эпителиальных клеточных пластов, интегрины пронизывают клеточную мембрану насквозь и связывают молекулы внеклеточного матрикса снаружи, а также белки цитоскелета внутри. Интегрины объединяют (интегрируют) внутри- и внеклеточные конструкции и обусловливают движение клетки путем сокращения актиновых микрофибрилл.
3. Молекулы клеточных контактов обеспечивают пути сообщения цитоплазмы соседних клеток (щелевые контакты), а также обеспечивают непроницаемость и механическую прочность эпителиальных слоев (десмосомы, плотные контакты).
Все межклеточные взаимодействия в процессе морфогенеза обусловлены комбинациями МКА, которые способны как объединять клетки разных типов, так и создавать и поддерживать между ними границы.
В эмбриогенезе для образования тканей необходимо, чтобы клетки зачатка сначала мигрировали, а затем образовали клеточные ансамбли. Для осуществления миграции необходимо, чтобы клетки зачатка потеряли МКА: это инициирует начало миграции. В дальнейшем МКА контролируют миграцию клеток и обеспечивают ее целенаправленность. В клетках, завершивших миграцию, вновь появляются МКА, между клетками устанавливается взаимодействие и начинается формирование нужных клеточных ансамблей. Эти процессы можно сформулировать следующим образом: конец адгезии – начало миграции – конец миграции – начало адгезии.
Сегрегация клеток,или избирательная сортировка, благодаря которой, в частности, образуются зародышевые листки. Если в эксперименте смешать клетки различных зародышевых листков, то клетки, смешанные в беспорядке, вступают в контакт только с клетками этого же листка, то есть клетки сами сортируются и сами разделяются на соответствующие зародышевые листки.
Влияние факторов роста. Способом взаимодействия клеток друг на друга является секреция клетками, способных к диффузии веществ, изменяющих поведение других клеток. Это гормоны и факторы роста. Факторы роста – вещества, влияющие на деление клеток и рост органа или ткани. К ним относятся факторы роста, полученные из тромбоцитов, эпидермальный фактор роста, факторы роста фибробластов. Гормоны – соматотропин (гормон роста, который начинает синтезироваться плодом уже через 70 дней после оплодотворения), инсулин, лактоген плаценты.
Кроме факторов, стимулирующих рост, существуют белки, подавляющие его: В-интерферон и трансформирующий фактор роста.
Таким образом, деление клеток и рост органов и тканей контролируется взаимодействием стимулирующих и подавляющих рост гормонов, что в свою очередь регулирует клеточный рост, и митоз может быть остановлен прежде, чем клетки перейдут границы дифференцировки, определенные для них генетически.
Апоптоз – генетически запрограммированная гибель клеток, благодаря которой в ходе эмбриогенеза происходит исчезновение ненужных органов или частей органов.
В целом эмбриональное развитие происходит с образованием большого избытка клеток, которые своевременно подвергаются апоптозу. Это создает запас клеточного материала и возможность последовательного развития. В эмбриогенезе одновременно с ростом тканей происходит регрессия частей эмбриональных зачатков, тканей и органов, инволюция провизорных (временных) органов, появление просвета в полых органах.
Механизм апоптоза заключается в том, что в отличие от некроза – патологической массивной гибели клеток, расположенных в одном участке ткани, при апоптозе гибнут единичные клетки, расположенные в ткани мозаично, их гибель происходит запрограммированно в результате воздействия специально синтезируемых белков апоптоза.
Под действием белков апоптоза происходит упорядоченное расщепление ДНК, в отличие от некроза, где расщепление ДНК незакономерное, случайное. Таким образом, апоптоз представляет собой регуляцию числа клеток в развивающихся тканях, участвует в перестройке тканей, в исчезновении рудиментальных зачатков, в элиминации дефектных клеток. Наиболее выражены процессы апоптоза в нервной системе, где в ходе гистогенеза гибнет до 85 % всех нейронов.
Все морфологические процессы находятся под контролем семейства генов, которые называются гомеозисными генами. В геноме млекопитающих их 38. Они сгруппированы в четыре комплекса и расположены в определенных хромосомах. Гомеозисные гены содержат гомеобокс (участок ДНК, содержащий определенное количество пар нуклеотидов), который обусловливает одинаковую функцию генов, поэтому гомеозисные гены обеспечивают развитие признаков, общих для всех видов животных (образование зародышевых листков, осей, нервной системы и т. д.).