Прикладные задачи биологии индивидуального развития

В настоящее время в биологии индивидуального развития создаются предпосылки, которые позволят разрешить многие прикладные проблемы медицины и сельского хозяйства. Остановимся на некоторых важных прикладных задачах.

Неоценим вклад нашей отечественной науки в области регенерации костей и внутренних органов. Сотни людей, страдавших от переломов или врожденных дефектов конечностей, излечены методом Г.А.Илизарова. Эмбриологи внесли и вносят большой вклад в разработку и совершенствование методов искусственного размножения животных. В практику рыбоводства прочно вошел «русский метод» искусственного оплодотворения икры, методы искусственного осеменения сельскохозяйственных животных хранящейся в замороженном виде спермой высокопородных самцов. Искусственное осеменение в рыбоводстве и животноводстве – лишь первые шаги на пути создания технологии, которая позволит не только воспроизводить, но и управлять размножением животных.

Это важно не только для решения задач животноводства, но и для увеличения численности диких животных, особенно редких и вымирающих видов. Суть этих разрабатываемых подходов состоит в умении стимулировать созревание большого числа ооцитов для получения яйцеклеток в тех случаях, когда их число в норме ограничено (например, у млекопитающих). Это позволяет сохранить их жизнеспособными, оплодотворить и получить из них потомство.

У млекопитающих решение такой задачи связано с умением трансплантировать оплодотворенную яйцеклетку или эмбрион в матку той же самки, от которой они получены, или другим самкам. В любом случае самка–реципиент должна находиться в той фазе полового цикла, когда ее матка готова к имплантации зародыша. Любая половозрелая самка может быть искусственно путем специальных гормональных воздействий переведена в эту фазу начала беременности, но без зачатия; таких самок называют «ложно беременными». Эмбрионы, трансплантированные в матку ложно беременных самок, способны нормально имплантироваться и развиваться. Этот метод известен как метод трансплантации эмбрионов и основан на умении управлять (с помощью гормонов) половым циклом самок и манипулировать ооцитами, яйцеклетками и ранними эмбрионами (предимплантационными). Этот метод уже используется в экспериментальных и племенных хозяйствах для быстрого размножения ценных пород крупного и мелкого рогатого скота, свиней, пушных зверей.

Например, с помощью этих операций можно за один прием вызвать до 60 овуляций и трансплантировать полученные зиготы или (что надежнее) эмбрионы на стадии морулы десяткам самок–реципиентов любой породы. При этом в матку одной коровы можно трансплантировать по два эмбриона (по одному в каждый рог), получая, таким образом, двойню. В рамках метода трансплантации число двоен в потомстве удается повысить до 70%. 10–20-кратное увеличение численности потомства нужной родительской пары с помощью техники трансплантации уже реальное, но дорогое мероприятие, т.е. экономически недостаточно рентабельно. В настоящее время этим способом получают десятки и сотни тысяч сельскохозяйственных животных.

Одна из причин низкой эффективности метода – ограниченная жизнеспособность яйцеклеток и эмбрионов, что сопряжено с необходимостью их немедленной пересадки после вымывания из половых путей. Поэтому самки–реципиенты должны быть заранее подготовлены. Эта трудность уже преодолевается, зародыши можно культивировать некоторое время в питательных средах, их можно законсервировать путем глубокого замораживания в присутствии специальных консервантов и хранить на протяжении многих месяцев. При этом 40–70% эмбрионов сохраняет способность к дальнейшему нормальному развитию. Метод криоконсервации позволяет существенно улучшить данный способ размножения: можно создавать банки эмбрионов, перевозить их в другие хозяйства и т.д. Перевозка эмбрионов позволяет преодолеть многие трудности в племенной работе, связанные с ограничениями (и дороговизной) ввоза (или вывоза) племенных животных.

Другая проблема, решение которой таит в себе большие возможности для животноводства, – это создание с помощью эмбриологических манипуляций методов получения генетических копий (клонов) животных. Животные за редким исключением размножаются половым способом. В результате объединения в зиготе мужского и женского геномов возникают новые генотипы, и даже потомство одной родительской пары генетически неоднородно. Тем самым половой процесс, обеспечивая необходимое для жизнеспособности вида генетическое разнообразие, создает трудности в точном воспроизводстве и размножении выдающихся по своим породным качествам особей сельскохозяйственных животных, которые создаются в результате длительной селекционной работы. Нужно найти возможность получать потомство, которое было бы точной генетической копией подобной особи, ее клоном. Половым размножением клонирование обеспечить невозможно, необходимы «вегетативные» способы размножения. У бактерий, большая часть жизненного цикла которых представлена гаплоидной фазой, обычный способ размножения (деление) ведет к образованию клонов. У растений наряду с половым широко распространено вегетативное размножение, что также позволяет размножить генотип одной особи. Кроме того, половозрелое растение может быть выращено из одной соматической клетки, благодаря чему может быть получена целая популяция растений – клон.

У животных в настоящее время не удается заставить соматическую клетку развиваться в многоклеточный организм, поэтому проблема создания генетических копий животных связана с преодолением больших научных и технических трудностей. Однако уже существует ряд методов клонирования. Так, с помощью амейотического партеногенеза у шелкопряда получают в массе генетически идентичных самок, а с помощью мейотического партеногенеза и андрогенеза – самцов.

Таким образом, эти методы позволяют иметь генетические копии и одновременно регулировать пол, т.е. решать еще одну важную прикладную задачу. У млекопитающих партеногенетическое развитие зародышей останавливается на ранних стадиях, и этим путем еще не удалось получить взрослых животных. Причины их нежизнеспособности не выяснены. Однако известно, что они связаны не с отсутствием в зародыше хромосом самца, а с тем, что яйцеклетки, которые не прошли через стадию нормального оплодотворения, недоактивированы. Если же яйцеклетку мыши оплодотворить, а затем с помощью микрохирургической операции удалить мужской пронуклеус, оставив женский, то такой зародыш, культивировавшийся некоторое время в среде, содержащей цитохалазин В, развивается до взрослого состояния. Цитохалазин В блокирует цитотомию, не препятствуя удвоению хромосом. В его присутствии женский пронуклеус удваивается, но цитотомии не происходит, и гаплоидный зародыш преобразуется в диплоидный – развивается гиногенетическая особь. Этим способом в 1979 г. К.Ильменси и П.Хоппе впервые получили гиногенетическое потомство у мышей. Как и следовало ожидать, в потомстве были одни самки (каждая особь содержала ХХ-пары гоносом, возникших в результате удвоения Х-хромосомы на стадии, когда под влиянием цитохалазина В произошла диплоидизация клеток зародыша).

Поскольку однояйцовые близнецы являются точными генетическими копиями, но в природе очень редки, разрабатываются подходы к их искусственному получению в больших количествах. Если двухклеточный эмбрион мыши поместить в среду с ферментом проназой, расщепляющим белки, оболочка размягчается, бластомеры разъединяются и способны развиваться до стадии бластоцисты. Хотя генетически такие близнецовые эмбрионы идентичны, они отличаются по массе (числу клеток). Однако до сих пор еще не удалось получить взрослых мышей-близнецов, так как такие зародыши погибают после трансплантации. В Англии с помощью этого приема впервые удалось получить 5 пар близнецов-ягнят и близнецов крупного рогатого скота.

Но один из наиболее перспективных подходов – это клонирование путем трансплантации ядер соматических клеток в энуклеированные яйцеклетки. Эта задача технически решена на млекопитающих (мыши). К.Ильменси и П.Хоппе трансплантировали ядра из внутренней клеточной массы раннего эмбриона мыши в энуклеированные яйцеклетки, получили из них бластоцисты и трансплантировали их в матку «приемной» матери. Подобные операции, по-видимому, удастся осуществить и на сельскохозяйственных животных, т.е. клонировать их.

Существуют важные медицинские аспекты работы с яйцеклетками и эмбрионами. Один из них – оказание помощи женщинам при некоторых формах бесплодия (непроходимость труб). Впервые в Англии, а затем и в других странах успешно проведены операции по извлечению из яичника женщины ооцитов, их выращиванию в пробирке, оплодотворению и трансплантации в матку матери. Эти операции завершились рождением нормальных детей.

Благодаря методу трансплантации яйцеклеток, начиная с 1978 г. (когда в Англии родилась первая девочка Лесли Броун), во всем мире появились на свет 150 вполне здоровых детей. Эта техника за короткий срок из уникальной стала обычной клинической процедурой, хотя не каждая операция завершается успешно.

Культивирование яйцеклеток и эмбрионов вне организма впервые открыло перспективу исследования малоизвестного предимплантационного периода раннего развития человека. Ввиду того, что в естественных условиях информацию об этом периоде развития получить трудно, недостаточно изучено и действие лекарственных соединений и других факторов на состояние зародыша в предимплантационный период. Культивирование же позволяет восполнить этот пробел, более эффективно разрабатывать контрацептивные средства, выяснять причины бесплодия, связанные с функцией яйцеводов, и т.д.

Культивирование ранних зародышей открыло также возможность раннего определения (пока с целью отбора для трансплантации) эмбрионов нужного пола. В этом направлении достигнуты уже некоторые успехи на сельскохозяйственных животных. Оказалось, что если на стадии бластоцисты от трофобласта отделить небольшое число клеток, то это не влияет на последующее развитие эмбриона. Удаленные же клетки некоторое время можно культивировать в питательных средах, затем из них готовят препараты метафазных пластинок и по хромосомам определяют пол эмбриона. Все это время эмбрионы можно сохранять жизнеспособными (например, путем криоконсервации) и после определения пола отбирать те, которые нужны для трансплантации. Этот подход будет иметь большое практическое значение в животноводстве.

Манипулирование эмбрионами открывает большие возможности и для решения других медицинских и медико-биологических проблем (например, в онкологии, тератологии, в лечении наследственных заболеваний). Так, представляют интерес опыты с инъекциями тератокарциномных клеток в бластоцисты мышей (получение «инъекционных химер»), проведенные в лаборатории американской исследовательницы Б.Минц. Оказалось, что в некоторых случаях тератокарциномные клетки, введенные в бластоцисту, принимают участие в дифференцировке нормальных тканей – «нормализуются» в ходе развития. Несмотря на то, что эти интересные результаты еще не всегда поддаются объяснению, можно ожидать, что это направление работ откроет возможности диагностики некоторых видов рака путем введения малигнизированных клеток в бластоцисты и последующего анализа потомства этих клеток в органах и тканях взрослого организма.

Подобный биологический тест мог бы позволить отсортировать клетки, полностью утратившие способность к нормальному развитию, от тех, функция которых еще может быть восстановлена. В этом плане развивающийся эмбрион – наиболее адекватная система для проверки потенций клетки, а механизмы эмбриональной регуляции, создающие для нее максимально благоприятные условия, способствовали бы нормализации нарушений, возникших в результате малигнизации.

Есть основания предполагать, что с помощью методов эмбриогенетической инженерии можно будет решить и задачу терапии генов. В генофонде человечества уже зарегистрировано свыше 2000 дефектных генов, которые продолжают накапливаться и служат причиной наследственных болезней. Эти болезни не поддаются кардинальному излечению, и дефектные гены в неизменном виде передаются потомству. Современные медицинские средства способны лишь облегчить страдания больных, охватывая весьма ограниченный ряд таких болезней (например, случаи, когда из-за дефекта в гене в организме отсутствует какой-либо гормон или другой продукт, который может быть восполнен введением извне). Однако негативные последствия от присутствия в геноме дефектных генов преодолеть таким путем в большинстве случаев невозможно. Таковы многочисленные генные мутации, которые проявляются в эмбриогенезе и приводят к нарушениям развития органов и тканей.

Теоретически, исходя из современных представлений, избавиться от дефектного гена можно лишь путем его замены нормальным геном, что уже реализуется с помощью генетической трансформации на микроорганизмах. В настоящее время показано, что у животных генетическая трансформация, по-видимому, будет осуществляться путем введения нормальных генов в их яйцеклетки (зиготы). Ожидается, что этим способом удастся заменять дефектные гены у животных, которые также имеют наследственные болезни. Будет ли такая же возможность когда-либо реализована в медицинской генетике, сказать трудно, поскольку это всегда связано с решением не только научно-технических, но и морально-этических проблем.

Таким образом, современная эмбриология открывает новые возможности для решения прикладных задач, но осуществление этих возможностей зависит от прогресса фундаментальных исследований, которые проводятся в лабораториях.

ЛИТЕРАТУРА

1. Антипчук Ю.П. Гистология с основами эмбриологии. – М.: Просвещение, 1983. – 240с.

2. Белоусов Л.В. Введение в общую эмбриологию. – М.: Изд-во МГУ, 1980. – 210с.

3. Белоусов Л.В. Основы общей эмбриологии. – М.: Изд-во МГУ, 1993. – 301с.

4. Гаврилов Л.А., Гаврилова Н.С. Биология продолжительности жизни. – М.: Наука, 1991. – 180с.

5. Газарян К.Г., Белоусов Л.В. Биология индивидуального развития животных. – М.: Высшая школа, 1983. – 287с.

6. Гердон Дж. Регуляция функции генов в развитии животных. – М.: Мир, 1977.

7. Гилберт С. Биология развития. Т. 1–3. – М.: Мир, 1993–1995.

8. Голиченков В.А. Биология развития. – М.: Изд-во МГУ, 1991. – 144с.

9. Голиченков В.А., Иванов Е.А., Никерясова Е.Н. Эмбриология. – М.: Издат. центр «Академия», 2004. – 224с.

10. Голиченков В.А. и др. Практикум по эмбриологии. – М.: Издат. центр «Академия», 2004. – 208с.

11. Короткова Г.П. Регенерация животных. – СПб.: Изд-во СГПУ, 1997. – 497с.

12. Корочкин Л.И. Введение в генетику развития. – М.: Наука, 1999. – 253с.

13. Мяделец О.Д. Основы цитологии, эмбриологии и общей гистологии. – М.: Мед. кн., Н. Новгород: Изд-во НГМА, 2002. – 367с.

14. Павловский О. М. Биологический возраст: экологический аспект // В сб.: Экологические проблемы антропологии. Итоги науки и техники, серия Антропология. – Т. I. – М.: ВИНИТИ, 1985.

15. Павловский О. М. Биологический возраст человека. – М., 1987.

16. Рябов К.П. Гистология с основами эмбриологии. – Минск: Вышэйшая школа, 1990. – 255с.

17. Токин Б.П. Общая эмбриология. – М.: Высшая школа, 1987. – 480 с.

18. Хрисанфова Е.Н. Основы геронтологии. – М.: Гуман. изд. центр ВЛАДОС, 1999. – 160с.

19. Ярыгин В.Н., Васильева В.И., Волков И.Н., Синельщикова В.В. Биология. Кн. 1. – М.: Высшая школа, 2003. – 432с.

20. Ярыгин В.Н., Волков И.Н., Васильева В.И., Синельщикова В.В., Козлова И.И. – Биология. – М.: Гуман. изд. центр ВЛАДОС, 2001. – 464с.

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ........................................................................................ 3

ЛЕКЦИЯ 1

ИСТОКИ И ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ СТАНОВЛЕНИЯ БИОЛОГИИ ИНДИВИДУАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ.................................................. 4

ЛЕКЦИЯ 2

РАЗМНОЖЕНИЕ ОРГАНИЗМОВ................................................... 25

ЛЕКЦИЯ 3

ПРОГЕНЕЗ......................................................................................... 32

ЛЕКЦИЯ 4 – 5

НАЧАЛЬНЫЕ ЭТАПЫ ИНДИВИДУАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ ОРГАНИЗМОВ 40

ЛЕКЦИЯ 6 – 7

ЭМБРИОГЕНЕЗ ХОРДОВЫХ ЖИВОТНЫХ.................................. 53

ЛЕКЦИЯ 8

ОСОБЕННОСТИ ЭМБРИОГЕНЕЗА МЛЕКОПИТАЮЩИХ......... 69

ЛЕКЦИЯ 9

ИНДИВИДУАЛЬНОЕ РАЗВИТИЕ ОРГАНИЗМОВ....................... 76

ЛЕКЦИЯ 10

ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ РЕГУЛЯЦИИ ИНДИВИДУАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ ОРГАНИЗМОВ.................... 90

ЛЕКЦИЯ 11

ГОРМОНАЛЬНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ ПРОЦЕССА ИНДИВИДУАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ ОРГАНИЗМОВ................................................................................ 100

ЛЕКЦИЯ 12

РЕГЕНЕРАЦИЯ В ПРОЦЕССЕ ИНДИВИДУАЛЬНОГО

РАЗВИТИЯ ОРГАНИЗМОВ........................................................... 106

ЛЕКЦИЯ 13

БИОЛОГИЧЕСКИЙ ВОЗРАСТ ЧЕЛОВЕКА................................. 112

ЛЕКЦИЯ 14 – 15

ОСНОВЫ ГЕРОНТОЛОГИИ.......................................................... 119

ЛЕКЦИЯ 16

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ БИОЛОГИИ

РАЗМНОЖЕНИЯ И РАЗВИТИЯ.................................................... 131

ЛИТЕРАТУРА....................................................................................... 138

Учебное издание