Гипотеза двуэтапного эмбрионального развития плацентарных млекопитающих.

Теперь следует сказать о таком необычном подходе к эмбриогенезу плацентарных млекопитающих, как признанию у них наличия двух зародышей, которые последовательно сменяют друг друга. После продолжительных, очень бурных дискуссий большинство современных исследователей пришло к заключению, что следует различать зародыш, который получается от оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом. Он проходит последовательное развитие под защитой оболочки оплодотворения и в результате этого развития образуется бластоциста. Этот зародыш носит название – conceptus. Второй зародыш развивается в бластоцисте из клеток ВКМ и носит название embryo proper т.е, собственно зародыш. Он-то и развивается в плод, рождается и становится в конце концов взрослой особью.

Возникает вопрос, какова связь между этими двумя зародышами? Для того чтобы ответить на него, необходимо понять, что же представляет собой бластоциста- промежуточное между двумя эмбрионами образование.

Рассмотрим еще раз развитие первого зародыша – conceptus’a. Оно начинается после оплодотворения с образования зиготы, одноклеточной стадии существования многоклеточного организма. Многоклеточность достигается в период дробления, затем формируется морула, в которой происходит деламинация. Конечным результатом развития conceptus’a является бластоциста. Все эти процессы идут под защитой оболочки оплодотворения - z.pellucida и полностью соответствуют представлению о классическом эмбриогенезе, с позиций которого conceptus следует считать настоящим эмбрионом. Эмбриональное развитие заканчивается с выходом из оболочки оплодотворения. Согласно этому, бластоциста, которая вылупилась из z.pellucida, не является эмбрионом. Следующей стадией онтогенеза большинства животных является личинка, которая переходит к самостоятельной жизни и питанию. В свете этого представления бластоцисту можно рассматривать как личинку, причем паразитическую (или «несвободную», как еще в 1972г предложил Г.А. Шмидт), так как она имплантируется в ткани матки, откуда и будет получать питание. Какова же её связь с embryo proper? Личинка не может превратиться в эмбрион, это противоречит основному постулату эмбриологии: развитие – это процесс, идущий в одном направлении, никогда не меняющий свой вектор. Но в личинке может развиться эмбрион из её соматических клеток. Этот процесс называется полиэмбрионией. Она хорошо известна в связи с развитием некоторых паразитических перепончатокрылых насекомых. Они имеют олиголецитальные яйца, которые откладывают в ткани хозяина - другого насекомого. Вылупившиеся личинки состоят из внешней оболочки –трофамниона, с помощью которого личинка получает питание из тела хозяина, и плотной массы внутренних недифференцированных клеток. Среди последних обособляются небольшие группы клеток, из которых развиваются новые личинки. Таким образом, если провести аналогию между личинкой насекомого и бластоцистой, то ТБ – это аналог трофамниона, так как выполняет функцию питания, а ВКМ является телом личинки. Тогда следует предположить, что новый эмбрион, embryo proper, должен быть формирован из небольшой группы клеток, а не из всей массы клеток ВКМ.

Действительно, ещё в 1970 году американской иследовательницей Беатрис Минтц были проведены эксперименты, из результатов которых можно сделать далеко идущие выводы. Б.Минтц создавала аллофенных мышей, которые являются результатом слияния двух зародышей на ранних стадиях дробления (4-8 бластомеров). У двух генетически различающихся зародышей удаляют прозрачную оболочку и зародышей приводят в контакт для их слияния и образования единой бластоцисты. Затем их имплантируют в матку самки-реципиента. Рождающиеся аллофенные мыши содержат клетки от обоих зародышей. Когда агрегируют бластомеры белых и черных мышей, обычно развиваются мыши с черными и белыми полосами. Если бы зародыш развивался из одной клетки, то потомки были бы или черными, или белыми. Если бы в образовании зародыша участвовали бы две клетки ВКМ, то следовало бы ожидать что аллофенный рисунок будет выражен только в половине случаев (1WW:2WB:1BB). Если бы зародыш формировали три клетки, то вероятность появления аллофенного рисунка возросла бы до 75% (1WWW:3WWB:3WBB:1BBB).При наличии четырех таких клеток вероятность получения двуцветных мышей составила бы 87.5%. Полученные данные и их математическая обработка показывают, что в образовании зародыша участвуют всего три клетки ВКМ, так как аллофенные мыши составили 73% (Mintz,1970).Эти данные были подтверждены другими опытами, в которых создавали химеру из трех зародышей «окрашенных» в разные цвета (Markert, Peters,1978). Было показано, что из такой морулы может развиться мышь, покровы которой окрашены в три разных цвета. Эти данные говорят о том, что, возможно, собственно зародыш – embryo proper- образуется из потомков трех (или немного больше) клеток ВКМ. Большая же часть клеток бластоцисты никогда не участвует в формировании взрослого организма – это установленный факт. Таким образом, теоретические рассуждения о возможности использования механизма полиэмбрионии для создания embryo proper получили экспериментальную поддержку. Следует отметить, что полиэмбриония по существу должна рассматриваться как разновидность бесполого размножения, так как для построения нового организма используются соматические, а не половые клетки.

Если это так, то придется признать, что в онтогенезе млекопитающих сочетаются два способа размножения: половой и бесполый. Это напоминает ситуацию у высших растений, в онтогенезе которых происходит смена поколений, представленных спорофитом и гаметофитом, но в составе одной особи.

Геномный импринтинг.

 

Тема 11. Органогенез

Одно из свойств зародыша – стремление разделиться на отделы, не остаться однородным. Это происходит с помощью деламинации, сегментации, отшнурования. При этом эпителиальный слой не остаётся плоским, а образует трубки и выпячивания. Это общая тенденция развивающегося зародыша.

Различаются:

1. Эпителиальные органогенезы.

2. Мезенхимные органогенезы.

Эпителиальные ткани состоят из клеток с ясно выраженной полярностью (в клетке имеются апикальный и базальный концы). Друг с другом эти клетки скреплены боковыми стенками. Клеточные контакты расположены на боковых стенках, т.е, тоже поляризованы.

Мезенхимные ткани состоят из клеток без ясно выраженной поляризации. Мезенхимные клетки могут перейти в эпителиальные. Это – процесс эпителизации тканей. Обратный переход встречается реже.

В основе органогенезов лежат следующие события: 1) изгибы эпителиальных пластов (при образовании мозга); 2) формирование плакод (образование хрусталика); 3) сгущение мезенхимы, эпителизация и деэпителизация (образование сомитов).

Развитие ЦНС (центральной нервной системы) – пример эпителиального органогенеза. Первичный мозговой пузырь разделяется сначала на 3 пузыря, затем на 5.

Промежуточный мозг дает боковые выступы, которые подходят к поверхностному эпителию. Это зачатки глаз – глазные пузыри.

Координированные движения двух разных компонентов – эпителия неврального и эпителия покровного, приводит к образованию глаза. Для органогенеза глаза необходимо присутствие мезенхимных клеток. Это пример сложного комплексного органогенеза.

Образование сомитов.

У эмбрионов всех позвоночных закладываются осевая и боковая мезодермы. Осевая мезодерма метамеризуется, т.е, подразделяется на сомиты. У большинства позвоночных сомиты закладываются в виде сплошных скоплений мезодермальных клеток, а затем в них возникают полости (исключение - у ланцетника сомиты возникают энтероцельным путем и сразу содержат полость).

Образование сомитов идет по направлению от головы к хвосту. Отдельные мезенхимные клетки собираются в кучности и переходят в эпителиальное состояние. Затем они разделяются на эпителиальную закладку дермамиотома и мезенхимальную – склетотома. Клетки склеротома уходят к хорде, где формируют осевой скелет - позвоночник. Миотом – это будущие миобласты, зачаток всей поперечно-полосатой мускулатуры.

Вначале осевая мезодерма метамеризуется по всей длине зародыша – в головной и туловищной части. Однако головные сомиты быстро распадаются. Основная часть их клеток идет на построение парных хрящевых закладок задней части черепа.

Туловищные сомиты в конце концов тоже распадаются, но намеченная ими метамеризация тела взрослых животных сохраняется.Это закрепляется положением позвонков, так как каждый позвонок строится из задней части впереди лежащего сомита и передней части следующего, расположенного каудальнее. Сомиты определяют расположение спинномозговых ганглиев и прорастание выходящих из них нервных окончаний.

Развитие конечностей.

Из париетального листка мезодермы выселяются мезенхимные клетки, которые приподнимают эпителий – образуется почка конечности. Все сложные хрящевые структуры строятся из мезенхимных клеток. Мезенхима вместе с эпителием играет важную роль. По мере роста конечности меняется её форма, апикальная её часть расширяется и уплощается. Затем появляются зачатки пальцев. Одновременно с внешней дифференцировкой формируется её внутренний скелет – хрящи образуются из сгущений мезенхимных клеток. Первым появляется зачаток проксимального отдела, который в передней конечности разовьется в плечевую кость, а в задней – в бедренную. Затем формируется зачаток более дистальных отделов – соответственно зачатки локтевой и лучевой костей и зачатки большой и малой берцовых костей. Последними появятся хрящи кисти, стопы и фаланг пальцев.

При дифференцировке парных конечностей происходят интенсивные эпителиально-мезодермальные взаимодействия. Вначале мезодерма влияет на эктодерму, который утолщается и образует апикальный гребешок. Затем эпителий влияет на мезодерму. Если его убрать, то не происходит дифференцировки фаланг пальцев, а если его пересадить более проксимально, то в этом месте начнут формироваться вместо проксимальных отделов конечности её дистальные отделы (вместо плечевого отдела, например, формируется кисть). Но мезодерма прочитывает новую информацию по-своему: мезодерма задней конечности, получив сигнал от эктодермы передней конечности, сформирует на месте проксимальной части дистальную часть, но не крыла, а ноги, и наоборот. Это говорит о том, что «прочтение» индукционного воздействия зависит от природы самого реагирующего материала.

Следует сказать, что формирующаяся конечность цыпленка является очень удобной моделью для исследования механизмов последовательной экспрессии генов, которая, вероятно, лежит в основе клеточной дифференцировки, составной части любого органогенеза.

Клеточные механизмы органогенеза.

В органогенезах участвуют клеточное размножение, клеточная гибель и клеточные движения. Если клеток образуется больше, чем нужно, то часть их гибнет, например в процессе кавитации –образовании полостей. Примером использования кавитации может служить формирование канальцев почки.

При образовании конечностей также наблюдается запрограмированная гибель –когда формируются пальцы. Сначала выемки, обозначающие границы будущих пальцев невелики, но затем, благодаря гибели клеток, увеличиваются.

Важным компонентом органогенезов является клеточные движения. Они очень различны. Клетки путешествуют, мигрируют. Пример- клетки нервного гребня. Уже в процессе замыкания нервной трубки клетки нервного гребня выходят из состава нервных валиков и мигрируют в разных направлениях. Эти клетки дают начало самым разнообразным зачаткам. Некоторые клетки нервных валиков мигрируют назад в эктодерму и превращаются в первичные пигментные клетки – меланоциты. Другие клетки мигрируют в вентральном направлении и образуют скопления медуллобластов, которые затем сформируют ганглии симпатической и парасимпатической нервной системы, а также клетки шванновских оболочек нервов. Из головной части нервного гребня выселяются клетки, которые превратятся в хрящевые, мышечные и соединительнотканные. Они строят хрящи лицевого скелета, мышцы, и рыхлую соединительную ткань лица, языка и нижней челюсти, входят в состав аденогипофиза, паращитовидных желез и мякоти зуба. Таким образом, клетки нервного шребня могут формировать закладки, которые обычно формирует мезодерма. Считается, что выбор их дифференцировки определяется их положением в нервном гребне и также окружением, в которое они попадают.

Таким образом в основе органогенезов лежат следующие морфологические преобразования:

1. Самый типичный – изгиб клеточного пласта, например, при образовании ЦНС, кишечной трубки и многих других органов.

2. Утолщение – утолщенные участки эпителия называются плакодами. Плакодами являются зачатки зачатки хрусталика, органов слуха и обоняния.

3. Расхождение клеток – образование щелей и полостей.

4. Сгущение – характерно для мезенхимных клеток, например, при закладке конечностей и образовании хрящей.

5. Клеточные движения. Они очень различны. Клетки путешествуют, мигрируют. Пример – клетки нервного гребня, Это пример длительной миграции. Эти клетки дают начало меланофорным клеткам, шванновским, ганглиозным клеткам симпатических и парасимпатических нервных ганглиев, а также многим соединительнотканным закладкам в головной части зародыша.

Более короткие миграции: а) при образовании глазных пузырей; б) при нейруляции. В изменении формы пласта зачатков участвует и изменение формы клеток – они сокращаются.Миграция клеток и изменение их формы происходят одновременно.