Тема 10. Раннее развитие плацентарных млекопитающих.
Яйцеклетки плацентарных млекопитающих относятся к числу самых мелких в животном царстве. Диаметр зиготы человека составляет всего 100 мкм и её объем меньше 1/1000 объема яйцеклетки шпорцевой лягушки. Обычно у самки млекопитающих одновременно овулирует менее 10 яйцеклеток. Всё развитие млекопитающих происходит в организме матери, а не в окружающей среде.
Дробление. Ооцит млекопитающих, высвобождаясь из яичника, попадает в полость тела, а затем в яйцевод. Оплодотворение происходит в самом верхнем отделе яйцевода - в ампуле. В это время завершается мейоз и приблизительно через сутки начинается 1 деление дробления.
Особенности дробления млекопитающих. Дробление млекопитающих резко отличается от того, как делятся ранние эмбриональные клетки остальных позвоночных.
1.Деления дробления относятся к числу самых медленных, встречающихся в животном царстве. Каждое из них продолжается от 12-ти до 24 часов. Тем временем реснички слизистой яйцевода продвигают дробящийся зародыш по направлению к матке.
2.Вторая важная особенность состоит в своеобразном расположении бластомеров относительно друг друга. Первое деление – меридиональное, при втором же делении один из бластомеров делится меридионально, а второй в плоскости, перпендикулярной к плоскости деления первого бластомера. Затем путем интерфазного перемещения бластомеры устанавливаются в одной плоскости. Этот тип дробления был назван ротационным. Перемещения бластомеров могут происходить и при дальнейшем дроблении.
3.Асинхронность раннего дробления. Бластомеры не делятся одновременно, поэтому у зародыша не происходит равномерного нарастания числа бластомеров от двуклеточной стадии к четырехклеточной и далее к восьмиклеточной, как это происходит у других животных. Тип деления клеток у последних называется мультипликативным и выражается формулой ( N=2n, где N- количество клеток, а n - порядковый номер деления). В дроблении млекопитающих скорее просматривается другой тип деления клеток – реккурентный (N= Nn-1 + Nn-2). Это так называемый ряд Фабаначчи – каждое последующее число равно сумме двух предыдущих. Он, например, характерен для расположения семечек в корзинке подсолнечника и в еловой шишке. (есть ещё один тип деления – аккреционный, с формулой N=kn. Он встречается на более поздних этапах формирования организма, например при образовании нервных ганглиев у насекомых. В этом случае в результате каждого деления образуются две неравнокачественные клетки. Одна, крупная, сохраняется как стволовая , другая, более мелкая, испытывает одно- два равнокачественных деления. Её потомки дифференцируются и формируют нервный ганглий).
Компактизация
Бластомеры на 8-ми клеточной стадии сначала располагаются рыхло и связаны слабыми контактами. Затем их состояние резко меняется: бластомеры сближаются, площадь контактов между ними максимально увеличивается, и они образуют компактный клеточный шар. Клетки плотно примыкают друг к другу, говоря другими словами -компактизуются. Клетки делятся тангенциально и при этом возникают внутренние и наружные клетки. Формируется морула. Наружные её клетки характеризуются плотными контактами и в дальнейшем становятся клетками трофобласта (ТБ). Внутренние клетки сообщаются между собой щелевыми контактами и образуют в ходе последующего развития внутреннюю клеточную массу (ВКМ). На стадии морулы компактизация создает условия, обеспечивающие первый шаг в процессе дифференцировки, а именно, отделении ТБ от ВКМ. Как это происходит?
Появляется все больше данных о том, что компактизация связана с явлениями, происходящими на клеточных поверхностях соседних бластомеров. Ещё до компактизации у каждого из восьми бластомеров наблюдается изменение плазматической мембраны. – так называемая поляризация. Разные компоненты клеточной поверхности мигрируют в разные места. Это можно обнаружить, пометив определенные молекулы на клеточной поверхности(гликопротеины) флуоресцентными красителями. На стадии четырех бластомеров меченые гликопротеины беспорядоченно распределены по всей плазматической мембране. Однако перед концом 3го деления они обнаруживаются на полюсах бластомеров, наиболее удаленных от центра. Это перемещение является, по-видимому, результатом клеточных взаимодействий, так как оно наблюдается и при выделении из зародыша двух связанных между собой бластомеров, но не наблюдается у бластомеров, изолированных по-одиночке. Таким образом было показано, что в процессе компактизации участвуют специфические белки клеточной поверхности. Одним из таких белков является увоморулин – гликопротеин с М.в. 1290 тысяч дальтон. Антитела к нему вызывают декомпактизацию морулы.
При компактизации происходит реорганизация цитоскелета. На соседних клеточных поверхностях в результате образования актиновых микрофиламентов возникают микроворсинки, прикрепляющие клетки друг к другу. Именно на микроворсинках, по-видимому функционирует увоморулин, как медиатор межклеточной адгезии. Уплощение поверхностей соседних бластомеров в месте их контакта может вызываться укорочением микроворсинок путем деполимеризации актина.
В результате компактизации клетки зародыша подразделяются на поляризованные клетки ТБ и неполяризованные клетки ВКМ. ТБ в дальнейшем превратятся в хорион, участвующий в образовании плаценты. Ткани плаценты обеспечивают получение плодом кислорода и питательных веществ из тела матери. ТБ необходим для имплантации зародыша в стенку матки. Сам зародыш формируется потомками клеток ВКМ. К стадии 64 клеток ВКМ и ТБ превращаются в полностью обособленные клеточные образования. Клетки ТБ не могут превратиться в клетки ВКМ. Возникновение различий между бластомерами ТБ и ВКМ – первый процесс дифференцировки в развитии млекопитающих.
Формирование бластоцисты
В процессе специализации клеток трофобласта в моруле начинается образование полости, т.е.,кавитация. Клетки ТБ секретируют внутрь жидкость, что и приводит к образованию полости. Формируется полый шар, стенки которого образованы клетками ТБ. Внутренние клетки морулы продолжают делиться и постепенно в виде единого клеточного скопления оттесняются увеличивающейся полостью к стенке шара. Формируется бластоциста. В ней различаются стенка бластоцисты –ТБ, ВКМ, сформированная потомками внутренних клеток морулы, и полость бластоцисты. Бластоциста состоит из двух популяций клеток, одна из которых необратимо дифференцирована; поэтому бластоциста - это не аналог бластулы, а полость бластоцисты – это не аналог бластоцеля, так как она никогда не будет первичной полостью тела и не войдет в состав зародыша. Образование бластоцисты – ещё одна отличительная особенность раннего развития млекопитающих.
В то время, как зародыш перемещается по яйцеводу, бластоциста увеличивается в объёме. В плазматических мембранах клеток трофобласта существует натрий-калиевый насос (Na+/K+ -АТФаза), который переносит ионы натрия в полость. Такое накопление ионов натрия вызывает поступление в полость воды осмотическим путем, в результате чего размеры полости бластоцисты увеличиваются. В период перемещения зародыша большое значение имеет тот факт, что прозрачная оболочка предотвращает прилипание бластоцисты к стенкам яйцевода. Если же это происходит, то наступает трубная беременность. Это очень опасно, так как начинается кровотечение. Однако. когда зародыш достигает матки, он освобождается от оболочки для того, чтобы прикрепиться к стенке матки. Это происходит таким образом: одна из клеток ТБ образует вырост, который контактирует с zona pellucida. На плазматической мембране этого выроста локализована трипсиноподобная протеаза, стрипсин, которая лизирует оболочку, в результате чего возникает отверстие. Через это отверстие бластоциста выходит в просвет матки и вступает в непосредственный контакт с её стенкой, где она (бластоциста) начинает синтезировать другой фермент (активатор плазминогена) – для разрушения тканей матки, чтобы погрузиться в её стенку.
Особенности образования внутренней клеточной массы (ВКМ)
Каким образом клетка получает информацию о том, что она должна участвовать в образовании организма взрослого млекопитающего или вспомогательной ткани, которая отбрасывается при рождении. Наблюдения, проведенные на живых зародышах, позволяют предположить, что это важное решение является результатом того, что в определенное время клетка оказывается в соответствующем месте. До завершения 8ми клеточной стадии бластомеры явно не различаются друг от друга по биохимии, морфологии или морфогенетическим потенциям. Компактизация приводит к образованию внутренних и наружных клеток, глубоко различающихся по своим свойствам. Установлено, что внутренние клетки чаще всего являются потомками того бластомера, который на 2-клеточной стадии первым приступил к делению. Однако. если любой бластомер 4-клеточного зародыща поместить на наружную поверхность рыхлой массы бластомеров более поздней стадии, то из пересаженной клетки разовьется только ткань трофобласта.
Развитие ВКМ идет в общих чертах сходно с развитием бластодиска птиц. Происходит расслоение на эпибласт и гипобласт. Гипобласт обрастает по внутренней поверхности ТБ полость бластоцисты и становится стенкой желточного мешка, в котором сам желток отсутствует.
Образование внезародышевых органов, особенности раннего
Органогенеза
Отличием от развития птиц является очень раннее образование амниотической полости, которая образуется шизоцельно, т.е, путем расхождения клеток. Дно образовавшейся амниотической полости представляет собой зародышевый щиток, а крыша – амниотическую оболочку. ТБ выполняет роль серозной оболочки. Он формирует первичные ворсинки, с помощью которых бластоциста внедряется в стенку матки.
Сам зародыш проходит все стадии развития, как и зародыш птиц – первичная полоска, первичная бороздка, хордальный вырост и т.д. Особенностью следует считать очень раннее образование внезародышевой мезодермы, в которой образуются лакуны. Сливаясь, они образуют внезародышевый целом. Когда мезодерма подрастет под ТБ, в ней сформируются кровеносные сосуды. Когда они прорастут в первичные ворсинки, то последние превратятся во вторичные ворсинки, и ТБ станет хорионом. Затем разовьётся образование, сходное с аллантоисом. Это аллантоидная ножка. Она состоит исключительно из внезародышевой мезодермы и тоже богата кровеносными сосудами.
И хорион, и аллантоидная ножка нужны для обеспечения зародыша питательными веществами из тела матери по кровеносным сосудам. Что же происходит, когда зародыш имплантируется в стенку матки? В результате образуется особый орган – плацента,имеющий зародышевую часть-ворсинки хориона и материнскую часть - измененную стенку матки. У высших млекопитающих по глубине погружения ворсинок хориона и степени их проникновения в слизистую оболочку матки различают следующие типы плацент:
1. Эпителиохориальная (полуплацента), у свиньи, лемуров и китообразных. В этом случае ворсинки хориона погружены в складки слизистой матки, не нарушая её целостности- как пальцы в перчатку.
2. Десмохориальная – у жвачных. Ворсинки хориона разрушают слизистую оболочку матки и внедряются в её соединительнотканный слой, но не достигают стенок кровеносных сосудов матки.
3. Эндотелиохориальная- у хищников. Ворсинки хориона близко подходят к сосудам матки, но не разрушают их стенок (эндотелия).
4. Гемохориальная – у человека, приматов и насекомоядных (ёж, выхухоль, землеройка). Ворсинки хориона прободают эндотелий кровеносных сосудов и погружаются в кровяные лакуны, наполненные кровью матери. В этом случае кровь зародыша (плода) отделена от крови матери лишь тонкой наружной оболочкой хориона и стенками капиллярных сосудов самого зародыша. Клетки ворсинок хориона активно заглатывают путем пиноцитоза целые капельки крови матери.
Существует понятие –плацентарный барьер. Он подразумевает механизм защиты плода от вредных веществ, которые могут содержаться в крови матери. Этот механизм не во всех случаях защищает зародыш. Так, крайне нежелательно в период беременности болеть гриппом или краснухой. Вирусы этих болезней вызывают нарушения в развитии плода, особенно в его нейрогенезе. В то же время плацента во многих случаях препятствует проникновению в развивающийся плод вируса СПИДа, и у больных матерей рождаются здоровые дети.