Дифференцировка клеток в онтогенезе.

ДИФФЕРЕНЦИРОВКА
КЛЕТОК В
ОНТОГЕНЕЗЕ
лекция 13
Основные понятия
Дифференцировка: процесс развития специализированных клеточных типов
из оплодотворённой яйцеклетки
Детерминация: процесс определения судьбы данной части зародыша
• недетерминированные части – судьба не определена
• детерминированные части – определённая судьба
Потенция части зародыша – то, что она может дать при любых условиях:
• проспективные потенции – могут осуществиться в будущем при
определённых условиях
• проспективные значения – то, что данная часть даёт при нормальных
условиях развития
• тотипотентность – начало всем клеточным типам взрослого организма
• мультипотентность – начало многим, но не всем клеточным типам
• унипотентность – лишь одно направление развития (детерминированность)
Дифференциальная активность генов
Дифференцировка клеток в онтогенезе – результат последовательных
реципрокных (взаимных) влияний цитоплазмы и меняющихся продуктов
активности ядерных генов (дифференциальная экспрессия генов )
• наследственный материал
соматических клеток способен
оставаться полноценным не только в
количественном, но и в
функциональном отношении
• взаимодействие цитоплазмы и
ядра в жизнедеятельности клеток и
развитии организма имеет решающее
значение
• чем старше стадия зародыша
Опыт
Дж. Гердона
донора, из клеток которого брали ядро
для пересадки, тем в меньшем
проценте случаев развитие
оказывалось полностью завершенным
Способы детерминации
• автономная обусловлена материнскими цитоплазматическими факторами,
вырабатывающимися в период оогенеза под контролем генов материнского
организма. Достигается в результате неравномерного распределения в
ооците транскрипционных факторов (цитоплазматическая сегрегация)
• зависимая устанавливается с помощью межклеточных
взаимодействий, вследствие передачи сигнала от одних клеток
и детектирования сигнала другими клетками эмбриона,
побуждая их специфицироваться в определённом направлении
Аристотель
(384-322 до н.э.)
Гиппократ
(460-370 до н.э.)
Эпигенез
Преформизм
Автономная детерминация (1):
цитоплазматическая спецификация
Цитоплазма
зиготы
Styela
partita и её
проспективное
значение
Мозаичная детерминация у оболочников
(Reverbery & Minganti, 1946)
Локализация АХЭ в зародышах
оболочников (Whittaker, 1973)
Автономная детерминация (2):
цитоплазматическая локализация
Изоляция
ранних
бластомеров
моллюска
Patella coerulea
(Wilson, 1904)
Полярная
лопасть
моллюсков
Автономная детерминация (3):
локализация детерминантов половых клеток
Распределение
половой
(зародышевой)
плазмы у
аскариды
(Бовери, 1910)
Сегрегация
линии половых
клеток и
диминуция
хроматина у
галлицы
Зависимая детерминация (1)
Опыт В. Ру
(1888)
Регуляционное развитие (эмбриональная регуляция):
некоторая часть зародыша может дать целостный
организм нормальной структуры.
• эмбриональная регуляция возможна лишь при
наличии мульти- (тоти-) потентности клеток
зародыша
• «проспективное значение каждого элемента
системы есть функция его положения в целом»
(закон Дриша).
Плутеус из 1
клетки 4-х
клеточного
Нормальный зародыша
плутеус
Зависимая детерминация (2)
Асимметрия в зародыше и яйце
морского ежа (Гёрстадиус, 1928-1935)
1 – задержанная бластула (перманентная бластула); 2 – личинка (слегка аномальная;
3–6 – личинка (маленькая, но нормальная); 7 – задержанная бластула (аномальная
бластула); 8 – личинка (почти нормальная)
Модель «двойного градиента» (J. Runnstrom,
ограничение потенций в ходе онтогенеза.
1929):
Бластомеры остаются способными к регуляции до тех пор, пока
не будут формироваться исключительно из анимальной или
вегетативной цитоплазмы.
Зависимая детерминация (2а)
Обнаружение «анимализирующего» и
«вегетализирующего» градиентов в
развитии зародышей морского ежа
Эмбриональная индукция
Ранние опыты
Г. Шпемана
Детерминация:
предназначение
клеток к
дифференцировке
в специфический
клеточный тип
Равноценность ядер у
зародышей тритона
Асимметрия в
яйце у амфибий
зависимое
развитие
независимое
развитие
Детерминация клеток эктодермы на стадии ранней (А) и поздней (Б) гаструлы у
тритона: 1 – презумптивная нейральная эктодерма; 2 – презумптивный эпидермис; 3 – нервная пластинка (НП); 4 – формирующийся эпидермис; 5 – формирующаяся вторичная НП
Эмбриональная индукция
(опыт Г. Шпемана и
Г. Мангольд, 1924)
• участок, взятый из спинной
губы бластопора, способен
направлять (переключать)
развитие находящегося вокруг
материала на определенный
путь развития;
• боковая и брюшная сторона
Эмбриональная индукция: взаимодействие частей развивающегося зародыша
А – пересадка спинной губы бластопора на место
презумптивного эпидермиса брюшной стороны;
Б – формирование комплекса осевых структур в
области трансплантата; В – формирование второго
зародыша, соединённого с первым
гаструлы обладают более
широкими потенциями к
развитию, нежели их
презумптивное проспективное
направление;
• достаточно точное строение
новообразованных органов в
месте пересадки указывает на
эмбриональную регуляцию.
Спинная губа бластопора –
первичный эмбриональный
(шпемановский) организатор.
Эмбриональная индукция: особенности
• головной индуктор
• туловищный индуктор
Компетенция –
способность ткани
отвечать
специфическим образом
на данный стимул
(индуктор).
Виды индукции:
• первичная: формирование осевых органов, под действием дорсальной губы;
• вторичная: действие глазного бокала на прилежащий покровный эпителий ;
• третичная: изменения находящегося над хрусталиком покровного эпителия и
трансформация его в прозрачный эпителий роговицы
• гетерономная: одна часть зародыша индуцирует образование иного органа;
• гомономная: индуктор побуждает окружающий материал к развитию в том же
направлении, что и он сам.
Эмбриональная индукция: механизм (1)
Ньюкоповская индукция:
дорсальные вегетативные
бластомеры оказывают
индуцирующее действие на
клетки краевой зоны
(развитие в мезодермальном
направлении).
Центр Ньюкупа
(ньюкуповский
организатор):
вегетативно-дорсальная
область зародыша.
Материал хордомезодермы не предетерминирован, а специфицируется в ходе
дробления. Если на стадии средней бластулы сделать разрез в
экваториальной области и повернуть анимальную половину зародыша на
180о, то хордомезодерма формируется из материала бывшей вентральной
стороны, который после поворота занял дорсальное положение.
Эмбриональная индукция: механизм (2)
Дорсализация зародыша амфибий: А – момент оплодотворения; Б – поворот
кортикальной цитоплазмы; В – накопление -катенина; Г – инициация экспрессии siamois
Черные круги – Dsh, кортикальная цитоплазма анимального полюса – черный,
вегетативного полюса – белый цвет.
Ген
goosecoid
(gsc)
Гены
организатора
шпорцевой
лягушки
Эмбриональная индукция: механизм (3)
Дифференцировка
нейральных
производных
На вентральной стороне зародыша создаётся максимальная
концентрация белков семейства BMP (Bone Morphogenetic Proteins,
морфогенетические белки костного мозга), в частности – ВМР-4.
Нейрализация эктодермы – реализация «основного состояния» (ground state)
системы (индукцией по умолчанию (default induction), поскольку формирование
нервной трубки происходит в случае отсутствия вентрализирующего сигнала.
Дополнительная литература по теме:
• Gastrulation: From Cell to Embrio.
Edited By Claudio D. Stern, University College London.
Electronic resource: http:// www.gastrulation.org
The web site provides supplementary data and movies to
accompany the chapters in the book.