Д.б.н. ОРЛЯНСКАЯ Т.Я. Кафедра биологии с экологией и курсом фармакогнозии
ОНТОГЕНЕЗ как процесс реализации наследственной информации во взаимодействии с эпигенетическими факторами Лекция Тема (часть 1)
1.Онтогенетический уровень жизни. Эпигенез. Теории развития. 2. Онтогенез как жизненный цикл особи и биоинформационный процесс. 3. Регуляция ранних этапов эмбриогенеза
ОНТОГЕНЕЗ. ГЕНЕТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ РАЗВИТИЯ Тема ( часть2 ) Лекция
Вопросы « Онтогенез – целостный процесс » 1. Регуляция на ранних этапах онтогенеза. 2. Регуляция эмбриональной индукции. 3. Основные клеточные процессы и межклеточные взаимодействия на этапах онтогенеза.
???
«Я считаю вероятным, что в зародышевых клетках существуют тонкие внутренние различия, которые предопределяют их последующую трансформацию в детерминированные структуры… Материальные различия, столь тонкие, что мы пока еще не в состоянии выявить их» Р. ВИРХОВ (1858)
Цель лекции: Раскрыть сущность систем регуляции онтогенеза, ведущих к реализации полноценной или измененной генетической информации индивидуумов
ЗИГОТА ДРОБЛЕНИЕ ГАСТРУЛЯЦИЯ ГИСТО- И ОРГАНОГЕНЕЗ 1 КЛЕТОЧНЫЙ ЗАРОДЫШ 1СЛОЙНЫЙ ЗАРОДЫШ БЛАСТУЛА 2- ИЛИ 3-Х СЛОЙНЫЙ ЗАРОДЫШ ГАСТРУЛА ПОЗДНЯЯ ГАСТРУЛА НЕЙРУЛА ЗАРОДЫШ У КОТОРОГО ФОРМИРУЮТСЯ ТКАНИ И ОРГАНЫ 1 2 3 4 5 6 ТИП ЯЙЦЕКЛЕТКИ
Трёхсоставная программа жизни В тело каждого живого существа внедрены три основные автономные механизмы : Само разворачивание Само поддержание Само уничтожение
? П оливариантность онтогенеза - формирование множества траекторий онтогенеза Эпигенетический ландшафт
ВЫЯВЛЕНИЕ: 1. Потенции различных участков зародыша 2. Тотипотентности 3. Эквипотентности 4. Регуляторных способностей бластул – ранних гаструл…
Тотипотентность – это функциональная равноценность бластомеров на ранних стадиях эмбриогенеза - равнонаследуемость !!!
1. Все клетки организма в начале развития тотипотентны -обладают потенциями всех будущих клеток тела ; 2. В ходе развития они приобретают разные свойства ; !
3. Расхождение свойств тотипотентных клеток - «основоположников» различных тканей, активизируются (экспрессируются) разными наборами генов. !
4. Различные клетки получают на определенных этапах онтогенеза разные сигналы. Сигналы направляют клетки по эпигенетическому «маршруту ». Это ведет к клеточной специализации, дифференцировке. !
Облученные клетки выделяют в среду некие эпигенетические «сигнальные» факторы, вызывают в необлученных клетках аналогичные изменения. Какова природа этих факторов – пока никто не знает.
П Е Р С П Е К Т И В А Терапевтическое клонирование
Зигота ? Как эмбрион определяет какая его часть станет головой, а какая хвостом ? Спиной или животом ? Как эмбрион решает где будут глаза, ноги, крылья, уши? ? Какие его клетки станут нейронами, а какие кардиомиоцитами ? На каких стадиях развития решается судьба клеток ? 2п2с ??? !!!
ОНТОГЕНЕЗ – НЕ ПРОСТАЯ СУММА ОДНОЗНАЧНЫХ ПРИЧИНО-СЛЕДСТВЕННЫХ СВЯЗЕЙ, А ЦЕЛОСТНЫЙ ПРОЦЕСС!
Онтогенез у ланцетника
кожа Кровь, почки Сомиты, сердце кишка Нервная система Нотохорд
1. Эмбриональная детерминация 2. Эмбриональная индукция 3. Нейрогуморальная регуляция окончательного типа
Первая система регуляции онтогенеза: Эмбриональная детерминация
1. Эмбриональная детерминация мРНК цитоплазмы ооцита S>>> Работают ГЕНЫ с материнским эффектом! Геном НЕ активен З И Г О Т А !
Девидсон ТОЛЬКО НА СТАДИИ БЛАСТУЛЫ « ЗАРОДЫШ БЕРЕТ СВОЮ СУДЬБУ В СОБСТВЕННЫЕ РУКИ»!
Контроль ранних стадий развития определяется материнским геномом при образовании яйцеклеток !!!
На стадии формирования бластодермы включаются зиготические гены !
Синтез РНК зародыша начинается при дроблении у: млекопитающих - с 2-4 -х бластомеров; прудовика - с 8 бластомеров; рыб и амфибий – по достижении стадии бластулы
Детерминация - это процесс возникновения качественных различий между частями развивающегося организма лабильная детерминация стабильная детерминация
1. Гены с материнским эффектом (изучены у Д. melanogaster) … Морфогены накапливаются в яйцеклетке и индуцируют развитие частей тела …
Гены с материнским эффектом регулируют становление пространственной организации
1 группа - 5 генов - обеспечивают формирование передне-заднего градиента ( bicoid, hunchback, nanos ) 2 группа - 4 гена -контролируют формирование дорсо-вентрального градиетна ( toll ) 3 группа - 3 гена - осуществляют общий контроль при развитии несегментированных головного и хвостового концов ( torso )
ГЕНЫ С МАТЕРИНСКИМ ЭФФЕКТОМ В НОРМЕ bicoid Мутации в локализации морфогена bicoid hunchback nanos передне-задний градиент
Формируют сегментный план строения тела (передние сегменты, 3 грудных и 8 брюшных сегментов) Обеспечивают формирование зародыша с компартментами (гены сегментарной полярности)
Иерархия действия генов сегментации: а- разделение на широкие сегменты б – домены в - компартменты
Типичная программа поведения клетки: « Если концентрация вещества А в тебе равна Х (находится в таких-то пределах), то активируй ген Б »
Распределение Распределение Распределение активатора А ингибитора Б ингибитора В Регуляторная область Ген С
Gregor et al., 2007
Следствие мутаций сегментных генов нарушение числа и полярности сегментов формирования половины сегментов утрата части каждого сегмента и одновременное удвоение оставшейся части
Роль сегментных генов изучены на мутациях N М У Т А Ц И И
Контролируют лево-правую симметрию, детерминацию полярности ЦНС, формирование скелета
Конечный мозг не разделен на два полушария, представлен полусферой. Обонятельные луковицы и тракты отсутствуют. Гиппокамп резко гипоплазирован. Цитоархитектоника нарушена. Гены сегментной полярности Мутация летальна Голопрозэнцефалия
Лабильная детерминация На развитие пересаженных бластомеров влияют соседние клетки ткани, куда они пересажены Химеры – мыши, имеющие 6 родителей и дающие половые клетки трех типов
Родительские пары зародыши Х F Суррогатная самка
Химерные мыши – явление эмбриональной регуляции (Г. Дриш, 1891)
Контролируют становление пространственной организации Обеспечивают – выбор и поддержание определенного пути развития
Гомеозисные гены способны трансформировать один сегмент в другой. Мутации: антенопения, «двуголовость»
на лапке на антенне
ГОМЕОБОКС - область ДНК, где расположены гомеозисные гены ГОМЕОДОМЕН – это факторы ( белки), активизирующие транскрипцию. Гомеодомены гомеозисных генов гомологичны на 80-90% у разных организмов
Гомологичные последовательности в ДНК
Гомеодомены гомологичны
Ген Hox-8 играет важную роль в развитии скелета у эмбрионов птиц, млекопитающих и рептилий. Он включается на разных этапах онтогенеза, п.э. ребра формируются на разных позвонках.
Hoxc-6 контролирует развитие грудных позвонков
Эволюция комплекса HOX генов
4 НОХ кластера, состоящих из тесно сцепленных генов ( 39 ). Мутации чаще летальны
- Гены группы РАХ (мутации - нарушение развития н.с. ) - Гены MSX (мутации - зарастание швов в черепе) - EMX (мутации - расщелина мозга в полушариях). - SOX (роль в первичной детерминации пола и др.
Вторая система регуляции онтогенеза: Эмбриональная индукция
Эмбриональная индукция – это влияние группы клеток эмбриона на дифференцировку рядом расположенных клеток
ОПЫТ Г. Шпемана и Г. Мангольд Схема операции по пересадке хордо-мезодермального зачатка на стадии ранней гаструлы Открытие первичной эмбриональной индукции, 1924 ( Triturus cristatus ) ( T. vulgaris ), Ганс Шпеман получил в 1935г Нобелевскую премию.
Внешний вид зародыша Разрез через зародыш; на брюшной стороне образовался индуцированный зародыш ОПЫТ Г. Шпемана и Г. Мангольд
Эмбриональная индукция Г.Шпеман, Г. Мангольд 1924 год Первичный индуктор- клетки дорсальной губы бластопора Хорда Нервная трубка Кишечная трубка
- ДОРСАЛЬНАЯ ГУБА БЛАСТОПОРА НА СТАДИИ РАННЕЙ ГАСТРУЛЫ - ПЕРВИЧНЫЙ ЭМБРИОНАЛЬНЫЙ ОРГАНИЗАТОР!
обеспечивает : - ФОРМИРОВАНИЕ ОСЕВЫХ СТРУКТУР; - УСТАНОВЛЕНИЕ ПЛАНА БИЛАТЕРАЛЬНОЙ СИММЕТРИИ ; - ПЕРЕОПРЕДЕЛЕНИЕ СУДЬБЫ ЧАСТИ КЛЕТОК ХОЗЯИНА; - ВКЛЮЧЕНИЕ ЧАСТИ КЛЕТОК ХОЗЯИНА В СТРУКТУРЫ ТРАНСПЛАНТАНТА; - ИНДУЦИРОВАНИЕ НЕЙРОНАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ.
1.ЭПИТЕЛИО-МЕЗЕНХИМНЫЙ 2. АРХ ЭНЦЕФАЛИЧЕСКИЙ 3. ДЕЙТЕР ЭНЦЕФАЛИЧЕСКИЙ
ЭМБРИОНАЛЬНАЯ ИНДУКЦИЯ обусловлена СПЕЦИФИЧЕСКИМИ ИНДУКТОРАМИ ВКЛЮЧАЮТ И ВЫКЛЮЧАЮТ БЛОКИ ГЕНОВ В РЯДОМ РАСПОЛОЖЕННЫХ КЛЕТКАХ
Развитие любого организма – это цепь последовательных индукций ! Индукция Дифференцировка Морфогенез
превращение в процессе онтогенеза первоначально одинаковых, неспециализированных клеток зародыша в специализированные клетки тканей и органов.
Морфогенез – это приобретение зародышем отдельных морфологических структур
Формирование паттерна в индивидуальном развитии
Формула морфогенеза •Морфоген •Распределение сигнала •Реакция •Начальные данные паттерн
! Морфоген ! Распределение сигнала ! Реакция
Генный уровень регуляции онтогенеза реализуется через клеточные механизмы !!!
Клеточные процессы: размножение изменение формы перемещение клеток гибель клеток сортировка дифференцировка
Клеточные механизмы : - пролиферация - апоптоз - адгезия -движение, клеточная миграция - дифференцировка клеток - изменение формы клеток
Сигнальные молекулы сверхсемейства TGFβ влияют на спектр биологических процессов : клеточная пролиферация, клеточная дифференцировка, клеточная гибель (Graham et al., 1994, Hogan 1996, Hogan 1999, Mabie et al., 1999).
Большинство тканей человека, как известно, обладает способностью к регенерации, обусловленной существованием стволовых клеток, способных к активной пролиферации и дифференцировке. http://www.medprodukt.ru/index.php?news=yes&news_page=13
Дисплазия - нарушение пролиферации и дифференцировки малодифференцированных исходных клеток
Гены контролируют не только рост и деление клеток, но и их избирательную гибель в онтогенезе – апоптоз. Запуск самоубийственной программы - необходимый элемент общей программы развития каждого организма.
Апоптоз клеток печени Срез печени мыши; стрелками указаны погибающие в ходе апоптоза клетки. ЭТО контроль "самоубийства" выродившихся клеток организма. http://www.popmech.ru/part/?articleid=3157&rubricid=3 АПОПТОЗ
Апоптоз клетки печени а - Клетки в состоянии апоптоза, б - контрольные клетки. В апоптозных клетках хроматин уплотнен и фрагментирован.
АДГЕЗИЯ КЛЕТОК Трансмембранные гликопротеиды
Миграция клеток Миграция клеток сетчатки глаза Миграция клеток костного мозга
Дифференцировка мезодермы зародыша человека выселение ( миграция ) клеток мезенхимы 7 - из склеротома, 8 - из париетального листка спланхнотома, 10 - выселение клеток мезенхимы из дерматома
МИГРАЦИЯ
Эпителии вторичной полости тела и задней кишки. Зародыш длиной 5.5 мм. 1 - полость тела; 2 - задняя кишка; 3 - спланхноплевра гоноциты в спланхноплевре гоноциты в целомическом эпителии Миграция первичных половых клеток, гоноцитов, в теле зародыша человека задолго до образования гонад
Миграция первичных зародышевых клеток в раннем эмбриогенезе птиц
Формирование полос на теле определяется локальными особенностями деления и миграции пигментных клеток Цихлиды озера Виктория Верхний ряд - разные виды ядовитых лягушек, нижний ряд - разные формы одного вида имитатора
Движение клеток Движение участков клеточной поверхности и целых клеток Пространствен-ная координация
Вытяжение и поляризация клеток Сокращение клеточных тел
ДИФФЕРЕНЦИРОВКА КЛЕТОК ЦНС
Дифференцировка иммунноцитов Фермент протеинкиназа G, обеспечивающий дифференцировку нормальных клеток
Некоторые типы дифференцированных клеток и их основные продукты Тип клеток Продукт дифференцированной клетки Специализированная функция Кератиноцит (клетка кожи) Кератин Защита от повреждения при трении и от высыхания Эритроцит Гемоглобин Транспорт кислорода Клетка хрусталика Кристаллины Проведение света В- лимфоцит Иммуноглобулины Синтез антител
Деление и дифференцировка клеток у растений идет под контролем фитогормонов! Однодольные Двудольные
Морфогенез определён генетически, но осуществляется благодаря эпигенетическим взаимозависимостям клеток и их комплексов. Нерегулируемые искажения морфогенеза приводят к аномалиям развития ( Тератомы ).
Критические периоды в эмбриогенезе человека : Имплантация 6-7 сут после зачатия; Плацентация конец 2-й недели беременности; Интранатальный период или роды
Врожденные пороки в популяциях человека (1-2%) подразделяются на - аплазии - гипоплазии, - гиперплазии - гетеротопии – стенозы - атрезии гаметопатии эмбриопатии Монозиготные близнецы
Критические периоды в постнатальном онтогенезе: - новорождения (перестройка всех процессов ж/д) - полового созревания (гормональные перестройки) - полового увядания (угасание функций эндокринных желез).
Развитие организма определяют: - генетические факторы - взаимодействие частей зародыша - факторы внешней среды
Соматотропный гормон (СТГ), или гормон роста гипофизарная карликовость гипофизарный гигантизм
Метаморфоз и гуморальная регуляция у хвостатых амфибий
Мексиканский аксолотль – водная саламандра. Личинки большинства видов саламандр развиваются в воде и дышат жабрами.
Мексиканский аксолотль – водная саламандра. Взрослые формы после метаморфоза утрачивают жабры и переходят к легочному дыханию.
Мутация одного из генов, контролирующих метаморфоз. Аксолотль успешно размножается на стадии личинки.
Какой клеточный механизм реализуется
Пальцы у утки оказываются соединенными перепонками, а у курицы нет ….. ПРИЧИНА??? Какие клеточные механизмы задействованы……… ?
