Механизмы клеточной дифференцировки в эмбриогенезе: ооплазматическая сегрегация, эмбриональная индукция, генная активность. Понятие о гомеозисных генах.
Ооплазматическая сегрегация яйцеклетки
Ооплазматическая сегрегация: перераспределение биологически активных молекул (локальных детерминант) в цитоплазме яйцеклетки в результате ее активации.
Во время движения мужскогопронуклеусав яйце происходят сложные перемещения цитоплазмы. В результате она становится более неоднородной. Эти процессы получили название ооплазматическои сегрегации (разделения). Они хорошо заметны в тех случаях, когда разные участки цитоплазмы содержат разноцветные гранулы (желток, темный пигмент и др.). У хорошо изученных в этом отношенииасцидий(сидячих морских животных) иамфибийперемещения цитоплазмы приводят к тому, что яйцеклетка приобретает двустороннюю симметрию. Так, у амфибий напротив точки вхождения сперматозоида формируется светлый участок цитоплазмы - "серый серп".Кортекс яйца(наружный слой толщиной в несколько мкм) поворачивается примерно на 30* относительно внутренних слоев яйца в направлении, которое зависит от места проникновения сперматозоида. При этом возникает "серый серп", который расположен напротив места проникновения сперматозоида. Уасцидий Styelaна этом месте образуется "желтый серп" - здесь скапливается желтый пигмент, который до этого был распределен равномерно в поверхностном слое цитоплазмы. В обоих случаях плоскость, проведенная через точку вхождения сперматозоида и середину "серпа", становится плоскостью первого деления зиготы и плоскостью симметрии.
В яйцеклетках асцидий удается обнаружить и другие области, различающиеся по составу и цвету включений. Наблюдения показали, что эти области цитоплазмы попадают в строго определенные клетки зародыша, из которых формируются строго определенные ткани. Механизмы движения цитоплазмы в деталях не изучены. Очевидно, что главную роль в этих перемещениях играетцитоскелет. В частности, важная роль может принадлежатьцентриолисперматозоида и отходящим от нее микротрубочкам. С помощью вещества колхицина, нарушающего сборку микротрубочек, ооплазматическую сегрегацию удается подавить.
Можно предположить, что в разных участках цитоплазмы яйцеклетки содержатся различные вещества (их назвалилокальными детерминантами, т.е. "определителями"), которые определяют судьбу клеток. (Еще один пример локальных детерминант - это вещества полярных гранул, наличие которых необходимо и достаточно для развития первичных половых клеток). Один из экспериментов, которые ставились для проверки этой гипотезы, заключался в центрифугировании яиц асцидий. При быстром вращении в центрифуге разные зоны цитоплазмы меняют свое расположение и частично смешиваются. Уасцидийэто приводит к тому, что образуются "хаотические" зародыши. У них имеются, как и в норме, мышечные, нервные, покровные и другие клетки. Однако клетки эти беспорядочно расположены и не образуют органов. В других опытах центрифугирование не приводило к нарушению развития. Возможно, это связано с тем, что локальные детерминанты прочно связаны с элементами цитоскелета, которые не удается сместить центрифугированием. Можно сделать вывод, что у таких животных, как асцидий, уже в яйце "намечаются" будущие стороны тела и расположение основных органов зародыша. Эта разметка представляет собой неравномерное распределение локальных детерминант. Попадание детерминант в клетку определяет ее дальнейшую судьбу.
Химическая природа локальных детерминант во многих случаях не изучена, так как выделить их в чистом виде не удается. Однако механизмы их действия интенсивно изучаются современными методами. Так, в клетках зародыша асцидий первыми признаками дифференцировки клеток служит появление в них специфических ферментов. В будущих мышечных клетках появляется фермент ацетилхолинэстераза, в клетках кишечника - фермент щелочная фосфатаза. Можно выявлять активность этих ферментов и тем самым узнать, началась ли дифференцировка. Оказалось, что в ряде случаев подавление транскрипции нарушает дифференцировку. Можно предполагать, что в этих случаях локальные детерминанты - это активаторы транскрипции соответствующих генов.
Эмбриональная индукция — взаимодействие между частями развивающегося организма у многоклеточных беспозвоночных и всех хордовых.
История эмбриологии сохранила сведения о многочисленных экспериментах по пересадке частей развивающихся зародышей. Среди них работы немецкого ученого Г.Шпеманаи его последователей, которые установили, что если у зародыша на стадиигаструлывзять участокэктодермы, который должен развиться в нервную трубку, и пересадить его в зародыш на той же примерно стадии развития в эктодерму брюшной стороны другого зародыша, находящегося примерно на той же стадии развития, то в месте трансплантации начинает развиваться сначала нервная трубка, затем другие компоненты осевых органов. В результате в зародыше-хозяине возникает вторичный зародыш, который от первичного лишь незначительно отличается величиной. Г. Шпеман назвал это явление эмбриональной индукцией, во время которой трансплантат выступает в роли организатора, направляющего развитие окружающих клеток. В дальнейшем было обнаружено, что роль организатора могут играть не только определенные участки развивающихся зародышей, но и вещества самого различного происхождения. Ученые пришли к выводу, что эффект индукции на ранних этапах развития зародыша заключается в том, что клетки в месте трансплантации, поврежденные операцией, выходят из-под контроля сложившихся клеточных взаимоотношений и начинают развиваться в направлении целого организма.
Один из наиболее ранних в развитии и известных случаев эмбриональной индукции - до сих пор один из наиболее впечатляющих и, несмотря на поразительный прогресс молекулярной эмбриологии, до сих пор таинственный. Если удалить зрительный пузырек, тохрусталикне образуется; если зрительный пузырек имплантировать под эпидермис в какой-либо другой части тела, даже в туловище, в этом месте индуцируется хрусталик.