акономерности
и механизмы онтогенеза
Глава 8. Закономерности и механизмы онтогенеза
8.1. Дифференциация в развитии. Этапы дифференциации
Организм человека образован огромным количеством (≈1014) клеток, которые происходят в онтогенезе лишь от одной клетки - зиготы. В течение 285 дней из зиготы благодаря делению возникает 2х1012 клеток. Образующиеся клетки (бластомеры) вначале похожи друг на друга, но в дальнейшем развитии между ними возникают различия. Возникновение в ходе онтогенеза биохимических, физиологических, морфологических и других различий между исходно однородными клетками и их объединениями называется дифференциацией, или дифференцировкой. Одни клетки приобретают способность к сокращению (мышечные), другие - к выделению секрета (железистые), третьи - к проведению импульса (нервные) и т.д.
В основе дифференциации лежат: 1) различия цитоплазмы ранних бластомеров как следствие явления ооплазматической сегрегации; ооплазматической сегрегацией называют возникновение локальных различий в свойствах цитоплазмы яйцеклеток, осуществляющееся в периоды роста и созревания ооцита; она лежит в основе начальной дифференцировки зародыша: участки цитоплазмы зиготы (унаследованные от яйцеклетки), различающиеся по своим свойствам, попадают в различные бластомеры; их взаимодействие с одинаковыми по своим потенциям ядрам и приводит к дифференциальной активации генов в ядрах различных бластомеров; 2) специфические влияния соседних клеток - клеточная индукция.
Полагают, что решающую роль в определении формы клеток, а также в движениях в ходе дифференцировки и способности к соединению друг с другом играют цитоскелет и гликокаликс клеток.
Молекулярно-генетическая основа дифференциации - активность специфических для каждого типа клеток (для каждой ткани) генов. Все соматические клетки организма обладают одинаковым набором генов, однако в каждой отдельной ткани активна лишь часть генов, ответственных за дифференцировку в данном направлении. Функционирование только определённых генов приводит к синтезу соответствующих белков, определяющих дифференцировку. Роль факторов дифференцировки сводится, таким образом, к избирательной активации («включению-выключению») этих генов.
Дифференциация - детерминированный, т.е. предопределённый и необратимый процесс. Клеточный материал считают детерминированным, начиная со стадии, на которой он впервые обнаруживает способность при пересадке в чуждое место дифференцироваться в орган, который образуется из него в норме. Процесс детерминации включает как автономные изменения свойств клеток на основе ооплазматической сегрегации и взаимодействия ядер с цитоплазмой, качественно различающейся в разных бластомерах, так и влияние отдельных групп клеток друг на друга.
Условно можно выделить 3 этапа дифференциации клеток, в ходе которой изменяется степень их детерминированности.
Первый этап - этап тотипотентности (сохранения равнонаследственности) клеток. Бластомеры видов с радиальным типом дробления сохраняют тотипотентность в течение нескольких поколений клеток (у гидромедузы до стадии 32 бластомеров, каждый из которых может развиваться в полноценный организм).
У человека случаи рождения 2-4 однояйцевых близнецов свидетельствуют о тотипотентности клеток на стадии 2-х и 4-х бластомеров. На более поздних стадиях клетки (бластула) теряют тотипотентность, сохраняя, однако, способность к переопределению (трансдетерминации) пути дальнейшего развития.
Тотипотентность сменяется однозначной детерминированностью постепенно. На промежуточном втором этапе - этапе зависимой дифференцировки клеточный материал способен к трансдетерминации. Эксплантация зачатка органа, находящегося на втором этапе дифференцировки, в нетипичное окружение приведёт к изменению хода его дифференцировки (трансдифференцировке). Например, пересаженный в эктодерму участок мезодермы амфибий развивается далее как эктодерма. Впоследствии возможность развития в нескольких направлениях резко сужается из-за канализации развития.
Третий этап - этап независимой дифференцировки характеризуется тем, что закономерные преобразования клеточного материала (ткани, органа) продолжаются даже при изменении внешних условий.