Lecture number 9. "Формирование осей и становление общего

Лекция 9
Раннее развитие позвоночных
СТАНОВЛЕНИЕ ОБЩЕГО ПЛАНА СТРОЕНИе В
РАННЕМ РАЗВИТИИ ПОЗВОНОЧНЫХ ЖИВОТНЫХ
проф. А. П. Перевозчиков
Формирование осей и
спецификация осевых зачатков
в раннем развитии у рыб, птиц
и млекопитающих
Danio rerio (на фото мутант - мозаик по окраске). Зародыши Danio rerio являются
удобными объектами биологии развития позвоночных, поскольку они прозрачны,
быстро развиваются, у них легко получать серии мутаций ( И. Мизгирев).
Прижизненная экспрессия гена зелёного флуоресцирующего белка gfp, под контролем промотора гена сердечного актина Xenopus в
трансгенной рыбке Danio rerio (24 часа развития). Зародыш
располагается на желточном мешке (изначально – в желточной
клетке) ( И. Мизгирев).
Дискоидальное дробление яйца костистой рыбки (Danio rerio).
A-оплодотворённая яйцеклетка (накопление цитоплазме в районе
бластодиска), B- 2-х, C- 4-х, D- 8-и, E- 32-х, F-64-х клеточные стадии
зародышей. Первые 12 делений идут синхронно через интервалы в 15 мин.
Бластомеры на этих стадиях имеют цитоплазматические мостики и контакты
с расположенной ниже большой желточной клеткой
Поздняя бластула (подготовка к миграции клеток в гаструле). EVL-одноклеточный
слой клеток - перидерм. Микротрубочки определяют направление миграции ядер
желточного синцитиального слоя (перибласта) и эпиболию желтка клетками
бластодермы. Начиная, примерно, с 10 дробления происходит переход на средней
бластуле - транскрибируются зиготические гены, замедляются клеточные деления и
далее происходят асинхронно. Справа - поздняя бластула карповых рыб. Внизу карта судьбы клеток глубинного слоя бластодермы.
Гаструляция у рыб. Формирование зародышевого щитка на границе
с желточным синцитиальным слоем. Образование гипобласта путём
инволюции клеток от маргинальной зоны зародышевого щитка и
ингрессии клеток эпибласта внутрь.
Гаструляция у Danio rerio (продолжение). Зародышевый щиток
определяет дорсальную сторону, противоположная сторона вентральная. Из гипобласта (мезэнтодерма) формируется энтодерма и
мезодерма. Слева -90% обрастания желточной клетки
эпидермальными клетками. Справа - завершение гаструляции (10, 3
часа с момента начала развития).
Миграции клеток (схематически) в ходе гаструляции Danio rerio. Образование
хордомезодермы (ХМ) путём расширяющегося уплотнения клеток гипобласта
(мезэнтодермы) от зародышевого щитка к анимальному (будущему переднему)
полюсу. На вегетативном полюсе располагается задний конец зародыша. Образование
параксиальной мезодермы(ПМ) и обособление ХМ и ПМ от энтодермы.
Демонстрация (методом гибридизации in situ) образования хорды
(вверху -маркёрный ген хорды - no tail/Brachyury) и параксиальной
мезодермы (внизу - маркёрный ген - snail) при гаструляции zebrafish
Зародышевый щиток рыб играет роль организатора. Пересадка
зародышевого щитка в раннюю гаструлу другого зародыша приводит
к образованию второго комплекса осевых зачатков (внизу справа),
связанного с одной желточной клеткой. иРНК sonic hedgehog
локализована вентрально вдоль зародышей
Желточный синцитиальный слой, контактирующий с зародышевым щитком, повидимому, играет роль центра Ньюкупа. Сравнение локализации b - катенина в ядрах
желточного синцитиального слоя бластулы zebrafish (слева) и дорсальной стороны
бластулы Xenopus (справа).
Активность бета-катенина в Центре Ньюкупа зародыше Danio. Squint
– аналог Nodal-подобного белка, bozozok- аналог ТФ siamois
Образование комплекса осевых зачатков вдоль передне-задней и
дорсо-вентральной осей в раннем развитии рыб. Существование двух
сигнальных центров для установления передне-задней полярности
Сравнение развития ранних стадий
зародышей лягушки и курицы
Формирование осей и спецификация осевых зачатков в развитии
птиц. Дискоидальное меробластическое дробление яйца курицы.
Образование двуслойной бластодермы куриного зародыша. Area pellucida - одноклеточный слой
клеток -- формирует большую часть зародыша. Area opaca - периферийный слой клеток,
располагающийся на желтке. Образование гипобласта (ГБ) деламинацией (первичный ГБ –аналог
ПВЭ млекопитающих) и миграцией из маргинальной зоны (серпа Коллера)- (вторичный гипобласт,
или эндобласт). Гипобласт и эндобласт дают начало стенкам экстраэмбриональным тканям
(например, желточного мешка и др.). Передне-задняя полярность зародыша задана постериорной
маргинальной зоной.
Миграции клеток в районе первичной полоски куриного зародыша
Миграции энтодермальных и мезодермальных клеток через первичную полоску.
Вверху - электронная микрофотография -клетки эпибласта проходят в бластоцель
(бутылковидные клетки). Внизу - схема гаструляции: направление миграции клеток
путём конвергентного удлинения. Образование хорды таким путём приводит к
уплотнению клеточного тяжа. Происходит замещение клеток гипобласта (ГБ) и
эндобласта выселяющимися энтодермальными клетками, с вытеснением клеток ГБ на
периферию для образования желточного мешка.
Значение pH в формировании дорсо-вентральной оси и роль гравитации в формировании
передне-задней оси куриного зародыша. pH 9,5 - альбумина и pH6,5 субгерминальной полости
(СП) инициирует поток ионов Na внутрь СП и создает положительный потенциал +25 mV на
будущей вентральной стороне эпибласта. Вращение оплодотворенного яйца в яйцеводе после
оплодотворения (в области железы, формирующей скорлупу) 20 час (10--12 об/час) приводит к
оформлению постериорного (P) и антериорного (A) районов бластодермы
Образование Центра Ньюкупа у зародышей лягушки и
курицы
Образование гензеновского узелка из серпа Коллера. Расположение
клеток в области серпа Коллера определяет распределение структур
вдоль передне-задней оси, образованных с участием гензеновского
узелка (аналога организатора амфибий).
Образование второго комплекса осевых зачатков после
трансплантации в эпибласт куриного зародыша гензеновского узелка
(Организатора Шпемана). Продукция клетками узелка -Chordin,
Noggin, Nodal-related - белков. Роль FGF узелка и первичной полоски
в индукции заднего мозга и туловищных нейрональных структур
Схема установления лево-правой асимметрии в курином
зародыше. Роль белка Sonic hedgehog (Shh) в организаторе, а также
Caronte, Nodal и Lefty-2 в мезодерме боковой пластинки в левоправой активации факторов транскрипции Pitx2 и Snail
Передача сигнала о лево-правой асимметрии из узелка Гензена,
активирующего экспрессию генов caronte, nodal и pitx2 в мезодерму
боковой пластинки
Эктопическая экспрессия shh в гензеновском узелке ведёт к симметричной
экспрессии nodal в мезодерме (in vivo к нарушениям закладки сердца)
Развитие зародыша человека от оплодотворения до имплантации в стенку
матки
Особенности дробления яиц млекопитающих
Дробление яйца у амфибии (слева) и млекопитающего (справа).
Ротация плоскости дробления второго бластомера
Компактизация мышиного зародыша на стадии 8-и бластомеров. Роль
щелевых контактов. Первичная дифферецировка в ходе образования
бластоцисты (клетки внутренней массы и клетки внешнего слоя будущего трофобласта).
«Вылупление» бластоцисты мыши из желточной оболочки (zona
pellucida) и имплантация в стенку матки
Формирование клеточных пластов в ходе развития зародыша
человека между 7 и 11 сутками. Имплантация зародыша в матку.
Образование эпибласта и гипобласта, амниона и трофобласта
Формирование тканей зародыща человека между 7 и 11 сутками
развития
Диаграмма, представляющая образование различных
тканей зародыша и внезародышевых оболочек из
различных участков бластоцисты млекопитающих
Дорсо-вентральная ось связана с эмбриональной-абэмбриональной
осью, которая формируется под прямым углом по отношению к
анимально-вегетативной оси яйца млекопитающего
Миграции клеток в ходе гаструляции зародыша человека. Формированиие
первичной полоски, узелка и миграция клеток через первичную бороздку и
узелок внутрь между эпибластом и гипобластом. Особенности гаструляции у
млекопитающих. Роль кадгеринов в эпителиально-мезенхимных
превращениях происходящих в ходе ингрессии и дальнейшей миграции
клеток.
Становление передне-задней оси: Два сигнальных центра формирования
зачатков зародыша вдоль оси в ходе гаструляции: передняя висцеральная
энтодерма (ПВЭ - AVE), экспрессирует гены Dickkopf, Otx2, Hex, Lhx1,
cerberus-like, Lefty1 –головной отдел зародыша, и Узелок - аналог
Гензеновского узелка птиц
Движения в ходе развития зародышей позвоночных
Более поздние стадии развития млекопитающих (мышь) – поворот зародыша
(стадии 13 -14) приводит к его окончательной позиции и дальнейшему развитию
в виде плода (fetus)
Формирование передне-задней оси (продолжение).
Передняя часть зародыша определяется внезародышевой передней
висцеральной энтодермой (ПВЭ -AVE), задняя (постериорная) –
внезародышевой эктодермой (трофоэктодермой)
Передняя часть зародыша определяется внезародышевой антериорной
висцеральной энтодермой (ПВЭ-AVE), задняя (постериорная) –
внезародышевой эктодермой (трофоэктодермой).
(продолжение схемы, расположенной на предыдущем слайде)
Слева - объемное изображение 5,5-суточного зародыша мыши (конфокальноая микроскопия). Клетки ПВЭ
продуцируют зелёный флуоресцирующий белок –GFP. Ядра клеток окрашены DAPI (голубой цвет), актиновые
микрофиламенты окрашены pahlloidin в красный цвет (according to Srinivas S. et al., 2004).
Справа – схема движения клеток ПВЭ на тех же сроках развития в яйцевом цилиндре.
Предполагаемый путь формирования лево-правой асимметрии у мыши (за
счёт экспрессии генов Узелка). Реснички клеток узелка обеспечивают ток
жидкости слева направо. В результате этого активизируется FGF8 (далее он
активирует Nodal, Lefty2 и Pitx2). Начало цепочки контролируется геном iv.
В случае мутации этого гена закладка сердца и других органов происходит
хаотично. Продуктом гена iv является моторный белок ресничек - dynein
Экспрессия гена Nodal в мезодерме боковой пластинки (в норме
слева) A, B -зародыш мыши на стадии 5 сомитов. Справа - Cэкспрессия Nodal симметричная у мыши с мутацией гена iv. В этом
случае петлеобразное формирование сердца (из сердечной трубки)
может быть нарушено.