ДЕТЕРМИНАЦИЯ И РЕГУЛЯЦИЯ

В онтогенезе непрерывно происходят процессы дифференцировки – возникновения различий между первоначально однородными частями зародыша (клетками, тканями, органами). В ходе дифференцировки изменяется судьба отдельных клеток или частей зародыша. Судьба – совокупность всех изменений, которые произойдут с данной клеткой или участком зародыша в ходе последующего развития.

Важнейшая задача БИР – выяснение причин дифференцировки. Впервые четко вопрос о факторах определения судьбы частей зародыша был поставлен механикой развития (школой В. Ру) в 1880-х годах. Представители этого направления были убеждены, что с помощью грамотно спланированных и тщательно проведенных экспериментов можно составить полный список причин, определяющих судьбу зародыша и его частей. Впоследствии выяснилось, что невозможно однозначно определить причины и механизмы, заставляющие клетку или участок зародыша развиваться в определенном направлении. Но экспериментальная эмбриология, выросшая из механики развития, сыграла огромную роль в расширении знаний и создании системы понятий, без которых невозможно выявить причины развития.

Так, стало ясно, что внутри проблемы дифференцировки важнейшей является проблема взаимоотношений детерминации и регуляции.

ПОНЯТИЕ ДЕТЕРМИНАЦИИ И СВЯЗАННЫЕ С НИМ ПОНЯТИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ЭМБРИОЛОГИИ

Детерминация (от греч. determinare – предопределяю) – процесс определения судьбы данной части зародыша = латентная дифференцировка; возникновение качественных различий между частями зародыша на стадиях, предшествующих появлению морфологически различимых закладок и органов. Термин введен К. Гайдером в 1900 году.

Между понятиями «детерминация» и «дифференцировка» нет четкой границы: детерминация – состояние начальной дифференцировки.

Если судьба закладки уже определена, говорят, что она детерминирована. При пересадке в чуждое ей место она развивается в тот орган, который образует в норме, т.е. не меняет свою судьбу (состояние стабильной детерминации).

Если судьба закладки еще не определена – она не детерминирована: при пересадке она может изменить свою судьбу и развиться в не свойственный ей в норме орган.

Промежуточное положение – лабильная детерминация. У бесхвостых амфибий характерна для стадии бластулы, когда зачатки всех зародышевых листков уже определены, но, будучи пересаженными в другое место зародыша, могут пойти на построение любого органа. Относительно стабильная детерминация наступает на стадии нейрулы, но и она не окончательна.

С понятием детерминации тесно связан целый букет родственных понятий.

Потенция некоторой части зародыша – то, что она может дать вообще (при любых воздействиях, отличных от нормальных).

Тотипотентность (от лат. totus –весь, целый) – способность части зародыша дать начало всем клеточным типам взрослого организма (состояние недетерминированности). Тотипотентна, например, зигота.

Мультипотентность – способность дать начало многим, но не всем клеточным типам взрослого организма (состояние лабильной детерминации).

Унипотентность – способность развиваться лишь в одном-единственном направлении (окончательная или стабильная детерминация).

Проспективный = презумптивный – предполагаемый, будущий.

Проспективная потенция – та, которая может при определенных условиях (отличных от нормы) осуществиться в будущем.

Проспективное значение – то, что данная закладка даст в норме.

Проспективная потенция может быть значительно шире проспективного значения. Например, проспективное значение брюшной ЭКТД – формировать покровы и их производные. Проспективная же потенция брюшной ЭКТД, помимо покровов, позволяет ей развиваться в нервную трубку. Однако, обязательным условием будет воздействие на нее материала хордомезодермы, который в норме располагается под спинной ЭКТД. Возвращаясь к определению детерминации, можно сказать, что

детерминация – это процесс сужения проспективной потенции до проспективного значения.

Одна из главных задач экспериментальной эмбриологии выяснение, на каких стадиях развития происходит это ограничение и насколько оно сильно.

ДЕТЕРМИНАЦИЯ НА РАННИХ СТАДИЯХ РАЗВИТИЯ

1. Стадия яйца. Различия между частями зародыша могут быть выявлены уже на стадии яйца: это различия между частями ооплазмы (ведущий фактор – ООПС, происходящая при оплодотворении). Судьба БМ жестко предопределена тем, какая часть ооплазмы в них попадет. Такие яйца называют мозаичными (характерны для спирально дробящихся – кольчецов, моллюсков и билатерально дробящихся – гребневиков, круглых червей, асцидий). Их развитие – детерминированное.

Особенно наглядно проявляется мозаичность яиц в развитии гребневиков, обладающих в норме восемью радиально симметричными рядами гребных пластинок, расположенных меридионально. При развитии зародыша из ½ яйца получается только 4 ряда гребных пластинок, из ¼ – только 2 ряда.

Если различия в участках цитоплазмы яйца не выявляются – такие яйца называют регуляционными (кишечнополостные, иглокожие, почти все хордовые), а развитие – недетерминированное (регулятивное). При таком развитии детерминация наступает позже: на стадии бластулы или гаструлы.

Одними из наиболее «регуляционных» являются яйца многих гидромедуз, например, Aegineta. У них нормальная особь развивается из 1/32 яйца (из одного БМ на стадии 32 БМ)

NB! Это разграничение относительно: всегда можно найти стадию, когда детерминация еще не наступила, и можно создать условия, при которой у детерминированных зародышей может произойти регуляция. Например, развитие целых организмов из соматических клеток – тоже регуляционный процесс.

2. Стадия дробления. Уже с первых делений дробления между БМ возникают различия не только в качестве цитоплазмы, но и в величине, форме, расположении, количестве соседей и т.п. Все это также способствует ранней детерминации. Ведущим фактором по-прежнему является ООПС (в том числе, происходящая при дроблении), но не меньшую роль приобретает и взаимодействие БМ.

Например, уже на стадии четырех БМ у Spiralia два БМ (А и С) имеют двух соседей, а два (В и D) – трех. У яиц неспирального типа это не имеет значения. В дальнейшем у яиц Spiralia в ходе дробления между БМ вегетативного полюса происходит нечто вроде «борьбы» за «право» уйти с поверхности и вступить в контакт с «анимальными» БМ. Шансы на победу имеют лишь потомки БМ с тремя соседями.

NB! Несмотря на детерминированное развитие, неизвестно, из какого участка цитоплазмы возникнет этот БМ. В экспериментах показано, что из любых, лишь бы в дальнейшем у него было три соседа.

У некоторых моллюсков один из БМ (обычно это 3D) увеличивается в размерах и устанавливает контакты со всеми остальными БМ. В дальнейшем он дает начало МД и значительной части ЭНТД. В эксперименте этот БМ может быть заменен любым другим: если он установит те же контакты, то будет обладать той же морфогенетической судьбой.

У круглых червей, БМ, установивший максимальное количество контактов, дает всю ЭНТД. Этот БМ выделяется уже после третьего деления дробления.

Карты презумптивных зачатков

Независимо от типа развития (детерминированного или недетерминированного) любая бластула, так же как и ЯК, может быть схематически подразделена на территории (участки) судьба которых при нормальном развитии может быть предсказуема. Такие участки называются презумптивными зачатками (от лат. praesumptio – предположение, основанное на вероятности). Обнаружены немецким эмбриологом В. Фогтом, в 1920-х годах. Он прикладывал кусочки агара, пропитанные витальными красителями (кармином, нильским голубым и др.) к бластулам амфибий и прослеживал судьбу окрашенных участков. (Для мелких яиц и яиц с плотными покровами используют другие маркеры: тушь, частички мела, инъекции некоторых флуоресцирующих веществ.) Таким способом создаются карты презумптивных зачатков (fate maps– карты судьбы в англоязычной литературе). Ни одна эмбриональная работа без таких карт немыслима. Современные методы позволяют получить карты презумптивных зачатков и для более ранних стадий, в том числе раннего дробления. В то же время карты не дают сведений о детерминации зачатков, т.е. может или нет их судьба быть переопределена при пересадке.

NB! При детерминированном развитии презумтивные зачатки не меняют свою судьбу при пересадке. При недетерминированном – могут изменить свою судьбу, но в зависимости от стадии развития.

Детерминация при регулятивном развитии

(опыты Г. Шпемана и И. Гольтфретера на амфибиях)

Как уже отмечалось, при регулятивном развитии детерминация наступает позже, начиная со стадии бластулы. В какой последовательности это происходит, можно выяснить, проведя эксперименты с пересадкой отдельных закладок и культивированием их in vitro. Результаты многочисленных экспериментов могут быть сведены к следующим выводам.

Стадия бластулы характеризуется следующими особенностями детерминативных процессов:

• Бластула делится всего на две области: ЭКТД + МД и ЭНТД.

• Внутри себя эти области эквипотенциальны (равноправны), т.е. ЭКТД может переходить в МД и наоборот. Точно также глоточная ЭНТД может переходить в кишечную и наоборот. Между собой их потенции различны, т.е. они мультипотентны.

• При пересадке ЭКТД и МД на место ЭНТД и наоборот, пересаженные участки не меняли характера развития, т.е. эти области уже детерминированы.

• При эксплантации и культивировании in vitro презумптивная МД проявляла тотипотентность, т.е. давала все ткани зародыша (особенно, дорзальная губа бластопора). Презумптивная ЭКТД давала только покровную, но никогда нейральную ЭКТД. Таким образом, в отсутствие других тканей МД расширяет свои потенции, а ЭКТД сужает.

Более поздние опыты с использованием флуоресцентных маркеров позволили установить, что меняются потенции не только зародышевых листков в целом, но и отдельных клеток. Так, отдельные клетки ЭНТД до стадии средней бластулы тотипотентны, а затем сужают свои потенции.

Сужение потенций клеток ЭНТД в раннем развитии

Стадия	Средняя бластула	Поздняя бластула	Поздняя бластула
Что дают клетки ЭНТД	ЭКТД, МД, ЭНТД	МД, ЭНТД	ЭНТД
потенции	тотипотентность	мультипотентность	унипотентость

Подобные результаты получены и для клеток ЭКТД. Отсюда следует, что процесс детерминации постепенный и проходит три фазы:

• тотипотентную;

• мультипотентную;

• унипотентную. Причем на первых двух фазах в зародыше имеются эквипотенциальные области.