Теоретические Основы понимания эмбриогенеза

В предыдущих разделах. были описаны основные этапы эмбриогенеза. Как известно, филогенез дает историю вида, онтогенез 45- историю индивида. В свою очередь онтогенез, описывающий историю индивида от момента зарождения до наступления физиологической смерти, может быть подразделен на эмбриональный и постэмбриональный период. Эмбриология как наука изучает эмбриональный период онтогенеза. У плацентарных, к которым относится и человек, эмбриональный период захватывает время от момента оплодотворения до рождения, т. е. до момента изгнания плода из матки.

Рассматривая многочисленные работы, выполненные по эмбриологии в течение нескольких столетий, можно юс подразделить на описательные или феноменологические и на экспериментальные, стремящиеся вскрыть причины и механизмы, обусловливающие сложные и не до донца выясненные процессы эмбриогенеза.

Описание эмбриогенеза позволяет выделить в нем стадии, процессы, элементы и элементарные акты. Под стадией следует понимать этап развития зародыша, коренным образом отличающийся от предыдущего в силу появления новых свойств и структур. Исходя из этого определения можно выделить следующие стадии эмбриогенеза: зигота, бластула, гаструла, нейрула, тканевое и органное строение.

.Переход от одной стадии к следующей обеспечивается с помощью определенных эмбриональных процессов.

Так, появлению стадии зиготы, предшествует процесс прогенеза, сущностью которого является образование и созревание половых клеток, их перенос навстречу друг другу с последующим слиянием. Оплодотворение является процессом, приводящим к появлению зиготы. Биологическая сущность оплодотворения состоит в том, что две половые клетки с гаплоидным набором хромосом, не способные раздельно к прогрессивному развитию и обреченные на быструю гибель, при встрече сливаются и образуют диплоидную одноклеточную стадию организма — стадию зиготы с обширной и реализуемой программой прогрессивного развития.

Процесс, с помощью которого зигота переходит в следующую стадию развития — бластулу, получил название дробления. Дробление совершается, используя известный механизм митотического деления, но с рядом важных особенностей. Во-первых, при дроблении интерфаза резко укорочена. Она представлена, по сути, периодом, в котором протекает репликация. Во-вторых, при дроблении имеет место в интерфазе только синтез и-РНК, остальные виды РНК и синтез белка еще не происходят. Отсюда, клетка не способна к росту и поэтому при каждом новом этапе дробления дочерние клетки-бластомеры получают размеры вдвое меньше, чем материнские.

Если вспомнить положение биогенетического закона и приложить его к дроблению, то этот процесс онтогенеза как бы повторяет в ускоренном виде переход от одноклеточных к многоклеточным формам-, который имел место в филогенезе.

Следующий процесс, эмбриогенеза — это гаструляция, с помощью которой зародыш из стадии бластулы переходит в стадию гаструлы. В основе этого процесса лежит перемещение клеточных масс, приводящее вначале к появлению двух, а затем и трех зародышевых листков: эктодермы, энтодермы и мезодермы: Причины и механизмы этого перемещения клеток выяснены недостаточно.

. Продолжающееся перемещение клеток тела зародыша — процесс нейруляции, приводит к образованию органов спинного комплекса: нервной трубки, хорды, сомитов, тем самым приводит зародыш на стадию нейрулы. На этой стадий развития зародышевые зачатки заняли «исходные рубежи» и готовы к следующему: процессу — гистогенезу, т. е. к образованию тканей. Параллельно- с^образованием тканей их взаимодействие приводит к появлению новых структур — возникают органы. Процесс образования органов, получил название - органогенеза. Очень часто оба эти процесса объединяют под общим термином морфогенеза.

Процессы морфогенеза продолжаются на протяжении всей жизни человека или животного. В настоящем разделе мы рассмотрим эти процессы в эмбриональном периоде..

Все процессы эмбриогенеза можно условно разделить на элементы. К ним относятся: размножение клеток, рост клеток, образование некоторыми из, них межклеточного промежуточного вещества, перемещение клеток, детерминация и дифференцировка клеток, взаимодействие и гибель клеток.

Размножение клеток как элемент эмбриогенеза представлен дроблением, митозом и мейозом. Основная масса клеток возникает в результате митотического деления. Роль амитоза, как самостоятельного вида деления клеток, в. условиях нормального развития организма в настоящее время пересматривается. Мейоз свойственен только половым клеткам в период их созревания. У большинства видов животных, в том числе и у человека; он протекает в постэмбрйональном периоде.

Размножение клеток и последующий их рост, начиная со стадии гаструлы, генетически запрограммированные процессы, регулируемые действием биологически активных веществ. Рост клеток объясняют преобладанием процессов ассимиляции над

процессами диссимиляции. Уравнение интенсивности этих^процессов приводит к остановке роста клеток.

Одну из загадок эмбриогенеза представляют способы и механизмы перемещения клеток. Можно выделить перемещение клеток пластом, как это имеет место при гаструляции и нейруляции; перемещение группами или отдельными клетками, как это имеет место при миграции первичных половых клеток, нейробластов в состав ганглиев, миобластов из миотомов в места локализации -будущих скелетных мышц. Механизм перемещения отдельных клеток объясняют с позиций амебоидного и ундулирующего движения. Направление движения определяется хемотаксисом, а остановка'—механизмом контактного торможения, в основе которого лежит прекращение движения при встрече однотипных клеток.,

Прежде чем перейти к рассмотрению механизмов детерминации:и дифференцировки, дадим определение понятию «элементарный акт». В основе всех явлений жизни, как особой формы движения матери, а, Следовательно, процессов, протекающих в клетках, тканях и органах на этапах эмбриогенеза, лежат элементарные -акты морфогенеза.

Под элементарным актом мы понимаем цикл молекулярно-фер- ментативных. процессов, приводящих к образованию макромолекул или сборке надмолекулярных субклеточных структур.

К элементарным актам морфогенеза следует отнести процессы репликации, приводящие к., синтезу молекул ДНК, процессы транскрипции—ксинтезу всех.видов молекул РНК (и-РНК, р-РНК, т-РНК, рег.-РНК), процессы трансляции, приводящие к синтезу молекул белка, а также' процессы самосборки, приводящие к образованию различных мембран и органелл.

При эмбриогенезе появление и становление элементарных актов морфогенеза происходит в определенной последовательности. В зиготе возникшей из изолецитальной яйцеклетки, еще не представлены макромолекулярные синтезы. В период дробления у зародышей этого типа появляются процессы репликации и начинается синтез и-РНК. На стадии бластулы к этим элементарным актам присоединяется синтез т-РНК, на стадии гаструлы — р-РНК наконец, на стадии нейрулы в клетках зародыша представлены все виды макромолекулярных'синтезов и сборки надмолекулярных структур. Тем самым, на стадии нейрулы получили развитие все элементарные акты, обеспечивающие дальнейшее эмбриональное развитие.

Стадия нейрулы является стартовой площадкой для; дальнейших процессов гистогенеза, объединяемых общим термином «морфогенез». Под морфогенезом следует понимать цепь последовательно развивающихся процессов, приводящих к становлению определенных структур и функций.

Исследуя начальные, промежуточные и конечные этапы морфогенеза, нетрудно заметить, что различные по структуре и функциям структуры возникают часто из одинаковых зачатков и отличия между ними нарастают постепенно. Так, нервная ткань и развивающийся из нее спинной и головной мозг возникают из общего с кожей зачатка — эктодермы. Жидкая кровь, костная ткань и жировая ткань у зародыша имеют общего родоначальника в виде мезенхимы. Вместе с тем, клетки крови резко отличаются как от клеток костной, так и жировой ткани по своим размерам, форме, функции, биохимизму, что указывает, что активность генов, определяющих все эти отличия, различна у клеток этих тканей.

Процесс, который при онтогенезе приводит к развитию специализированных по структуре и функции клеток, получил название дифференцировки. Как объяснить, что одинаковые по своему происхождению, структуре и функции клетки мезенхимы выбирают различные направления развития, т. е. дифференцируются по-разному? Для объяснения этого очень важного положения введено понятие о детерминации.

Под детерминацией следует понимать стойкое и передающееся по наследству изменение состояния регуляторных структур клетки, определяющее направление дифференцировки.

Итак, под действием определенных факторов в клетке происходит детерминация, т. е. клетки получают программу развития. Затем наступает дйфференцировка, с помощью которой реализуется программа детерминации.

Понимание механизмов развития, что получило название «механики развития», создавалось работниками экспериментаторов-эмбриологов на протяжении более 100 лет и существенно продвинулось благодаря успехам молекулярной биологии, молекулярной генетики и электронной микроскопии.

Как известно, из зиготы путем дробления возникают бластомеры, из которых в свою очередь развиваются различные клетки зародыша. Решим, во-первых, вопрос, какова роль ядра клеток в процессе дифференцировки клеток. С этой целью рассмотрим результаты опытов Бриггса и Кинга.

Излюбленным объектом для решения вопросов механики развития являются зародыши амфибий, в частности, головастики. Это объясняется доступностью объекта, неприхотливостью, высокой скоростью эмбрионального развития.

Если удалить ядро из зиготы головастика с помощью специальной иглы, т. е. энуклеировать зиготу, то последняя совершит несколько дроблений, но возникшие энуклеированные бластомеры вскоре погибнут и дальнейшее развитие прекратится. Вывод ясен — ядро необходимо для процессов эмбриогенеза.

Эксперимент несколько изменяется: в энуклеированные зиготы будущих головастиков трансплантируются ядра, выделенные из

бластомеров или из клеток зародыша, находящихся на стадии бластулы, ранней гаструлы, поздней гаструлы и нейрулы. Затем ведется наблюдение за судьбой зародыша. В подавляющем проценте случаев энуклеированные зиготы, которым были трансплантированы ядра из клеток бластулы и ранней гаструлы проходят все этапы развития и превращаются в нормальных головастиков. Эти результаты позволяют сделать выводы, что ядра клеток зародыша, находящегося на этих стадиях, по своим свойствам не отличаются от ядер зиготы, т. е. они эквипотентны, а поскольку они обеспечивают различные дифференцировки в процессе эмбриогенеза, то ядра клеток бластулы и ранней гаструлы подобно ядрам зиготы полипотентны.

При трансплантации ядер клеток зародышей, находившихся на стадиях поздней гаструлы и нейрулы, развитие головастиков прекращается из-за гибели на стадии ранней гаструлы. Следовательно, при эмбриогенезе/ ядра клеток зародышей уже на стадии поздней гаструлы претерпевают изменения и теряют способность обеспечивать развитие зиготы до взрослой формы. На стадии поздней гаструлы ядра клеток головастиков уже не экви- и не полипотентны. На основании этих опытов можно сделать вывод, что в процессе эмбриогенеза изменяются свойства ядер клеток: уменьшается их способность обеспечивать развитие клеток в различных направлениях, т. е. они специализируются или иначе дифференцируются.

В отличие от Бриггса и Кинга, Гердон в^: более поздних работах обнаружил, что в 1% случаев, т. е. очень, редко, ядра клеток эпителия кишечника головастика при трансплантации в эну- клеированную зиготу могут вызывать развитие нормального зародыша. Эти результаты требовали объяснения. В настоящее время можно дать, по-видимому, два объяснения результатам Гердона. Первое: среди эпителиоцитов кишечника есть вдетки, которые могут подвергнуться дедифференцировке, стать снова полипотентными и обеспечить развитие зародыша. Второе: в процессе развития не все клетки дифференцируются, очень небольшая часть из них сохраняет экви- и полипотентность, составляя камбий различных тканей. Это можно объяснить небольшим процентом успешных трансплантаций у Гердона. Тем самым опыты Гердона не отменили основных выводов, сделанных Бриггсом и Кингом, но поставили вопрос о возможности дедифференцировки ядер в процессе эмбрионального развития.

Общий вывод, который можно сделать на основании всех этих экспериментов, состоит в том, что изменения в ядрах клеток имеют большое значение в механизме эмбриогенеза.

Возникает вопрос: какова роль цитоплазмы при этом? Для выяснения этого вопроса обратимся к результатам некоторых экспериментов. Хорошо известно, что образование всех видов РНК>

исключая митохоидриальные, протекает в ядрах клеток. Этот процесс транскрипции может быть легко обнаружен современными методами авторадиографии и биохимии. Как было показано выше, становление синтеза различного вида молекул РНК происходит постепенно, по мере прохождения по стадиям развития. Этот процесс протекает только в ядре клеток.

Для решения вопроса в какой степени синтез молекул РНК зависит от зрелости цитоплазмы были поставлены следующие опыты. В энуклеированную зиготу трансплантировали ядра клеток,, выделенные у зародыша головастиков, находящихся на стадии бластулы, гаструлы и нейрулы. В этих ядрах, как известно, уже имеет место синтез различных комплексов молекул РНК. Однако, при взаимодействии этих ядер клеток с цитоплазмой зиготы они временно прекращали процессы транскрипции. Следовательно, реализации транскрипций на этапах эмбриогенеза б клетках зародыша требует определенной зрелости цитоплазмы, способной ингибировать эти процессы.

Все сказанное выше позволяет сделать вывод по этому разделу: не только ядро определяет развитие элементарных актов в цитоплазме зародыша, но и цитоплазма в свою очередь регулирует ход элементарных актов в ядре клеток, т. е. взаимодействием ядра и цитоплазмы можно объяснить сложные процессы развития клеток, их дифференцировку на этапах эмбриогенеза.

Молекулярно-генетические механизмы дифференцировки клеток в последнее время подвергаются интенсивному изучению. У прокариот объяснение развития дифференциальной активности генов можно получить с позиций гипотезы Жакоба и Моно. Сложнее дело обстоит у эукариот. У бактерий, имеющих одну кольцевую хромосому, репрессия и депрессия генов получает объяснение с позиций взаимодействия оперона с геном-регулятором. У эукариотов в ядре находится несколько хромосом, в которых располагается громадная по объему генетическая информация. Существуют механизмы взаимодействия между отдельными порциями генетической информации, локализованными в различных хромосомах.

Приблизиться к пониманию хотя бы в обших чертах к механизмам взаимодействия между различными отделами генома клетки в процессе дифференцировок клеток эукариот при эмбриогенезе, помогает схема-гипотеза, высказанная Бриттеном^ Дэвидсоном.

В соответствии с понятиями Жакоба и Моно, Бриттен и Дэвидсон подразделяют гены на регуляторные и продюссерные (структурные). В свою очередь, регуляторные гены подразделяют на сензорные, интегрирующие и рецепторные. Сензорные гены взаимодействуют с регуляторными факторами-сигналами (гормоны, биологически активные вещества). Сензорным генам подчинены гены-интеграторы, которые под воздействием сензорных генов определяют выработку активаторной РНК. Последняя может дейст

вовать на рецепторные гены, расположенные в различных хромосомах и тем самым генерировать и усиливать сигнал. Рецепторные гены под действием активированной РНК включают гены- продюссеры, которые подобно структурным генам определяют синтез различных видов РНК, а, следовательно, и синтез определенных видов белка, которыми на конечном этапе и определяется ход и направление дифференцировки клеток.

Характер этих взаимодействий молекулярно-генетических механизмов клеток при их дифференцировке представлен на схеме 1.

Некоторые из вновь синтезированных белков, или продукты, возникающие под их действием, обеспечивают обратную связь, воздействуя на сензорные гены.

Процесс развития протекает постепенно по схеме причинно- следственных взаимоотношений, следствие причины 1 может выступать в роли причины 2 и определять появление следствия 2 и т. д. Этот процесс развертывается во времени. Время, в свою очередь, определяется последовательностью генетически детерминированных процессов, протекающих в какой-то структуре.

Процесс развития зародышей не автономный, а зависит от действия ряда причин. Неоплодотворенные половые клетки у высших, организмов не способны обеспечить развитие зародышей. Толчком или причиной, обуславливающей развитие, является оплодотворение, которым запускается весь эмбриогенез и, в первую очередь,, дробление.

Развитие элементарных молекулярных актов на этапах раннего эмбриогенеза объясняется взаимодействием генетических структур ядра и органелл цитоплазмы. На стадии нейрулы основные

эмбриональные зачатки уже детерминированы, чем и подготовлен следующий этап в развитии зародыша—этап гистогенеза, а затем и органогенеза.

В развитии этих этапов важнейшая роль принадлежит взаимодействию клеток. Характер этих взаимодействий для высших животных был вскрыт в опытах Шлепана и его учеников. При этом было показано, что удаление зачатка хорды у зародышей амфибий блокирует образование из эктодермы нервной пластинки и превращение последней в нервную трубку. Пересадка хордального тяжа на вентральную сторону зародыша приводила к развитию нервной трубки на передней стороне тела головастика. Если зародышу головастика на стадии гаструлы трансплантировать зачаток хорды, взятый из другого зародыша, то отмечалось развитие двух нервных трубок на дорзальной и вентральной сторонах тела. На основании этих опытов был сделан вывод, что хорда вызывает развитие нервной трубки.

Этот процесс получил название эмбриональной индукции, а метаболиты хорды, ответственные за процесс, получили название индукторов.

Вторым классическим примером взаимодействий в процессах эмбрионального органогенеза может быть индукция развития хрусталика под действием глазного бокала. Индуктор является метаболитом и переносится из клеток индуцирующей в клетки индуцируемой структуры. Разделение этих структур с помощью сплошных, непроницаемых перегородок блокирует эффект индуктора, разделение с помощью решетчатых перегородок не препятствует развитию эффекта. Индуктор, достигнув клеток-мишеней, выступает в роли фактора, действующего на генетические структуры— сенсорные гены и вызывает стойкое и наследуемое изменение активности генов — развитие эпигеномной наследственности. Таков, по-видимому, механизм детерминации, определяющий в дальнейшем характер последующих дифференцировок.

Коррекция процессов дифференцировки и перемещение клеток, приводящих к развитию тканевых и органных структур, получают объяснение с позиций принципа проверки обстановки клетками, предложенного Боннером. Согласно этому принципу, дифференцировка клеток идет ступенчато и клетки проверяют окружающую обстановку, сверяя ее с генетической программой своего развития. Если такая сверка совпадает с программной, то наступает следующий запрограммированный этап развития. Реализация принципа проверки обстановки допустима в том случае, если считать, что принцип дополняется принципом сигнализации. Согласно этому принципу каждый этап дифференцировки сопровождается выработкой клетками веществ сигналов, которые являются индукторами для последующих дифференцировок в клетках, проверяющих обстановку.

Мы попытались представить положения этой чрезвычайно сложной и бурно развивающейся отрасли знания о теоретических основах процессов эмбриогенеза. Каждый день приносит новые сведения, дополняющие наши знания, ставящие новые проблемы перед учеными.

Как было показано выше, теоретические проблемы эмбриогенеза в разное время получали объяснение с позиций преформизма или эпигенеза. Основатель преформизма Бонне считал, что в женской яйцеклетке находятся зародыши в готовом виде, в яйцеклетках этих зародышей находятся еще. меньшие по размерам зародыши следующего поколения. По его подсчетам в яичнике Евы содержалось 27 000 000 зародышей всех последующих поколений людей. Абсурдность подобных построений сохраняло, однако, свое значение в течение длительных этапов и эти отголоски преформизма пытаются найти свое убежище в концепциях неопреформизма.

С позиций неопреформизма в яйцеклетке заложен не готовый зародыш, а тот молекулярный материал, из которого будет идти развитие будущего организма. Неопреформизм продолжает отрицать возникновение новых структур в процессе развития.

Положение теории эпигенеза в первичном ее представлении также требует коррекции. Структуры цитоплазмы яйцеклетки не гомогенны и не полипотентны. Из определенных зон яйцеклетки, как правило, возникают определенные структуры зародыша. Следовательно, цитоплазма яйцеклетки в какой-то степени преформирована в виде развития структур из подготовленного в процессе га- метогенеза материала. Иначе не имел бы смысл сложный подготовленный этап созревания женской половой клетки.

Обе длительное время конкурирующие теории могут быть использованы при создании синтетической теории эмбриогенеза. Такой теорией должна стать генетическая теория развития.

Половые клетки не имеют готовых структур будущего зародыша, но они содержат набор генов — генетическую программу для данного вида животных, включая особенности для каждого индивидуума. С этих позиций структуры половых клеток и зиготы не гомогенны и не экви- и полипотентны. Вместе с тем, в процесса эмбриогенеза возникают структуры от молекулярного до органного уровней, которых нет в половых клетках. Это подтверждает некоторые положения эпигенеза. Следовательно, сложно-организованными половыми клетками передаются по наследству не готовые структуры, а инструкции по их изготовлению. Эти инструкции не энтелехия, а программа развития путем специфических синтезов, закодированных молекулами ДНК.