Эмбриональный онтогенез человека
Лекция. Онтогенез. Общие закономерности эмбриогенеза.
Междисциплинарные исследования онтогенеза, начавшиеся в начале текущего столетия, привели к возникновению самостоятельной области науки о живом – биологии развития. Она изучает наследственные, молекулярные, структурные основы развития, а также механизмы регуляции онтогенетических изменений на всех этапах жизненного цикла особи.
Под индивидуальным развитием или онтогенезом понимается совокупность взаимосвязанных и детерминированных хронологических событий, закономерно совершающихся в жизненном цикле организма. Термин «онтогенез» ввел Э. Геккель (1866 г.). В понимании сущности онтогенеза в 18 веке противоборствовали концепции преформизма и эпигенеза. Возникшая в 18 веке теория преформизма отрицала представления о клеточной дифференцировке. Основоположники теории преформизма Ян Сваммердам и Шарль Бонне, считали, что уже в сперматозоидах находятся полностью сформированные человеческие тела и развитие сводится к росту гомункулуса до размеров новорожденного. С точки зрения «овистов» гомункулусы заключены в яйцеклетках. В противовес теории преформизма Каспар Фридрих Вольф в 18 веке и Карл Бэр в 19 веке развили теорию эпигенеза. Они считали, что из зиготы в результате серии радикальных трансформаций постепенно формируются различные ткани и органы.
В свете современных представлений элементы теории трансформизма кажутся более приемлемыми. Согласно современным представлениям в клетке, с которой начинается онтогенез, заложена определенная программа дальнейшего развития организма в виде кода наследственной информации. Эта программа реализуется в процессах взаимодействия между ядром и цитоплазмой в каждой клетке, при взаимодействии между клетками и клеточными комплексами зародыша.
Современная классификация онтогенеза выделяет прямой и непрямой онтогенез.
Прямой может быть
- в неличиночной форме ( птицы)
- во внутриутробной форме ( млекопитающие)
Непрямой:
- в личиночной форме ( насекомые).
Периодизация онтогенеза ( слайд № 1).
Выделяют:
I. Предэмбриональный (прогенез).
II. Эмбриональный период, подразделяющийся на стадии:
а) зиготы
б) дробления
в) бластулы
г) гаструляции
д) гисто- и органогенеза.
III. Постэмбриональный период:
а) ювенильный (до полового созревания)
б) зрелый ( половозрелое состояние)
в) период старости, заканчивающийся естественной смертью.
Предэмбриональный период или прогенез характеризуется формированием половых клеток. Многочисленные работы по экспериментальному эмбриогенезу показали, что информацию о начальных стадиях онтогенеза определяется совокупность генов яйцеклетки. Зрелая яйцеклетка характеризуется сложной многофункциональной организацией.
На начальных стадиях эмбриогенеза особенно важную роль играет кортикальный слой цитоплазмы. Он определяется положение сагиттальной плоскости яйца, анимально-вегетативную полярность и участвует в ооплазматической сегрегации.
Под ооплазматической сегрегацией понимают процесс перемещения цитоплазмы яйцеклетки в связи с ее поляризацией. Ооплазматическая сегрегация приводит к тому, что в разных участках яйца состав цитоплазмы становится различным. Закономерное смещение и избирательное распределение цитоплазмы имеет значение для перераспределения цитоплазмы между бластомерами и формирования презумптивных (предполагаемых) зачатков зародыша.
С момента оплодотворения начинается эмбриональный период развития организма. В ходе эмбриогенеза из внешне недифференцированной зиготы образуется многоклеточный организм, способный к самостоятельному существованию.
Разным группам животных свойствен свой режим дробления, который зависит от организации яйцеклетки, формы и перемещений бластомеров. Типы дробления зависят от типа яйцеклетки.
Различают полное (гомобластическое) – равномерное и неравномерное, неполное (меробластическое), которое может быть дискоидальным (рыбы, пресмыкающиеся, птицы) и поверхностным (насекомые).
В зависимости от расположения бластомеров дробление бывает – радиальное (иглокожие, хордовые), спиральное, билатеральное (аскариды), анархическое.
По времени – синхронное и несинхронное.
У человека дробление начинается к концу 1-х суток и продолжается в течении 3-4 суток после оплодотворения, по мере продвижения зародыша по яйцеводу. Дробление зиготы у человека полное, неравномерное, несинхронное.
Результатом дробления является образование однослойного многоклеточного организма- бластулы. Выделяют следующие типы бластул: морула, равномерная стерробластула, неравномерная стерробластула, равномерная целлобластула, неравномерная целлобластула, плакула.
У всех многоклеточных стадия бластулы переходит в стадию гаструлы.
Под гаструляцией понимают процесс обособления первичных зародышевых листков (наружного – эктодермы и внутреннего – энтодермы). Теория зародышевых листков явилась крупнейшим обобщением в биологии 19 века. Большой вклад в развитие учения о зародышевых листках внесли:
1 К. Вольф (1768-69) обнаружил у куриного эмбриона образование зародышевого листка и превращение его в кишечную трубку.
2 В 1817 г. петербургский академик Х. Пандер наблюдал образование 3-х зародышевых листков у цыпленка.
3.К. Бэра (1828-37), который обнаружил зародышевые листки у рыб, амфибий, рептилий.
4.А.О. Ковалевский и И.И. Мечников, изучавшие развитие представителей почти всех классов беспозвоночных, и доказавших единство развития всех живых организмов.
5.В 1874 г. Э. Геккель, исходя из сформулированного им биогенетического закона и основываясь на выводах А.О. Ковалевского и И.И. Мечникова, пришел к заключению о гомологичности зародышевых листков. Главное положение ее состоит в том, что основной план строения многоклеточных согласуется с 2-мя или 3-мя малодифференцированными зачатками, указывающими на филогенетическую общность этих животных. Учение о зародышевых листках сыграло большую роль в истории биологии. Сначала формируется эктодерма и энтодерма , а затем происходит формирование 3-го зародышевого листка или телобластическим или энтероцельным способами.
Дифференцированный на 3 зародышевых листка эмбриональный материал дает начало всем тканям и органам. Классификация органов по их происхождению довольно распространена:
- эктодерма дает эпидермис и его производные: нервную систему, чувствительный эпителий, производные нервного гребня;
- энтодерма – пищеварительный тракт и связанные с ним органы (печень, поджелудочная железа, легкие);
- мезодерма образует мускулатуру, скелет, сосудистую систему, выделительный эпителий, соматическую часть гонад.
Однако в настоящее время зародышевые листки не считаются строго специализированными. Границы между ними постоянно нарушаются за счет широких потенциальных возможностей клеток в ходе индивидуального развития.
Процесс, в результате которого относительно однородный материал зародыша преобразуется в устойчивые элементы, отличающиеся по морфологическим, биохимическим и функциональным показателям, называют дифференцировкой.
Для обозначения предопределенности и необратимости дифференцировки в эмбриогенезе используют термин «детерминация». Степень детерминации различных частей зародыша в ходе эмбриогенеза меняется. Для рассмотрения механизма дифференцировки необходимо решить принципиальный вопрос: проявляют ли бластомеры равнонаследственность – тотипотентность.
Одним из наиболее прямых доказательств факта тотипотентности клеток является опыт Джона Гердона (1964-66 гг.) У африканской шпорцевой лягушкой было пересажено ядро из дифференцированной соматической клетки эпителия кожи в зиготу, лишенную ядра. Из таких клеток развивалась половозрелая особь. О существовании тотипотентных бластомеров у человека говорит полиэмбриония.
Таким образом, имеются доказательства того, что дифференцированные клетки сохраняют полноценную генетическую информацию
Изучение механизмов дифференцирования клеток – основная проблема биологии развития. Выраженная в генетических терминах она становится центральным вопросом генетики развития. Механизмы дифференцировки рассматриваются на молекулярном, клеточном, надклеточном уровнях.
Одним из генетических механизмов на ранних этапах онтогенеза является дифференциальный синтез РНК в цитоплазме яйцеклетки. Методами авторадиографии показано, что в цитоплазме ооцитов позвоночных число генов рибосомальной РНК в тысячи раз превышает их число в цитоплазме соматических клеток. Образование многочисленных копий генов, копирующих нуклеотидные последовательности рРНК получило название амплификации. В результате амплификации количество соответствующих участков ДНК в ооците увеличивается в сотни раз.
Другим источником накопления РНК в цитоплазме яйца служат хромосомы типа «ламповых щеток». Часть хромомеров таких хромосом деспирализуется и выступает в виде петель. Таким образом, при созревании яйцеклетки создаются запасы иРНК, тРНК, рРНК и рибосом, которые обеспечивают синтез белка на первых стадиях развития.
Ведущим молекулярным механизмом онтогенеза является дифференциальная экспрессия генов, которая у эукариотических организмов осуществляется на 5 уровнях:
1) транскрипционном;
2) посттранскрипционном;
3) трансляционном;
4) посттрансляционном;
5) с помощью гормонов.
Современные исследования показывают, что существует перестройка генетического материала в онтогенезе. Имеется пример перестройки генетического материала при дифференцировке лимфоцитов.
Известно злокачественное образование иммунной системы – миелома, при которой происходит размножение клеток, продуцирующих антитела только одного типа.
Многие структурные гены, экспрессирующиеся на определенных стадиях развития, принадлежат к мультигенным семействам.
Мультигенное семейство – это группа генов, близкогомологичных по своим нуклеотидным последовательностям и обладающих близкими фенотипическими функциями (число генов в семействе от нескольких копий, как у гемоглобинов, до нескольких сот у гистонов).
Переключения экспрессии генов в семействе не только связаны с изменением биохимических показателей эмбриона, но и морфогенезом. Мультигенные семейства создают возможность для тонкой настройки экспрессии структурных генов. При этом активность генов строго определена во времени и для определенных групп клеток.
К типичным преобразованиям эмбриона на клеточном уровне является пролиферация (клеточное размножение). Делящиеся клетки располагаются без видимого порядка или концентрируются в особых матричных зонах. В отдельных случаях от матричной зоны зависит дальнейшая судьба клетки.
К преобразованиям клеточных комплексов относятся:
· местные утолщения (или обособления пластов)
· образование складок
· объединение или распад клеточных масс
· сгущения клеток (или их концентрация).
Ведущими процессами в раннем эмбриогенезе являются активные клеточные перемещения или морфогенетические движения. Траектория движения осуществляется путем так называемой контактной дифференцировки. Морфогенетические движения проходят на фоне изменения поверхностных свойств клеток. Изначально положительный аффинитет (сродство) клеток, обеспечивающий тесную связь при их гаструляции, резко меняется на отрицательный. Это ведет к разобщению клеточных комплексов. Некоторые типы клеток перемещаются по градиенту концентрации химических веществ. Это называется организацией за счет градиентных систем.
Другим клеточным механизмом дифференцировки является избирательная сортировка. Это приводит к окончательной упорядоченности клеток в клеточных комплексах. Определенные морфологические процессы обеспечиваются генетически запрограммированной гибелью локальных групп клеток или крупных закладок. Такие центры клеточной гибели приводят, например, к образованию пальцев на малодифференцированных лопатовидных закладках конечностей позвоночных. Существование мутаций, расширяющих зоны некроза, а также опыты с экспериментальной индукцией гибели клеток показывают на генетическую запрограммированность клеточной гибели в онтогенезе.
В становлении пространственной организации и местоположения органов существует две концепции:
1) эмбриональных полей
2) позиционной информации.
Кауфманом предложена схема гипотетического набора генных переключателей, определяющих память клеток в эмбриональном поле – что клетки в пределах эмбрионального поля способны запоминать информацию о своем положении.
В связи с концепцией позиционной информации каждая клетка получает информацию о ее положении по отношению к другим клеткам. Это определяет план развития зародыша. Положение каждого органа предопределяется не только в пространстве, но и во времени.
Большое значение в упорядочении хода эмбриогенеза на надклеточном уровне принадлежит эмбриональной индукции. Начало принципиальному изучению этого явления положили опыты Шпемана и Мангольда, применивших микрохирургическую методику работы с эмбрионами. Дорсальная губа бластопора, развивающаяся в N структуры нервной системы (непигментированного тритона) вырезалась и пересаживалась на эктодерму брюшной стороны обыкновенного пигментированного тритона. В итоге на брюшной стороне зародыша реципиента возникал комплекс осевых органов – хорда, сомиты, а затем – дополнительный зародыш. Наблюдения за распределением пигментированных и непигментированных органов показали, что ткани дополнительного зародыша формируются из клеточного материала реципиента. Область гаструлы, от которой исходят индукционные организующие влияния, Шпеман назвал организатором. Клеточный материал этой первичной индукционной системы объединен в организующем центре. Органы, возникающие в результате первичной индукции и, в свою очередь, индуцирующие новые органы, были названы Шпеманом организаторами II, III, IV и т.д. порядков. Типичным примером цепной индукции является формирование глаза у позвоночных.
Было установлено также, 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, мозговые структуры; а из костного мозга – мезодермальные. В результате индукции крыши первичной кишки, вызывающей появление переднего мозгового пузыря, образуются первичные зрительные пузырьки. В месте их соприкосновения с эктодермой головы образуется хрусталик. При инвагинации зрительного пузырька образуется глазной бокал, внутренние стенки которого дают сетчатку. Наконец, роговица образуется благодаря превращению кожи над глазом. Путем последовательной индукции образуются органы слуха, обоняния и т.д.
Действие обратного индуктора можно заменить действием органов и тканей зародыша старшего возраста и взрослых (гетерогенные индукторы) или химическими веществами – индуцирующими факторами. Из туловищных отделов 9-11 дневных куриных зародышей выделен так называемый вегетализирующий фактор – белок с молекулярной массой около 30000, вызывающий в компетентной эктодерме гаструлы земноводных образование энтодермы и вторично – хорды, мышц и других производных мезодермы. Вместо индуктора могут быть соли Na, Ni, сахароза. Повреждающие факторы высвобождают собственно индуцирующие факторы, находящиеся в них в связанном состоянии. Это явление получило название эвокации, а связанные индукторы – эвокаторы.
Развитие зародыша – цепь следующих друг за другом индукционных взаимодействий. Может быть как прямое, так и обратное влияние реагирующей системы на индуктор. Понятие компетенции – это способность эмбрионального зачатка к восприятию индукционного стимула.
Зачатки любого органа проходят две стадии развития: зависимой дифференцировки, связанной с действием индуктора и внешних условий, и независимой дифференцировки. Известно явление трансдифференцировки – изменение пути развития клеток под влиянием каких-либо факторов.
С помощью биохимических и иммунологических методов показано, что дифференцировке тканей и образованию органов предшествует синтез гормонов и определенных белков, характерных для данных структур. Это можно продемонстрировать на примере синдрома Морриса. Люди с синдромом Морриса имеют мужской генотип (XY), но женский фенотип. Объясняется это тем, что хотя в эмбриогенезе поначалу формируется семенник и образуется мужской половой гормон, но ткани-мишени к нему не восприимчивы. Ген tfm (transformer) в гомозиготном состоянии блокирует образование белка-рецептора, необходимого для чувствительности клеток к мужскому половому гормону. В результате мужской фенотип не формируется.
В период эмбрионального развития животных возникают провизорные эмбриональные органы, обеспечивающие питание, газообмен, выделение и защиту зародыша. Примерами провизорных органов служат брюшные конечности и жабры личинок насекомых; сосуды желточного мешка у зародышей рыб, рептилий и птиц; амнмон, аллантоис и серозная оболочка у амниот; хорион у плацентарных. Провизорные эмбриональные органы впоследствии дегенерируют и заменяются на дефинитивные.
В процессе эмбриогенеза меняются «требования» зародыша к среде и его реакция на внешнее воздействие. Критические периоды отличаются большой восприимчивостью эмбриона к действию внешних факторов. Положение критических периодов соответствует поворотным ммоментам развития:
· началу гаструляции
· имплантации бластоцисты в слизистую матки и т.д.
Вне критических периодов процесс развития характеризуется устойчивостью. Нарушения естественного хода эмбриогенеза приводят к формированию уродств или пороков развития. Пороками развития называют стойкие отклонения в строении органа или целого организма, приводящие к функциональным расстройствам.
Факторы, вызывающие пороки, называются тератогенными, а причины, механизмы и пути их профилактики изучает наука тератология, развивающаяся на стыке эмбриологии, генетики и медицины. По данным ВОЗ – пороки имеют место у 1-2% людей. Пороки заключаются в отсутствии органа или его части (аплазия), недоразвитии органов (гипоплазия), уменьшении массы тела (гипотрофия), непропорциональном увеличении массы органа (гипертрофия), нетипичной локализации органа (гетеротония), сужении (стеноз) или отсутствии канала (атрезия), сохранении эмбриональных структур (персистирование). Первичные пороки возникают под действием тератогенных факторов, вторичные являются осложнением первичных.
Таким образом, на любой стадии развития зародыш представляет собой целостную интегрированную систему, обусловленную взаимосвязью и взаимосогласованностью отдельных его частей.