Реферат: Дифференцировка эмбриональных клеток

Министерство образования РФ

Санкт-Петербургский технологический институт

Кафедра молекулярной биотехнологии

Выполнил: Шилов С.Д.     гр.295     курс 3

С-Петербург

2003 г.

Оглавление:

Введение………………………………………………………………………………..3

Детерминацияи дифференцировка….…………………………………………….3

Дроблениеяйцеклетки и образование бластулы ………………………………..4

Организационныецентры развивающихся зародышей. Индукция …………..6

Феномен«мёртвых организаторов» ……………………………………………….7

Химическийаспект изучения и дифференциации клеток и тканей…………...8

Теорияполей… ……………………………………………………………………….10

Заключение…………………………………………………………………………...12

Списокиспользованной литературы ……………………………………………..13

Приложение…………………………………………………………………………..14

Введение:

Организмлюбого многоклеточного животного можно рассматривать как клон клеток,образовавшихся из одной единственной клетки – оплодотворённого яйца. Поэтомуклетки тела, как правило, генетически идентичны, но различаются по фенотипу:одни становятся мышечными клетками, другие – нейронами, третьи – клетками кровии т.д. В организме клетки разного типа расположены строго определённымупорядоченным образом, и благодаря этому тело обладает характерной формой. Всепризнаки организма определяются последовательностью нуклеотидов в геномной ДНК,которая воспроизводится в каждой клетке. Все клетки получают одни и те жегенетические «инструкции», но интерпретируют их с должным учётом времени иобстоятельств – так, чтобы каждая клетка выполняла свою определённуюспецифическую функцию в многоклеточном сообществе.

Многоклеточныеорганизмы часто бывают очень сложными, но их построение осуществляется припомощи весьма ограниченного набора различных форм клеточной активности. Клеткирастут и делятся. Они отмирают, соединяются механически, создают силы,позволяющие им передвигаться и изменять свою форму, они дифференцируются, тоесть начинают или прекращают синтез определённых веществ, кодируемых геномом,они выделяют в окружающую среду или образуют на своей поверхности вещества,влияющие на активность соседних клеток. В этом реферате я попытаюсь объяснить,каким образом реализация различных форм клеточной активности в нужное время инужном месте приводят к образованию целостного организма.

Детерминацияи дифференцировка:

Самыеважные понятия в эспериментальной эмбриологии – понятия дифференциация идетерминации, отражающие основные явления преемственности, последовательностипроцессов развития организма. В онтогенезе непрерывно происходят процессыдифференциации, то есть появляются новые и новые изменения между разнымиучастками зародыша, между клетками и тканями, возникают разные органы. Посравнению с исходной в развитии яйцеклеткой организм кажется необычайносложным. Дифференцировка – это такое структурное, биохимическое  или иноеизменение развития организма, при котором относительно однородное превращаетсяво всё более различное, касается ли это клеток (цитологическая дмференциация),тканей (гистологическая дифференциация) или органов и и организма в целом, идётречь о морфологических или о физиологических изменениях. При выявленииипричинного механизма тех или иных  дифференцировок употребляется терминдетерминация. Детерминацированной называют часть зародыша с того момента, когдаона несёт в себе специфические причины своего дальнейшего развития, когда онаможет развиваться путём самодифференцировке в соответствии со своимпроспективным развитием. Согласно Б.И. Балинскому детерминацией надо называтьустойчивость начавшихся процессов дифференциации, их тенденцию развиваться внамеченном направлении, не смотря на изменение условий, необратимость прошедшихизменений.

Теложивотного построено из сравнительно небольшого количества легкоразличимых типовклеток – примерно из 200. Различия между ними столь ясны потому что, вдополнение к многочисленным белкам, необходимым любой клетке организма, клеткиразных типов синтезируют свой собственный набор  специализировнных белков. Вклетках эпидермиса образуется керотин, в эритроцитах – гемоглобин, в клеткахкишечника – пищеварительные ферменты и т.д. Может возникнуть вопрос: необъясняется ли это просто тем, что клетки обладают разными наборами генов?Клетки хрусталика могли бы, например, утратить гены кератина, гемоглобина и тд,но сохранить гены кристаллинов; или же в них могло бы избирательноувеличиваться число копий кристаллиновых генов путём аплификаций. Однако это нетак, целый ряд исследований показывает что клетки почти всех типов содержат одини тот же полный геном, который был в оплодотворённом яйце. По-видимому, клеткиразличаются не потому что содержат различные  гены, а потому что ониэкспрессируют разные гены. Активность генов подвержена регуляции: они могутвключаться и выключаться.

Наболееубедительные данные от том, что несмотря на видимое изменение клеток при ихдифференцировке, сам геном остаётся у них неизменным, были полученны в опытах спересадкой ядер в яйца амфибий. Ядро яйца предварительно разрушают, облучаяультрафиолетом, и микропипеткой пересаживают ядро дифференцированной клетки,например, из кишечника, в оплодотворённое яйцо. Таким образом можно проверить,содержит ли ядро дифференцированной клетки полный геном, равноценный геномуоплодотворённого яйца и способный обеспечить нормальное развитие зародыша.Ответ оказался положительным; в этих опытах удавалось вырастить нормальнуюлягушку, способную производить потомство.

Дроблениеяйцеклетки и образование бластулы:

Многимипутями происходила эволюция животных. Очень разнообразны и специфичны связиразвивающихся организмов со средой. Несмотря на это и несмотря на большиеособенности в морфологии и физиологии дробления у разных видов животных,дробление яйцеклетки у большинства организмов совершается сходным периодомразвития, именуемым бластулой (от греческого blaste, blastos – росток, зачаток).Это один из многочисленных показателей общности происхождения животного мира иодин из примеров параллелизма в эволюционном развитии структур. Но это незначит, что  зародыши всех животных совершенно одинаково устроены на стадиибластулы; наоборот, наряду с основными общими чертами имеются и существенныеразличия бластул разных животных. В зависимотси от многих причин дробящеесяяйцо в общем сохраняет свою первоначальную сферическую форму, а бластомерымогут оказывать очень большое давление друг на друга, приобретать многограннуюформу и не оставлять между собой никаких щелей; при этом образуется  морула –совокупность делящихся клеток, напоминающая ежевичную ягоду с большей или меньшейполостью внутри, заполненной продуктами жизнедеятельности клеток. (рис. 1) Этаполость называется полостью дробления или в честь учёного Бэра в первые еёописавшей – бэровской полостью. По мере деления клеток полость постепенноувеличивается и превращаяется в полость бластулы, называемой бластоцелием.Клетки ограничивающие бластоцелий образуют эпителиальный слой.

/>

рис.1

Послетого как клетки бластулы сформировали эпителиальный слой, наступает время длякоординированных движений – гаструляции. Эта радикальная перестройка ведёт кпревращению полого клеточного шарика в многослойную структуру, обладающуюцентральной осью и двусторонней симметрией.  По мере развития у животногодолжны определиться передний и задний концы тела, брюшная и спинная стороны исерединная плоскость симметрии, разделяющая тело на правую и левую половины.Такая полярность складывается на очень ранней стадии развития зародыша. Врезультате сложного процесса инвагинации (впячивания) (рис.1) значительныйучасток эпителия перемещается с наружной поверхности внутрь зародыша, образуяпервичную кишку. Последующее развитие будет определяться взаимодействиямивнутреннего, наружного и среднего слоёв, создающихся при гаструляции. Послепроцесса гаструляции наступает процесс органогенеза – это локальное изменениеопределённых участков того или иного зародышевых пластов, и образованиезачатка. При этом подчас невозможно выделить какой-то главенсьвующий видклеточного материала, от которого бы зависел механизм развития органа.

Организационныецентры развивающихся зародышей. Индукция.

Всвоих пытах Шпеман срезал у зародыша тритона на стадии ранней гаструлы всюверхнюю половину (анимальное полушарие) и переворачивал её на 180° и сновасращивал. В результате образовывалась нервная пластинка на том же месте где идолжна была быть, но не из нормального клеточного материала, а изэктодермального слоя. Шпеман решил, что в этом районе распространяется какое-товлияние, которое заставляет клетки эктодермального слоя развиваться по путиразвития нервной пластинки, то есть индуцирует её образование. Эту область онназвал организационным центром, а сам материал, из которого исходит влияние –организатором или индукторм. В дальнейшем Шпеман пересаживал так называемыеиндукторы в разные участки других зародышей на стадии бластулы или раннейгаструлы. В не зависимости от места у зародыша индуцировалась вторичная нервнаяпластинка со всеми атрибутами, но не из трансплантата, а из клеток хозяина, самже трансплантат в большинстве случаев двигался по пути своего нормальногоразвития. Для анализа данных явлений в 1938 году Гольтфетер культивировал сстандартных средах маленькие кусочки, вырезанные из гаструлы тритонов.Оказалось что кусочки, вырезанные из разных областей зародыша, то есть в разнойстепени детерминированные, в зависимости от этого или распадаются на различныеотдельные клетки (менее детерминированные), или могут формировать различныетканевые структуры (более локально детерминированные). Эти структуры, выражаясьязыком школы Шпемана, развивались в отсутствии организатора.    

Вполне убедительный вывод из этих фактов сделали в 1955 году Ж.Гольтфретер иВ.Гамбургер: все участки краевой зоны продуцируют в условиях эксплантации болееширокое разнообразие тканей, чем они дали бы, находясь в системе зародыша.Позже эти учёные анализируя данные опытов сделали очень важный вывод, чтонеправильно было бы рассматривать поля и организаторы как верховную власть вопределении судьбы других менее специфически детерминированных частей зародыша.Ценные результаты многочисленных опытов и исследований школы Шпемана и егопоследователей из других лабораторий, давших эмбриологии блестящиедоказательства взаимозависимости частей зародыша, его интеграции на любойстадии развития, стали трактоваться всё более односторонне, как действиеорганизаторов на якобы индиференцированный клеточный материал. Эта была полосав развитии эмбриологии, когда казалось было найдено  основное объяснениепроцессов формообразования и критические замечания отдельных учёных противодносторонних увлечений, рассматривалось кк что-то мешающее развитию науки.Созданная в то время теория организационных центров, несомненно, содержала всебе односторонние и даже фанатичные вгляды, котороые потерпели поражение передлицом новых, не менее увлекательных фактов, обнаруженных впоследствии самой жешпемановской школой.

Феномен«мёртвых организаторов»:

Передисследователями встал вопрос: сколь специфично действие организаторов,индукторов? При пересадке организатора от бесхвостой амфибии (лягушка-жерлянка)

Зародышухвостатой амфибии (тритон) была обнаружена индукция медулярной пластинки. Вслучае пересадки от зародыша птицы в зародыш тритона организатор так жеоказывает индуцирующее действие. Подобное явление происходит и в случаепересадки зародышу кролика организатора тритона. Возникли и другие вопросы.Одинаковы ли по своей природе организаторы у разных животных? Зависят лииндуцирующее свойства организатора от клеток, его составляющих, специфическойдиференцировки, типа связей между клетками – словом от биологической системыорганизатора или речь идёт о каком-то ином механизме? В 1931 году былообнаружено, что организатор способен индуцировать и после полного разрушения его структуры, даже полного разрушения его клеток. Перемешивали раздавленныекусочки эмбриона, делали комочки из них и пересаживали в полость бластулыдругого зародыша. Индукция имела место. В 1932 году появилось сообщение о такназываемых мёртвых организаторах. Группа учёных исследовала действие убитыхорганизаторов, для чего клетки высушивали при 120 градусах, кипятили,замораживали, помещали в спирт на 6 месяцев, в соляную кислоту и т.д. Оказалосьчто после таких манипуляций организатор не терял своих индукционныхспособностей. Большинство эмбриологов усмотрело в этом открытии новую эру вэмбриологии, познание химического механизма организаторов, нахождениеформообразовательных и органообразующих веществ. Некоторые лаборатории пыталисьдоказать, что  действие мёртвых организаторов отлично от действия живых. Новскоре, к удивлению исследователей, была обнаружена неспецифичностьорганизаторов. Убитые кусочки гидры, кусочки печени, почек, языка, различныеткани трупа человека, кусочки мускулов молюска, раздавленные дафнии, кусочкикишки рыбы, клетки саркомы крыс, ткани курицы и человека оказались индукторами.Началось одностороннее увлечение химией индукторов: стали пытаться разгадатьформулу вещества, индуцирующего специфический формообразовательный процесс, иза несколько лет накопился богатый материал. Дело доходило до абсурда: кусочкиагара, якобы пропитанные таким веществом, жирные кислоты растительных масел,ядовитый для животных цефалин, нафталин и др. Обнаружилось что даже клеткирастений пересаженных в зародыш дают эффект индуктора! В настоящее время ясно,что все эти попытки найти специфическое формообразовательное вещество былипростым увлечением и не достигли цели.

Возвратимсяснова к теории организаторов. В обычной схеме об индукционных влиянияхорганизаторов на клеточный материал, который реагирует, индуцируется, подразумеваетсякак нечто индиферентное, то есть только и ждёт, что бы его подтолкнули кдетерминации. Однако это не так. Клеточный материал, на который действуеторганизатор, не индеферентен. М.Н.Рагозина показала, что закладка осевоймезодермы представляет собой не только индуктор нервной трубки, но и самануждается для своей дифференциации в формативном воздействии со сторонызакладки нервной системы. При этом имеет место не односторонняя индукция, авзаимодействие частей развивающегося зародыша. Один и тот же индуктор можетиндуцировать различные образования, например, слуховой пузырёк при пересадки набок зародыша амфибии может индуцировать добавочную конечность, тот же пузырёкпри пересадке его в иное место и на другом этапе развития может индуцировать слуховуюкапсулу. Он же может выступать в роли индуктора добавочного ядра хрусталика вслучае соприкосновения с зачатком хрусталика и т.д. 

Итогик сказанному лучше подвести цитатой из работы Уодингтона, который с рядомдругих учёных так энергично пытался выяснить химию организаторов: «Казалось, мынаходимся на пороге исключительно важного открытия – возможность получитьвещество, влияющее на развитие. Трудность заключалась не в том, что мы не моглинайти вещество действующее подобно организатору, вызывающему диференцировкуклеток, а в том, что мы нашли слишком много таких веществ. В конце концовДж.Нидгем, М.Браше и автор этой статьи убедительно показали, что дажеметиленовый синий – вещество, которое даже человек с самой пылкой фантазией нестанет искать в эмбрионе, — может индуцировать образование нервной ткани.Оказалось, что искать в единичной клетках реагирующее вещество, которое моглобы дать ключ к пониманию дифференцировки, бесполезно. Причину дифференцировкиследует искать в реагирующей ткани, в которой она и происходит». 

Химический аспект изучения и дифференциации клеток итканей:

В50 – 60-х годах в связи с возрастающим взаимовлиянием биологии, физики и химиии использованием новых методик снова повысился интерес к химии индукторов, хотясодержание этого понятия резко изменилось. Во-первых, считается неосновательнымискать какое-то одно формообразовательное вещество, вызывающее интекцию.Во-вторых, всё меньшее число исследователей уподобляет явление индукции,наблюдаемые в ходе нормального развития зародышей, феномену мёртвыхорганизаторов. В-третьих, вместо гипотезы Шпемана об индукциионных влиянияхорганизатора на «индиферентный» клеточный материал утвердилась мысль овзаимозависимости частей в развитии зародышей.

В1938 году С.Тойвонен, испытывая сотни различных тканей животных на способностьк индукции осевых зачатков у амфибий, обнаружил что некоторые индукторыобладают качественно различным действием, а именно: ткань печени морских свинокиндуцирует почти исключительно передний мозг и его производные, костный мозг –туловищные и хвостовые структуры. В 1950 г. Ф.Леман предложил гипотезу,принятую Тойвоненом, Яматадой и другими исследователями. Согласно этойгипотезе, первичная индукция может быть вызвана всего двумя агентами,образующими два взаимоперекрывающихся  градиента. Одно вещество индуцируетисключительно переднеголовные  (архенцефалические) структуры, а другое вещество– туловищно-хвостовые (дейтеренцефалические) структуры. Если много второгоагента и мало первого, то индуцируется передний мозг; если много первого и маловторого, то возникает туловищно-хвостовая часть.  Всё это имеет место, согласногипотезе, в нормальном развитии амфибий; надо представить себе наличиеопределённых индуцирующих веществ в соответствующих количественных комбинацияхв разных участках зародыша. Тойвонен

Провёлсерию опытов с раздельным и одновременным действием ткани печени и костногомозга и данные подтверждают данную теорию. При действии тканей печениобразовывался передний мозг и его производные, при действии костного мозга –туловищно-хвостовые ткани, а при одновременном действии печени и костного мозгаобразовывались структуры всех уровней тела нормальной личинки. 

Тойвоненпредполагает, что каждый из двух индукторов образует своё активное поле, приодновременном действии их действии возникает комбинированное поле (рис. 2)

/>рис. 2

К70-м годам химия «индукторов» оказывается столь же неясной, как и в периододносторонних химических увлечений эмбриологов в 30-е годы. Несмотря на большойпрогресс в химической эмбриологии, все основные вопросы об «организационныхцентрах» остаются теми же что и в 40-х годах. Гипотеза Тойвонена не даёт, ксожалению, ничего принципиально нового по сравнению со старыми одностороннехимическими схемами сущности индукторов и организаторов, только вместо одноговещества думают о двух или нескольких. Должны быть приняты во вниманиеследующие очевидные недостатки гипотезы Тойвонена, на которые от частиуказывает и сам автор. Во-первых, эта гипотеза говорит только об индукторах исовершенно не касается главного вопроса – о реагирующих системах. Во-вторых,экспериментальное её обоснование дано на основании действия каких-то веществтканей животных, а делается попытка объяснения явления нормального развитиязародышей амфибии. Требуется доказать, что выделенные вещества, действительноприсутствуют в нормальной гаструле эмбриона. Если оно присутствует, то каковоих местоположение? Однако нет оснований игнорировать интересные даные Тойвоненаи других исследователей. С этими данными перекликаются давние опыты поанимальных и вегетативных тенденциях у морских ежей. (рис. 3)

Вопытах хирургического вмешательства на стадиях от 16 до 64 бластомеровудалялась различные части зародыша – анимальные и вегетативные. Нормальноеразвитие возникало если анимальные и вегетативные градиенты не доминировалидруг над другом. В сущности эти опыты близки к взглядам Товонена.

Теория полей:

Впонятие поля разные исследователи вкладывали разное содержание. Некоторыедумали о поле как об области, в пределах которой определённые факторы действуютодинаковым образом. Внутри поля, по их представлениям существует состояниеравновесия. Поле – это единая система, а не мозаика, где одни части можно былобы удалить или заменить  так, что бы при этом система не изменилась. Внутриполя-системы может быть разная концентрация химических веществ, могут бытьградиенты метаболизма.

Теорияполя Кольцова. Представление Н.К.Кольцова о целостности организма и его теорияполя – это попытка рассмотрения данных экспериментальной эмбриологии и генетикив физико-химическом аспекте.

Ооцити яйцо – организованные системы, с определённо выраженной полярностью, сопределённым расположением клеточных структур. Уже в ооцитах находятсяразнообразные вещества и структуры, дающие своеобразную реакцию на кислые иосновные красители, в зависимости от их рН. Это означает, что различные частиклетки могут иметь те или инные положительные или отрицательные заряды. В целойклетке поверхность её, как правило, заряжена отрицательно, а поверхность ядра ихромосом – положительно. При созревании ооцита создаётся соответственно егостроению электрическое силовое поле, «закрепляющее» это строение. Под влияниемсилового поля в клетке должны возникать определённые, объясняющиеся разностьюпотенциалов катафорезные точки перемещения веществ. При активации яйцасперматозоидом происходит изменение дыхания, иногда резкое изменение рН,изменение проницаемости мембран и передвижения веществ. По Кольцову, этиявления обусловлены, очевидно, напряжениями перезаряжающихся силовых полей,разностью потенциалов. Таким образом, начинающийся развиваться зародыш – этосиловое поле. В ходе развития разные пункты силового поля характеризуютсяразностью потенциалов. Речь идёт не только об электрических потенциалах, но и охимических, температурных, гравитационных, диффузных, капилярных, механическихи др.

Дажетакой фактор, как уменьшение или увеличение проницаемости мембран клетки,неизбежно вызывает изменение токов жидких веществ. Благодаря тому, что междубластомерами существуют определённые связи, можно представить себе чтоизменение токов жидких веществ может влиять и на пространственное расположениебластомеров. Различного характера потенциалы, их изменения не толькосопровождают развитие зародышей, не только являются отражением состояния егоинтеграции, но и играют важную роль в развитии, определяя поведение отдельныхбластомеров и всего зародыша. В ходе развития силовое поле зародыша изменяется:оно усложняется, дифференцируется, но остаётся единым. Кольцов говорит оцентрах с высокой разницей потенциалов, о центрах второй, третьей степени. Онговорит о градиентах с напряжением, убывающим от одного потенциала к другому.От каждого центра распространяются градиенты, определяемые всем силовым полем.При состоянии биофизики 30-х годов Кольцов не мог создать более конкретныхфизических представлений о поле зародыша. Он считал, что силовое поле неявляется магнитным, но может быть с ним сравнено. Возникающие в ходе дробленияне одинаковые по структуре бластомеры оказываются в разных частях единого полязародыша и соответственно новому положению изменяют свои биохимическиеособенности и структуру. Таким образом, поведение каждого участка зародышазависит от его предварительной структуры, от влияния общего силового поля ивлияния близлежащих областей этого поля. 

Кольцоввводит также понятие «силовое поле внешней среды» (гравитационное, световое ихимическое), приписывая ему важное значение, так как оно влияет на силовое полевнутри зародыша, например определяет направление роста у сидячих животных.

Ксожалению, совершенно недостаточно разрабатываются вопросы физикиэмбрионального развития. Имеющиеся факты не противоречат мыслям Кольцова ополях.

Близкиек взглядам Кольцова мысли высказывали и другие исследователи Б.Вейсберг в 1968году предложил единую, физическую трактовку разных морфогенетических процессов,создав представление о колебательных полях. Он изучал колебания электрическихпотенциалов у миксомицетов, сходство некоторых органических форм, напримерколоний шампиньонов с расположением мелких частиц в акустическом поле. Вейсбергдумает, что колебательные поя приводят к тому, что  клеточные комплексы должныразделяться на территории, внутри которых колебания синхронизируются по фазам,а между территориями создаётся разность фаз. Происходящее в результате этогопространственное разъединение может приводить к морфогенетическим движениям:впячивание клеток при гаструляции, расположение полукружных каналов внутреннегоуха, формирование гребных пластинок у ктенофор и т.п.

Заключение:

Анализвсех теорий  не позволяет признать не одну из них  как теорию индивидуальногоразвития, могущей удовлетворить эмбриолога. Вне зависимости от методологииисследований нужно принимать к вниманию тот очевидный факт, что любыепредставления о зародыше  как о мозаике частей, как сумме бластомеров и т.д.несостоятельны, что организм на любой стадии развития так или иначеинтегрирован, представляет собой целостную систему.

Список использованной литературы:

 Б.П.Токин«Общая эмбриология»

издательство«Высшая школа» Москва 1970г.

Б.Альберс,Д.Брей, Дж.Льюис, М, Рэфф, К.Робертс, Дж, Уотсон «Молекулярная биология клетки»том 4

издательство«Мир» Москва 1987г.

Приложение: