ТЕМА № 7
Детерминация. Дифференцировка
С.Гилберт. Биология развития.Т.2. Гл. 7, 8.
Л.И. Корочкин. Гл. 4, 7-9.
Гипотезы преформации и эпигенеза. Автономная детерминация. Мозаичный тип развития. Зависимая детерминация. Регуляционный тип развития. Первичная индукция. Компетенция и вторичная индукция. Молекулярная природа индукторов. Соотношение процессов детерминации и дифференцировки. Трансдетерминация. Трансдифференцировка.
Каждый многоклеточный организм представляет собой сложный набор специализированных клеточных типов. Процесс развития специализированных клеточных типов из одного оплодотворенного яйца называется дифференцировкой. Дифференцировке предшествует процесс, называемый детерминацией, в течение которого определяется судьба клеток.
Детерминация – процесс возникновения качественных различий между частями развивающегося организма на стадиях, предшествующих появлению морфологически различимых закладок органов и тканей.
Детерминация может осуществляться двумя разными способами. Первый заключается в цитоплазматической сегрегации детерминирующих молекул в период дробления, в результате чего качественно различные области цитоплазмы зиготы попадают в разные дочерние клетки. Второй способ детерминации - эмбриональная индукция - заключается во взаимодействии клеток или тканей, определяющем судьбу одного или обоих участников этого взаимодействия. Как будет показано ниже, в развитии любого организма в разной степени участвуют оба механизма.
Преформация и эпигенез
Любая теория возникновения разных типов дифференцированных клеток из оплодотворенного яйца должна объяснить 1) постоянство морфологии каждого вида (т. е. почему из куриного яйца всегда вылупляется цыпленок, а не крокодил) и 2) разнообразие частей тела каждого организма.
В XVII столетии понятия развитие и наследственность были объединены в гипотезе, которая получила название гипотеза преформации. В соответствии с ней считалось, что все органы взрослого организма в миниатюре представлены в спермии или (гораздо чаще) в яйце. Таким образом, зародышевое развитие - это всего лишь рост существующих структур, а не формирование новых. Некоторые микроскописты даже утверждали, что в спермии или в яйце они видят полностью сформированных миниатюрных человечков. (гомункулюсы Левенгука, Даленпатиуса). Т.к. считалось, что взрослый организм был преформирован в первичных половых клетках, другое поколение было преформировано внутри первичных половых клеток первого поколения. Эта гипотеза давала уверенность в том, что вид всегда будет оставаться постоянным. Принципиальный недостаток этой теории заключался в том, что с ее помощью невозможно было объяснить изменчивость, которая к тому времени была известна из очень небольшого числа генетических данных.
Нужна была другая гипотеза, и была предложена гипотеза эпигенеза. В соответствии с ней постулировалось, что каждый взрослый организм развивается заново из недифференцированного состояния. Этот взгляд на развитие был высказан еще Аристотелем, и был доказан немецким эмбриологом, работавшим в Санкт-Петербурге, Каспаром Фридрихом Вольфом. Тщательно наблюдая за развитием куриного зародыша, Вольф показал, что части зародыша развиваются из тканей, не имеющих аналогов во взрослом организме. Так, например, можно было проследить, что сердце и кровеносные сосуды (которые, согласно гипотезе преформизма, должны присутствовать с самого начала, чтобы обеспечивать рост зародыша) у каждого зародыша развиваются заново. Сходным образом можно было видеть, что пищеварительная трубка возникает в результате сворачивания первоначально плоской ткани.
Одним словом, с позиций преформизма можно было легче объяснить непрерывность поколений, а с позиций эпигенеза - изменчивость и результаты прямых наблюдений над формированием органов. Попытки найти гипотезу, объясняющую одновременно эти явления, привели к созданию современной экспериментальной эмбриологии.
Автономная детерминация, мозаичный тип развития
Хорошим объектом для изучения нарушений на ранних стадиях развития оказались зародыши оболочников (асцидий). У некоторых видов оболочников цитоплазма яйца сразу после его оплодотворения сегрегируется на ряд по-разному окрашенных областей. Отделяя скальпелем определенные бластомеры у дробящегося зародыша, исследователи обнаружили, что каждый бластомер ответствен за образование специфического набора тканей личинки. Если удалить какие-либо бластомеры, то у личинки будут отсутствовать как раз те структуры, которые в норме из них формируются. Проследив судьбу каждого бластомера асцидии, исследователи пришли к поразительному заключению, что каждая окрашенная область имеет свою особую судьбу. Желтый серп цитоплазмы дает начало мышечным клеткам, из серого экваториального серпа образуются хорда и нервная трубка; прозрачная анимальная цитоплазма становится эпидермисом личинки; из содержащей желток серой вегетативной области яйца возникает кишка личинки. Также было обнаружено, что если изолировать определенные группы клеток зародыша, то из них формируются характерные структуры без связи с другими клетками. Следовательно, каждая из клеток у оболочников развивается, по-видимому, автономно.
Такой способ развития называют мозаичным, потому что зародыш представляет собой как бы мозаику самодифференцирующихся частей (мозаичный тип развития). Т.е. считается, что по мере того, как зародыш делится, в различные клетки включаются разные участки цитоплазмы. Эти разные участки содержат морфогенетические детерминанты, контролирующие детерминацию данной клетки к образованию клеток определенного типа. Мозаичный тип развития широко распространен в животном царстве, особенно у таких организмов, как гребневики, кольчатые и круглые черви и моллюски.
Однако развитие нейральных структур у оболочников является исключением. Клетки, образующие нервную систему, происходят из двух передних квадрантов - анимального и вегетативного, но ни один из них по отдельности не дает начало нервным клеткам. Если эти передние пары вновь соединяют вместе, то возникают ткани мозга и пальпы (прикрепительные сосочки). Другими словами, даже в таком строго детерминированном зародыше, как зародыш оболочников, осуществляются некоторые индукционные взаимодействия между бластомерами.
Примеры мозаичного развития.
Моллюск Patella. Изолировали ранние бластомеры зародышей и сравнивал их развитие с развитием таких же клеток, оставленных в других зародышах. Изолированные бластомеры не только дифференцировались соответственно их проспективному значению (в этом случае формировались реснитчатые клетки трохобласта), но и осуществляли то же самое число клеточных делении и точно в то же самое время, как это делали такие же клетки, оставшиеся в интактном контрольном зародыше.
Полярная лопасть, моллюск Dentalium. У зародышей некоторых животных со спиральным дроблением (главным образом у моллюсков и кольчатых червей) непосредственно перед первым делением дробления образуется вырост цитоплазмы. Этот вырост называют полярной лопастью. Первое деление дробления делит зиготу асимметрично таким образом, что полярная лопасть соединяется только с бластомером CD. Стадию двух бластомеров, на которой зародыш имеет такую трехдольную структуру, часто называют трилистником. Затем полярная лопасть втягивается в бластомер CD, но снова образуется перед вторым делением. После этого деления полярная лопасть оказывается прикрепленной только к бластомеру D, в который она и втягивается. В дальнейшем полярная лопасть более не образуется. Было показано, что если удалить полярную лопасть на стадии трилистника, оставшиеся клетки делятся нормально. Однако вместо образования нормальной трохофоры (личинки улитки) развивается неполная личинка, совершенно лишенная мезодермальных органов - мышц, рта, раковинной железы и ноги. На основе этого был сделан вывод, что цитоплазма полярной лопасти содержит детерминанты мезодермы, которые и придают бластомеру D его способность формировать мезодерму.
Локализованные в цитоплазме детерминанты обнаружены во всем животном царстве. Наиболее часто встречающиеся детерминанты - это те, которые ответственны за детерминацию предшественников половых клеток, т. е. клеток, потомки которых дают начало гаметам.
Нематода Caenorhabditis elegans. У этого вида была продемонстрирована локализация цитоплазматических веществ на примере гранул первичных половых клеток и их потомков (Р-гранулы). Используя связанные флуоресцирующие антитела к компонентам Р-гранул, ученые показали, что во время миграции пронуклеусов случайно рассеянные в цитоплазме Р-гранулы локализуются в заднем отделе зиготы (двигаясь к месту проникновения спермия) и попадают только в бластомер Р1, формирующийся из цитоплазмы, находящейся в этом отделе. При последующем делении дробления Р-гранулы до начала митоза рассеиваются по всей цитоплазме бластомера Р1, но во время митоза снова мигрируют к заднему концу клетки. Здесь они оказываются сосредоточенными в бластомере Р2. В конце концов Р-гранулы локализуются в бластомере Р4, потомки которого станут яйцами и спермиями взрослого животного.
Дрозофила. В течение первых двух часов после оплодотворения зародыш дрозофилы развивается как синцитий (происходит только деление ядер без соответствующего деления цитоплазмы). В результате формируется слой неклеточной синцитиальной бластодермы, содержащий около 3500 ядер. Каждое ядро окружается клеточной мембраной, и бластодермальный слой становится клеточной бластодермой. Опыты по трансплантации показали, что все ядра синцития эквивалентны и тотипотентны. Однако клетки в клеточной бластодерме строго детерминированы. Их детерминация зависит от области яйца, в которую они мигрируют. Ядра, оказавшиеся в области полярной плазмы раньше других отделяются плазматической мембраной и становятся половыми клетками. В настоящее время мы располагаем данными о существовании в яйцах двукрылых насекомых нескольких групп детерминантов. Одну группу составляют факторы, детерминирующие образование полярных и первичных половых клеток, которые уже обсуждались. Вторая группа цитоплазматических детерминантов контролирует дорсовентральную полярность, разграничивающую спинную и брюшную области у личинки мухи. Третья группа детерминантов устанавливает переднезаднюю полярность (голова-хвост) развивающегося насекомого.