4 КУРС (ЭМБРИОЛОГИЯ) / Несортированное по эмбриологии / v1-186-226

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

Рис. 6.24, Схема, иллюстрирующая желточную систему кровообращения у 44-часового куриного зародыша (вид с вентральной стороны). Артерии

обозначены черным цветом, вены — точками. Краевой синус является наружной границей желточного кровообращения и местом образования клеток крови (Из Carlson, 1981.)

Рис. 6.25. Система кровообращения 4- недельного зародыша человека. Показана только правая сторона, хотя главные кровеносные сосуды на этой стадии парные, т.е. проходят на левой и правой стороне. Артерии обозначены черным цветом. (Из

Carlson, 1981.)

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

____ РАННЕЕ РАЗВИТИЕ ПОЗВОНОЧНЫХ. МЕЗОДЕРМА И ЭНТОДЕРМА 207

Рис. 6.26. Схемы, иллюстрирующие развитие артериального ствола в аорту и легочные артерии. (По Kramer, 1942.)

правлении по артериальным дугам, окружающим глотку. Четвертая левая дуга — единственная, достигающая аорты у млекопитающих. Четвертая правая дуга образует у них корень подключичной артерии. Третья пара артериальных дуг трансформируется в сонные артерии, снабжающие кровью головной мозг и голову. Из шестой пары дуг формируются легочные артерии, а первая, вторая и пятая пара дегенерируют. Таким образом, аорта и легочная артерия в течение значительного времени развития зародыша открываются в сердце одним общим отверстием. Затем в артериальном стволе образуется перегородка, и в результате он подразделяется на два разных сосуда (рис. 6.26). Только после того, как первый вдох новорожденного животного докажет, что его легкие готовы насыщать кровь кислородом, сердце начнет перекачивать кровь в легочную артерию.

Изменение направления потока крови у новорожденного млекопитающего

Ткани развивающегося плода так же нуждаются в кислороде и питательных веществах, как и ткани взрослого организма. Однако физиология плода чрезвычайно резко отличается от физиологии взрослого. Главное из этих отличий отсутствие функционирующих легких и кишечника. Весь кислород и все питательные вещества должны поступать к плоду через плаценту. Это обстоятельство ставит перед нами два вопроса: первый как плод получает кислород из материнской крови, и второй — каким образом меняется направление тока крови

Рис. 6.27. Перенос кислорода от матери к плоду у человека. Субъединицы белка в молекулах гемоглобина взрослого организма и плода отличаются друг от друга (А). γ-Цепь гемоглобина плода связывает дифосфоглицерат менее интенсивно, чем ß-цепь гемоглобина взрослого. Следовательно, гемоглобин плода может связывать кислород более эффективно, чем гемоглобин взрослого (Б). В плаценте, где давление кислорода невелико, происходит перенос кислорода из материнской крови (которая при таком низком давлении отдает кислород тканям) в кровь плода, которая еще может его захватывать. (Б — по Stryer, 1981.)

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

Рис. 6.28. Изменение тока крови при рождении. Заполнение легких воздухом вызывает в них увеличение давления крови и обусловливает изменение направления тока крови у новорожденного младенца. Артериальный проток сжимается, и сообщение аорты с легочными артериями прекращается: закрывается также овальное отверстие — проход между левым и правым предсердиями. Таким образом, легочное кровообращение отделяется от всей системы кровообращения. (По Baker. Alien. 1982.)

так, что она после перерезки пупочного канатика (когда становится необходимым легочное дыхание) начинает поступать в легкие?

В решении проблемы снабжения плода кислородом из материнской крови участвует гемоглобин плода (фетальный гемоглобин). Гемоглобин в эритроцитах плода несколько отличается от гемоглобина взрослого организма. Цепи гемоглобина плода имеют несколько иную последовательность аминокислот. Два из четырех пептидов в цепях гемоглобина плода и взрослого идентичны (α-цепи), но две βцепи гемоглобина взрослого замещены у плода двумя γ-цепями (рис. 6.27, А). Нормальные ß-цепи связывают естественный регулятор процесса, способствующий высвобождению кислорода,— дифосфоглицерат. Изоформы γ-цепи не обладают способностью связывать дифосфоглицерат и поэтому имеют более высокое сродство к кислороду.

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

_____ РАННЕЕ РАЗВИТИЕ ПОЗВОНОЧНЫХ. МЕЗОДЕРМА И ЭНТОДЕРМА 209

В плаценте — среде с низким содержанием кислорода — он высвобождается из гемоглобина взрослого. В той же среде гемоглобин плода будет не отдавать, а, напротив, связывать кислород. Это небольшое различие в сродстве к кислороду обусловливает возможность переноса кислорода от матери к плоду (рис. 6.27.5). Миоглобин мышц плода имеет еще более высокое сродство к кислороду, поэтому молекулы кислорода будут переходить из гемоглобина плода в его миоглобин, накапливаться в мышцах и использоваться ими. Гемоглобин плода не вреден для новорожденного, и замещение эритроцитов, содержащих этот гемоглобин, эритроцитами, содержащими гемоглобин взрослого, у человека завершается примерно через полгода после рождения ребенка.

Однако, когда плод уже не получает кислорода от матери, как перестраивается его кровообращение, для того чтобы он смог получить кислород из своих легких? Во время развития плода отверстие (артериальный проток) направляет ток крови из легочной артерии в аорту (и, следовательно, в плаценту). Поскольку кровь из легочной вены не возвращается в плод, развивающийся плод млекопитающих должен иметь какой-то иной способ получения крови, которую следует перекачать в левый желудочек. Это осуществляется с помощью овального отверстия в перегородке, разделяющей левое и правое предсердия. Кровь может поступить в правое предсердие, пройти через овальное отверстие в левое предсердие, а затем перейти в левый желудочек (рис. 6.28). После первого вдоха новорожденного кислород в крови вызывает сокращение мышц, которые окружают артериальный проток; в результате это отверстие закрывается. Как только возрастает давление крови в левой половине сердца, оно заставляет захлопнуться створку над овальным отверстием, и тем самым происходит разделение двух потоков крови: легочного и общего. Так, когда начинается дыхание, осуществляется переключение потока крови с плаценты на легкие.

Дополнительные сведения и гипотезы: Ангиогенез, индуцированный опухолью

У каждого человека за день происходит до 350 миллиардов митозов (Folkman, 1974). С каждым клеточным делением возрастает возможность того, что образовавшиеся в результате деления клетки станут злокачественными. В действительности же опухоли развиваются крайне редко. Фолкман предположил, что клетки, способные к формированию опухолей, появляются с определенной частотой, но подавляющее большинство их не может реализовать эту способность. Причина этого заключается в том, что для выживания солидной опухоли, как и любой быстро делящейся ткани, необходимы кислород и питательные вещества. Без снабжения кровью потенциальные опухоли либо погибнут, либо будут сохраняться в «дремлющем» (скрытом, латентном) состоянии. Такие «микроопухоли» остаются стабильной клеточной популяцией, в которой погибающие клетки замещаются новыми.

Решающим моментом для превращения этого узелка опухолевых клеток в быстрорастущую опухоль является васкуляризация. На рис. 6.29 показан экспоненциальный рост такой опухоли. Через две недели после васкуляризации первоначальный объем микроопухоли может увеличиться в 16 000 раз. Без снабжения кровью опухоль не растет (Folkman, 1974; Ausprunk. Folkman. 1977). Для того чтобы васкуляризация произошла, в микроопухоли образуются вещества, называемые опухолевыми факторами ангиогенеза. Один такой фактор ангиогенин— был выделен из популяции опухолевых клеток человека; он оказался одноцепочечным белком с молекулярной массой примерно 14 400 дальтон (Fett et al., 1985). Опухолевые факторы ангиогенеза стимулируют митозы эндотелиальных клеток и формирование из этих клеток сосудов, направляющихся к опухоли. Это явление можно продемонстрировать, имплантировав кусочек опухолевой ткани между слоями роговицы кролика или мыши. Роговица не васкуляризована, но она окружена сосудистым ободком (лимбом). Опухолевая ткань индуцирует образование кровеносных сосудов, растущих по направлению к опухоли (рис. 6.30). Большая часть других тканей взрослого организма не индуцирует формирования сосудов. (Исключение составляют стимулированные антигенами лимфоциты и макрофаги, секретирующие ангиогенные факторы, которые, вероятно, участвуют в заживлении раны.) Очищенный ангиогенин даже в дозе 3,5 пикомоля может индуцировать обширную васкуляризацию роговицы у кролика. Как только кровеносные сосуды вступают в опухоль, она начинает бурно расти и в конце концов разрушает глаз.

Было показано (Folkman et al., 1983), что некоторые природные вещества подавляют ангиогенез, индуцированный опухолью. Гепарин сложный полисахарид, обнаруженный в матриксе многочисленных соединительнотканных образований является мощным ингибитором ангиогенеза, особенно если он вводится вместе со стероидным гормоном кортизоном. У мышей с твердо установленными опухоля-

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

210 ГЛАВА 6______ __________________

ми, получающих инъекции гепарина и кортизона, эти опухоли заметно регрессируют (уменьшаются). Комбинация гепарина с кортизоном подавляет и нормальный ангиогенез у куриных зародышей.

Помимо того, что новообразованные кровеносные сосуды снабжают опухоли кислородом и питательными веществами, они также представляют собой путь, который облегчает миграцию опухолевых клеток к новым местам и тем самым формирование вторичных опухолей. Этот процесс называется метастазированием. В результате большая часть больных со злокачественными опухолями умирает не от исходной (первичной) опухоли, а от многочисленных вторичных опухолей, распространяющихся путем метастазирования. Чтобы попасть в кровеносный сосуд, опухолевая клетка должна лизировать (растворить) коллагеновый матрикс, окружающий новые капилляры. Полагают, что лизис осуществляется с помощью секреции протеолитического фермента, называемого активатором плазминогена. Этот фермент играет важную роль в имплантации бластоцисты в матку (см. гл. 3). Опухолевые клетки используют тот же самый фермент, чтобы проделать отверстие в коллагеновом матриксе, окружающем кровеносные сосуды. Синтез активатора плазминогена коррелирует со способностью опухоли метастазировать; было обнаружено, что антитела против этого фермента подавляют рост метастазов у человека (Ossowski, Reich, 1983). Попав на эндотелиальные клетки капилляров, метастазирующая опухолевая клетка может протиснуться между ними и попасть в кровоток (Kramer, Nicolson, 1979). На рис. 6.31 по-

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

________________ РАННЕЕ РАЗВИТИЕ ПОЗВОНОЧНЫХ. МЕЗОДЕРМА И ЭНТОДЕРМА_______________________ 211

казано, как метастазирующая клетка злокачественной меланомы прокладывает себе путь внутрь сосуда между эндотелиальными клетками.

Для метастазирования необходимо, чтобы клетка была способна перемещаться от одного места к другому. Подобно эмбриональным клеткам, многие опухолевые клетки нуждаются в поверхности, по которой могут мигрировать, а некоторые из этих клеток движутся по внеклеточному матриксу, образованному клетками эндотелия кровеносных сосудов( Nicolson et al.. 1981). Эта миграция, как и миграция многих эмбриональных клеток, по-видимому, осуществляется с помощью фибронектина. У мышей, которым инъецированы опухолевые клетки определенной линии меланомы, эти клетки специфически мигрируют в легкие, где и формируют вторичные опухоли (рис. 6.32). Если клетки меланомы предварительно инкубируют в среде, содержащей фибронектин или его участок, связывающийся с клетками (так чтобы клетка не могла связываться с собственным фибронектином хозяина), то около 90% инъецированных клеток не достигают легких (Humphries et al., 1986).

По способности быстро делиться, секретировать активатор плазминогена и ангиогенный фактор, а также по характеру миграции опухолевые клетки сходны с нормальными эмбриональными клетками. Нередко опухолевые клетки это клетки взрослого организма, но вернувшиеся к эмбриональной стадии своего существования. Эти данные позволяли предложить новые подходы к терапии рака, включая введение агентов, которые предотвращают ангиогенез или действительно способствуют дифференцировке «эмбриональной» опухолевой клетки в нормальную «взрослую» клетку (Sachs, 1978; Jimenez, Yunis, 1987).

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

212_______________ ГЛАВА 6_______________________________________________________________________________

Развитие клеток крови

Полипотентные стволовые клетки и их микроокружение

Большая часть тканей позвоночных животных состоит из дифференцированных клеток, которые не делятся. Миобласты, например, образуют быстро делящуюся популяцию клеток до тех пор. пока не объединятся в мышечные трубочки. Однако некоторые ткани, такие, как эпидермис, кишечный эпителий и клетки крови, обладают особой «эмбриональной» клеточной популяцией. В соответствии с этим их клеточный состав постоянно меняется даже у взрослых животных. Это явление наиболее наглядно можно продемонстрировать на примере эритроцитов млекопитающих: эритроцит у них лишен ядра, и продолжительность его жизни в кровяном русле у человека равна всего лишь 120 сут. В норме у человека ежедневно погибает 3·1011 эритроцитов, но они замещаются таким же количеством новых (Hay, 1966). Источником непрерывного формирования новых эритроцитов (так же как и клеток крови других типов)

служат кроветворные («формирующие кровь») стволовые клетки.

Стволовые клетки представляют собой загадочный и еще мало понятный феномен. От них в буквальном смысле слова зависит вся наша жизнь. Стволовая клетка — это клетка, способная к интенсивной пролиферации: она дает начало таким же стволовым клеткам (самоподдержание) и более дифференцированному потомству (Siminovitch et al., 1963). Так, одна стволовая клетка может дать начало клону, содержащему миллионы дифференцированных клеток, а также небольшому числу стволовых клеток. Тем самым стволовые клетки обеспечивают непрерывную пролиферацию клеток-предшественников тканей на протяжении длительного времени. Кроветворные стволовые клетки млекопитающих мигрируют в костный мозг, где сохраняются в течение всей жизни животного. Стволовые клетки имеются и для таких непрерывно возобновляющихся тканей, как эпидермис, а также для возобновления числа спермиев в семенниках. Некоторые стволовые клетки, например стволовые клетки скелетной мускулатуры, существуют, вероятно, в течение развития плода (Quinn et al., 1985). Представление о судьбе стволовой клетки дает рис. 6.33.

У млекопитающих и птиц имеется, по-видимому, общая полипотентная кроветворная клетка, которая может дать начало эритроцитам, гранулоцитам, макрофагам, тромбоцитам и иммунокомпетентным клеткам

— лимфоцитам. Существование таких стволовых клеток было показано исследователями (Till, McCulloch, 1961), инъецировавшими клетки костного мозга облученным летальной дозой мышам той же генетической линии, что и доноры костного мозга. Некоторые из этих клеток образовали обособленные узелки (колонии) в селезенке хозяина (рис. 6.34). Результаты микроскопического исследования показали, что эти узелки содержат клетки-предшественники эритроцитов, гранулоцитов и тромбоцитов. Следовательно, единичная клетка из костного мозга способна формировать клетки крови многих различных типов. Ответственная за это клетка была названа КОЕ-с—колониеобразующей единицей в селезенке. В дальнейших исследованиях с использованием хромосомных маркеров было подтверждено, что различные типы клеток в пределах колонии формируются единичной КОЕ-с. В этих исследованиях клетки костного мозга облучали так, что выживали лишь немногие клетки: значительная часть их имела хромосомные аномалии, четко выявляемые при изучении с помощью светового микроскопа. Когда такие облученные клетки костного мозга инъецировали мыши, у которой собственные кроветворные клетки были разрушены, каждая клетка селезеночной колонии, будь то клетка-предшественник гранулоцита или эритроцита, имела ту же самую хромосомную аномалию (Becker et al., 1963). Важную часть концепции стволовой клетки составляет требование, в соответствии с которым стволовая клетка помимо

Рис. 6.33. Схема, иллюстрирующая динамику пролиферации и дифференцировки стволовой клетки.

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

________________ РАННЕЕ РАЗВИТИЕ ПОЗВОНОЧНЫХ МЕЗОДЕРМА И ЭНТОДЕРМА_______________________ 213

Рис. 6.34. Изолированные колонии кроветворных клеток. Если облученной мыши инъецируют костный мол. содержащий кроветворные стволовые клетки, то на поверхности селезенки этой мыши видны отдельные колонии кроветворных клеток. В селезенке справа таких колоний больше, чем в селезенке слева. (Из Till. I98I: фотография с любезного разрешения J F. Till.)

образования дифференцированных клеточных типов должна воспроизводить также себе подобные стволовые клетки. Это обнаружено и в данном случае. Когда колонии клеток в селезенке, образовавшиеся из единственной клетки КОЕ-с, были ресуспендированы и инъецированы в другую мышь, у нее в селезенке возникли множественные колонии (Juriskovä, Tkadlecek, 1965; Humphries et al., 1979). Следовательно, мы убеждаемся в том, что единичная клетка костного мозга может формировать многочисленные разные типы клеток, а также и воспроизводить такие же, как она сама, клетки; другими словами, КОЕ-с является полипотентной стволовой кроветворной клеткой.

Из приведенных выше данных следует, что, хотя КОЕ-с может давать начало многим типам форменных элементов крови, она неспособна к образованию лимфоцитов. Этот вывод опирается на опыты, в которых было показано (Abramson et al., 1977), что КОЕ-с и лимфоциты происходят из стволовых клеток разных типов. Когда мышам, имеющим наследственный дефицит кроветворных клеток, вводили облученные клетки костного мозга, одинаковые хромосомные аномалии обнаруживались как в клетках из селезеночных колоний, так и в лимфоцитах, циркулирующих в крови. Результаты, полученные Абрамсон и ее коллегами, были подтверждены в опытах, когда мышам вместе с клетками костного мозга инъецировали определенные вирусы, которые случайным образом включались в различные участки ДНК клетки. Одни и те же гены вирусного происхождения были обнаружены в одинаковых областях генома и в лимфоцитах, и в клетках крови (Keller et al., 1985; Lemischka et al., 1986). На рис. 6.35 суммированы результаты нескольких исследований. Первой полипотентной кроветворной стволовой клеткой является КОЕ-м.л (колониеобразующая единица для миелоидного и лимфоидного ряда). Эта клетка дает начало КОЕ-с (клетки крови) и КОЕ-л (лимфоциты). КОЕ-с и КОЕ-л также представляют собой полипотентные стволовые клетки, потому что их потомство может дифференцироваться в многочисленные клеточные типы. Однако непосредственное потомство КОЕ-с представляет собой коммитированные стволовые клетки. Каждая из них помимо воспроизведения себе подобных дает начало только одному типу клеток. Например БОЕ-э (бурстообразующие клетки эритроидного ряда) формируются из КОЕ-с и могут дать только один тип клеток в дополнение к себе подобным. Эта новая клетка называется КОЕ-э (колониеобразующая единица эритроидного ряда): она способна в ответ на действие гормона эритропоэтина образовывать первую четко определяемую дифференцированную клетку этого ряда проэритробласт. Эритропоэтин является гликопротеином, который быстро индуцирует синтез глобиновой мРНК (Krantz, Goldwasser, 1965). Он синтезируется главным образом в почках, и на его синтез влияют окружающие условия. Если уровень насыщения крови кислородом снижается, увеличивается количество эритропоэтина, и это приводит к увеличению образования эритроцитов. Проэритробласт превращается в эритробласт, синтезирующий огромные количества гемоглобина. В конце концов эритробласт у млекопитающих выталкивает ядро и превращается в ретикулоцит. Ретикулоциты уже не могут синтезировать глобиновую мРНК, но способны еще транслировать имеющиеся в клетке мРНК. Конечная стадия дифференцировки проэритробласта — эритроцит. Он не делится и не синтезирует ни РНК, ни белок. Такая клетка покидает костный мозг, чтобы выполнить свою роль поставщика кислорода к тканям тела. Клетки КОЕ-л, по-видимому, развиваются сходным образом, а именно полипотентная стволовая клетка продуцирует другие стволовые клетки, каждая из которых коммитирована к дифференцировке определенного типа лимфоцитов. Так, имеются коммитированные стволовые клетки для тромбоцитов и коммитированные стволовые клетки для гранулоцитов и макрофагов.

Молекулы, влияющие на дифференцировку клеток крови, относятся к классу растворимых белков, называемых гемопоэтическими факторами роста, одним из которых является эритропоэтин. Некоторые

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

214_______________ ГЛАВА 6______________________________________________________________________________

Рис. 6.35. Схема, иллюстрирующая происхождение форменных элементов крови и лимфы у млекопитающих. Факторы роста перечислены в табл. 6. 1. за исключением ФР-В-клеток и ФД-В-клеток (соответственно факторов роста и дифференцировки B-клеток), которые обсуждаются в гл. 16. (По

Quesenberry, Levin, 1979: Whetton, Dexter, 1986; Muller-Sieburg et al., 1986; Clark, Kamen, 1987.) (В

четвертой и пятой строках по вертикали вместо КОФ-г,м следует читать КСФ-г.м.)

из этих факторов стимулируют деление и созревание более примитивных стволовых клеток, тем самым увеличивая число форменных элементов крови всех типов. Другие факторы являются специфичными только для определенных клеточных линий. Способность клетки реагировать на эти факторы зависит от присутствия рецепторов для них на ее поверхности. Число таких рецепторов очень мало. На поверхности КОЕ-э имеется всего лишь около 700 рецепторов для эритропоэтина; большинство других кроветворных клеток характеризуется столь же низким числом рецепторов для факторов роста. (Исключение составляют рецепторы для колониестимулирующего фактора (КСФ-1 ), которых может быть в некоторых клеткахпредшественниках до 73 000 на клетку.) Некоторые из известных гемопоэтических факторов роста и их клеточные мишени перечислены в табл. 6.1.