Теоретические вопросы эмбриологии

История эмбриологии: 1: преформизм и эпигенез
17 век, только изобрели микроскоп.
Часть исследователей – преформисты – видели в сперматозоиде маленького человечка
Анималькулисты считали, что зародыш заключен в сперматозоиде; овисты – в яйцеклетке
Эпигенетики отрицали наличие маленького зародыша. Все образуется заново, считали они

2. В 19 веке развитие получила экспериментальная эмбриология
Неопреформисты ( Ру) – уже в яйце строго детерминировано развитие зародыша
Неоэпигенетики (Дриш) – развитие регулируется
Правы и те и другие, поскольку у одних видов развитие строго детерминировано с самого начала (например, круглые черви): у других детерминация наступает позднее, как у большинства Хордовых

Опыт Вильгельма Ру, доказывавший мозаичное развитие
Горячая игла
2 бластомера
зигота
бластула
нейрула
Дробление
Половинка зародыша
Нет развития

У круглого червя С.elegans детерминация развития происходит уже на стадии 2 –х бластомеров. Точно известно общее число клеток червя (959) и что из чего разовьется

Для тех, кому интересно, что у нематоды из какого бластомера развивается.
Примерная схема дифференцировки клеток С.elegans

Опыт, доказывавший регулятивное развитие
лигатура
8-клеточный зародыш
16-клеточный
140 дней
Зиготу перетянули так, что ядро осталось на правой половине. Там зародыш развивался до стадии 8 или 16 клеток, а затем одно из ядер бластомеров переносили в левую половину. Развивалось 2 зародыша тритона.
Это доказывает тотипотентность клеток на стадии дробления и способность к регуляции развития

У хордовых детерминация наступает позже
Различают детерминацию лабильную – когда клетка может еще изменить путь развития
и стабильную, когда путь дифференцировки клетки окончательно предопределен
(например, на стадии гаструлы пересадка ДГБ может изменить судьбу эктодермы, а не стадии нейрулы – уже поздно!)

Фотография сортировочной станции из учебника С. Гилберта «Биология развития» иллюстрирует процесс детерминации развития.
Существуют определенные гены, которые «переводят стрелки» (селекторные гены, гены-переключатели)

Карты презумптивных зачатков были составлены на основе метода Фогта, разработанного в 1920-х годах
Кусочки агара с безвредными (прижизненными) красителями помещались на поверхность бластулы зародыша. Краска проникала в клетки и окрашивала их.
После клеточных перемещений в ходе гаструляции получалась карта презумптивных зачатков (fate map)
Анимальный полюс
Вегетативный полюс
хорда
Брюшная сторона зародыша
Спинная сторона
эпидермис
Нервная система
энтодерма
почки
сомиты, сердце

3. Таким образом, в ХХ веке стало общепринятым, что развитие связано с дифференциальной активностью генов

Гипотеза дифференциальной активности генов
Ядро каждой клетки содержит полный набор генов
В каждой клетке экспрессируются лишь гены, специфичные для данного типа клеток
Не используемые гены не разрушаются, а лишь выключаются.

Доказательства этого:
Политенные хромосомы двукрылых
Опыты по пересадке ядер (клонирование)
Dolly the sheep

Схема опыта
Клетка из вымени овцы-донора
ядро
Яйцеклетка овцы-суррогатной матери
Ядро удаляется
яйцеклетка
Слияние клеток под действием электрошока
Дробление
Зигота с ядром соматической клетки
Зародыш на стадии морулы
Помещают в матку матери
Суррогатная мать
Развивается ягненок - Долли
Клонированное животное

The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1995
«for their discoveries concerning the genetic control of early embryonic development» - за открытия в области контроля раннего зародышевого развития
Edward B. Lewis
Christiane Nüsslein-Volhard
Eric F. Wieschaus

Дифференциальная активность генов в развитии дрозофилы
Сперва включаются гены, отвечающие за передне-заднюю полярность
Затем гены, подразделяющие тело на несколько больших сегментов
Потом – на меньшие сегменты
Потом включаются гомеозисные (селекторные) гены, определяющие свойства каждого сегмента (см. ниже)
Гомеозисные гены ( у человека НОХ гены)

Действие гомеозисных генов приводит к формированию различных структур в каждом из сегментов
как в области головы,

так и хвоста
клоака
Тонкая кишка
Слепая кишка
Толстая кишка

НОХ – гены хорошо изучены

Полагают, что у человека мутация в гомеозисном гене РАХ6 приводит к аниридии – отсутствии радужной оболочки глаза человека

Ретиноевая кислота (витамин А) тератоген. Его избыточные дозы нарушают функции НОХ генов 1-4. Матери 2 из 3 эмбрионов мыши получали избыток витамина с кормом