ЦЕЛОСТНОСТЬ ОНТОГЕНЕЗА ПЛАН ЛЕКЦИИ 1. Контроль развития. Морфогенез

ЦЕЛОСТНОСТЬ ОНТОГЕНЕЗА

ПЛАН ЛЕКЦИИ 1. Контроль развития. Морфогенез 2. Биологические аспекты репродукции человека. 3. Критические периоды развития. Влияние условий жизни матери на развитие зародыша и плода. 4. Восстановительные процессы в организме. Регенерация. Трансплантация.

СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МЕХАНИЗМАХ ЭМБРИОНАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ (окончание)

Запрограммированная гибель клеток, или апоптоз два вида апоптоза : 1. апоптоз «изнутри». Задача процесса - убрать поврежденные клетки. Запускается сигналами, возникающими внутри самой клетки при неудовлетворительном ее состоянии - повреждении хромосом, внутриклеточных мембран и т.д. 2. апоптоз «по команде». Наблюдается во вполне нормальных и жизнеспособных клетках, которые с позиции целого организма оказываются ненужными или вредными. Клетка получает из внеклеточной среды сигнал «погибнуть», который передается через мембранные рецепторы. В эмбриональном периоде основным видом программированной клеточной гибели является апоптоз «по команде». Особое значение апоптоз имеет для многих формообразовательных процессов. Нарушение механизма апоптоза приводит к формированию аномалий развития: синдактилии, гипертрихозу, полидактилии

Апоптоз во время нормального развития конечности мыши а - клетки, подвергающиеся апоптозу, мечены желтым; б - та же конечность через 1 сут

ДИФФЕРЕНЦИРОВКА КЛЕТОК Клеточной дифференцировкой (цитодифференцировкой) называется процесс в результате которого клетка становится специализированной, имеющей характерное строение, определенный тип метаболизма, и способной к выполнению определенных функций. В эмбриогенезе человека из одной клетки - зиготы - формируется особь, имеющая нервную, мышечную, соединительную и эпителиальную ткани, в состав которых входит более 220 клеточных типов. Как правило, дифференцируются не отдельные клетки, а группы сходных клеток, которые претерпевают постепенные изменения на протяжении нескольких клеточных циклов. Дифференцировка клеток, гистогенез и морфогенез совершаются в совокупности, причем в определенных участках зародыша и в определенное время.

Роль генетического материала в дифференцировке клеток Все соматические клетки, образующиеся в ходе развития, среди которых и первичные половые клетки, имеют полный набор генетического материала. возникающая в процессе развития специализация клеток - результат дифференциальной (или избирательной) экспрессии генов дифференцировка клеток в процессе онтогенеза является результатом последовательных взаимных влияний цитоплазмы и меняющихся продуктов активности генов. Различные типы клеток используют разные гены из одинакового набора, присутствующего в каждой клетке. экспрессия тех или иных генов происходит избирательно в зависимости от типа клеток, этапа онтогенеза и других факторов

Избирательность синтеза специфических белков клеточной мембраны в ходе дифференцировки нейрона в фоторецептор сетчатки Пример дифференциальной экспрессии генов

Локальные механизмы дифференцировки и детерминации Под экспрессией гена понимают синтез в клетке функционально активной формы белка, кодируемого данным геном. Экспрессия одного и того же гена может подвергаться действию различных регулирующих механизмов. Регуляция транскрипции обеспечивает синтез первичных транскриптов (пре-мРНК) только на определенных структурных генах. Наборы транскрибируемых генов отличаются в разных клетках на разных этапах развития, что и определяет направление их дифференцировки. В многомодульной регуляции транскрипции в эукариотических клетках принимает участие ряд нуклеотидных последовательностей ДНК . Прежде всего, это промоторы и операторы. Наличие нескольких промоторов в одном гене обусловливает альтернативную транскрипцию, т.е. образование различных форм мРНК при инициации считывания с разных промоторов. Еще один механизм избирательной транскрипции структурных генов в дифференцирующихся клетках связан с пространственной организацией хромосом в интерфазных ядрах. Один из широко используемых механизмов в процессинге РНК - альтернативный сплайсинг.

Контактные взаимодействия клеток Межклеточные взаимодействия обеспечивают интегрированность развития особи. Этот механизм действует на протяжении всего онтогенеза, но особенно значимо в период дробления. Воздействовать друг на друга клетки могут следующими способами: формируя межклеточные контакты, за счет диффузии веществ от одной клетки к другой, в результате контакта между клеткой и матриксом, сформированным другими клетками

Возможные варианты межклеточных взаимодействий

Дистантные взаимодействия клеток, тканей и органов Гуморальная регуляция развития осуществляется путем распространения различных веществ через жидкости. Реализуется на расстоянии от источника регуляции (например, железы внутренней секреции). Вещества (лиганды), участвующие в такой регуляции проникают через клеточные мембраны или связываются с рецептором клеточной мембраны. Нервная регуляция развития осуществляется на более поздних стадиях онтогенеза, когда сформируется нервная система и начнет функционировать. Начиная со стадии бластулы, ведущим интегрирующим механизмом онтогенеза становится эмбриональная индукция. Это такое явление, когда эмбриональные закладки предопределяют (индуцируют) закладку и развитие других тканей и органов зародыша. В результате такого взаимодействия запускается цепь формообразовательных процессов. Явление эмбриональной индукции хорошо иллюстрируют опыты Шпемана и его ученицы Г. Мангольд (1921 г.).

Эксперимент Г. Шпемана по пересадке спинной губы бластопора а - схема опыта; б - поперечный срез на стадии закладки двух комплексов осевых органов. 1 - спинная губа бластопора; 2 - презумптивная мезодерма; 3 - презумптивная хорда; 4 - материал донора; 5 - инвагинация; 6 - бластоцель; 7 - первичная инвагинация; 8 - вторичная инвагинация; 9 - хорда; 10 - нервная трубка; 11 - мезодерма; 12 - полость кишки; 13 – энтодерма (Ярыгин, 2011)

Благодаря прогрессу молекулярной биологии оказалось возможным связать индукционные процессы, с активацией или репрессией работы определенных генов, ответственных за синтез специфических белков. Процессы эмбриональной индукции представляют собой каскад взаимодействий, которые определяют последовательное формирование структур и органов зародыша, его полноценное развитие.

1. Морфогенез. Контроль развития Морфогенез - процесс образования структур и органов и их преобразования в процессе онтогенеза.

КОНТРОЛЬ РАЗВИТИЯ Процесс развития находится под контролем генетических и средовых факторов. Средовой контроль развития. В эмбриогенезе млекопитающих выделяют три группы средовых факторов, влияющих на развитие: 1. среда самого развивающегося организма, 2. среда материнского организма 3. внешняя среда (внеорганизменная среда). Среда материнского организма влияет на организм на протяжении всего периода эмбрионального развития.

Генетический контроль развития. Каскадное взаимодействие генов (Ярыгин, 2011)

Гены сегментации Контролируют дифференциацию эмбриона на индивидуальные сегменты. После оплодотворения транскрибируется около 25 генов сегментации, их экспрессия регулируется градиентами белков Bicoid и Nanos. http://bio.fizteh.ru/student/files/biology/biolections/lection15.html

Гомеозисные гены После сегментации и установления ориентации сегментов активируются так называемые геомеозисные гены. Различные их наборы активируются специфическими соотношениями концентраций белков. Продукты гомеозисных генов активируют другие гены, которые определяют сегмент-специфичные особенности. Глаза в норме возникают только на головном сегменте, а ноги – только на грудных сегментах. Нарушения в работе гомеозисных генов нарушают формирование структур тела и могут привести, например, к образованию глаз на лапках у мухи, или к тому, что вместо антенн на голову у нее вырастут ноги. У человека найдены мутации в гомеозисных генах, приводящие к недоразвитию зубов и к другим, более тяжелым нарушениям. У млекопитающих они называются Hox генами (гомеобокс-содержащими генами) и также кодируют белки, регулирующие транскрипции и определяющие структуры тела и их положение в передне-заднем направлении. http://bio.fizteh.ru/student/files/biology/biolections/lection15.html

http://bio.fizteh.ru/student/files/biology/biolections/lection15.html

Мутации у человека гомеозисного гена Нохd13 могут вызывать синполидактилию (Ярыгин, 2011)

Эпигенетический ландшафт Уоддингтона (Ярыгин, 2011) http://bio.fizteh.ru/student/files/biology/biolections/lection15.html В процессе эмбриогенеза осуществление записанной в генах программы развития происходит в конкретных условиях среды. Взаимодействие генов и среды можно описать на следующей модели. Эмбриональное развитие можно сравнить с шариком, катящимся по наклонной поверхности с разными желобками. Такое представление эмбрионального развития, названное эпигенетическим ландшафтом. Самый глубокий желобок (соответствующий наиболее вероятному пути) определяет нормальное развитие организма.

В настоящее время уровень тяжелых врожденных уродств составляет 1-2%, из них около трети по генетическим причинам, около трети – из-за воздействий среды, и для трети причина неизвестна. Подбирая условия среды, соответствующие индивидуальным особенностям организма, можно скомпенсировать часть врожденных дефектов. http://bio.fizteh.ru/student/files/biology/biolections/lection15.html

В ходе морфогенеза реализуются разнообразные межклеточные взаимодействия. В большинстве случаев это происходит посредством взаимодействия сигнальных молекул (лигандов) с рецепторными белками мембран клеток-мишеней. Образующийся лиганд-рецепторный комплекс активирует внутриклеточный сигнальный путь. В итоге достигается изменение экспрессии определенных генов и необходимая реакция клеток-мишеней и реализуется морфогенетический процесс. Каждый сигнальный каскад (сигналлинг) неоднократно включается в разных тканях в процессе развития организмов, регулируя пространственную и временную специфичность экспрессии генов

Целостность онтогенеза На любой стадии развития зародыш представляет собой интегрированное целое, а не сумму бластомеров (клеток). Интеграция развивающихся зародышей непрерывно меняется по мере развития. Основные механизмы интеграции - межклеточные и межзачатковые взаимодействия, а также гуморальная и нервная регуляция.

2. Биологические аспекты репродукции человека.

Первая неделя эмбрионального развития человека 1. Овоцит непосредственно после овуляции. 2. Оплодотворение в интервале 12-ти часов. 3. Стадия мужского и женского пронуклеуса. 4. Дробление. Первое митотическое деление зиготы на клетки бластомеры). 5. Стадия двух бластомеров. 6. Стадия морулы. 7. Вхождение в полость матки. 8. Бластоциста. 9. Стадия ранней имплантации. http://www.tryphonov.ru/tryphonov2/terms2/sysro13_4_2.htm

ЭМБРИОГЕНЕЗ (начальные стадии) http://www.tryphonov.ru/tryphonov2/terms2/sysro13_4_2.htm

А. Поперечное сечение плаценты. Б. Поперечное сечение плацентарной (хорионической) ворсины. Хорионические ворсины омываются материнской кровью и содержат кровеносные сосуды плода. Плацентарный барьер (стрелки голубого цвета) представляет собой стенки кровеносных сосудов плода, состоящую из эпителия ворсинок и соединительной ткани ворсинок. http://www.tryphonov.ru/tryphonov2/terms2/sysro13_4_2.htm Поперечное сечение плаценты.

Экстракорпоральное оплодотворение http://femina.by/news/news-world/nobelevskaya-premiya-avtoru-metoda-eko-osuzhdena-vatikanom/ lastbabylon.com

3. Критические периоды развития. Влияние условий жизни матери на развитие зародыша и плода.

Критические периоды развития Российский эмбриолог П. Г. Светлов (1960) сформулировал теорию критических периодов развития и проверил ее экспериментально. Суть: каждый этап развития зародыша в целом и его отдельных органов начинается относительно коротким периодом качественно новой перестройки, сопровождающейся детерминацией, пролиферацией и дифференцировкой клеток. В это время эмбрион наиболее восприимчив к повреждающим воздействиям различной природы (рентгеновское облучение, лекарственные средства и др.). Повреждающими экзогенными факторами в критические периоды могут быть химические вещества, в том числе многие лекарственные, ионизирующее облучение (например, рентгеновское в диагностических дозах), гипоксия, голодание, наркотики, никотин, вирусы и др. Химические вещества и лекарства, проникающие через плацентарный барьер, особенно опасны для зародыша в первые 3 мес. беременности, так как они не метаболизируются и накапливаются в повышенных концентрациях в тканях и органах зародыша. Наркотики нарушают развитие головного мозга. Голодание, вирусы вызывают пороки развития и даже внутриутробную гибель. http://lib.znate.ru/docs/index-132093.html?page=7

http://lib.znate.ru/docs/index-132093.html?page=7 Критические периоды развития имеются в прогенезе, эмбриогенезе и постнатальной жизни. К ним относятся: 1) развитие половых клеток - овогенез и сперматогенез; 2) оплодотворение; 3) имплантация (7 - 8-е сутки эмбриогенеза); 4) развитие осевых зачатков органов и формирование плаценты (3 - 8-я неделя развития); 5) стадия усиленного роста головного мозга (15 - 20-я неделя); 6) формирование основных функциональных систем организма и дифференцировка полового аппарата (20 - 24-я неделя); 7) рождение; 8) период новорожденное (до 1 года); 9) половое созревание (11 - 16 лет). Цветом выделены общие критические периоды Критические периоды развития в онтогенезе человека

Критические периоды внутриутробного развития http://lib.znate.ru/docs/index-132093.html?page=7

www.myshared.ru -

Влияние условий жизни матери на развитие зародыша и плода. http://bono-esse.ru/blizzard/Vredf/toxiko.html www.gynhealth.ru supersyroed.mybb.ru

http://dok.opredelim.com/docs/index-7868.html

Сроки возникновения некоторых анамалий развития эмбрионов и плодов у человека http://dok.opredelim.com/docs/index-7868.html Сроки возникновения некоторых аномалий развития эмбрионов и плодов у человека

4. Восстановительные процессы в организме. Регенерация. Трансплантация.

Регенерация Регенерация(regeneratio-возрождение) – процесс восстановления организмом утраченных или поврежденных структур. Проблема регенерации представляет первостепенный интерес для медицины, особенно для восстановительной хирургии. Виды регенерации: Физиологическая – восстановление, обновление органов, тканей, клеток или внутриклеточных структур после разрушения их в процессе жизнедеятельности организма. Репаративная – восстановление структур после травмы или действия других повреждающих факторов Патологическая –происходит разрастание тканей, не идентичных здоровым тканям в этом органе

Физиологическая регенерация свойственна всем организмам. Связана с восстановлением утраченных структур в процессе обычной жизнедеятельности организма. Регенерация может осуществляться на: 1. субклеточном, 2. клеточном, 3. тканевом, 4. органном уровнях.

Репаративная регенерация Восстановление части тела организма, отторгнутой насильственным путем (гp. reparatio — возмещение). а - гидра; б - плоский червь; в - морская звезда; г - восстановление морской звезды из луча http://vmede.org/sait/?page=11&id=Biologiya_yarigin_t1_2011&menu=Biologiya_yarigin_t1_2011