Теоретические основы понимания эмбриогенеза

В предыдущих разделах . были описаны основные этапы эм­бриогенеза. Как известно, филогенез дает историю вида, онто­генез 45- историю индивида. В свою очередь онтогенез, описыва­ющий историю индивида от момента зарождения до наступления физиологической смерти, может быть подразделен на эмбриона­льный и постэмбриональный период. Эмбриология как наука изучает эмбриональный период онтогенеза. У плацентарных, к которым относится и человек, эмбриональный период захватыва­ет время от момента оплодотворения до рождения, т. е. до момен­та изгнания плода из матки.

Рассматривая многочисленные работы, выполненные по эмбри­ологии в течение нескольких столетий, можно юс подразделить на описательные или феноменологические и на экспериментальные, стремящиеся вскрыть причины и механизмы, обусловливающие сложные и не до донца выясненные процессы эмбриогенеза.

Описание эмбриогенеза позволяет выделить в нем стадии, процессы, элементы и элементарные акты. Под стадией следует понимать этап развития зародыша, коренным образом отличаю­щийся от предыдущего в силу появления новых свойств и структур. Исходя из этого определения можно выделить следующие стадии эмбриогенеза: зигота, бластула, гаструла, нейрула, тканевое и органное строение.

.Переход от одной стадии к следующей обеспечивается с по­мощью определенных эмбриональных процессов.

Так, появлению стадии зиготы, предшествует процесс прогенеза, сущностью которого является образование и созревание половых клеток, их перенос навстречу друг другу с последующим слиянием. Оплодотворение является процессом, приводящим к появлению зиготы. Биологическая сущность оплодотворения состоит в том, что две половые клетки с гаплоидным набором хромосом, не способные раздельно к прогрессивному развитию и обреченные на быструю гибель, при встрече сливаются и образуют диплоидную одноклеточную стадию организма — стадию зиготы с обширной и реализуемой программой прогрессивного развития.

Процесс, с помощью которого зигота переходит в следующую стадию развития — бластулу, получил название дробления. Дроб­ление совершается, используя известный механизм митотического деления, но с рядом важных особенностей. Во-первых, при дроблении интерфаза резко укорочена. Она представлена, по сути, периодом, в котором протекает репликация. Во-вторых, при дроблении имеет место в интерфазе только синтез и-РНК, остальные виды РНК и синтез белка еще не происходят. Отсюда, клетка не способна к росту и поэтому при каждом новом этапе дробления дочерние клетки-бластомеры получают размеры вдвое меньше, чем материнские.

Если вспомнить положение биогенетического закона и при­ложить его к дроблению, то этот процесс онтогенеза как бы по­вторяет в ускоренном виде переход от одноклеточных к много­клеточным формам-, который имел место в филогенезе.

Следующий процесс, эмбриогенеза — это гаструляция, с по­мощью которой зародыш из стадии бластулы переходит в стадию гаструлы. В основе этого процесса лежит перемещение клеточных масс, приводящее вначале к появлению двух, а затем и трех за­родышевых листков: эктодермы, энтодермы и мезодермы: При­чины и механизмы этого перемещения клеток выяснены недоста­точно.

. Продолжающееся перемещение клеток тела зародыша — про­цесс нейруляции, приводит к образованию органов спинного ком­плекса: нервной трубки, хорды, сомитов, тем самым приводит зародыш на стадию нейрулы. На этой стадий развития зароды­шевые зачатки заняли «исходные рубежи» и готовы к следующему: процессу — гистогенезу, т. е. к образованию тканей. Параллельно- с^образованием тканей их взаимодействие приводит к появлению новых структур — возникают органы. Процесс образования орга­нов, получил название - органогенеза. Очень часто оба эти про­цесса объединяют под общим термином морфогенеза.

Процессы морфогенеза продолжаются на протяжении всей жизни человека или животного. В настоящем разделе мы рас­смотрим эти процессы в эмбриональном периоде. .

Все процессы эмбриогенеза можно условно разделить на эле­менты. К ним относятся: размножение клеток, рост клеток, обра­зование некоторыми из, них межклеточного промежуточного ве­щества, перемещение клеток, детерминация и дифференцировка клеток, взаимодействие и гибель клеток.

Размножение клеток как элемент эмбриогенеза представлен дроблением, митозом и мейозом. Основная масса клеток возникает в результате митотического деления. Роль амитоза, как самостоя­тельного вида деления клеток, в. условиях нормального развития организма в настоящее время пересматривается. Мейоз свойстве­нен только половым клеткам в период их созревания. У большинст­ва видов животных, в том числе и у человека; он протекает в постэмбрйональном периоде.

Размножение клеток и последующий их рост, начиная со стадии гаструлы, генетически запрограммированные процессы, регулируемые действием биологически активных веществ. Рост клеток объясняют преобладанием процессов ассимиляции над

процессами диссимиляции. Уравнение интенсивности этих^процессов приводит к остановке роста клеток.

Одну из загадок эмбриогенеза представляют способы и меха­низмы перемещения клеток. Можно выделить перемещение клеток пластом, как это имеет место при гаструляции и нейруляции; пе­ремещение группами или отдельными клетками, как это имеет место при миграции первичных половых клеток, нейробластов в состав ганглиев, миобластов из миотомов в места локализации -будущих скелетных мышц. Механизм перемещения отдельных клеток объясняют с позиций амебоидного и ундулирующего дви­жения. Направление движения определяется хемотаксисом, а остановка'—механизмом контактного торможения, в основе ко­торого лежит прекращение движения при встрече однотипных клеток. ,

Прежде чем перейти к рассмотрению механизмов детерминации :и дифференцировки, дадим определение понятию «элементарный акт». В основе всех явлений жизни, как особой формы движения матери, а, Следовательно, процессов, протекающих в клетках, тканях и органах на этапах эмбриогенеза, лежат элементарные -акты морфогенеза.

Под элементарным актом мы понимаем цикл молекулярно-фер- ментативных. процессов, приводящих к образованию макромо­лекул или сборке надмолекулярных субклеточных структур.

К элементарным актам морфогенеза следует отнести процессы репликации, приводящие к., синтезу молекул ДНК, процессы транскрипции—ксинтезу всех.видов молекул РНК (и-РНК, р-РНК, т-РНК, рег.-РНК), процессы трансляции, приводящие к синтезу молекул белка, а также' процессы самосборки, приводящие к образованию различных мембран и органелл.

При эмбриогенезе появление и становление элементарных актов морфогенеза происходит в определенной последовательности. В зиготе возникшей из изолецитальной яйцеклетки, еще не пред­ставлены макромолекулярные синтезы. В период дробления у зародышей этого типа появляются процессы репликации и начина­ется синтез и-РНК. На стадии бластулы к этим элементарным актам присоединяется синтез т-РНК, на стадии гаструлы — р-РНК наконец, на стадии нейрулы в клетках зародыша представлены все виды макромолекулярных'синтезов и сборки надмолекулярных структур. Тем самым, на стадии нейрулы получили развитие все элементарные акты, обеспечивающие дальнейшее эмбриональное развитие.

Стадия нейрулы является стартовой площадкой для; дальнейших процессов гистогенеза, объединяемых общим термином «морфо­генез». Под морфогенезом следует понимать цепь последовательно развивающихся процессов, приводящих к становлению определен­ных структур и функций.

Исследуя начальные, промежуточные и конечные этапы мор­фогенеза, нетрудно заметить, что различные по структуре и функ­циям структуры возникают часто из одинаковых зачатков и от­личия между ними нарастают постепенно. Так, нервная ткань и развивающийся из нее спинной и головной мозг возникают из общего с кожей зачатка — эктодермы. Жидкая кровь, костная ткань и жировая ткань у зародыша имеют общего родоначальника в виде мезенхимы. Вместе с тем, клетки крови резко отличаются как от клеток костной, так и жировой ткани по своим размерам, форме, функции, биохимизму, что указывает, что активность генов, определяющих все эти отличия, различна у клеток этих тканей.

Процесс, который при онтогенезе приводит к развитию специ­ализированных по структуре и функции клеток, получил название дифференцировки. Как объяснить, что одинаковые по своему про­исхождению, структуре и функции клетки мезенхимы выбирают различные направления развития, т. е. дифференцируются по-раз­ному? Для объяснения этого очень важного положения введено понятие о детерминации.

Под детерминацией следует понимать стойкое и передающееся по наследству изменение состояния регуляторных структур клетки, определяющее направление дифференцировки.

Итак, под действием определенных факторов в клетке про­исходит детерминация, т. е. клетки получают программу развития. Затем наступает дйфференцировка, с помощью которой реализу­ется программа детерминации.

Понимание механизмов развития, что получило название «ме­ханики развития», создавалось работниками экспериментаторов-эм­бриологов на протяжении более 100 лет и существенно продви­нулось благодаря успехам молекулярной биологии, молекулярной генетики и электронной микроскопии.

Как известно, из зиготы путем дробления возникают бластоме­ры, из которых в свою очередь развиваются различные клетки зародыша. Решим, во-первых, вопрос, какова роль ядра клеток в процессе дифференцировки клеток. С этой целью рассмотрим результаты опытов Бриггса и Кинга.

Излюбленным объектом для решения вопросов механики раз­вития являются зародыши амфибий, в частности, головастики. Это объясняется доступностью объекта, неприхотливостью, высо­кой скоростью эмбрионального развития.

Если удалить ядро из зиготы головастика с помощью специ­альной иглы, т. е. энуклеировать зиготу, то последняя совершит несколько дроблений, но возникшие энуклеированные бластомеры вскоре погибнут и дальнейшее развитие прекратится. Вывод ясен — ядро необходимо для процессов эмбриогенеза.

Эксперимент несколько изменяется: в энуклеированные зиготы будущих головастиков трансплантируются ядра, выделенные из

бластомеров или из клеток зародыша, находящихся на стадии бластулы, ранней гаструлы, поздней гаструлы и нейрулы. Затем ведется наблюдение за судьбой зародыша. В подавляющем про­центе случаев энуклеированные зиготы, которым были трансплан­тированы ядра из клеток бластулы и ранней гаструлы проходят все этапы развития и превращаются в нормальных головастиков. Эти результаты позволяют сделать выводы, что ядра клеток за­родыша, находящегося на этих стадиях, по своим свойствам не отличаются от ядер зиготы, т. е. они эквипотентны, а поскольку они обеспечивают различные дифференцировки в процессе эмбрио­генеза, то ядра клеток бластулы и ранней гаструлы подобно ядрам зиготы полипотентны.

При трансплантации ядер клеток зародышей, находившихся на стадиях поздней гаструлы и нейрулы, развитие головастиков пре­кращается из-за гибели на стадии ранней гаструлы. Следователь­но, при эмбриогенезе/ ядра клеток зародышей уже на стадии поздней гаструлы претерпевают изменения и теряют способность обеспечивать развитие зиготы до взрослой формы. На стадии поздней гаструлы ядра клеток головастиков уже не экви- и не полипотентны. На основании этих опытов можно сделать вывод, что в процессе эмбриогенеза изменяются свойства ядер клеток: уменьшается их способность обеспечивать развитие клеток в раз­личных направлениях, т. е. они специализируются или иначе диф­ференцируются.

В отличие от Бриггса и Кинга, Гердон в^: более поздних рабо­тах обнаружил, что в 1% случаев, т. е. очень , редко, ядра кле­ток эпителия кишечника головастика при трансплантации в эну- клеированную зиготу могут вызывать развитие нормального заро­дыша. Эти результаты требовали объяснения. В настоящее время можно дать, по-видимому, два объяснения результатам Гердона. Первое: среди эпителиоцитов кишечника есть вдетки, которые мо­гут подвергнуться дедифференцировке, стать снова полипотентными и обеспечить развитие зародыша. Второе: в процессе раз­вития не все клетки дифференцируются, очень небольшая часть из них сохраняет экви- и полипотентность, составляя камбий различных тканей. Это можно объяснить небольшим процентом успешных трансплантаций у Гердона. Тем самым опыты Гердона не отменили основных выводов, сделанных Бриггсом и Кингом, но поставили вопрос о возможности дедифференцировки ядер в процессе эмбрионального развития.

Общий вывод, который можно сделать на основании всех этих экспериментов, состоит в том, что изменения в ядрах кле­ток имеют большое значение в механизме эмбриогенеза.

Возникает вопрос: какова роль цитоплазмы при этом? Для выяснения этого вопроса обратимся к результатам некоторых эк­спериментов. Хорошо известно, что образование всех видов РНК>

исключая митохоидриальные, протекает в ядрах клеток. Этот про­цесс транскрипции может быть легко обнаружен современными методами авторадиографии и биохимии. Как было показано выше, становление синтеза различного вида молекул РНК происходит постепенно, по мере прохождения по стадиям развития. Этот про­цесс протекает только в ядре клеток.

Для решения вопроса в какой степени синтез молекул РНК зависит от зрелости цитоплазмы были поставлены следующие опыты. В энуклеированную зиготу трансплантировали ядра клеток,, выделенные у зародыша головастиков, находящихся на стадии бластулы, гаструлы и нейрулы. В этих ядрах, как известно, уже имеет место синтез различных комплексов молекул РНК. Однако, при взаимодействии этих ядер клеток с цитоплазмой зиготы они временно прекращали процессы транскрипции. Следовательно, реа­лизации транскрипций на этапах эмбриогенеза б клетках зародыша требует определенной зрелости цитоплазмы, способной ингибировать эти процессы.

Все сказанное выше позволяет сделать вывод по этому раз­делу: не только ядро определяет развитие элементарных актов в цитоплазме зародыша, но и цитоплазма в свою очередь регу­лирует ход элементарных актов в ядре клеток, т. е. взаимодейст­вием ядра и цитоплазмы можно объяснить сложные процессы развития клеток, их дифференцировку на этапах эмбриогенеза.

Молекулярно-генетические механизмы дифференцировки кле­ток в последнее время подвергаются интенсивному изучению. У прокариот объяснение развития дифференциальной активности ге­нов можно получить с позиций гипотезы Жакоба и Моно. Сложнее дело обстоит у эукариот. У бактерий, имеющих одну кольцевую хромосому, репрессия и депрессия генов получает объяснение с по­зиций взаимодействия оперона с геном-регулятором. У эукариотов в ядре находится несколько хромосом, в которых располагается громадная по объему генетическая информация. Существуют ме­ханизмы взаимодействия между отдельными порциями генетиче­ской информации, локализованными в различных хромосомах.

Приблизиться к пониманию хотя бы в обших чертах к меха­низмам взаимодействия между различными отделами генома клет­ки в процессе дифференцировок клеток эукариот при эмбриогенезе, помогает схема-гипотеза, высказанная Бриттеном^ Дэвидсоном.

В соответствии с понятиями Жакоба и Моно, Бриттен и Дэвид­сон подразделяют гены на регуляторные и продюссерные (струк­турные). В свою очередь, регуляторные гены подразделяют на сензорные, интегрирующие и рецепторные. Сензорные гены взаи­модействуют с регуляторными факторами-сигналами (гормоны, биологически активные вещества). Сензорным генам подчинены гены-интеграторы, которые под воздействием сензорных генов определяют выработку активаторной РНК. Последняя может дейст­

вовать на рецепторные гены, расположенные в различных хромосомах и тем самым генерировать и усиливать сигнал. Рецептор­ные гены под действием активированной РНК включают гены- продюссеры, которые подобно структурным генам определяют синтез различных видов РНК, а, следовательно, и синтез опре­деленных видов белка, которыми на конечном этапе и определяется ход и направление дифференцировки клеток.

Характер этих взаимодействий молекулярно-генетических ме­ханизмов клеток при их дифференцировке представлен на схеме 1.

Некоторые из вновь синтезированных белков, или продукты, возникающие под их действием, обеспечивают обратную связь, воздействуя на сензорные гены.

Процесс развития протекает постепенно по схеме причинно- следственных взаимоотношений, следствие причины 1 может вы­ступать в роли причины 2 и определять появление следствия 2 и т. д. Этот процесс развертывается во времени. Время, в свою очередь, определяется последовательностью генетически детерми­нированных процессов, протекающих в какой-то структуре.

Процесс развития зародышей не автономный, а зависит от дей­ствия ряда причин. Неоплодотворенные половые клетки у высших, организмов не способны обеспечить развитие зародышей. Толчком или причиной, обуславливающей развитие, является оплодотворе­ние, которым запускается весь эмбриогенез и, в первую очередь,, дробление.

Развитие элементарных молекулярных актов на этапах раннего эмбриогенеза объясняется взаимодействием генетических струк­тур ядра и органелл цитоплазмы. На стадии нейрулы основные

эмбриональные зачатки уже детерминированы, чем и подготов­лен следующий этап в развитии зародыша—этап гистогенеза, а затем и органогенеза.

В развитии этих этапов важнейшая роль принадлежит взаимо­действию клеток. Характер этих взаимодействий для высших жи­вотных был вскрыт в опытах Шлепана и его учеников. При этом было показано, что удаление зачатка хорды у зародышей амфи­бий блокирует образование из эктодермы нервной пластинки и превращение последней в нервную трубку. Пересадка хордального тяжа на вентральную сторону зародыша приводила к развитию нервной трубки на передней стороне тела головастика. Если заро­дышу головастика на стадии гаструлы трансплантировать зача­ток хорды, взятый из другого зародыша, то отмечалось развитие двух нервных трубок на дорзальной и вентральной сторонах тела. На основании этих опытов был сделан вывод, что хорда вызывает развитие нервной трубки.

Этот процесс получил название эмбриональной индукции, а метаболиты хорды, ответственные за процесс, получили название индукторов.

Вторым классическим примером взаимодействий в процессах эмбрионального органогенеза может быть индукция развития хрусталика под действием глазного бокала. Индуктор является метаболитом и переносится из клеток индуцирующей в клетки индуцируемой структуры. Разделение этих структур с помощью сплошных, непроницаемых перегородок блокирует эффект индук­тора, разделение с помощью решетчатых перегородок не препят­ствует развитию эффекта. Индуктор, достигнув клеток-мишеней, выступает в роли фактора, действующего на генетические струк­туры— сенсорные гены и вызывает стойкое и наследуемое изме­нение активности генов — развитие эпигеномной наследственности. Таков, по-видимому, механизм детерминации, определяющий в дальнейшем характер последующих дифференцировок.

Коррекция процессов дифференцировки и перемещение клеток, приводящих к развитию тканевых и органных структур, получают объяснение с позиций принципа проверки обстановки клетками, предложенного Боннером. Согласно этому принципу, дифференцировка клеток идет ступенчато и клетки проверяют окружающую обстановку, сверяя ее с генетической программой своего развития. Если такая сверка совпадает с программной, то наступает следую­щий запрограммированный этап развития. Реализация принципа проверки обстановки допустима в том случае, если считать, что принцип дополняется принципом сигнализации. Согласно этому принципу каждый этап дифференцировки сопровождается выра­боткой клетками веществ сигналов, которые являются индукто­рами для последующих дифференцировок в клетках, проверяющих обстановку.

Мы попытались представить положения этой чрезвычайно сложной и бурно развивающейся отрасли знания о теоретических осно­вах процессов эмбриогенеза. Каждый день приносит новые све­дения, дополняющие наши знания, ставящие новые проблемы перед учеными.

Как было показано выше, теоретические проблемы эмбриоге­неза в разное время получали объяснение с позиций преформизма или эпигенеза. Основатель преформизма Бонне считал, что в жен­ской яйцеклетке находятся зародыши в готовом виде, в яйцеклет­ках этих зародышей находятся еще. меньшие по размерам заро­дыши следующего поколения. По его подсчетам в яичнике Евы содержалось 27 000 000 зародышей всех последующих поколений людей. Абсурдность подобных построений сохраняло, однако, свое значение в течение длительных этапов и эти отголоски префор­мизма пытаются найти свое убежище в концепциях неопрефор­мизма.

С позиций неопреформизма в яйцеклетке заложен не готовый зародыш, а тот молекулярный материал, из которого будет идти развитие будущего организма. Неопреформизм продолжает отри­цать возникновение новых структур в процессе развития.

Положение теории эпигенеза в первичном ее представлении также требует коррекции. Структуры цитоплазмы яйцеклетки не гомогенны и не полипотентны. Из определенных зон яйцеклетки, как правило, возникают определенные структуры зародыша. Следо­вательно, цитоплазма яйцеклетки в какой-то степени преформирована в виде развития структур из подготовленного в процессе га- метогенеза материала. Иначе не имел бы смысл сложный под­готовленный этап созревания женской половой клетки.

Обе длительное время конкурирующие теории могут быть использованы при создании синтетической теории эмбриогенеза. Та­кой теорией должна стать генетическая теория развития.

Половые клетки не имеют готовых структур будущего зароды­ша, но они содержат набор генов — генетическую программу для данного вида животных, включая особенности для каждого инди­видуума. С этих позиций структуры половых клеток и зиготы не гомогенны и не экви- и полипотентны. Вместе с тем, в процесса эмбриогенеза возникают структуры от молекулярного до орган­ного уровней, которых нет в половых клетках. Это подтверждает некоторые положения эпигенеза. Следовательно, сложно-органи­зованными половыми клетками передаются по наследству не гото­вые структуры, а инструкции по их изготовлению. Эти инструк­ции не энтелехия, а программа развития путем специфических синтезов, закодированных молекулами ДНК.