Дифференцировка в ходе дробления

Реферат по биологии 

Дифференцировка в ходе дробления 
 
 

Москва- 2012 

   Цитогенетические  основы дифференцировки

   В ходе индивидуального развития многоклеточных организмов возникает гетерогенность клеток и тканей, что и является процессом дифференциации. Различают две формы этого процесса:

   1) возникновение различий в ряду клеточных поколений между отдельными клетками или группами клеток;

     2) появление различий во время жизни одной клетки.

     В первом случае дифференцировка охватывает большое количество клеток, которые затем расчленяются на отдельные зачатки, или клеточные популяции. Во втором случае дифференцировка происходит в период онтогенеза отдельной клетки (например, превращение первичной половой клетки в ооцит, дифференцировка эпителиальных клеток кишечника, образование эритроцитов и т. д.).

   В основе специализации структур и  функций лежит клеточная дифференцировка, которая обеспечивается превращением более общего и однородного в  более специализированное и неоднородное. В результате изменяются структура, обмен веществ, морфология и функционирование первоначально однородных клеток. Этот процесс в ходе эмбрионального развития приводит к образованию тканей (гистогенез), которые представляют систему клеток, специализированных для выполнения определенных функций. Затем из тканей образуются органы (органогенез).

   Дифференцировка начинается в процессе деления (дробления) оплодотворенного яйца и продолжается в течение всей жизни организма. В тканях, где происходит обновление клеток, процесс дифференциации клеток осуществляется непрерывно. Имеются и так называемые многолетние клетки, дифференциация которых происходит на ранних стадиях эмбриогенеза, их деление прекращается, и они функционируют на протяжении всей жизни организма (например, клетки нервной системы и сердечной мышцы). Следовательно, дифференцировку нужно рассматривать не только как процесс, но и как состояние, связанное со строго определенными функциями.

   В ходе онтогенеза образуется целостный  организм, в котором гистогенез, органогенез и дифференциация клеток тесно взаимосвязаны, что трудно объяснить только внутренними свойствами отдельных клеток. В связи с этим для объяснения развития организма эмбриологи широко используют такие эпигенетические представления, как индукция, градиенты и др. Пока нет единой теории, охватывающей развитие, наследственность и дифференцировку, но уже накоплен большой фактический материал, позволяющий надеяться на решение этой проблемы в ближайшем будущем.

   Рассматривая  проблему дифференцировки в цитогенетическом аспекте, необходимо учитывать общие закономерности онтогенеза, которые были установлены эмбриологами. Среди них особо следует отметить следующие:

   1. Биогенетический закон (Геккель, 1866), согласно которому во время онтогенеза в том или ином виде повторяются фазы развития, характерные для предков (иногда очень далеких), что указывает на генетическую предопределенность общего плана развития данной систематической группы растений или животных, а также на общность происхождения.

   2. Характерное соотношение процессов роста и дифференцировки. Во время роста преобладают процессы, связанные с митотической активностью клеток, а во время дифференцировки — процессы формообразования и интеграции специализированных клеток.

   3. Обратимость и необратимость дифференцировки соматических клеток. Дифференцировка обычно необратима, и это определяется генетической специализацией ядра и цитоплазмы. Почти все специализированные клетки сохраняют свои специфические особенности в культуре, т. е. в отсутствие нормального клеточного окружения. Клетки, генетическая специализация ядра и цитоплазмы которых не завершилась, способны перейти к новому типу дифференцировки, а иногда восстановить орган или целый организм. Возникновение зародыша – эмбриоида – из соматических клеток называется соматическим эмбриогенезом.

   4. Первичная эмбриональная индукция, обеспечивающая заложение и развитие тканей, органов и систем организма. Механизмы первичной индукции, или действия «организатора», пока остаются таинственными, но есть основания считать, что это вторая система, которая наряду с генами обеспечивает развитие организма.

   5. Наличие параллелизма по структуре и функции тканей в разных филогенетических рядах (например, нервной, мышечной, эпителиальной, соединительной), что указывает на общность генетической детерминации клеток у давно разошедшихся систематических групп.

   Первоначально дифференцировку пытались объяснить, исходя из теории Вейсмана и Ру, по которой  она происходит в результате неравнонаследственных делений ядра, что уже на ранних стадиях развития приводит к образованию клеток с качественно различным ядерным материалом. Затем на различных объектах было показано, что на ранних стадиях развития ядра клеток являются равноценными в генетическом отношении. После этого так называемая мозаичная теория Вейсмана и Ру была отклонена.

   В настоящее время все больше и  больше накапливается данных, что  дифференцировка определяется взаимодействием  между ядром и цитоплазмой, для  которого характерен ряд особенностей, проявляющихся уже в яйцеклетке. Эмбриологами установлено, что созревшие яйцеклетки многих животных уже имеют хорошо выраженные признаки дифференциации, приобретенные в процессе онтогенеза. Это проявляется как полярность, которая особенно четко выражена в виде неоднородности различных участков цитоплазмы и поверхностного, или кортикального, слоя (кортекса) у яйцеклеток с большим количеством желтка. Учитывая эту особенность яйцеклеток и ряд экспериментальных данных, по которым безъядерные яйцеклетки амфибий и некоторых беспозвоночных после их активизации способны развиваться до стадии бластулы, некоторые исследователи предположили, что первые стадии развития эмбриона не зависят от действия генов и обусловлены строением цитоплазмы яйца (ооплазмы). Процесс становления специфической структуры яйцеклетки перед началом дробления, завершающийся обособлением качественно различных участков ооплазмы, был назван ооплазматической сегрегацией. В настоящее время известно, что ооплазматическая сегрегация, или преформированность ооплазмы и кортикального слоя яйца, является результатом деятельности генотипа материнского организма в оогенезе.

     Явление партеногенеза, довольно широко распространенное среди растений и животных, указывает на то, что генотип матери способен самостоятельно обеспечить нормальное воспроизведение потомства. В результате многочисленных опытов по отдаленной гибридизации у морских ежей, рыб, амфибий и других животных было установлено, что развитие летальных гибридов обычно продолжается до стадии бластулы, т. е. материнская цитоплазма может обеспечить дробление яйцеклетки даже при полной несовместимости геномов. В связи с этим возникает вполне справедливое предположение, что созревшая яйцеклетка содержит в цитоплазме и кортикальном слое определенную информацию, обеспечивающую начальные фазы развития яйца.

   Эта информация заготавливается материнским  организмом в период онтогенеза и  обусловлена его генотипом. В  формировании яйца принимает участие  весь набор генов диплоидного  материнского организма. После мейоза в яйце сохраняется один геном, но в цитоплазме и кортикальном слое остаются все материнские генные продукты, которые и обеспечивают начальные этапы развития яйца. Следовательно, начало онтогенеза может осуществляться за счет действия генных продуктов материнского генотипа, а затем уже начинает функционировать генотип зиготы. Хорошим примером функционирования генных продуктов даже при отсутствии ядра являются безъядерные эритроциты млекопитающих. Красные кровяные тельца утрачивают ядра при формировании ретикулоцитов, по функционирование их продуктов сохраняется и в эритроцитах.

   Поскольку в период онтогенеза происходит структурная  функциональная дифференцировка яйцеклетки, имеющая решающее значение для воспроизведения нового поколения, началом онтогенеза, по-видимому, правильнее считать момент закладки яйцеклетки в материнском организме, а не момент оплодотворения. Иначе говоря, образованием готовой к оплодотворению яйцеклетки заканчивается первый этап онтогенеза, а с момента оплодотворения начинается следующий этап. Мужские гаметы также проходят дифференцировку, признаки которой детерминированы генотипом мужского организма, но пока о специфических особенностях цитоплазмы мужских гамет известно очень немногое.

   Наличие информации в цитоплазме и кортикальном слое яйцеклеток было доказано многими исследованиями. Например, Нейфах (1959–1962) при изучении морфогенетической функции ядер использовал различную чувствительность ядра и цитоплазмы к действию ионизирующей радиации. Он инактивировал ядра облучением на различных стадиях эмбриогенеза ряда животных. При этом оказалось, что облучение различных стадий вызывает остановку развития в строго определенные периоды. Это позволило определить начало периода морфогенетической функции ядер. Например, у вьюна независимо от того, когда было произведено облучение (во время дробления или на стадии ранней бластулы), развитие прекращалось на стадии поздней бластулы, перед началом гаструляции. У морского ежа и осетровых рыб первый период функции ядер совпадает со средней бластулой. У моллюска Limnaea и лошадиной аскариды инактивация ядер проявляется значительно раньше (у Limnaea—на стадии 12—16 клеток, а у аскариды – на стадии 4 бластомеров). Такие исследования показали, что периоды дробления до гаструляции или до латентной дифференциации отдельных зачатков различны и примерно совпадают с началом морфогенетической функции ядер или же со стадиями, до которых развиваются летальные гибриды. В это время реализуется информация, накопленная цитоплазмой в оогенезе.

   Накопление  информации происходит за счет накопления в цитоплазме информационной и рибосомальной РНК, синтез которых контролируется ядерной ДНК. Многие исследователи показали, что в период оогенеза действительно происходит интенсивный синтез рибосом и информационной РНК, что обеспечивает рост ооцитов, накопление в них желтка и ооплазматическую сегрегацию. В созревших яйцеклетках полностью прекращается синтез информационной РНК, рибосом и белка. Рибосомы созревшего ооцита не активны, их активность восстанавливается после оплодотворения. Следовательно, в созревших яйцеклетках каким-то образом блокируется аппарат белкового синтеза, а после оплодотворения происходит его деблокирование. Таким образом, избыточное накопление в цитоплазме информационной и рибосомной РНК может обеспечивать какое-то время синтез специфических белков даже в отсутствие ДНК. При этом следует помнить, что некоторые органоиды клетки имеют собственные нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) и, по-видимому, так же способны кодировать и передавать информацию, как и ядерные нуклеиновые кислоты.

   Ооплазматическая  сегрегация определяет и свойства ядер во время дробления. Например, при  дроблении у аскариды в будущих половых клетках не происходит диминуции хромосом (потеря или утрата части хромосом в митозе или мейозе), а в соматических бластомерах диминуция хромосом наблюдается.

   Интересно, что при центрифугировании яиц аскариды можно добиться равного распределения различных участков цитоплазмы в первом делении между обоими бластомерами. При этом диминуция хромосом не происходит. Подобное наблюдалось и у ряда других объектов при центрифугировании яйцеклеток или при их облучении ультрафиолетовыми лучами.

   В результате митотического деления  бластомеры содержат одинаковые геномы, но в их состав входят различные  участки кортекса и цитоплазмы, т. е. разные бластомеры имеют различно переформированную цитоплазму, которая может служить регулятором функционирования ядер и таким образом влиять на ход дифференцировки.

   Итак, в самом начале онтогенеза реализуются  генные продукты материнского организма, и, по-видимому, плейотропный эффект генов матери на последующих этапах дифференцировки проявляется сильнее, чем эффект генов отца, которые начинают действовать позже. Иначе говоря, мы возвращаемся к сформулированному ранее принципу: чем раньше проявляется действие генов в онтогенезе, тем больше их плейотропный эффект. По современным представлениям процесс дифференцировки зародыша после первых делений определяется механизмом считывания разных генов по мере специализации клеток различных тканей. При условии, что гены действительно контролируют онтогенез, предстоит выяснить: 1) все или только некоторые из генов действуют на определенных этапах онтогенеза; 2) что определяет начало действия генов; 3) как осуществляется специфическое действие генов.

   Для выявления потенции ядер в онтогенезе успешно применяется метод трансплантации ядер. Первые опыты по пересадке ядер были проведены на яйцеклетках амфибий. При этом в большинстве случаев после пересадки ядер развитие шло только до стадии бластулы. Затем был проведен ряд интересных опытов по пересадке ядер из клеток, находящихся на разных этапах дифференцировки, в денуклеированные яйцеклетки. В период второго деления мейоза или после него ядро яйцеклетки удалялось стеклянной иглой и на его место при помощи стеклянной пипетки переносилось диплоидное ядро, взятое из клеток более поздних стадий развития (бластулы, гаструлы и др.). Большинство таких опытов было проведено на лягушке.

   Опыты Ру и Дриша

   Первые  опыты, проведенные  на амфибиях доказали, что дробление  у них детерминированное. Эти опыты провел в конце XIX в. ученик Э.Геккеля - немецкий эмбриолог Ру (именно он первым сформулировал задачи "механики развития"). Ру убивал раскаленной иглой один из первых двух бластомеров лягушки. Из оставленного в живых бластомера развивался половинный зародыш - либо левая, либо правая половина (первая плоскость деления зиготы становится у амфибий плоскостью симметрии взрослого животного).

   Вскоре  другой ученик Геккеля, Г.Дриш, решил повторить эти опыты на другом объекте - морском еже. Однако он использовал немного иную методику: не убивал один из бластомеров, а разделял первые два бластомера. И оказалось, что из каждого развивается нормальная личинка, только вдвое меньшего размера! Вскоре опыт с разделением бластомеров был повторен на лягушках. Выяснилось, что и в этом случае каждый из двух первых бластомеров дает нормального головастика. Более сложными опытами Дриш доказал, что любое ядро зародыша морского ежа содержит все наследственные задатки, необходимые для развития. Это нанесло сильный удар по теории Вейсмана о попадании разных наследственных факторов в разные клетки при развитии. 

   При пересадке ядер из клеток поздней бластулы нормальное развитие наблюдалось менее чем у половины зародышей. В большинстве случаев развитие проходило до стадии бластулы. При наиболее удачных пересадках лишь 35% оперированных яйцеклеток развивалось до стадии свободно плавающих личинок (головастиков). Пересаженные в яйцеклетки «эктодермальные» и «хордо-мезодермальные» ядра из клеток гаструлы также в большинстве случаев обеспечивали развитие до бластулы, и только 8% таких яйцеклеток развивалось в личинки. При пересадке «эндодермальных» ядер значительно уменьшалось количество дробящихся яиц и количество случаев нормального развития, а личинок уже почти не было. Это позволило предположить, что в ходе гаструляции часть ядер уже претерпела необратимые изменения. Однако единичные случаи развития нормальных личинок указывают на то, что эти ядра содержат все факторы, необходимые для развития. Это окончательно подтвердилось результатами опытов по пересадке в денуклеированные яйцеклетки ядер из клеток кишечника головастиков и ядер из клеток глазного бокала.

   Результаты  опытов по пересадкам ядер позволили  сделать следующее заключение. Ядра соматических клеток генетически эквипотенциальны, т. е. они сохраняют всю генетическую информацию, свойственную данному организму. Дополнительно это подтверждается постоянством количества ДНК в ядре и числа хромосом. В различные периоды функционирования ядер реализуется только некоторая часть генетической информации, а оставшаяся оказывается заблокированной. Деблокирование генетической информации ядер по мере развития становится все более и более затрудненным, но, по-видимому, оно возможно в любом ядре, имеющем нормальный набор хромосом.

   Таким образом, обычно дифференцировка не связана с изменением числа хромосом, обеспечивают же активацию и инактивацию определенных генов в различные периоды онтогенеза какие-то специфические механизмы. Многоклеточные организмы должны иметь приспособления, контролирующие последовательность действия генов. Цитогенетические и биохимические исследования позволили вплотную подойти к решению этого чрезвычайно трудного и важного вопроса. Вполне определилось мнение о том, почему в ходе онтогенеза гены функционируют избирательно.

   Клетки  различных тканей растений и животных отличаются друг от друга главным  образом тем, что в них происходит синтез различных групп белков, что и определяет их структурную и функциональную специфику. Познать причины, которые побуждают клетку синтезировать только определенные белки, посредством изучения синтеза и функциональных особенностей сотен различных белков задача непосильная. Такому изучению должно предшествовать познание закономерностей, определяющих избирательный синтез белков. Это и было сделано, когда оправдалось предположение, что дифференцировка происходит на хромосомном уровне путем регуляции синтеза специфической информационной РНК. При изучении гигантских (политенных) хромосом и хромосом типа «ламповых щеток» было установлено, что в разных участках хромосом РНК синтезируется с разной скоростью.

   Установлено, что динамика образования пуфов на гигантских хромосомах в процессе развития двукрылых является отражением смены активности генов. Пуфы представляют собой места интенсивного синтеза информационной РНК. Интенсивное функционирование отдельных генов или их блоков соответствует определенным этапам развития и дифференцировки. Это состояние непостоянно и обратимо, что очень хорошо видно в опытах по пересадке ядер из клеток слюнных желез предкуколки дрозофилы в клетки зародыша, находящегося на более ранних этапах развития, причем на политенных хромосомах изменяются места появления пуфов. Все это иллюстрирует взаимодействие ядра и цитоплазмы в клетках с политенными хромосомами.

   Много интересных работ проведено по изучению механизмов, контролирующих образование  пуфов. Есть основания считать, что одним из основных факторов в этом процессе у двукрылых является гормон экдизон, секретируемый проторакальной железой и вызывающий у насекомых линьку. Так, после введения этого гормона молодым личинкам довольно быстро возникают специфические пуфы, причем продолжительность их образования зависит от количества введенного гормона. Последовательность образования пуфов изменяется также при воздействиях различными химическими агентами или температурными условиями. Некоторые антибиотики, влияющие на обмен РНК (например, актиномицин), подавляют образование пуфов, а антибиотики, ингибирующие синтез белка (например, пуромицин), не влияют на этот процесс. Следовательно, активность пуфов находится под контролем гормональных факторов и факторов внешней среды. Формирование же комплексов пуфов, характерных для клеток отдельных тканей и органов дифференцированного организма, является показателем общего уровня наиболее интенсивно протекающих метаболических процессов в данных клетках. Правда, такие локальные изменения хромосом почти ничего не говорят о характере действия генов, но их изучение значительно расширило наши представления о роли хромосом и генов в функционировании клетки.

   Связь синтетической активности с морфологическими преобразованиями хромосом была установлена при изучении оогенеза у амфибий, в ходе которого образуются хромосомы типа «ламповых щеток». При использовании метода авторадиографии была обнаружена строгая последовательность включения уридина в определенные участки петель хромосом этого типа и одновременное включение меченой аминокислоты в остальные участки петель, что позволило лучше представить механизм передачи информации от ядра к цитоплазме.

   Доказано, что ядрышковая РНК по нуклеотидному  составу соответствует рибосомной РНК. Это совпадает с представлениями о том, что синтез рибосомальной РНК происходит на определенных участках хромосом. Синтезированная рРНК концентрируется в ядрышке, из которого формирующиеся рибосомы перемещаются в цитоплазму.

   Таким образом, цитохимическое изучение хромосом типа «ламповых щеток» выявило их функциональное сходство с политенными хромосомами. Образование пуфов и петель связано с повышением интенсивности синтеза информационном РНК. При снижении синтетической активности петли синтезированная РНК отделяется от хромосомы и петля спадает. Так же исчезают пуфы политенных хромосом.

   Опыты Шпемана

   Направление первых работ Шпемана  по эмбриональному развитию было подсказано ему  Густавом Вольфом. Этот ученый обнаружил, что  если из развивающегося глаза эмбриона тритона удалить хрусталик, то из края сетчатки будет развиваться новый хрусталик. Шпеман был поражен опытами Вольфа и решил продолжить их, сделав на том, каков механизм изначального формирования хрусталика.

   В норме хрусталик  глаза тритона  развивается из группы клеток эктодермы (наружный листок эмбриональной ткани) в тот момент, когда особый вырост мозга – глазной бокал – достигает поверхности эмбриона. Шпеман доказал, что сигнал к формированию хрусталика поступает именно от глазного бокала. Он обнаружил, что если удалить эктодерму, из которой должен образоваться хрусталик, и заменить ее клетками из совершенно иной области эмбриона, то из этих пересаженных клеток начинает развиваться нормальный хрусталик. Для решения своих задач Шпеман разработал чрезвычайно сложные методы и приборы, многие из которых по сей день используются эмбриологами и нейробиологами для тончайших манипуляций с отдельными клетками.

   Шпеман  не уделял особого  внимания механизмам процессов, определяющих развитие. Он полагал, что эмбриональное развитие слишком сложно для того, чтобы его можно было анализировать на молекулярном уровне, и поэтому сосредоточил свои усилия на его временной последовательности, т.е. на том, какие части эмбриона определяются в своем развитии первыми и каковы взаимоотношения между различными частями.

   Для того чтобы ответить на эти вопросы, Шпеман производил пересадки  тканей между зародышами, принадлежащими двум близкородственным  видам тритона. Поскольку  особи этих видов  различаются по цвету, Шпеман легко мог проследить за судьбой пересаженных клеток. Вместе со своими коллегами (в частности, с Хильдой и Отто Мангольд) он обнаружил, что судьба пересаженной ткани почти полностью зависит не от того, какой орган должен был из нее развиться в ее прежнем положении, а от ее новой локализации. В то же время Шпеман выявил и одно удивительное исключение. Оказалось, что определенный участок эмбриона, расположенный вблизи соединения между тремя основными клеточными листками (эктодермой, эндодермой и мезодермой), будучи пересаженным в любое место другого эмбриона того же срока, развивался не в соответствии с его новым расположением, а скорее продолжал линию своего собственного развития и направлял развитие окружающих тканей. Эти данные были опубликованы Шпеманом и Хильдой Мангольд в 1922 г.; было показано, что существует участок эмбриона, ткань из которого, будучи пересаженной в любое место другого эмбриона, вызывает организацию примордиальных структур (самых первых различимых структур, появляющихся в ходе эмбрионального развития) второго эмбриона. В связи с этим подобные участки были названы «организационными центрами».

   Как писал Шпеман впоследствии, в его последующих  работах по пересадке  тканей между эмбрионами разных видов было показано, что «индуцирующие  стимулы не задают специфические свойства [индуцируемого органа], но запускают развитие тех свойств, которые уже присущи реагирующей ткани... Сложность развивающихся систем в основном определяется структурой реагирующей ткани, и... индуктор оказывает лишь запускающий и в некоторых случаях направляющий эффект». Индукция - воздействие одних частей зародыша на другие в органогенезе.

   Рассмотрим  результаты опытов по пересадке клеток ранней гаструлы. Почему клетки, которым было "на роду написано" стать нервными, после пересадки на брюшную сторону давали покровы? Видимо, они как-то "чувствовали", что находятся не в том месте, где обычно. Можно предполагать, что клетки могут узнавать свое положение относительно целого организма. Можно также думать, что соседние клетки как-то влияют на ход развития пересаженных клеток. Этот опыт, как и другие явления регуляции, наталкивает на мысль о важной роли взаимодействий между частями зародыша.

   Кроме опытов по пересадке  клеток, Шпеман научился искусственно изменять плоскость первого деления дробления . В норме она проходит через середину "серого серпа ", и эта часть цитоплазмы достается обоим бластомерам , из которых развиваются по два нормальных зародыша. В опытах плоскость проходила так, что только один бластомер получал материал "серого серпа" ( рис. 158 ). Из этого бластомера после изоляции развивался нормальный головастик. А из второго бластомера получался шарик из недифференцированных клеток без зачатков нервной системы, хорды и сомитов (Шпеман назвал таких зародышей "кусок живота"). Отсюда следовал вывод, что материал "серого серпа" необходим для нормального органогенеза. Известно, что на месте "серого серпа" образуется спинная губа бластопора ; материал "серого серпа" попадает в основном в клетки хордомезодермы . У Шпемана возникло предположение, что эти клетки как-то обеспечивают нормальное развитие нервной системы и других органов.

   Для проверки этой гипотезы Шпеман и его ученица X.Мангольд в 1924 г. проделали  опыт, который впоследствии стал наиболее знаменитым из их опытов. На стадии ранней гаструлы они  пересаживали хордомезодерму (спинную губу бластопора) от одного вида тритона на брюшную сторону такой же гаструлы другого вида тритона (напомним, что клетки этих двух видов различались по цвету, что позволяло следить за ними по ходу развития). Результат разительно отличался от результатов других пересадок. Пересаженная ткань не меняла своей судьбы в соответствии с новым положением (не становилась покровами брюха). Напротив, она вела себя так, как будто находится на старом месте: образовывала впячивание (второй бластопор) и мигрировала под наружный слой клеток. Из нее, как и в норме, впоследствии формировались хорда и мезодерма . А вот из эктодермы над местом пересадки формировались не покровы (как в норме), а дополнительная нервная система ( рис. 159 ). Иногда на месте пересадки возникал целый дополнительный зародыш, как сиамский близнец, сросшийся с основным.