Генетические механизмы детерминации и дифференцировки.

Самые важные понятия в экспериментальной эмбриологии – понятия дифференциация и детерминации, отражающие основные явления преемственности, последовательности процессов развития организма. В онтогенезе непрерывно происходят процессы дифференциации, то есть появляются новые и новые изменения между разными участками зародыша, между клетками и тканями, возникают разные органы. По сравнению с исходной в развитии яйцеклеткой организм кажется необычайно сложным. Дифференцировка – это такое структурное, биохимическое или иное изменение развития организма, при котором относительно однородное превращается во всё более различное, касается ли это клеток (цитологическая дифференциация), тканей (гистологическая дифференциация) или органов и организма в целом, идёт речь о морфологических или о физиологических изменениях. При выявлении причинного механизма тех или иных дифференцировок употребляется термин детерминация. Детерминацированной называют часть зародыша с того момента, когда она несёт в себе специфические причины своего дальнейшего развития, когда она может развиваться путём самодифференцировке в соответствии со своим проспективным развитием. Согласно Б.И. Балинскому детерминацией надо называть устойчивость начавшихся процессов дифференциации, их тенденцию развиваться в намеченном направлении, не смотря на изменение условий, необратимость прошедших изменений.

Тело животного построено из сравнительно небольшого количества легкоразличимых типов клеток – примерно из 200. Различия между ними столь ясны потому что, в дополнение к многочисленным белкам, необходимым любой клетке организма, клетки разных типов синтезируют свой собственный набор специализированных белков. В клетках эпидермиса образуется кератин, в эритроцитах – гемоглобин, в клетках кишечника – пищеварительные ферменты и т.д. Может возникнуть вопрос: не объясняется ли это просто тем, что клетки обладают разными наборами генов? Клетки хрусталика могли бы, например, утратить гены кератина, гемоглобина и т.д., но сохранить гены кристаллинов; или, же в них могло бы избирательно увеличиваться число копий кристаллиновых генов путём амплификаций. Однако это не так, целый ряд исследований показывает, что клетки почти всех типов содержат один и тот же полный геном, который был в оплодотворённом яйце. По-видимому, клетки различаются не потому, что содержат различные гены, а потому что они экспрессируют разные гены. Активность генов подвержена регуляции: они могут включаться и выключаться. Наиболее убедительные данные о том, что несмотря на видимое изменение клеток при их дифференцировке, сам геном остаётся у них неизменным, были получены в опытах с пересадкой ядер в яйца амфибий. Ядро яйца предварительно разрушают, облучая ультрафиолетом, и микропипеткой пересаживают ядро дифференцированной клетки, например, из кишечника, в оплодотворённое яйцо. Таким образом, можно проверить, содержит ли ядро дифференцированной клетки полный геном, равноценный геному оплодотворённого яйца и способный обеспечить нормальное развитие зародыша. Ответ оказался положительным; в этих опытах удавалось вырастить нормальную лягушку, способную производить потомство.

 

22. Эмбриогенез птиц. Приспособление высших позвоночных к наземной среде обитания, прежде всего, связано с появлением ряда адаптивных черт в их эмбриональном развитии: образованием плотной кожистой или известковой скорлупы у яйцекладущих форм, специальных эмбриональных оболочек – амниона и серозы (представляющих собой складки бластодермы) и особо зародышевого органа – аллантоиса (вырост задней кишки зародыша).

Для всех амниот характерно разделение материала зародыша на две части: собственно зародышевую, из которой формируется взрослый организм, и окружающую его внезародышевую, которая и превращается в зародышевые оболочки или гомологичные им части зародыша млекопитающих.

Развитие птиц. Яйца птиц полилецитальны по количеству желтка и телолецитальны по его расположению. Дробление дискоидальное. Центральная часть бластодиска, из которой впоследствии развивается сам зародыш, называется зародышевым щитком. Из более периферической части бластодиска развиваются внезародышевые органы. Внешний край бластодиска называется краем обрастания. Края обрастания стелются по желтку и частично погружены в него.

Наиболее характерный признак гаструляции у амниот – её двухфазность: в первой фазе гаструляции от бластодиска внутрь отчленяется гипобласт, который дает начало внезародышевой части энтодермы. После отчленения гипобласта верхний слой бластодиска называется эпибластом. Во второй фазе гаструляции от эпибласта отделяется мезодерма, а также зародышевая энтодерма. После этого в составе эпибласта остается лишь одна эктодерма.

Первая фаза гаструляции у птиц протекает в яйцеводах до откладки яиц. У одного из краёв зародышевого щитка (который впоследствии окажется задним) происходит усиленное отделение клеток будущего гипобласта. Вначале они расположены несколькими изолированными скоплениями, в дальнейшем сливающимися в одно. Это явление названо множественной инвагинацией или множественной иммиграцией клеток гипобласта. Эти клетки распространяются затем под всей поверхностью бластодиска.

В дальнейшем наиболее важные процессы происходят в эпибласте. По периферии его наблюдаются сложные движения клеток, из которых преобладает конвергенция (схождение клеток) к заднему концу бластодиска: там появляется сгущение клеток эпибласта в виде продольного тяжа – первичной полоски. На переднем конце первичной полоски формируется особенно плотное клеточное сгущение – гензеновский узелок. Конвергенция клеток представляет собой ритмический процесс, связанный с периодическими сокращениями бластодиска.

Первичная полоска по клеточному составу непостоянна: к ней непрерывно подтекают спереди и сбоку все новые клетки эпибласта, но они в ней не задерживаются, а мигрируют из неё вглубь, распространяясь в промежутке между эпибластом и гипобластом. Вселение клеток эпибласта происходит по средней линии первичной полоски и особенно интенсивно на её переднем конце. Поэтому через несколько часов после возникновения полоска приобретает желобок по средней линии, а на месте гензеновского узелка появляется первичная ямка. Первичная полоска с желобком называется первичной бороздкой. Раньше всего из передней части первичной бороздки мигрирует материал энтобласта. Он смещается в виде узкой полосы к самому переднему концу зародыша и образует впоследствии головную кишку. Позже часть этого материала смещается назад и участвует в образовании среднего и заднего отделов кишечника.

Материал мезобласта мигрирует вперед и располагается между эпибластом и зародышевой энтодермой. Центральная часть мезобласта дает начало головной мезодерме и хордальному выросту, впоследствии превращающемуся в хорду. Латеральные области мезобласта дают начало мезодерме будущих сомитов – осевой мезодерме.

По мере ухода клеток из первичной бороздки она все более укорачивается и материал гензеновского узелка смещается назад по бластодиску.

Внезародышевые части, гипобласт и эпибласт, расположенные на периферии зародышевого диска, продолжают обрастать желток, формируя желточный мешок. В пространство между гипобластом и эпибластом желточного мешка внедряются клетки внезародышевой мезодермы. Они образуют скопления – так называемые кровяные островки. Наружные клетки этих скоплений образуют эндотелиальные стенки сосудов внезародышевой части системы кровообращения, а из тех клеток, которые оказались в просвете сосудов, образуются форменные элементы крови.

В конце первых суток инкубации в передней части бластодиска образуются нервные валики. Расположенная между ними эктодерма представляет собой нервную пластинку, которая в течение вторых суток инкубации путём скручивания преобразуется в нервную трубку. Нервные валики смыкаются в направлении спереди назад. Передний отдел нервной трубки сильно расширен – из него образуется передний мозговой пузырь. На переднем конце нервной трубки остается отверстие – невропор.

В конце первых суток инкубации начинается подъём переднего конца зародыша над поверхностью бластодиска. Этот конец отделяется от бластодиска узкой впадиной – головной складкой. Края этой складки постепенно распространяются назад, окаймляя зародыш с боков и отделяя его от внезародышевой части. Эти боковые складки (непрерывно связанные с головной складкой) называются туловищными. Одновременно с приподниманием зародыша появляются выпячивания, образующие головную кишку. Вход в кишку называется передними кишечными воротами.

В конце вторых суток инкубации зародыш с головного конца начинает покрываться зародышевыми оболочками. Они формируются как складки внезародышевой эктодермы и примыкающего к ней париетального листка мезодермы. Эти складки удлиняются и смыкаются над телом зародыша по его средней линии, после чего шов между ними исчезает, и обе складки объединяются. В результате возникают две расположенные друг над другом оболочки. Нижняя оболочка, ближайшая к зародышу, называется амниотической, а верхняя, лежащая над амниотической, — серозной. Полость между зародышем и амниотической оболочкой называется полостью амниона, а полость между амниотической и серозной оболочками – полостью внезародышевого целома или экзоцеломом. Такое название дано ей потому, что она выстлана внезародышевой мезодермой.

По мере развития зародыша головная кишка удлиняется, и передние кишечные ворота все далее смещаются назад, отделяя от желтка новые участки энтобласта. Через 51-56 часов инкубации на противоположном конце зародыша аналогичным образом формируется задняя кишка, спереди заканчивающаяся задними кишечными воротами. К четвертым суткам развития задние и передние кишечные ворота почти смыкаются, оставляя узкий просвет между кишечником зародыша и желточным мешком, — желточный стебелёк. Перед вылуплением зародыша через желточный стебелёк остаток желточного мешка втягивается в полость тела.

К концу третьих суток инкубации куриного зародыша появляется новый эмбриональный орган, характерный для всех амниот, – аллантоис. Он образован энтодермой и прилежащим к ней висцеральным листком мезодермы и представляет собой вырост задней кишки зародыша.

Функции аллантоиса:

1) выделительная – в нем накапливаются продукты обмена зародыша;

2) дыхательная – в мезодермальной оболочке аллантоиса развивается сеть кровеносных сосудов, а по мере развития зародыша аллантоис сильно разрастается и начинает занимать всю полость внезародышевого целома, тесно примыкая к серозной оболочке и через неё – к подскорлуповой оболочке яйца. При этом мезодерма аллантоиса сливается с мезодермой серозной оболочки и кровеносная сеть в обеих оболочках ещё более разрастается, что создает наилучшие условия для газообмена через поверхность яйца;

3) питательная – т. к. переваривает остатки белковой оболочки.

Аллантоис, так же как амниотическая и серозная оболочки, относится к внезародышевым органам. При вылуплении большая часть аллантоиса отпадает, а меньшая часть втягивается внутрь зародыша, образуя мочевой пузырь.

 

23. Развитие млекопитающих. У высших (плацентарных) млекопитающих яйца алецитальные: очень небольшое количество желтка в бластомерах все же имеется, но желток впоследствии выталкивается. Дробление полное, неравномерное, асинхронное. Бластомеры связаны слабо и могут поворачиваться один относительно другого. В результате дробления образуется плотная морула, состоящая из 16 — 32 бластомеров. В моруле выделяется слой светлых наружных клеток и более темная плотная масса внутренних клеток. Из наружного слоя впоследствии развивается особая внезародышевая ткань – трофобласт, а из внутренней массы формируется сам зародыш и его провизорные органы.

В конце процесса дробления в моруле возникает обширная полость – бластоцель. На этой стадии зародыш называется бластоцистой. Однослойная стенка бластоцисты и представляет собой трофобласт. У анимального полюса бластоцисты располагается клеточная масса зародышевого узелка – эмбриобласт. В нем обособляется внутренний, обращенный в полость бластоцисты слой. Он гомологичен гипобласту зародышей птиц. Краевые клетки гипобласта разрастаются и формируют стенку так называемого желточного мешка. В желточном мешке желтка нет, но по способу своего образования он гомологичен желточному мешку птиц и является примером рекапитуляции – проявления черт развития эволюционных предков.

Одновременно с образованием желточного мешка формируется полость амниона путем расхождения клеток. Дно полости амниона (примыкающее к гипобласту) представляет собой зародышевый щиток, а крыша гомологична амниотической оболочке.

Зародыш развивается из зародышевого щитка, проходя через стадии первичной полоски, первичной бороздки с гензеновским узелком. После образования первичной полоски часть выселившихся из неё мезодермальных клеток проникает между трофобластом и энтодермой желточного мешка и превращается во внезародышевую мезодерму. В массе внезародышевой мезодермы появляются лакуны, которые затем сливаются между собой, образуя полость внезародышевого целома (экзоцелома). На поверхности трофобласта к этому времени развиваются многочисленные выросты – первичные ворсинки, в которые затем врастают клетки внезародышевой мезодермы, образуя там кровеносные сосуды. Ворсинки трофобласта с вросшими в них кровеносными сосудами называются вторичными, а сам трофобласт с вторичными ворсинками – хорионом.

Несколько позже у зародышей млекопитающих возникает структура, сходная с аллантоисом – аллантоидная ножка, построенная из внезародышевой мезодермы. Из неё формируются кровеносные сосуды, подрастающие изнутри к ворсинкам хориона.

Вторичные ворсинки хориона и аллантоидная ножка входят в состав плаценты – важнейшего внезародышевого органа млекопитающих, который связывает кровеносные системы плода и матери и тем самым служит для питания зародыша.

 

24. Плацента: строение, морфологическая и морфофункциональная классификация, функции плаценты. Для высших млекопитающих характерно более или менее плотное прикрепление зародыша к стенкам матки. Процесс прикрепления зародыша к стенке матки называется имплантацией. У человека она происходит на 7-е сутки, когда зародыш находится на стадии бластоцисты. В основе имплантации лежит погружение вторичных ворсинок хориона в стенку матки. В результате образуется особый орган – плацента, имеющая зародышевую часть (ворсинки хориона) и материнскую часть (измененная стенка матки).

У высших млекопитающих по глубине погружения ворсинок хориона зародыша и степени их проникновения в слизистую оболочку матки различают следующие типы плацент:

1) эпителиохориальная плацента (полуплацента) встречается у копытных, лемуров, китообразных. Ворсинки хориона погружаются в складки слизистой оболочки матки;

2) десмохориальная плацента характерна для жвачных. Ворсинки хориона в месте контакта разрушают слизистую оболочку матки и внедряются в её соединительный слой, но не достигают стенок кровеносных сосудов матки;

3) эндотелиохориальная плацента характерна для хищников. Ворсинки хориона проникают через весь соединительнотканный слой слизистой оболочки матки и отделяются от её сосудов только эндотелиальной стенкой;

4) гемохориальная плацента характерна для приматов, насекомоядных, рукокрылых. Ворсинки хориона прободают эндотелий, и кровеносные сосуды матки соприкасаются с кровеносными сосудами ворсинок хориона. Таким образом, кровь матери и плода разделена между собой лишь тонкой наружной оболочкой ворсинок хориона и стенками капиллярных сосудов зародыша. Установлено, что клетки ворсинок хориона активно заглатывают путем пиноцитоза целые капельки крови матери.

Существует также анатомическая классификация плацент, основанная на расположении ворсинок по поверхности хориона:

1) диффузная плацента – ворсинки образуются по всей поверхности хориона (свинья);

2) котиледонная плацента – ворсинки хориона собраны в группы, которым соответствуют определенным образом трансформированные участки слизистой оболочки матки – плацентомы (жвачные);

3) зонарная (поясковая) плацента – ворсинки хориона расположены по его поверхности в форме пояса или кольца (хищные);

4) дискоидальная плацента – ворсинки сконцентрированы в одном (грызуны) или двух (приматы) участках, имеющих форму диска.

Анатомические типы плацент примерно соответствуют гистологическим типам, перечисленным в том же порядке.

Функции плаценты:

1) газообмен – фермент трансферин переносит молекулы кислорода от гемоглобина материнской крови к гемоглобину плода (фетальный гемоглобин). Он обладает большим сродством к кислороду, чем гемоглобин матери;

2) питательная – на ранних стадиях развития после имплантации ворсинки хориона получают питательные вещества от клеток слизистой оболочки матки, разрушенных при имплантации и образовании плаценты (гистотрофика). Затем основной функцией плаценты становится получение питательных материалов из материнской крови (гемотрофика). Гемотрофика осуществляется пиноцитозом;

3) антитоксическая – плацента способна удалять ряд токсических веществ и ядов как за счет деятельности ферментов (аналогичных ферментам печени), так и просто путём выброса токсинов в кровь матери. Плацента защищает плод от инфекции – через неё не проходят бактерии, грибки, опухолевые клетки;

4) гормонообразовательная – хорион плода представляет собой мощную эндокринную железу. Здесь вырабатываются гонадотропин, аденокортикотропный гормон, соматотропин (способствующий увеличению массы матки и плода) и другие гормоны, поступающие в кровь материнского организма. К плоду не поступают стероидные гормоны хориона: эстроген, андроген и прогестерон. Во второй половине беременности плацента становится источником гормонов, обеспечивающих нормальное протекание беременности и родов;

5) к ровосвертывающая – плацента выделяет как вещества, способствующие свертыванию крови, так и фибринолитические вещества, исключающие образование тромбов.