Лекция №2. Молекулярно генетические механизмы индивидуального развития.

 

 

Основными компонентами эмбрионального развития являются:

1. Клеточный рост, приводящий к увеличению количества клеток и их размеров

2. Клеточная дифференцировка – появление специфических черт строения клетки, благодаря ему одинаковые клетки в процессе дифференцировки приобретают специфические различия

3. Детерминация – выбор путей дифференцировки

4. Эмбриональная индукция

5. Клеточное перемещение

6. Межклеточные взаимодействия – сегрегация (избирательная сортировка), адгезия

7. Апоптоз или запрограммированная гибель клеток

 

Клеточный рост. Размножение всех соматических клеток осуществляется путем митотического деления. Основные виды деления клетки в ходе гистогенеза

Стволовой митоз – из одной материнской стволовой клетки образуются 2 дочерние

Ассиметричный митоз – из 2-ух дочерних клеток 1 является стволовой, а вторая вступает на путь дифференцировки

Квантальный митоз – обе дочерние клетки отличаются от стволовых т. к. уже приступили к дифференцировке

В основе роста клетки лежат гипертрофия и гиперплазия клеточных органелл, накопление клеточных включений. Наряду с митозом рост клеток приводит к увеличению общей массы зачатка.

Регуляция клеточного роста осуществляется на следующих уровнях:

- внутриклеточном – под действие генов, ответственных за митотическое деление, благодаря триггерным белкам цитоплазмы, которые подавляют или активизируют митоз;

- межклеточном – благодаря эффекту контактного торможения. При тесном контакте двух клеток их деление подавляется. Регуляция клеточного роста на межклеточном уровне осуществляется также под действием кейлонов – т. н. кейлонная регуляция. Кейлоны – вещества белковой природы, которые вырабатываются дифференцированными клетками. При воздействии на стволовые клетки кейлоны способны подавлять митоз. Существуют индукторы, которые, напротив, стимулируют митоз. Т. о. постоянство клеточного состава регулируется кейлонами и индукторами.

- организменном – размножение клеток деления регулируется нервной системой, эндокринной и иммунной. Пример: гормоны, стимулирующие митотическую активность клеток – инсулин, териотропные гормоны. Гормоны, подавляющие митоз – глюкокортикоиды.

Клеточная дифференцировка – биохимические, морфологические функциональные изменения развивающейся структуры, при которых однородные образования превращаются во все более различные. В результате дифференцировки образуется специализированная морфологическая структура, выполняющая определенную функцию. Уровни дифференцировки:

- оотипическая – возникновение различий в строении разных зон яйцеклетки.

- бластомерная – появление различий у бластомеров

- зачатковая – появление зародышевых листков и зачатков органов, различных по строению

- гистогенетическая – появление в одном зародышевом листке зачатков разных тканей

Дифференцировка происходит не одномоментно, а в течение определенного периода времени и является следствием происходящей детерминации.

Детерминация – выбор конкретного пути развития или выбор пути дифференцировки. На ранних стадиях развития у клетки имеются потенциальные возможности превращения в разные типы клеток. В ходе развития число таких потенциальных возможностей ограничивается. Такое уменьшение клеточных потенций называется коммитированием. Закрепление окончательного пути развития клетки и представляет собой процесс детерминации. Причиной детерминации является индуцирующее влияние окружения.

Процессы дифференцировки и детерминации протекают на уровне генома. Дифференцировка клетки происходит без изменения генома. Любая клетка образуется в результате деления одной и той же зиготы – значит, все соматические клетки содержат одинаковый полный набор генов, сформированный в зиготе, т. е. ДНК всех клеток, независимо от уровня дифференцировки, идентична. Процессы детерминации заключаются в активации (экспрессии) одних генов и подавлении (репрессии) других генов, в результате чего возникают различия между клетками, вот почему клетки дифференцированы по-разному. В настоящее время изучены лишь некоторые механизмы избирательного включения (экспрессии) генов. Упрощенно это можно представить следующим образом: в самих генах имеются участки, включающие ген – энхансеры и участки, выключающие ген – сплансеры. В действительности эти процессы значительно сложнее и происходят на уровне транскрипции РНК (дифференциальная транскрипция) под влиянием различных энхансеров. Одни из них могут активизироваться только на определенной стадии развития, другие энхансеры активизируются только в определенных тканях.

До сих пор неясно, как запускаются механизмы дифференцировки и детерминации. В настоящее время существует представление о гомебоксе – т. н. участке ДНК, состоящем из приблизительно 180 пар нуклеотидов. В одном и том же геноме эта последовательность имеется во множестве копий и практически одинакова у различных видов животных (дрозофилы, мыши, человека и др.). Несмотря на различные типы развития этих организмов гены, содержащиеся в гомеобоксе, выполняют одинаковую функцию и рассматриваются как гены, способные регулировать экспрессию других генов. Именно такая последовательность ДНК – гомеобокс – регулирует ранний эмбриогенез. В свою очередь ген гомеобокса инициируется по-видимому микроокружением клетки, которое оказывает на него индукционное влияние.

Эмбриональная индукция – это направление гистогенетического процесса в нужное русло, путем выделения одним зачатком веществ – индукторов, действующих на другой зачаток ткани. В качестве индукторов могут быть. различные факторы – питательные вещества, кислород, уровень рН, концентрация солей, гормоны, медиаторы. При этом клеточный материал, на который воздействует индуктор не индифферентен, т.е. имеет место не односторонняя индукция, а взаимодействие частей развивающегося зародыша. Способность эмбрионального материала реагировать на различные индукционные влияния называется – компетентностью (эмбрионального материала). Иными словами индукция – влияние микроокружения, которое приводит к экспрессии генов, компетентных реагировать на данные факторы.

Поведение клеток в процессе развития не является только их собственной функцией, оно обусловлено интеграционными связями между клетками, которые возникают в определенных условиях существования в определенное время индивидуального развития. Как только в результате дробления возникли 2 первых бластомера – каждый из них становится неразрывной частью новой биологической системы и эта система определяет его дальнейшее поведение.

При нормальном развитии направление дифференцировки строго определено окружением, если на ранних стадиях развития клетки слабо детерминированы и мало дифференцированы – в ходе развития происходят изменение в самих клетках и формируется биосистема с установившимися внутренними связями, саморегуляцией, относительной автономностью. Чем выше дифференцировка системы, тем меньше вероятность передетерминации.

В эксперименте можно произвести передетерминацию клеток зародыша, поместив их в другие условия развития. При трансплантации участка зародыша на ранних стадиях зародыша его клетки легко адаптируются к новым условиям, передетерминируются и развиваются уже в новом окружении. В эксперименте таким образом можно передетерминировать закладку органа. Но чем выше дифференцировка ткани, тем меньше вероятность передетерминации.

Клеточные перемещения – осуществляются пассивным и активным путем. Пассивные перемещения происходят в результате давления клеток. Активные – за счет работы внутриклеточных сократительных структур, связанных через подмембранный слой с поверхностными рецепторами.

В эмбриогенезе закономерные перемещения клеточных масс – миграция клеток – происходит в фазе гаструляции, а также в период гисто- и органогенеза. Миграция осуществляется с помощью нескольких механизмов. Различают:

- хемотаксис – движение клетки в направлении градиента концентрации определенного химического фактора (пример – движение спермия в ходе оплодотворения)

- гаптотаксис – перемещение клеток по градиенту концентрации адгезионной молекулы, которая находится не в растворе, а во внеклеточном матриксе (пример – миграция клеток протока пронефроса у амфибий, где движение клеток ориентируется по градиенту щелочной фосфотазы на поверхности мезодермы)

- гальванотаксис – влияние электрических токов на морфогенез. Например, силы слабых электрических полей, существующих в организме, достаточно для изменения направления роста нервов. Роль гальванотаксиса в эмбриогенезе установлена также при оплодотворении.

- контактное ориентирование – когда существуют физические преграды для перемещения клеток и остается открытым только один канал. Такой механизм описан у рыб при образовании плавников. Коллагеновые фибриллы в основании развивающегося плавника у зародышей костистых рыб образуют субстрат, который обеспечивает преимущественное направление движения клеток мезенхимы из туловища в область плавника.

- контактное ингибирование – движение после контакта одной мигрирующей клетки с поверхностью другой. Суть механизма перемещения заключается в том, что при образовании ламеллоподии одной клеткой и контакта ее с другой клеткой она прекращает рост и постепенно исчезает, но в другой части мигрирующей клетки при этом формируется новая ламеллоподия, в итоге происходит миграция подвижных клеток от центральной массы клеток (характерно для мезенхимальных клеток).

Межклеточные взаимодействия - адгезия (сегментирование клеток) и сегрегация – (сортировка клеток) – играют важную роль в процессе миграции, благодаря чему зародыш существует как единое целое. Существуют 2 способа взаимовлияния клеток друг на друга.

Взаимодействие между клеточными поверхностями. Существует 3 класса молекул клеточной мембраны участвующих в обеспечении специфических взаимодействий с другими клетками:

- молекулы клеточной адгезии (МКА) белковые молекулы, участвующие в адгейзии «клетка-клетка». Молекулы объединяют клетки в эпителиальные слои: кадгерины – отвечают за пространственную сегрегацию (сортировку) клеток и объединение клеток в ткани и организацию формы тела. Мембранные ферменты – гликозил, трансферазы – соединяются с углеводными субстратами по типу «ключ-замок» и осуществляют прочное сцепление клеток. Иммуноглобулины МКА (N-MKA, L-МКА) - МКА, структура которых напоминает структуру антител. Выполняют различные функции в зависимости от содержания в них сиаловой кислоты: при низком содержании, клеточная адгезия стимулируется, при высоком – подавляется.

- молекулы адгезии молекул к субстрату. Внеклеточный матрикс (содержимое межклеточного пространства) содержит волокна гликозаминогликаны и гликопротеины. Компоненты внеклеточного матрикса синтезируются самими клетками. Он разделяет соседние группы клеток и препятствует взаимодействию между ними, но также служит субстратом миграции. Существуют молекулы адгезии – коллаген (образует волокна во внеклеточном матриксе), ламинин, фибронектин (связующие молекулы между мигрирующей клеткой и другими компонентами внеклеточного матрикса).

- для молекул внеклеточного матрикса мигрирующие клетки формируют рецепторы: синдекан – соединяется с фибронектином и коллагеном, необходим для установления и поддержания структуры эпителиальных клеточных пластов, интегрины – пронизывают клеточную мембрану насквозь и связывают молекулы внеклеточного матрикса снаружи, а также белки цитоскелета внутри. Интегрины объединяют (интегрируют) внутри и вне клеточной конструкции и обуславливают движение клетки путем сокращения актиловых микрофибрилл.

- молекулы клеточных контактов – обеспечивают пути сообщения цитоплазмы соседних клеток (щелевые контакты), а также обеспечивают непроницаемость и механическую прочность эпителиальных слоев (десмосомы, плотные контакты)

Все межклеточные взаимодействия в процессе морфогенезе обусловлены комбинациями МКА, которые способны как объединять клетки разных типов, так и создавать и поддерживать между ними границы.

В эмбриогенезе для образования тканей необходимо, чтобы клетки зачатка сначала мигрировали, а затем образовали клеточные ансамбли. Для того чтобы произошла миграция, необходимо, чтобы клетки зачатка потеряли МКА – этотинициирует начало миграции. В дальнейшем МКА контролируют миграцию клеток и обеспечивают ее целенаправленность. В клетках, завершивших миграцию, вновь появляются МКА, между клетками устанавливается взаимодействие и начинается формирование нужных клеточных ансамблей. Эти процессы можно сформулировать следующим образом: конец адгезии – начало миграции – конец миграции – начало адгезии.

Сегрегация клеток или избирательная сортировка, благодаря которой в частности задаются зародышевые листки. Если в эксперименте смешать клетки различных зародышевых листков, то клетки, мешанные в беспорядке, вступают в контакт только с клетками этого же листка, т.е. клетки сами сортируются и сами разделяются на соответствующие зародышевые листки.

Влияние факторов роста. Другим способом взаимодействия клеток друг на друга является секреция клетками способных к диффузии веществ изменяющих поведение других клеток. Это гормоны и факторы роста. Факторы роста (ФР) – вещества влияющие на деление клеток и рост органа или ткани. К ним относятся ФР полученные из тромбоцитов, эпидермальный ФР, ФР фибробластов. Гормоны – соматотропин (гормон роста, который начинает синтезироваться плодом уже через 70 дней после оплодотворения), инсулин, лактоген плаценты.

Кроме факторов стимулирующих рост существуют белки подавляющие его:

В-интерферон и трансформирующий ФР.

Т. о. деление клеток и рост органов и тканей контролируется взаимодействием стимулирующих и подавляющих рост гормонов, это регулирует клеточный рост таким образом, что митоз может быть остановлен прежде, чем клетки перейдут границы дифференцировки, определенной для них генетически.

Апоптоз – генетически запрограммированная гибель клеток, благодаря которой в ходе эмбриогенеза происходит исчезновение ненужных органов или частей органов.

В целом эмбриональное развитие происходит с образованием большого избытка клеток, которые своевременно подвергаются апоптозу. Это создает запас клеточного материала и возможность последовательного развития. В эмбриогенезе одновременно с ростом тканей происходит регрессия частей эмбриональных зачатков, тканей и органов, инволюция провизорных (временных) органов, появление просвета в полых органах.

Механизм апоптоза заключается в том, что в отличие от некроза – патологической массивной гибели клеток, расположенных в одном участке ткани, при апоптозе гибнут единичные клетки, расположенные в ткани мозаично, их гибель происходит запрограммированно, в результате воздействия специально синтезируемых белков апоптоза.

Под действием белков апоптоза происходит упорядоченное расщепление ДНК, в отличие от некроза, где расщепление ДКН незакономерное, случайное. Т.о. апоптоз представляет собой регуляцию числа клеток в развивающихся тканях, участвует в перестройке тканей, в исчезновении рудиментальных зачатков, в элиминации дефектных клеток. Наиболее выражены процессы апоптоза в нервной системе, где в ходе гистогенеза гибнет до 85% всех нейронов.