Клеточные факторы регуляции онтогенеза.

Преобразования отдельных частей организма согласованы по срокам, месту и объему изменений. Процесс, в результате которого однородный материал зародыша преобразуется в устойчивые элементы, разнородные по морфологии, функциям и биохимическим показателям называется дифференцировкой или дифференциацией. Этот процесс характерен для всех структурных уровней организма: возникновение разнообразных типов клеток – явление цитологической дифференцировки; образование разных тканей – результат гистологической дифференцировки.

Конечный результат развития отдельных эмбриональных закладок детерминирован (предопределен). Процесс дифференцировки необратим. Термин «детерминация» отождествляется с комплексом закономерных формообразовательных процессов, обусловленных совокупностью факторов. В процессе детерминации одни части зародыша воздействуют на другие, побуждают их к прохождению определенного пути нормального развития. Степень детерминации различных частей зародыша в ходе эмбриогенеза меняется. Экспериментальным путем показано что бластомеры нескольких поколений при изоляции и культивировании в подходящих условиях проявляют тотипотентность (равнонаследственность), т.е. из каждого бластомера может развиться полноценный организм. Примером тотипотентность клеток зародышей человека является рождение двух, трех, четырех монозиготных близнецов. В этом случае тотипотентность сохраняется на стадии 2-4 бластомеров. На стадии зрелой бластулы свойства тотипотентности утрачиваются, однако клетки способны к трансдетерминации – изменению направления дальнейшего развития в соответствии с новым положением (при перекрестной пересадке участков эктодермы или мезодермы). Таким образом, лабильная детерминация путей развития, наблюдаемая на ранних стадиях эмбриогенеза сменяется стабильной детерминацией.

Интеграция – объединение всех проявлений развития в единый сбалансированный комплекс. Она осуществляется на фоне дифференциации и детерминации. Изменения потенциальных возможностей отдельных частей зародыша происходят не случайно, а зависят от положения этих частей в зародыше в процессе эмбриогенеза. Такая интеграция определяет процесс развития не только в деталях, но и в целом.

Упорядочивание хода эмбриогенеза осуществляется за счет эмбриональной индукции (опыты Г. Шпемана, Г. Мангольда). Некоторые части зародыша выполняют роль индукторов или организаторов намечающих пути развития других частей. Структура зародыша в результате воздействия на них других структур развивается в определенном направлении. Например, хрусталик образуется их эктодермы под действие зачатка глаза. Дорсальная губа бластопора, представляет собой хордо-мезодермальный зачаток, является первичным индуктором и организатором. Зачаток бластопора возникает в области серого серпа. Если небольшой участок кортикального слоя цитоплазмы яйцеклетки пересадить на брюшную сторону другого зародыша, то у последнего индуцируется дополнительная нервная система. Следовательно, клеточный материал дорсальной губы бластопора наследует свойства первичного организатора которые запрограммированы еще на уровне яйцеклетки. Существуют «специфические индукторы» т.е. вещества, которые в ничтожных концентрациях вызывают индуцирующее действие и различаются по конечному результату своего действия. Например экстракт из печени млекопитающих индуцирует мозговые структуры а экстракт из костного мозга – мезодермальные. Установлено, что высокоактивные индукторы относятся к классу белков или нуклеопротеинов.

При развитии многих зачатков имеют место цепи последовательных индукций: индукция слухового пузырька осуществляется продолговатым мозгом а слуховой пузырек индуцирует формирование хрящевой капсулы. В основе таких межорганных и межтканевых индукций лежат контактные воздействия одних клеток на другие. Способность эмбрионального зачатка к восприятию индукционного стимула называется компетенцией. Индукционные процессы происходят благодаря тому, что одни части эмбриона обладают свойством индукторов, а другие свойством компетентности. Современные исследования показывают, что действие индуктора не воспринимается одиночными клетками, чем больше масса индуцируемого зачатка, тем активнее происходит в нем дифференцировка частей. В процессе эмбрионального развития происходит закономерная смена индукторов и состояний компетентности, это обусловливает последовательность этапов развития (например, формирование комплекса осевых органов). Зачаток любого органа проходит в своем развитии 2 фазы. Первая фаза называется фазой зависимой дифференцировки, при этом судьба зачатка зависит от действия индукторов и внешнего окружения. Вторая фаза – независимой дифференцировки. Во время этой фазы происходит закономерный цикл преобразований, независящих от изменения внешних условий. Трансплантация зачатка в не типичное окружение в первой фазе приводит к трансдифференцировке, во второй не вызовет изменений пути развития.

В ходе эмбрионального развития на всех уровнях структурной организации зародыша происходят изменения клеток и клеточных комплексов. К ним относятся: местные утолщения или обособления пластов, образование складок, объединение или распад клеточных масс, концентрация клеток вокруг каких либо структур. Например, сгущение мезенхимных клеток предшествует образованию зародышевых кровеносных сосудов.

Важная роль в эмбриогенезе принадлежит клеточной пролиферации, перемещением клеток, избирательной сортировке, дифференцировке, гибели клеток зародыша.

Пролиферация клеток лежит в основе развития всех органов. За счет этого процесса достигается определенная масса тканей. Деление клеток осуществляется путем митоза.

Клеточные перемещения происходят за счет амебоидного движения клеток. Клетки движутся путем контактной ориентировки. Траектория движения обусловлена рельефом поверхности по которой движется клетка. Некоторые клетки перемещаются по градиенту концентрации химических веществ. Клеточные перемещения обеспечивают доставку клеточного материала в нужную область зародыша. Например, клетки перемещающиеся из области ганглиозной пластинки мигрируют в зоны вегетативных нервных узлов, надпочечников и т.д.

Избирательная сортировка - это выделение и объединение клеток одного зачатка из смеси, содержащей клетки разных зачатков. Процесс происходит как в клеточном материале зародышевых листков, так и отдельных органов. Межклеточные контакты образуются случайно, но связи однотипных клеток отличаются большой устойчивостью.

Дифференцировка клеток. Благодаря ей образуются устойчивые типы клеток специализированные к выполнению определенных функций. Эти клетки характеризуются сложной морфологией (нейроны, палочки и колбочки сетчатки). Клеточные типы отличаются друг от друга типоспецифическими белками, а так же веществами иной химической природы. Например, в эритроцитах синтезируется гемоглобин, в клетках мышц – миозин. От наличия типоспецифических белков зависит специализация клеток многоклеточного организма. Кроме типоспецифических белков существуют еще тканеспецифические белки. Они также синтезируются в клетках. Процесс клеточной дифференцировки можно объяснить с помощью гипотезы дифференциальной активности генов: каждая клетка содержит полный набор генов но в разных типах клеток активны разные группы генов. С точки зрения дифференцировки клеток выделяют три группы активных генов: 1) контролирующие фундаментальные процессы жизнедеятельности клеток и активные во всех клетках (например, гены контролирующие энергетический обмен), 2) гены, обусловливающие сходные черты клеток одной ткани (например гены, контролирующие формирование отростков у нейронов), 3) гены контролирующие черты, специфичные для клеток данного типа (например, контролирующие особенности строения разных типов нейронов коры головного мозга).

В основе механизма клеточной дифференцировки лежит избирательное блокирование или активация отдельных генов или их групп. Большая роль в этом принадлежит изменению физико-химических свойств хроматина: характеру взаимодействия ДНК, гистоновых и негистоновых белков.

В процессе дифференцировки клеток зачатка зародыша последовательно изменяется активность генов.

Со временем, в процессе дифференцировки число активных генов в клетке прогрессивно снижается.

Запрограммированная гибель клеток. Этот процесс наблюдается в ходе эмбрионального развития многих органов и частей организма. Гибель клеток служит разъединению фаланг пальцев у млекопитающих: в развивающихся зачатках плеча и предплечья зоны гибнущих клеток закономерно распределены в определенных местах. Клеточная гибель происходит и в других местах. Например, при формировании многих центров головного мозга закономерно погибает более половины клето

Ооплазматическая сегрегация яйца - возникновение локальных различий в свойствах ооплазмы, которые осуществляются в периоды роста и созревания ооцита, а также в оплодотворённом яйце. Сегрегация — основа для последующей дифференцировки зародыша: в процессе дробления яйца участки ооплазмы, различающиеся по своим свойствам, попадают в разные бластомеры; взаимодействие с ними одинаковых по своим потенциям ядер дробления приводит к дифференциальной активации генома. У разных животных сегрегация наступает неодновременно и бывает выражена в разной степени. В ходе овогенеза в цитоплазме яйцеклетки резервируется большое количество веществ, необходимых для ее созревания и обеспечения раннего эмбриогенеза. Прежде всего, это компоненты, необходимые для процессов репликации, транскрипции и трансляции: соответствующие ферменты иРНК, тРНК, их предшественники, компоненты рибосом. Кроме того, в цитоплазме формируется набор специфических регуляторных веществ, которые обеспечивают координированное функционирование всех запасенных компонентов. Некоторые из них начинают действовать еще в овоцитах, другие- в период дробления, третьи- в фазе гаструляции. К специфическим регуляторным веществам относятся: фактор дезинтеграции ядерной оболочки, фактор, вызывающий ядерную конденсацию хромосом, фактор, активирующий в ядре сперматозоида синтез ДНК и т.д. В цитоплазме яйцеклетки накапливаются питательные вещества- желток, в состав которого входят белки, фосфолипиды, нейтральные жиры, минеральные соли.

Благодаря указанным особенностям химического состава цитоплазмы и яйцеклетки, зародыш на протяжении периода дробления в ряде случаев не использует генетическую информацию ядер бластомеров. Таким образом, специфический химический состав и закономерное распределение веществ в цитоплазме яйцеклетки имеют большое значение для регуляции начальных фаз эмбрионального развития.