Лекция 9 Раннее развитие позвоночных СТАНОВЛЕНИЕ ОБЩЕГО ПЛАНА СТРОЕНИ е В РАННЕМ РАЗВИТИИ ПОЗВОНОЧНЫХ ЖИВОТНЫХ проф. А. П. Перевозчиков

Формирование осей и спецификация осевых зачатков в раннем развитии у рыб, птиц и млекопитающих

Danio rerio (на фото мутант - мозаик по окраске). Зародыши Danio rerio являются удобными объектами биологии развития позвоночных, поскольку они прозрачны, быстро развиваются, у них легко получать серии мутаций ( И. Мизгирев).

Прижизненная экспрессия гена зелёного флуоресцирующего белка - gfp, под контролем промотора гена сердечного актина Xenopus в трансгенной рыбке Danio rerio (24 часа развития). Зародыш располагается на желточном мешке (изначально – в желточной клетке) ( И. Мизгирев).

Дискоидальное дробление яйца костистой рыбки (Danio rerio). A-оплодотворённая яйцеклетка (накопление цитоплазме в районе бластодиска), B- 2-х, C- 4-х, D- 8-и, E- 32-х, F-64-х клеточные стадии зародышей. Первые 12 делений идут синхронно через интервалы в 15 мин. Бластомеры на этих стадиях имеют цитоплазматические мостики и контакты с расположенной ниже большой желточной клеткой

Поздняя бластула (подготовка к миграции клеток в гаструле). EVL-одноклеточный слой клеток - перидерм. Микротрубочки определяют направление миграции ядер желточного синцитиального слоя (перибласта) и эпиболию желтка клетками бластодермы. Начиная, примерно, с 10 дробления происходит переход на средней бластуле - транскрибируются зиготические гены, замедляются клеточные деления и далее происходят асинхронно. Справа - поздняя бластула карповых рыб. Внизу - карта судьбы клеток глубинного слоя бластодермы.

Гаструляция у рыб. Формирование зародышевого щитка на границе с желточным синцитиальным слоем. Образование гипобласта путём инволюции клеток от маргинальной зоны зародышевого щитка и ингрессии клеток эпибласта внутрь.

Гаструляция у Danio rerio (продолжение). Зародышевый щиток определяет дорсальную сторону, противоположная сторона - вентральная. Из гипобласта (мезэнтодерма) формируется энтодерма и мезодерма. Слева -90% обрастания желточной клетки эпидермальными клетками. Справа - завершение гаструляции (10, 3 часа с момента начала развития).

Миграции клеток (схематически) в ходе гаструляции Danio rerio. Образование хордомезодермы (ХМ) путём расширяющегося уплотнения клеток гипобласта (мезэнтодермы) от зародышевого щитка к анимальному (будущему переднему) полюсу. На вегетативном полюсе располагается задний конец зародыша. Образование параксиальной мезодермы(ПМ) и обособление ХМ и ПМ от энтодермы.

Демонстрация (методом гибридизации in situ) образования хорды (вверху -маркёрный ген хорды - no tail/Brachyury) и параксиальной мезодермы (внизу - маркёрный ген - snail) при гаструляции zebrafish

Зародышевый щиток рыб играет роль организатора. Пересадка зародышевого щитка в раннюю гаструлу другого зародыша приводит к образованию второго комплекса осевых зачатков (внизу справа), связанного с одной желточной клеткой. иРНК sonic hedgehog локализована вентрально вдоль зародышей

Желточный синцитиальный слой, контактирующий с зародышевым щитком, по- видимому, играет роль центра Ньюкупа. Сравнение локализации - катенина в ядрах желточного синцитиального слоя бластулы zebrafish (слева) и дорсальной стороны бластулы Xenopus (справа).

Активность бета-катенина в Центре Ньюкупа зародыше Danio. Squint – аналог Nodal-подобного белка, bozozok- аналог ТФ siamois

Образование комплекса осевых зачатков вдоль передне-задней и дорсо-вентральной осей в раннем развитии рыб. Существование двух сигнальных центров для установления передне-задней полярности

Сравнение развития ранних стадий зародышей лягушки и курицы

Формирование осей и спецификация осевых зачатков в развитии птиц. Дискоидальное меробластическое дробление яйца курицы.

Образование двуслойной бластодермы куриного зародыша. Area pellucida - одноклеточный слой клеток -- формирует большую часть зародыша. Area opaca - периферийный слой клеток, располагающийся на желтке. Образование гипобласта (ГБ) деламинацией (первичный ГБ –аналог ПВЭ млекопитающих) и миграцией из маргинальной зоны (серпа Коллера)- (вторичный гипобласт, или эндобласт). Гипобласт и эндобласт дают начало стенкам экстраэмбриональным тканям (например, желточного мешка и др.). Передне-задняя полярность зародыша задана постериорной маргинальной зоной.

Миграции клеток в районе первичной полоски куриного зародыша

Миграции энтодермальных и мезодермальных клеток через первичную полоску. Вверху - электронная микрофотография -клетки эпибласта проходят в бластоцель (бутылковидные клетки). Внизу - схема гаструляции: направление миграции клеток путём конвергентного удлинения. Образование хорды таким путём приводит к уплотнению клеточного тяжа. Происходит замещение клеток гипобласта (ГБ) и эндобласта выселяющимися энтодермальными клетками, с вытеснением клеток ГБ на периферию для образования желточного мешка.

Значение pH в формировании дорсо-вентральной оси и роль гравитации в формировании передне-задней оси куриного зародыша. pH 9,5 - альбумина и pH6,5 субгерминальной полости (СП) инициирует поток ионов Na внутрь СП и создает положительный потенциал +25 mV на будущей вентральной стороне эпибласта. Вращение оплодотворенного яйца в яйцеводе после оплодотворения (в области железы, формирующей скорлупу) 20 час ( об/час) приводит к оформлению постериорного (P) и антериорного (A) районов бластодермы

Образование Центра Ньюкупа у зародышей лягушки и курицы

Образование гензеновского узелка из серпа Коллера. Расположение клеток в области серпа Коллера определяет распределение структур вдоль передне-задней оси, образованных с участием гензеновского узелка (аналога организатора амфибий).

Образование второго комплекса осевых зачатков после трансплантации в эпибласт куриного зародыша гензеновского узелка (Организатора Шпемана). Продукция клетками узелка -Chordin, Noggin, Nodal-related - белков. Роль FGF узелка и первичной полоски в индукции заднего мозга и туловищных нейрональных структур

Схема установления лево-правой асимметрии в курином зародыше. Роль белка Sonic hedgehog (Shh) в организаторе, а также Caronte, Nodal и Lefty-2 в мезодерме боковой пластинки в лево- правой активации факторов транскрипции Pitx2 и Snail

Передача сигнала о лево-правой асимметрии из узелка Гензена, активирующего экспрессию генов caronte, nodal и pitx2 в мезодерму боковой пластинки

Эктопическая экспрессия shh в гензеновском узелке ведёт к симметричной экспрессии nodal в мезодерме (in vivo к нарушениям закладки сердца)

Развитие зародыша человека от оплодотворения до имплантации в стенку матки

Особенности дробления яиц млекопитающих Дробление яйца у амфибии (слева) и млекопитающего (справа). Ротация плоскости дробления второго бластомера

Компактизация мышиного зародыша на стадии 8-и бластомеров. Роль щелевых контактов. Первичная дифферецировка в ходе образования бластоцисты (клетки внутренней массы и клетки внешнего слоя - будущего трофобласта).

«Вылупление» бластоцисты мыши из желточной оболочки (zona pellucida) и имплантация в стенку матки

Формирование клеточных пластов в ходе развития зародыша человека между 7 и 11 сутками. Имплантация зародыша в матку. Образование эпибласта и гипобласта, амниона и трофобласта

Формирование тканей зародыща человека между 7 и 11 сутками развития

Диаграмма, представляющая образование различных тканей зародыша и внезародышевых оболочек из различных участков бластоцисты млекопитающих

Дорсо-вентральная ось связана с эмбриональной-абэмбриональной осью, которая формируется под прямым углом по отношению к анимально-вегетативной оси яйца млекопитающего

Миграции клеток в ходе гаструляции зародыша человека. Формированиие первичной полоски, узелка и миграция клеток через первичную бороздку и узелок внутрь между эпибластом и гипобластом. Особенности гаструляции у млекопитающих. Роль кадгеринов в эпителиально-мезенхимных превращениях происходящих в ходе ингрессии и дальнейшей миграции клеток.

Становление передне-задней оси: Два сигнальных центра формирования зачатков зародыша вдоль оси в ходе гаструляции: передняя висцеральная энтодерма (ПВЭ - AVE), экспрессирует гены Dickkopf, Otx2, Hex, Lhx1, cerberus-like, Lefty1 –головной отдел зародыша, и Узелок - аналог Гензеновского узелка птиц

Движения в ходе развития зародышей позвоночных Более поздние стадии развития млекопитающих (мышь) – поворот зародыша (стадии ) приводит к его окончательной позиции и дальнейшему развитию в виде плода (fetus)

Формирование передне-задней оси (продолжение). Передняя часть зародыша определяется внезародышевой передней висцеральной энтодермой (ПВЭ -AVE), задняя (постериорная) – внезародышевой эктодермой (трофоэктодермой)

Передняя часть зародыша определяется внезародышевой антериорной висцеральной энтодермой (ПВЭ-AVE), задняя (постериорная) – внезародышевой эктодермой (трофоэктодермой). (продолжение схемы, расположенной на предыдущем слайде)

Слева - объемное изображение 5,5-суточного зародыша мыши (конфокальноая микроскопия). Клетки ПВЭ продуцируют зелёный флуоресцирующий белок –GFP. Ядра клеток окрашены DAPI (голубой цвет), актиновые микрофиламенты окрашены pahlloidin в красный цвет (according to Srinivas S. et al., 2004). Справа – схема движения клеток ПВЭ на тех же сроках развития в яйцевом цилиндре.

Предполагаемый путь формирования лево-правой асимметрии у мыши (за счёт экспрессии генов Узелка). Реснички клеток узелка обеспечивают ток жидкости слева направо. В результате этого активизируется FGF8 (далее он активирует Nodal, Lefty2 и Pitx2). Начало цепочки контролируется геном iv. В случае мутации этого гена закладка сердца и других органов происходит хаотично. Продуктом гена iv является моторный белок ресничек - dynein

Экспрессия гена Nodal в мезодерме боковой пластинки (в норме слева) A, B -зародыш мыши на стадии 5 сомитов. Справа - C- экспрессия Nodal симметричная у мыши с мутацией гена iv. В этом случае петлеобразное формирование сердца (из сердечной трубки) может быть нарушено.