Роль наследственности и среды в эмбриональном развитии.
Эмбриогенез – сложный целостный процесс, который связан с определенными явлениями и механизмами. Многие из этих явлений до конца не изучены, хотя по некоторым из них получены определенные данные.
1. Молекулярно-генетические изменения раннего развития.
2. Пролиферация клеток.
3. Дифференцировка клеток.
4. Формообразование или морфогенез.
1. Молекулярно-генетические изменения раннего развития, роль цитоплазматических факторов яйцеклетки.
Раннее развитие включает стадии зиготы и дробления.
Изучая эти стадии, ученые пытались ответить на вопросы:
во-первых, когда начинают работать собственные гены зародыша,
во-вторых, существуют ли качественные и количественные различия в молекулах мРНК и белков в разных частях зародыша на ранних стадиях развития.
В зиготе активность генов невелика, так как ДНК прочно связана с белками гистонами. Первые белки, которые синтезируются в зиготе, имеют материнское происхождение, так как в яйцеклетке заранее накопились рибосомы и молекулы мРНК. Установлено, что собственные гены зародыша у млекопитающих начинают работать на стадии 2 – 4 бластомеров (у амфибий – на стадии бластулы). Первыми в работу включаются гены, отвечающие за пролиферацию и общий метаболизм, позднее начинают работать гены, отвечающие за дифференцировку клеток и тканей. Например, при удалении из зиготы ядра дробление происходит, и зародыш доходит в своем развитии почти до стадии бластулы, после чего дальнейшее развитие прекращается.
Установлено, что качественных различий в молекулах мРНК и белков в разных частях зародыша на ранних стадиях развития нет. Имеются только количественные различия.
Важную роль в дроблении играет деление цитоплазмы – цитотомия, котораяопределяет тип дробления. Борозды дробления проходят по границам между отдельными участками ооплазмы, которые образовались в результате ооплазматической сегрегации. Поэтому цитоплазма разных бластомеров различается по химическому составу.
2. Пролиферация клеток, рост.
Пролиферация клеток или деление клеток имеет место на протяжении всего эмбриогенеза. С этим связан рост тканей и органов и рост зародыша в целом.
3. Дифференцировка, молекулярно-генетические механизмы дифференцировки.
Дифференцировка клеток это совокупность процессов, в результате которых клетки общего происхождения приобретают стойкие морфологические, физиологические, биохимические различия, что приводит к специализации клеток. Специфичность клеток определяется белками, которые в них синтезируются, а за белки отвечают соответствующие гены. Поэтому можно сделать вывод о том, что в одних клетках работают одни гены, а в других другие. В этом заключается сущность гипотезы о дифференциальной активности генов.
На ранних этапах дифференцировка клеток связана с влиянием веществ цитоплазмы на работу соответствующих генов – это эпигенетический уровень регуляции работы генов. В яйцеклетке имеет место явление ооплазматической сегрегации, в результате разные участки цитоплазмы яйцеклетки содержат различные вещества. В ходе дробления появляются бластомеры, набор генов в них одинаков, а состав цитоплазмы разный. Впоследствии эти вещества цитоплазмы, по-видимому, приводят к дифференциальной активности генов.
При характеристике дифференцировки клеток используются 2 понятия – детерминация и компетенция.
Детерминация означает, что дифференцировка клеток генетически предопределена и необратима.
В процессе дифференцировки клеточный материал эмбриональных закладок преобразуется в определенный элемент взрослого организма. Например, мезодермальный сомит подразделяется на дерматом, склеротом и миотом. Дерматом дифференцируется в клетки дермы, склеротом – в клетки хряща, а миотом – в поперечнополосатые мышечные волокна. Следовательно, конечный результат развития отдельных эмбриональных закладок предопределен или детерминирован.
Компетенция это способность клеток дифференцироваться в различных направлениях.
4. Морфогенез (формообразование), его основные процессы:
Морфогенез это совокупность процессов, в результате которых зародыш приобретает характерное внешнее и внутреннее строение. Он включает следующие процессы:
а) морфогенетическое перемещение клеток
В ходе эмбриогенеза перемещаются отдельные клетки или группы клеток. Клетки перемещаются по поверхности других клеток (благодаря механизму амебоидного движения), где находятся особые молекулы, указывающие направление перемещения. Некоторые типы клеток перемещаются по градиенту концентрации химических веществ (хемотаксис), но этот механизм встречается значительно реже.
Нарушение миграции клеток в ходе эмбриогенеза приводит к недоразвитию органов или к изменению его нормальной локализации. То и другое представляет собой врожденные пороки развития.
Таким образом, миграция клеток находится под генетическим контролем, с одной стороны, и влиянием окружающих клеток и тканей – с другой.
б) эмбриональная индукция
Это воздействие одной ткани (индуктора) на другую ткань, в результате развитие индуцируемой ткани становится качественно новым. Первой и наиболее значимой индукцией является воздействие хорды и мезодермы на эктодерму, в результате чего образуется нервная трубка. Без нервной трубки вся эктодерма будет преобразовываться в эпидермис. Это первичная эмбриональная индукция, первый шаг в цепи последовательных (вторичных, третичных) индукционных процессов в дальнейшем развитии.
Установлено, что существуют «специфические индукторы», т.е. вещества, оказывающие индуцирующее действие в ничтожных концентрациях, и различающиеся по конечному результату своего действия. Так, экстракт из печени млекопитающих индуцирует главным образом развитие мозговых структур, а экстракт костного мозга – мезодермальных.
Способность эмбрионального зачатка воспринимать индукционный стимул и отвечать на него конкретной дифференцировкой называется – компетенцией.
в) межклеточные взаимодействия
Это взаимодействие клеток или слоев при контакте или на расстоянии. Взаимодействие на расстоянии идет с участием биологически активных веществ (белки, гормоны). На ранних этапах эмбриогенеза это гормоны матери, так как у эмбриона отсутствуют собственные эндокринные железы. Гормоны не вызывают новую дифференцировку, но они усиливают её.
Благодаря межклеточным взаимодействиям осуществляются такие явления как морфогенетическое перемещение клеток, эмбриональная индукция, адгезия клеток.
г) адгезия – способность клеток к слипанию. В эксперименте клетки эктодермы, мезодермы и энтодермы разделяли и перемешивали между собой. Далее они вновь собираются в отдельные группы, каждая из которых представляет собой комплекс однородных клеток. Образуются снова 3 зародышевых листка, располагающиеся нормально относительно друг друга.
В процессе адгезии принимают участие особые белковые молекулы. Они называются молекулы адгезии клеток (МАК), их около 100 видов. Другая гипотеза объясняет адгезию тем, что контакты между подобными клетками сильнее, чем между чужеродными клетками.
Избирательная адгезия клеток определенного зародышевого листка друг с другом является необходимым условием нормального развития.
д) гибель клеток – это необходимый процесс, потому что для образования отдельных структур (протоки, каналы, отверстия и др.) нужно разрушение части клеток.
Выделяют два принципиально различных типа клеточной гибели: апоптоз (гр. отпадающий) и некроз (гр. мёртвый).
Апоптоз – физиологическая, генетически предопределенная гибель клетки. Наряду с прочими механизмами морфогенеза он способствует достижению характерных для определенного биологического вида черт его морфофункциональной организации. Следовательно, апоптоз является естественным, эволюционно обусловленным и генетически контролируемым механизмом морфогенеза.
Некроз – не физиологическая гибель клетки, в связи с воздействием неблагоприятных факторов (механических, химических, физических и др.). Некроз обычно сопровождается воспалением и является патологическим процессом.
5. Интеграция в развитии, целостность онтогенеза. Роль гормонов в координации процессов развития.
В процессе развития организма наблюдается явление интеграции. Под этим подразумевается согласованное, или координированное протекание основных процессов морфогенеза (морфогенетическое перемещение клеток, эмбриональная индукция, межклеточные взаимодействия, адгезия клеток, гибель клеток). Эти процессы протекают в одном месте (в теле зародыша, а потом плода) и в одно время. Согласованность процессов морфогенеза обеспечивает согласованность процессов жизнедеятельности организма на последующих этапах онтогенеза.
Роль гормонов в координации процессов развития.
Механизм действия гормонов – активация новых, не работавших до того генов. Проникновению гормона в компетентную клетку помогают белки-рецепторы, расположенные на мембране такой клетки. Белков-рецепторов два, они соединены между собой. Один обеспечивает присоединение гормона к определённому участку ДНК, а другой расплетает в этом месте спираль, создавая возможность транскрипции.
Обычно один гормон одновременно вызывает различные эффекты в нескольких видах клеток-мишеней. Так гормон щитовидной железы головастика обеспечивает:
рассасывание хвоста,
прорезание и развитие конечностей,
сокращение длины кишечника (в связи с переходом на животную пищу),
появление протеолитических ферментов в печени.
Гормоны не могут менять дифференцировку, но они усиливают её, превращая небольшие изменения между клетками в значительные морфологические и функциональные отличия.
Если гормоны не меняют дифференцировку клеток и действуют на клетки, уже ставшие на путь специализации, то в чём их биологическая роль?
--- гормоны определяют не место, а время дифференцировки. Они начинают действовать как раз в тот момент, когда необходима дальнейшая дифференцировка:
личинки мух или головастиков достигли необходимого размера для метаморфоза;
появилась необходимость в функционировании молочной железы;
пришло время для созревания и откладывания яиц и т.д.
У позвоночных животных гормоны начинают действовать на довольно поздних стадиях развития – не раньше, чем сформируются кровеносные сосуды.
Физиологическое действие гормонов направлено:
1) на обеспечение гуморальной, т.е. осуществляемой через кровь, регуляции биологических процессов;
2) на поддержание целостности и постоянства внутренней среды;
3) на регуляцию процессов роста, созревания и репродукции.
Гормоны регулируют активность всех клеток организма. Они влияют на остроту мышления и физическую подвижность, телосложение и рост, определяют развитие признаков полового диморфизма и поведение.
6. Роль наследственности и среды в эмбриональном развитии. Критические периоды развития. Тератогенные факторы. Аномалии и пороки развития.
На любом этапе онтогенеза организм существует в единстве с окружающей средой. Эмбриогенез в этом отношении не является исключением. Диапазон условий необходимых для жизни вида может быть широким. Тем не менее, для организмов любого вида существуют минимум, оптимум и максимум необходимых условий развития. На развитие зародыша оказывают влияние колебания естественных факторов среды: температура, влажность, атмосферное давление, излучения, газовый состав.
Так, в зависимости от температуры процессы развития замедляются или интенсифицируются. Например, яйца лягушки из одной кладки при более высокой температуре развиваются быстрее.
У аскариды при прекращении доступа к эмбриону кислорода развитие прекращается.
Под действием света из сине-фиолетовой части спектра эмбриональное развитие многих видов животных ускоряется, а из красной – замедляется.
При внутриутробном развитии огромное значение играют факторы внешней среды. Если эти факторы приводят к формированию аномалий или дефектов развития, то они называются тератогенными. Тератогенные факторы могут быть физическими (высокая температура, ионизирующее излучение, рентгеновские лучи и др.), химическими (лекарственные препараты, соли тяжелых металлов и др.) и биологическими (вирусы, бактерии). Тератогенные факторы приводят к развитию аномалий в определенные периоды эмбрионального развития, которые называются критическими. К ним относятся:
— период образования половых клеток (гаметогенез),
— стадия оплодотворение,
— стадия зиготы,
— имплантация зародыша в стенку матки,
— образование плаценты,
— период гистогенеза и органогенеза,
— роды.
Пороки развития.
Аплазия – отсутствие органа или его части
Гипоплазия – недоразвитие органа
Гипотрофия – уменьшение массы тела или органа
Гипертрофия – непропорциональное увеличение массы органа
Гигантизм – увеличение длины тела
Гетеротопия – нетипичная локализация группы клеток или органа в организме.
Гетероплазия – нарушение дифференцировки тканей
Стеноз – сужение канала или отверстия
Атрезия – отсутствие канала или отверстия
Персистирование – сохранение эмбриональных структур
В зависимости от причины врожденные пороки делят на:
Наследственные, вызванные изменением генов или хромосом в гаметах родителей, в результате чего зигота с самого возникновения несет генную, хромосомную или геномную мутацию.
Экзогенные, возникающие под влиянием тератогенных факторов: лекарственные препараты (талидомид), пищевые добавки, вирусы, промышленные яды и др. Это всё факторов внешней среды, которые, действуя во время эмбриогенеза, нарушают развитие тканей и органов.
Мультифакториальные пороки, которые развиваются под влиянием как экзогенных, так и генетических факторов.
ЛЕКЦИЯ 15 Постэмбриональный период развития.