Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

08 Гаструляція. Гісто- та органогенез (1)

.pdf
Скачиваний:
80
Добавлен:
23.03.2016
Размер:
1.07 Mб
Скачать

ГАСТРУЛЯЦІЯ. ГІСТОТА ОРГАНОГЕНЕЗ.

Користуючись лекціями (на web-сторінці кафедри розміщені презентації та текст лекцій), підручниками, додатковою літературою та іншими джерелами, студенти повинні підготовити такі теоретичні питання:

1.Визначення гаструляції. Способи гаструляції у хребетних.

2.Перша фаза гаструляції у людини. Способи утворення зародкових листків і розвитку провізорних органів.

3.Друга фаза гаструляції. Джерело утворення зародкової мезодерми і осьового комплексу зачатків органів.

4.Диференціація зародкових листків: екто-, енто- і мезодерми.

5.Гісто- і органогенез

МОРФОГЕНЕЗ

Морфогенез - формування просторової організації організму і його частин. Багатоклітинний організм розвивається з заплідненої яйцеклітини (зигота) не тільки шляхом збільшення кількості клітин (проліферація) і збільшення маси зародка (зростання). Одночасно визначається доля клітин, що утворюються, тобто клітина «вибирає» один з багатьох можливих шляхів розвитку. Цей процес відомий як «детермінація». Детерміновані клітини спеціалізуються (диференціювання), тобто набувають певну структуру і виявляються здатними виконувати конкретну функцію. Одночасно здійснюється морфогенез - клітини координованим чином формують органи і архітектуру просторової організації тіла. Формування просторової архітектури зародка (організму) і його частин (органів) здійснюється при реалізації наступних морфогенетичних процесів: спрямована міграція клітин (у тому числі спрямований зростання частин клітин, наприклад, відростків нервових клітин), загибель клітин. Таким чином, проліферація, ріст, детермінація, диференціювання, морфогенез, міграції клітин та їх загибель - важливі події (морфогенетичні процеси) при розвитку багатоклітинного організму.

Все різноманіття клітин організму (різні типи клітин) розвивається з однієї єдиної (зиготи). Говорячи формально, всі клітини організму - клон, родоначальником якого є запліднена яйцева клітина. Клон, за визначенням, сукупність ідентичних клітин, що розвинулися з єдиною клонообразующей клітини. Однак, для організму, що розвивається це не так: існує безліч різних клітинних типів, що виникають в результаті різної - диференціальної - активності генів. У чому ж причина різноманіття при початковій ідентичності? По суті, у нас одна відповідь - ендогенна програма різноманіття у вигляді ядерного геному зиготи. Отже, генетична програма - джерело різноманітності клітин. Таке твердження тривіальне, але вірне для одноклітинного зародка. І це ж твердження стає неочевидним для багатоклітинного зародка, хоча б у силу їх різної взаємної позиції (наприклад, на поверхні зародка або в глибині, в лівій або правій частині зародка, у верхній або нижній його частині). Отже, для багатоклітинного зародка зобов'язані існувати зовнішні по відношенню до конкретної клітці зародка фактори, що визначають диференціальну активність генів в різних клітинах зародка. Розгляд такої можливості визначає гіпотеза позиційної інформації в термінах «морфогенетическое поле», «ліве-праве», «гомеобокс», «гомеозісние гени». Іншими словами, виникнення різноманітності різних клітин в багатоклітинному зародку зміщується в площину міжклітинних взаємодій («індукція», «індукційні взаємодії», «фактори індукції»). Іншими словами, диференціальна активність генів визначається позицією конкретної клітини і реалізується за допомогою різного типу міжклітинних взаємодій.

В ембріогенезі з'являються відмінності між клітинами: виникають різні клітинні типи. Конкретні типи клітин утворюють тканини. З клітин різної тканинної приналежності формуються органи. Визначення шляху розвитку тотипотентних клітин концептуса і поліпотентних клітин концептуса, ембріона, плода при внутрішньоутробному розвитку і організму в постнатальному онтогенезі відбувається в ході детермінації - процесу, в результаті якого "компетентна клітинна система вибирає один з багатьох можливих шляхів розвитку". Така потенційна можливість розвиватися в різних напрямках позначається як проспективна потенція.

Диференціація - зовнішнє вираження детермінації. У ході спеціалізації конкретного клітинного типу (діфферон) формуються різні фенотипи клітин. Результат диференціювання - спеціалізована клітина конкретної морфології, що виконує певну функцію (стан термінальної диференціювання). У міру диференціювання поступово обмежуються потенції клітин розвиватися в різних напрямках. Диференціація необоротна і здійснюється тільки в одному напрямку - від менш диференційованою до більш диференційованої структурі. При диференціюванні клітини експресують строго певну при детермінації частина генома: транскрибують специфічні РНК і синтезують специфічні білки, що і визначає морфологічні та функціональні ознаки спеціалізації клітин. Отже, відмінності між клітинами, що володіють однаковим набором генів, визначає диференціальна активність генів.

Гени заплідненої яйцеклітини репресовані. Початок розвитку супроводжується дерепресія певних груп генів (в першу чергу генів, контролюючих проліферацію і загальний метаболізм клітини). Перші тканеспеціфіческіе гени активуються на стадії гаструляції. Пізніше, коли відбувається координована складання складних структур (органогенез), включаються інші гени. Різні клітинні типи експресують різні гени.

Обмеження проспективних потенцій (комітування). У міру диференціювання поступово обмежуються потенції клітин розвиватися в різних напрямках.

Наприклад, клітини несегментованої мезодерми мають потенції до диференціювання в різних напрямках і утворення міогенного, хондрогенного, остеогенного і інших напрямів диференціювання. Клітини міотома сомітов детерміновані до розвитку тільки в одному напрямку, а саме до утворення міогенного клітинного типу (поперечнопосмугована м'язова тканина скелетного типу).

Проліферація і диференціювання

Суттєва риса диференціювання полягає в тому, що диференціювання зазвичай настає після проліферації клітин. Клітини, які швидко розмножуються, як правило, є малодиференційованими (наприклад, клітини базального шару

епітелію шкіри або мезенхімні клітини). Навпаки, високодиференційовані клітини, як правило, втрачають здатність до проліферації (наприклад, еритроцити і нейрони).

Диференціація є незворотна і здійснюється тільки в одному напрямку - від менш диференційованою до більш диференційованої структури. Для нетрансформованих клітин, а також для стовбурових клітин в умовах in vitro не слід застосовувати термін дедиференціювання (як правило, мова при цьому йде про межі клітинного типу і його пластичності).

Морфогенез здійснюється при реалізації різних морфогенетичних процесів: зростання, міжклітинні взаємодії, індукція, спрямована міграція клітин, спрямований зростання частин клітин (наприклад, відростків нервових клітин), загибель клітин.

Ріст - збільшення маси і, як правило, лінійних розмірів за рахунок збільшення кількості клітин, морфо-функціональних одиниць органів, самих органів, систем органів і т.д. Збільшення маси без клітинних поділів спостерігають при гіпертрофії клітин в нормальних (наприклад, гіпертрофія хрящових клітин, гіпертрофія міометрія при вагітності) і патологічних умовах. У організмі виробляються численні гуморальні фактори, що стимулюють зростання, а також проліферацію різних клітинних типів, - фактори росту.

Міжклітинні взаємодії і індукція. Спеціалізацію клітин і утворення нових структур направляють міжклітинні взаємодії та індукція. Природу клітинних взаємодій у морфогенез пояснює концепція позиційної інформації.

Загальний план тіла визначається дуже рано. Пізніше, протягом усього періоду формування органу або цілого організму, деталі морфогенезу уточнюються за допомогою сигналів позиційної інформації. Згідно концепції позиційної інформації, клітина «знає» своє місце розташування в координатної системі зачатка органу і диференціюється відповідно до цього положення. Позиційну інформацію клітина отримує від інших клітин. Більше того, клітина досягає стану термінальної диференціювання тільки за умови своєчасного отримання нею серії послідовних сигналів позиційної інформації. Зона, в межах якої ефективно діють сигнали позиційної інформації, називається

морфогенетическим полем. Протягом ряду наступних клітинних поділів клітини морфогенетичного поля «пам'ятають» про своє початковому призначенні. Постійне активність гомеозисних генів визначає в клітці пам'ять про позиційної інформації.

У 1969 р. Люіс Вольперт запропонував модель позиційної інформації («французького прапора»), згідно якої положення клітини в морфогенетичному поле визначається відповідно з існуючою системою координат. Модель передбачає наявність спеціальних позиційних хімічних сигналів, або морфогенное, які продукуються клітинами-джерелами і формують у позаклітинному просторі дифузійні градієнти. Клітини-мішені реєструють градієнти морфогенное і інтерпретують їх для визначення своєї локалізації в морфогенетичному полі. Існують і інші уявлення про механізм, визначальному положення клітин в морфогенетичному полі. Так, відповідно до моделі послідовної передачі сигналу від клітини до клітини (sequential cell context model), передбачається послідовна індукція різних сигналів у розташованих поруч групах клітин з подальшим їх спільною дією на експресію специфічних генів в інших докладають клітинах.

Індукційні взаємодії. В органогенезі - координованій збірці різних тканинних структур - важливе значення мають індукційні взаємодії між ембріональними зачатками. В ході індукції клітини одного зачатка (джерело) впливають на клітини іншого зачатка (мішень). Джерело інструктує мішень до диференціювання в конкретну структуру або дозволяє диференціювання. Виникла структура надає індукуючий вплив на іншу мішень, і з'являється нова структура і т.д. Ембріогенез - суцільна низка індукційних взаємодій.

Первинна ембріональна індукція - вплив хордомезодерми на дорсальну ектодерму; результат - утворення зачатка нервової системи.

Закладка кінцівок. В результаті індукційного впливу клітин латеральної мезодерми на ектодерму виникає локальне потовщення ектодерми, разом зі скупченням мезодермальні клітин формує зачаток кінцівки.

ГАСТРУЛЯЦІЯ

 

Г а с т р у л я ц і я — період ембріогенезу, коли виникають три зародкові

 

 

листки: е кт о д е рм а , е н т о д е р м а і м е з о д е р м а .

В

основі гаструляції

лежить складний процес хімічних і морфогенетичних перетворень, який

супроводжується розмноженням, ростом, керованим

переміщенням і

диференціацією клітин.

За часом гаструляція поділяється на дві фази: ранню і пізню.

В р а н н і й ф а з і відбувається утворення зовнішнього (ек то дер ми)і внутрішнього ( енто дер ми) зародкових листків.

Пізня ф а з а полягає у формуванні мезодерми (середнього зародкового листка). В кінці гаструляції відбувається утворення о с ь о в и х з а ч а т к і в о р г а н і в : нервової трубки, хордомезодермального зачатка і кишкової трубки.

СПОСОБИ ГАСТРУЛЯЦІЇ

Гаструляція здійснюється такими способами: іміграції, інвагінації, епіболії та делямінації.

 

І м і г ра ц і я полягає

в активному виселенні частини

бластомерів

у

 

 

 

 

бластоцель. Розрізняють

у н і - т а м у л ь т и п о л я р ну

іміграцію.

 

За

уніполярної іміграції виселення бластомерів відбувається лише з однієї певної ділянки бластодерми. За мультиполярної іміграції виселення бластомерів відбувається з усієї поверхні бластодерми. Бластомери, які виселились в бластоцель утворюють первинний внутрішній листок (ентодерму), а бластомери, які залишились на місці формують первинний зовнішній листок — ектодерму. Такий спосіб творення гаструли характерний для рептилій, птахів.

І н в а г і н а ці я полягає у вп'ячуванні бластодерми вегетативного

полюсу в напрямку до анімального. Внаслідок цього зародок із одношарового стає двохшаровим: має первинну ектодерму і ентодерму. Внаслідок інвагінації вегетативного полюсу до анімального бластоцель витискується і зберігається лише у вигляді щілини. Утворюється нова порожнина — г а ст ро цел ь або порожнина первинної кишки. Гастроцель відкривається первинним ротом або

бластопором . Краї

бластопора називаються г у б а м и . Д о р с а л ь н а

губа, яка відповідає

спинній стороні зародка, в е н т р а л ь н а або

черевна і ті, що лежать між ними, називаються б о к о в и м и губами бластопора. Такий спосіб гаструляції характерний для ланцетника, голкошкірих та нижчих хордових.

в

г

Схема механізмів ранньої гаструляції, а — інвагінація, б — епіболія, в — іміграція, г — делямінація.

Епіболія — обростання дрібними бластомерами анімального полюсу великих бластомерів вегетативного, які переповнені жовтком. Такий спосіб гаструляції характерний для амфібій.

Д е л я м і н а ц і я тангенціальне розщеплення поверхневого шару бластомерів на два: первинного зовнішнього (ектодерму) і первинного внутрішнього (ентодерму). Такий спосіб гаструляції властивий птахам та вищим хребетним.

У деяких хребетних гаструляція може здійснюватись за допомогою комбінації двох або трьох способів, але з перевагою одного із них (наприклад

делямінація та міграція).

Після утворення двох зародкових листків починається формування осьових зачатків органів і одночасно творення третього зародкового листка — м е з о д е р м и . Наступає друга фаза гаструляції — пізня гаструляція.

Поперечний розріз зародка ланцетника під час гаструляції (взято із І.Станека).

1 — первинна кишка, 2 — ектодерма, 3 — ентодерма, 4 — мезодерма (заштрихована), 5 — хорда, 6 — нервова пластинка або трубка, 7 — целом, 8 — кишка, 9 — первинні сегменти, 10 — міотом, 11 — міоцель, 12 — шкірна пластинка, 13 — вентральна мезодерма, 14 — вена, 15 — вісцеральний листок спланхнотома, 16 — парієтальний

листок спланхнотома, 17 — бокова пластинка мезодерми, 18 — спланхноцель.

У ланцетника нервова пластинка виділяється із первинного зародкового листка, утворюючи по довжині зародка рівчак, який поглиблюється у вентральному напрямку. Потім відбувається змикання країв — виникає нервова трубка, а та, зовнішня частина зародкового листка, що залишилась, змикається і стає шкірною ектодермою. Так само, але в протилежному напрямку із хордомезодермального зачатка виділяється хордальна пластинка, яка формує трубку, і, зразу після цього, перетворюється у клітинний тяж-хорду. Отже, у формуванні нервової та хордальної пластинок у ланцетника приймає участь дорсальна губа бластопора, одначе, нервова пластинка розвивається із первинної ектодерми, а хордальна — із первинної ентодерми.

Утворення мезодерми у ланцетника пов'язане з дрібноклітинним матеріалом крайової зони, який вростає в ентодерму у вигляді двох стрічок і лягає з обох сторін хордальної пластинки. Цей матеріал вип'ячується в дорсальному напрямку у вигляді двох кишень між екто-і ентодермою. Спочатку ці кишені відкриваються в гастроцель, а потім відокремлюються у вигляді двох замкнутих складок, розміщених вздовж осі зародка між первинним зовнішнім і первинним внутрішнім листками гаструли. Дрібноклітинний матеріал ентодерми, який утворює замкнуті складки і є новоутвореним середнім зародковим листком — мезодермою. Спосіб творення мезодерми —

ен т е р о ц е л ь н и й .

Утварин з помірнотелолецитальними яйцеклітинами (амфібії) рання гаструляція відбувається шляхом поєднання епіболії та інвагінації, з перевагою епіболії. Наслідком цих процесів є утворення гаструли з двома листками: екто- і ентодермою. Одначе, майже весь дрібноклітинний матеріал крайової зони бокових губ бластопора, який не увійшов до складу ентодерми, проростає між первинним зовнішнім і первинним внутрішнім листками з обох боків від хорди. Скупчення цього дрібноклітинного матеріалу дістало назву т е л о б л а с т і в . Останні розмножуються і утворюють мезодерму. Спосіб творення мезодерми —

те л о б л а с т и ч н и й .

Уптахів рання гаструляція відбувається шляхом делямінації бластодиску, до якої приєднується іміграція. Друга фаза гаструляції протікає так: бластодиск зародка дуже розростається, в його центрі виділяється зародковий щиток, матеріал якого використовується для побудови тіла зародка. Та частина дискобластули, яка обмежує зародковий щиток, репрезентує позазародковий матеріал. Світле поле розміщене навколо зародкового щитка і побудоване із клітин, які відділились від жовтка підзародковою порожниною. Темне поле займає периферійну частину дискобластули і складається із клітин, які щільно прилягають до жовтка і ростуть по його поверхні.

Клітинний матеріал зародкового щитка зазнає складних переміщень. Клітини зародкового щитка починають рухатись спереду назад двома потоками

справа і зліва. Обидва потоки клітин зустрічаються в центрі на задньому кінці зародкового щитка, зливаються і переміщуються допереду по його середині. В результаті утворюється потовщений тяж клітин, який отримав назву

п е р в и н н о ї с м у ж к и . На передньому кінці первинної смужки формується п е р в и н н и й (гензенівський) в у з л и к .

Схема переміщення клітинного матеріалу в бластодискові зародка птахів на стадії закладки осьових органів (за А.Г.Кнорре).

А — утворення первинної смужки і первинного вузлика, Б —