Ембріональна індукція

Основоположником експериментальної ембріології став на­прикінці XIX ст. німецький зоолог В. Ру. Він спробував з'ясувати, на якій стадії розвитку зародка визначається доля його частин. Чи може, наприклад, кожен із двох перших бластомерів розви­нутись у цілий організм? Для цього В. Ру один із двох бластомерів жаби руйнував розпеченою голкою.

Із незруйнованого (цілого) бластомера розвинувся неповно­цінний зародок. З такого результату В. Ру дійшов неправиль­ного висновку про те, що вже на ранніх стадіях ембріональ­ного розвитку доля окремих бластомерів повністю визначена. Тут потрібно сказати, що в ході експерименту вчений залишав ушкоджений бластомер поряд з цілим (неушкодженим). Пізні­ше інші науковці провели експеримент інакше. Вони забирали ушкоджений бластомер від цілого і тоді спостерігали, як із ці­лого розвивався повноцінний зародок. Учень В. Ру — Г. Дріш довів: якщо яйця морського їжака помістити в морську воду, позбавлену кальцію, то в зиготі, що почала ділитися, бласто­мери розпадаються і потім кожен із них, за сприятливих умов, здатен сформувати повноцінний зародок. Таке явище, коли ізольований бластомер може розвинутися в повноцінний ор­ганізм, отримало назву тотипотентність (рівноспадковість), а такі бластомери назвали тотипотентними. У подальшому, зно­ву ж таки експериментально, встановлено, що в тритона така тотипотентність зберігається до стадії 16, у кроля — до стадії 4 бластомерів. Про існування такого явища у бластомерів люди­ни вказують випадки народження двох, трьох, чотирьох і на­віть семи монозиготних близнюків.

Після утворення бластули зародкові клітини втрачають то­типотентність. Починається диференціація, тобто формування різних структур і частин тіла- (а згодом — тканин і органів) із порівняно однорідного матеріалу зародка. Але з'ясувалося, що, незважаючи на втрату тотипотентності і диференціації, клітини повністю зберігають генетичну інформацію. Це довели в своїх експериментах американський ботанік Стюард на моркві та ан­глійський зоолог Д. Гердон, який пересаджував ядра із клітин епітелію шкіри і кишок пуголовків у яйцеклітини, з яких вида­ляли їх власні ядра. Багато з таких клітин розвинулись, утворив­ши пуголовків і навіть статевозрілих жаб.

Таким чином, будь-яка соматична клітина, з одного боку, яв­ляє собою диференційовану частину організму і виконує вузько-спеціалізовані функції, а з іншого — утримує в собі генотип усьо­го організму. Тоді постає питання: якщо генотип в усіх клітин однаковий, а різні клітини мають неоднакову будову і входять до складу органів, що відрізняються один від одного морфологією і функціями, то чим зумовлене диференціювання під час розви­тку?

Щоб зрозуміти це, повернемося знову до експерименту В. Ру з двома бластомерами зародка жаби. Ру вбивав один з бластомерів, але залишав його поряд з цілим, неушкодженим, і спостерігав не­повноцінний його розвиток. Тобто тотипотентність не проявля­лася. Чому? А тому, що ушкоджений бластомер впливав і пере­шкоджав нормальному розвитку цілого бластомера. Так майже 100 років тому було виявлено і доведено взаємодію частин орга­нізму в процесі розвитку.

Пізніше це явище взаємного впливу одних частин організму, що розвивається, на інші отримало назву ембріональної індукції.

Першим, хто переконливо довів взаємодію частин зародка на прикладі формування ока, був німецький ембріолог Г. Шпеман (початок XX ст.). Він автор оригінальної теорії індивідуального розвитку — теорії організаційних центрів.

Рання закладка ока є випинанням тканини проміжного моз­ку в очний міхур. Він росте в напрямку до шкірної ектодерми, з якої на місці їх зближення утворюється кришталик. В експери­менті було показано, що якщо на одному боці зародка видалити закладку очного міхура, то на цьому боці кришталик не форму­ється. І навпаки, якщо закладку очного міхура пересадити під шкіру в іншому місці голови або тулуба, то тут на межі ектодерми виникає кришталик. Він вплине на формування очної западини. Таким чином, розвиток одного органа зумовлює формування на­ступних.

Подальшими дослідженнями було розкрито нові ланки впли­ву між частинами зародка. Шпеман довів, що при нормальному розвитку спинна ектодерма гаструли перетворюється на зачаток нервової трубки, але якщо її пересадити, наприклад, на черевну частину зародка, то з неї утвориться шкіра живота. І навпаки, якщо шкірну ектодерму живота пересадити на спинний бік за­родка, то з неї утвориться нервова трубка.

Це свідчить про те, що на стадії ранньої гаструли доля зачатків ще не повністю визначена і може перевизначатися на подальшо­му шляху розвитку. Ця стадія ембріонального розвитку отримала назву стадії лабільного диференціювання.

Чому ж ектодерма спинного боку зародка дає початок нерво­вій трубці зі всіма її похідними? Експериментально встановлено, що якщо на ранній стадії видалити ділянку верхньої "губи" блас­топора, яка прилягає до ектодерми на спинному боці зародка, то нервова трубка зовсім не утворюється. І навпаки, якщо верхню "губу" бластопора пересадити під шкіру в будь-якій ділянці га­струли, то з навколишніх клітин формується нервова трубка. І навіть якщо пересадити додаткову верхню "губу" бластопора, то утвориться додаткова нервова трубка.

Так, Г. Шпеман дійшов висновку, що верхня "губа" бластопора впливає на клітини ектодерми, спрямовуючи їх розвиток на фор­мування нервової трубки. Згодом було виявлено інші ділянки тіла зародка з аналогічним впливом на його частини. Ці ділянки були названі організаційними центрами, а їх індукований вплив — організаторами, або індукторами.

Реалізація індукції можлива тільки за умов, що клітини здат­ні сприймати вплив, тобто є компетентними. Компетенція клітин може змінюватися в часі (виникати і зникати). На пізніших стаді­ях розвитку, коли диференціація уже почалася, пересадка цієї ді­лянки в іншу частину зародка не змінює його розвитку, бо він вже повністю визначений. Це явище незалежної, стабільної диферен­ціації. У розвитку органів спостерігається перехід від залежної до незалежної диференціації.

Подальші дослідження проблеми ембріональної індукції йшли в напрямі визначення природи індукторів.

Ще в 30-ті роки XX ст. американський вчений Ч. Чайлд ви­сунув припущення про градієнт фізіологічної активності організ­му зародка. Було доведено, що інтенсивність окиснювальних та інших метаболічних процесів поступово гальмується в напрямку від головного відділу до хвостового. Згідно з цими даними, роз­виток органів у тій чи іншій частині зародка визначається інтен­сивністю метаболізму. Дані узгоджуються з положеннями школи Шпемана: дійсно, найінтенсивніший обмін речовин у гаструли відбувається в ділянці верхньої "губи" бластопора, тобто в місці утворення нервової трубки.

X. Тидеман у 1970 р. провів дослідження, які показали рольвза-смовідносин органів зародка на молекулярному рівні. Він виділив із зародків курчат індуктори білкової природи. Один із них інду­кує структури нервової системи й органів чуття, інший — м'язову систему. Вчений довів, що білки-індуктори є вже в незаплідненому яйці, але вони перебувають у неактивному стані через наявність ін­гібіторів, які стримують їх дію. Під час ембріонального розвитку змінюється йонний склад цитоплазми і зовнішнього середовища, яке оточує клітину. Це призводить до виходу інгібіторів із кліти­ни, і цим інактивація з індукторів знімається. У результаті цього індуктори входять в ядро і активують відповідні гени, що сприяє диференціюванню клітин і формуванню органів і систем.