Генетические основы дифференцировки

Яйцеклетка является уникальной клеткой, разные участки цитоплазмы которой имеют ратный химиче­ский состав и различные потен­ции. В области анимального по­люса цитоплазма обладает по­тенциями эктодермы, в области вегетативного полюса - -энтодер­мы. а на экваторе - мезодермы.

Рис. 2. Схема неоднородности цитоплазмы яйцеклетки.

(Различные значки обозначают разный химический состав цитоплазмы).

Рис. 3. Схема дробления зиготы.

Последовательность этапов дифференцировки можно представить следующим образом:

1. первопричиной дифференцировки клеток является химическая разнородность цитоплазмы яйцеклетки;

2. она усиливается после оплодотворения (сегрегация);

3. химическая разнородность цитоплазмы яйцеклетки переходит в химическую разнородность цитоплазмы бластомеров;

4. следовательно, в разных бластомерах имеются разные индукторы;

5. разные индукторы включают в работу различные трапскриптопы;

6. синтезируются разные белки-ферменты;

7. разные белки-ферменты катализируют разные типы биохимических реакций и

8. в разных бластомерах идёт синтез разных типо- и тканеспецифических белков;

9. вследствие этого образуются разные типы клеток (морфологическая разнородность);

10. различные типы клеток образуют разные ткани;

11. из разных тканей формируются разные органы

2.2. Подтверждением положения о том, что цитоплазма яйцеклетки содержит полный набор индукторов, способных включать в работу все необходимые блоки генов, служат опыты Дж.Гердона (1964-1966 гг). В яйцеклетку лягушки с удалённым ядром он пересаживал ядро соматической клетки (эпителия кишечника или кожи). В большинстве случаев из такой яйцеклетки развивались нормальные головастики и даже взрослые лягушки. Эти опыты доказывают, что ядра соматических клеток содержат полную генетическую информацию о развитии целого организма, а цитоплазма яйцеклетки - полный набор индукторов для включения всех нужных блоков генов.

Рис. 4. Схема опытов Гердона. (Объяснение в тексте).

Условно гены можно подразделить на три группы: а) функционирующие во всех клетках (например, гены, кодирующие ферменты энергетического обмена); б) функционирующие в клетках одной ткани (например, синтез миозина во всех клетках мышечной ткани); в) специфичные для каждого типа клеток (например, гены гемоглобина в эритробластах).

Главный механизм дифференцировки – блокировка и деблокировка разных транскриптонов на каждом этапе онтогенеза (схема Георгиева). Так, при изучении удалось выяснить, что в отдельных местах хромосомы образуются вздутия (пуфы). Дезоксирибонуклеопротеидные нити в этих участках деспирализованы и с них идёт считывание информации. В зависимости от стадии развития пуфы появляются в разных участках нитей. Так. у личинки мухи дрозофилы в клетках слюнных желез одна из хромосом в конце третьей личиночной стадии имеет три характерных пуфа. Когда личинка превращается в предкуколку, они исчезают, но вместо них в другом локусе этой же хромосомы появляется характерный пуф.

На ранних стадиях дробления бластомеры являются тотипотентными, т.е. каждый из них может дать начало целому организму. Установлено, что у тритона тотипотентность сохраняется до стадии 16 бластомеров, у кроликов - до 4. О существовании тотипотентности бластомеров у человека говорят случаи рождения нескольких монозиготных близнецов. Постепенно клетки становятся детерминированными, т.е. развитие их уже окончательно запрограммировано, и они могут дать начало только определённому типу клеток, например, эпителиальным, нервным и др.

Различают две фазы дифференцировки: а) зависимую и б) независимую. В начале эмбриогенеза (до стадии ранней гаструлы) наблюдается зависимая дифференцировка. когда клетки ещё относительно тотипотентны и их дифференцировка зависит от индукторов и соседних клеток. Например, клетки эктодермы спинной части зародыша хордовых дают начало нервной трубке, а брюшной части - эпидермису кожи. Если взять клетки эктодермы с брюшной стороны зародыша и пересадить па спинную - они образуют нервную трубку.

На более поздних стадиях эмбриогенеза (стадия поздней гаструлы) клетки становятся детерминированными, их развитие предопределено и, независимо от локализации, они дифференцируются по намеченному плану (независимая дифференцировка). Например, если на стадии поздней гаструлы взять клетки из верхней губы бластопора и пересадить их на нижнюю гу­бу, то на брюшной стороне образуется нервная трубка.

Важную роль в развитии организма играет эмбриональная индукция. Эмбриональная индукция - это влияние группы клеток эмбриона на дифференцировку рядом расположенных клеток. Явление эмбриональной индукции было открыто Г. Шпеманом и Г. Мангольдом в 1924 г. Первичный индуктор вызывает цепь последовательных вторичных индукций. Первичным индуктором являются клетки дорсальной губы бластопора, которые индуцирует образование хорды из дорзальной части энтодермы, а хорда - дифференцировку клеток спинной стороны эктодермы и образование нервной трубки, а также образование пищеварительной трубки из клеток вентральной части энтодермы. Так идет морфогенез - приобретение зародышем опреде­лённых морфологических структур.

В настоящее время считают, что эмбриональная индукция обусловлена выделением специфических индукторов, которые включают и выключают определённые блоки генов в близлежащих клетках.

Табл. 1. Морфогенетические процессы в различные клинические стадии внутриутробного развития зародыша человека.

Табл. 2. Критические периоды пренатального развития человека. Периоды чувствительности к тератогенам.

Табл. 1. Основные этапы эмбриогенеза человека и формирование структур висцерального черепа и начального отдела пищеварительного тракта

Дробление

Дробление – это деление оплодотворенной яйцеклетки (уже зародыша) митозом. Дочерние клетки называются бластомерами, они не расходятся. При дроблении очень короткие интерфазы, поэтому бластомеры не успевают расти, а, наоборот, с каждым делением становятся размерами все меньше и меньше, т.е. количество бластомеров увеличивается, а объем каждого отдельного бластомера уменьшается. Тип дробления зависит от типа яйцеклетки, т.е. от количества и распределения желтка, а также от взаимного расположения дробящихся клеток.

Выделяют следующие типы дробления зиготы.

Полное дробление – голобластическое (holos – весь, blastos – зачаток) – в дроблении участвуют все участки зародыша. Это деление может быть:

равномерным (синхронным) – когда все бластомеры дробятся с одинаковой скоростью и поэтому количество их увеличивается по правильной прогрессии, т.е. происходит кратное увеличение бластомеров (1, 2, 4, 8 и т.д.). Характерно для яйцеклеток с малым количеством желтка, при этом образуются бластомеры примерно одинакового размера (ланцетник);

неравномерным (асинхронным) – когда количество бластомеров увеличивается по неправильной прогрессии (1, 2, 3, 5 и т.д.). Характерно для яйцеклеток со средним содержанием желтка (круглоротые, хрящевые рыбы, земноводные). При этом образуются бластомеры неодинакового размера. Сначала в результате первых двух дроблений образуются бластомеры примерно одинакового размера, а затем на анимальном полюсе деление происходит быстрее, чем на вегетативном. В результате на анимальном полюсе образуется большее количество бластомеров, и они меньшего размера, чем на вегетативном полюсе. В дальнейшем эти бластомеры дифференцируются по-разному – из одних образуется тело зародыша, а другие выполняют трофическую функцию.

Неполное дробление (частичное) – меробластическое – дробление идет только на анимальном полюсе, вегетативный полюс перегружен желтком и в дроблении не участвует. Это дробление может быть:

поверхностное – дробится поверхностная часть зиготы, а центральная часть, богатая желтком не делится (членистоногие);

дискоидальное – дробится небольшой участок зиготы, где мало желтка, а остальная часть, богатая желтком, не делится (костистые рыбы, пресмыкающиеся, птицы).

В зависимости от расположения делящихся клеток различают три типа дробления:

радиальное – когда верхний ряд бластомеров располагается точно над нижним рядом (кишечнополостные, иглокожие, низшие хордовые);

спиральное– когда верхний ряд бластомеров располагается между клетками нижнего ряда (большинство червей, моллюски);

двусимметричное(билатеральное)– когда делящиеся клетки располагаются симметрично по бокам от исходного бластомера (круглые черви, асцидии);

анархическое – отсутствие закономерности в расположении бластомеров у организмов одного вида.

В процессе деления зиготы часто сочетаются различные типы дробления. В процессе дробления развивающийся зародыш проходит последовательно три стадии развития – бластула, гаструла, нейрула.