ДИФФЕРЕНЦИРОВКА КЛЕТОК В ОНТОГЕНЕЗЕ лекция 13

Основные понятия Дифференцировка : процесс развития специализированных клеточных типов из оплодотворённой яйцеклетки Детерминация : процесс определения судьбы данной части зародыша недетерминированные части – судьба не определена детерминированные части – определённая судьба Потенция части зародыша – то, что она может дать при любых условиях: проспективные потенции – могут осуществиться в будущем при определённых условиях проспективные значения – то, что данная часть даёт при нормальных условиях развития тотипотентность – начало всем клеточным типам взрослого организма мультипотентность – начало многим, но не всем клеточным типам унипотентность – лишь одно направление развития (детерминированность)

Дифференциальная активность генов Дифференцировка клеток в онтогенезе – результат последовательных реципрокных (взаимных) влияний цитоплазмы и меняющихся продуктов активности ядерных генов ( дифференциальная экспрессия генов ) Опыт Дж. Гердона наследственный материал соматических клеток способен оставаться полноценным не только в количественном, но и в функциональном отношении взаимодействие цитоплазмы и ядра в жизнедеятельности клеток и развитии организма имеет решающее значение чем старше стадия зародыша донора, из клеток которого брали ядро для пересадки, тем в меньшем проценте случаев развитие оказывалось полностью завершенным

Способы детерминации зависимая устанавливается с помощью межклеточных взаимодействий, вследствие передачи сигнала от одних клеток и детектирования сигнала другими клетками эмбриона, побуждая их специфицироваться в определённом направлении автономная обусловлена материнскими цитоплазматическими факторами, вырабатывающимися в период оогенеза под контролем генов материнского организма. Достигается в результате неравномерного распределения в ооците транскрипционных факторов ( цитоплазматическая сегрегация ) ЭпигенезПреформизм Аристотель ( до н.э.) Гиппократ ( до н.э.)

Автономная детерминация (1): цитоплазматическая спецификация Мозаичная детерминация у оболочников (Reverbery & Minganti, 1946) Локализация АХЭ в зародышах оболочников (Whittaker, 1973) Цитоплазма зиготы Styela partita и её проспек- тивное значение

Автономная детерминация (2): цитоплазматическая локализация Полярная лопасть моллюсков Изоляция ранних бластомеров моллюска Patella coerulea (Wilson, 1904)

Автономная детерминация (3): локализация детерминантов половых клеток Распределение половой (зародышевой) плазмы у аскариды (Бовери, 1910) Сегрегация линии половых клеток и диминуция хроматина у галлицы

Зависимая детерминация (1) Опыт В. Ру (1888) Регуляционное развитие (эмбриональная регуляция): некоторая часть зародыша может дать целостный организм нормальной структуры. эмбриональная регуляция возможна лишь при наличии мульти- (тоти-) потентности клеток зародыша «проспективное значение каждого элемента системы есть функция его положения в целом» ( закон Дриша ). Нормальный плутеус Плутеус из 1 клетки 4-х клеточного зародыша

Зависимая детерминация (2) 1 – задержанная бластула (перманентная бластула); 2 – личинка (слегка аномальная; 3–6 – личинка (маленькая, но нормальная); 7 – задержанная бластула (аномальная бластула); 8 – личинка (почти нормальная) Асимметрия в зародыше и яйце морского ежа (Гёрстадиус, ) Модель «двойного градиента» (J. Runnstrom, 1929): ограничение потенций в ходе онтогенеза. Бластомеры остаются способными к регуляции до тех пор, пока не будут формироваться исключительно из анимальной или вегетативной цитоплазмы.

Зависимая детерминация (2а) Обнаружение « анимализирующего » и « вегетализирующего » градиентов в развитии зародышей морского ежа

Эмбриональная индукция Равноценность ядер у зародышей тритона Асимметрия в яйце у амфибий Детерминация клеток эктодермы на стадии ранней (А) и поздней (Б) гаструлы у тритона: 1 – презумптивная нейральная эктодерма; 2 – презумптивный эпидермис; 3 – нер- вная пластинка (НП); 4 – формирующийся эпидермис; 5 – формирующаяся вторичная НП зависимое развитие независимое развитие Детерминация: предназначение клеток к дифференцировке в специфический клеточный тип Ранние опыты Г. Шпемана

Эмбриональная индукция А – пересадка спинной губы бластопора на место презумптивного эпидермиса брюшной стороны; Б – формирование комплекса осевых структур в области трансплантата; В – формирование второго зародыша, соединённого с первым участок, взятый из спинной губы бластопора, способен направлять (переключать) развитие находящегося вокруг материала на определенный путь развития; боковая и брюшная сторона гаструлы обладают более широкими потенциями к развитию, нежели их презумптивное проспективное направление; достаточно точное строение новообразованных органов в месте пересадки указывает на эмбриональную регуляцию. Эмбриональная ин- дукция : взаимодей- ствие частей развива- ющегося зародыша (опыт Г. Шпемана и Г. Мангольд, 1924) Спинная губа бластопора – первичный эмбриональный ( шпемановский ) организатор.

Эмбриональная индукция: особенности головной индуктор туловищный индуктор Компетенция – способность ткани отвечать специфическим образом на данный стимул (индуктор). гетерономная : одна часть зародыша индуцирует образование иного органа; гомономная : индуктор побуждает окружающий материал к развитию в том же направлении, что и он сам. первичная : формирование осевых органов, под действием дорсальной губы; вторичная : действие глазного бокала на прилежащий покровный эпителий ; третичная : изменения находящегося над хрусталиком покровного эпителия и трансформация его в прозрачный эпителий роговицы Виды индукции:

Эмбриональная индукция: механизм (1) Материал хордомезодермы не предетерминирован, а специфицируется в ходе дробления. Если на стадии средней бластулы сделать разрез в экваториальной области и повернуть анимальную половину зародыша на 180 о, то хордомезодерма формируется из материала бывшей вентральной стороны, который после поворота занял дорсальное положение. Ньюкоповская индукция : дорсальные вегетативные бластомеры оказывают индуцирующее действие на клетки краевой зоны (развитие в мезодермальном направлении). Центр Ньюкупа ( ньюкуповский организатор) : вегетативно-дорсальная область зародыша.

Эмбриональная индукция: механизм (2) Дорсализация зародыша амфибий : А – момент оплодотворения; Б – поворот кортикальной цитоплазмы; В – накопление -катенина; Г – инициация экспрессии siamois Черные круги – Dsh, кортикальная цитоплазма анимального полюса – черный, вегетативного полюса – белый цвет. Гены организатора шпорцевой лягушки Ген goosecoid (gsc)

Эмбриональная индукция: механизм (3) Дифференцировка нейральных производных На вентральной стороне зародыша создаётся максимальная концентрация белков семейства BMP (Bone Morphogenetic Proteins, морфогенетические белки костного мозга), в частности – ВМР-4. Нейрализация эктодермы – реализация « основного состояния » (ground state) системы ( индукцией по умолчанию (default induction), поскольку формирование нервной трубки происходит в случае отсутствия вентрализирующего сигнала.

Дополнительная литература по теме: Gastrulation: From Cell to Embrio. Edited By Claudio D. Stern, University College London. Electronic resource: The web site provides supplementary data and movies to accompany the chapters in the book.