(др. -греч. ἔμβρυον — зародыш и διάπαυσις — перерыв) любой механизм вре менной задержки развития эмбриона, может происходить на различных стадиях онтогенеза У плацентарных этот процесс преимущественно носит название задержанная имплантация Обнаружена среди несвязанных таксономических групп — от растений и насекомых и до хищных: у коловраток, низших ракообразных, саранчовых, тутового шелкопряда, у птиц и рыб, у около сотни видов млекопитающих, относящихся к 7 отрядам из 21
Гибернация у американского суслика Arctic ground squirrel Spermophilus parryii
Летняя спячка (эстивация) у двоякодышащих рыб
Диапауза Жизненный цикл нотобранхиуса Гюнтера Notobranchius guentheri 1. нерест в течение нескольких месяцев 2 икра отложенная в ил на дне небольшого водоема 3 пересыхание водоема и гибель взрослых особей 4 начало сезона дождей, вылупление мальков 5 быстрый рост мальков 6 достижение половозрелости через 4 -8 недель после вылупления малька
История изучения диапаузы Уильям Гарвей (1578 -1657) 1854 - первое научное описание задержанной имплантации дал Бишофф (Bischoff), изучая европейских косуль
История изучения диапаузы Bombyx mori 1893 Уилер (Wheeler) ввел термин «диапауза» - стадия покоя между разнонаправленными движениями эмбриона длинноусых прямокрылых в желтке 1904 Хеннегуй (Henneguy) «диапауза» - остановка развития как эмбриона, так и взрослого насекомого 1936 Стейнбергом (Steinberg) и Каменски (Kamensky) два типа диапаузы — факультативная и облигатная 1924 Ватанабе (Watanabe) диапауза у яиц шелкопряда из-за «ингибирующего» вещества от материнского мотылька 1951 Фукуда (Fukuda), Кинсаку Хасегава (Kinsaku Hasegawa) выводы о нейрогормональном механизме управления диапаузой у шелкопряда 1991 выделен гормон диапаузы (М= 2645 а. е. м. ) из 24 аминокислот
История изучения диапаузы австралийский зоолог Сесиль Хью Тиндэйл-Бриско (Cecil Hugh Tyndale-Briscoe) (1929 года рождения) предложил термин «эмбриональная диапауза» (embryonic diapause) Tyndale-Biscoe, C. H. The role of the corpus luteum in the delayed implantation of marsupials/ Enders, А. С. // Delayed Implantation. — University of Chicago Press, 1963. — P. 15— 28.
История изучения диапаузы 1980 -ые Микаэль Санделл (Mikael Sandell) и Кэролин Кинг (Carolyn M. King) малая ласка (Mustela nivalis) горностай (Mustela erminea) 1 — соболь 2 — лесная куница 3 — харза 4 — перевязка 5 — горностай 6 — ласка 7 — черный хорек 8 — медоед Семейство куньи 9 — барсук 10 — росомаха 11 — европейская норка 12 — выдра 13 — калан Обобщающий анализ 2000 -ые Майкл Том (Michael Thom)
Рекордная продолжительность диапаузы У бабочки Yucca moth (Lepidoptera: сем. Prodoxidae) зафиксирована самая долгая диапауза Взрослых насекомых бабочки Yucca baccata (Agavaceae) вывели из личинок через 19 лет диапаузы
Диапауза у насекомых Ø Раннеэмбриональная (на ранних стадиях развития эмбриона). Ø Среднембриональная (после формирования нейроэндокринной системы). Ø Позднеэмбриональная (развившаяся личинка, до выхода из яйцевой оболочки) Bombyx mori 1991 Имаи выделил гормон диапаузы (М= 2645 а. е. м. ) из 24 аминокислот Синтез гормона в подглоточном ганглии куколки увеличивает содержание в яйцах гликогена и пигмента Диапауза у ракообразных Artemia franciscana влияют: Ø фотопериод Ø изменения температуры Ø концентрация кислорода циста
Ø эмбриону в состоянии покоя дожидаться, пока внешние условия не станут более благоприятными для его выживания Ø увеличить промежуток времени между оплодотворением и рождением без изменения скорости конкретных процессов развития • карпозубые • черепахи • сумчатые • высшие звери
Распространенность эмбриональной диапаузы у млекопитающих Встречаемость Таксон диапаузы У большинства родов в семействах У отдельных родов в семействах СУМЧАТЫЕ (MARSUPIALS) Отряд двурезцовые (Diprotodonta) Кенгуровые (Macropodidae) Поссумы медоеды (Tarsipedidae) ПЛАЦЕНТАРНЫЕ Отряд хищные (Carnivora) Куньи (Mustelidae) Медвежьи (Ursidae) Ушастые тюлени (Otariidae) Настоящие тюлени (Phocidae) СУМЧАТЫЕ Перохвостые летяги (Acrobatidae) Сумчатые сони (Burramyidae) ПЛАЦЕНТАРНЫЕ Отряд грызуны (Rodentia) Хомяковые (Cricetidae) Мышиные (Muridae) Шиншилловые (Chinchillidae) Кол-во видов 22 1 15 6 7 13 2 3 12 5 1
Распространенность эмбриональной диапаузы у млекопитающих Встречаемость диапаузы Таксон У несколько ПЛАЦЕНТАРНЫЕ родов семейства Отряд насекомоядные (Insectivora) Землеройковые (Soricidae) Кротовые (Talpidae) Отряд рукокрылые (Chiroptera) Крыланы (Pteropidae) Гладконосые летучие мыши (Vespertilionidae) Отряд Неполнозубые (Edentata) Броненосцы (Dasypodidae) Отряд Парнокопытные (Artiodactyla) Оленевые (Cervidae) Кол-во видов 3 1 1 2 2 1
Ø обязательная (облигатная, сезонная) по меньшей мере у 53 видов в 7 отрядах, 10 семействах; у 34 % куньих, а в целом по млекопитающим менее чем 0, 05 % Ø факультативная (необязательная, лактационная) есть канадская речная выдра (Lontra canadensis ) западный пятнистый скунс (Spilogale putorius) горностай (Mustela erminea) нет выдра обыкновенная (Lutra lutra ) малая ласка (Mustela nivalis) восточный пятнистый скунс (Spilogale putorius gracilis)
Имплантация у мыши В ответ на эстрогены в матке секреция EGF (TGFβ, HB EGF) и LIF betacellulin, epiregulin
Основные гены, участвующие в имплантации
Рост бластоцисты мыши в диапаузе обратимо остановлен до имплантации в матку диапауза имплантация
Задержанная имплантация у приматов Введение макакам диклофенака (ингибитор синтеза простагландина) вместе с мисопростолом (аналог простогландина Е 1) приводят к задержке имплантации до 6 суток В 1996 года описан случай задержки имплантации на 5 недель после ЭКО. Пациентка ранее родила четырёх детей, причём основываясь на дате последней менструации, третий ребёнок родился на пять недель, а четвёртый — на две недели позже обычного срока человеческой беременности.
Эмбриональная диапауза у млекопитающих Задержанная имплантация Состояние бластоцисты Факультативная Облигатная (сезонная) Состояние желтого тела Нет роста, однослойная бластоциста, есть zona pellucida Кенгуру и валлаби Таммар и валлаби Беннетта Не активно Нет роста, однослойная бластоциста, нет zona pellucida Лабораторная мышь, лабораторная крыса - Активно Небольшой рост, однослойная бластоциста, есть zona pellucida - Куницы, медведи, тюлени, хоботноголовый кускус, карликовые кускусы Не активно
Эмбриональная диапауза у млекопитающих Задержанная имплантация Состояние бластоцисты Факультативная Облигатная (сезонная) Состояние желтого тела Небольшой рост, однослойная бластоциста, нет zona pellucida - косули, броненосец (? ) Не активно Бластоциста имплантировалась, но не дифференцировалась - Летучие мыши ?
Факультативная vs облигатная диапауза у млекопитающих Облигатная Факультативная Грызуны, сумчатые Куньи, тюлени, косуля, некоторые летучие мыши, броненосцы Состояние бластоцисты В оболочке у сумчаиых, прошел хэтчинг у грызунов В оболочке у хищных, прошел хэтчинг у косули и броненосцев Митозы в эмбрионе Нет У некоторых немного в трофобласте Инициация диапаузы Лактация или метаболический стресс Есть при любой беременности Экзогенный стимул выхода Окончание грудного из диапаузы вскармливания (фотопериодизм у некоторых сумчатых) Фотопериодизм Эндогенный стимул выхода из диапаузы Секреция пролактина, неизвестные факторы яичника Эстроген яичников (грызуны), снижение пролактина (сумчатые) Lopes F. L. , Desmarais J. A. , Murphy B. D. / Reproduction, 2004, 128: 669 -678
Фазы эмбриональной диапаузы Ø Наступление диапаузы и прекращение деления клеток the entry into diapause Ø Поддержка диапаузы the maintenance of diapause Ø Выход из диапаузы, реактивация развития reactivation after diapause
Гены, экспрессия которых различна в активных и покоящихся бластоцистах Кодируют молекулы, участвующие в: Ø контроль клеточного цикла и пролиферации клеток Ø контроль энергетический обмена и обмена углеводов Ø сигнальные каскады Ø транспорт в ядро Ø перестройка хроматина Ø адгезия
Остановка и возобновление развития бластоцисты грызунов → ← 4 -OH-E 2 (ПГE 2) (ц. АМФ) Развивающаяся бластоциста EGFR ↑ ; COX-2 ↑ ; H 2 -R ↑; CB 1 ↓ Диапазирующая бластоциста EGFR ↓ ; COX-2 ↓ ; H 2 -R ↓; CB 1 ↑ EGFR — рецептор эпидермального фактора роста COX-2 — циклооксигеназа-2 H 2 -R — гистаминовый рецептор 2 -го типа CB 1 — каннабиноидный рецептор мозгового типа 4 -OH-E 2 — 4 -гидроксиэстрадиол ПГE 2 — простагландин Е 2
Диапауза у карликового летающего кускуса (Acrobates pygmaeus) feathertail glider – «перьехвостый планер»
Бластоцисты в диапаузе Карликовый летучий кускус Западный пятнистый скунс Renfree, Shaw / Annu Rev Physiol, 2000, 62: 353 -375
Диапазирующие бластоцисты, три варианта диапазузы мышь норка валлаби
Контроль лактационной и сезонной диапаузы у Macropus eugenii suprachiasmatic nucleus superior cervical ganglion prolactin-inhibiting factor с января по май - лактационная Renfree, Shaw / Annu Rev Physiol, 2000, 62: 353 -375
Развитие эмбрионов Macropus eugenii нет сосунка есть сосунок Renfree, Shaw / Annu Rev Physiol, 2000, 62: 353 -375
Macropus eugenii время от инъекции экзогенного прогестерона, удаления сосунка (RPY) и эструса до лактационной диапаузы, пика эндогенного прогестерона, реактивации и родов Renfree, Shaw / Annu Rev Physiol, 2000, 62: 353 -375
Гормональные и метаболические изменения при реактивации эмбрионального развития у Macropus eugenii Rising progesterone stimulates uterine changes that result in embryonic reactivation. The role of the peak of estradiol on day 5 is unclear. Progesterone alone will induce reactivation and support pregnancy. Renfree, Shaw / Annu Rev Physiol, 2000, 62: 353 -375
Гормональные изменения при эмбриональном развитии у поссумамедоеда или хоботноголового кускуса (Tarsipes rostratus)
Выход из диапаузы - реактивация развития у тюленей Ramsdell, Zabka / Mar. Drugs, 2008, 6: 262 -290
Strategies for photoperiodic modulation of diapause employ melatonin and prolactin for contrasting purposes Copyright © 2010 Society for Reproduction and Fertility Reproduction. 2004 Dec; 128(6): 669 -678
Summary of uterine influences that could be acting on the dormant embryo in the rodent model to terminate the mitotic arrest of diapause Copyright © 2010 Society for Reproduction and Fertility Reproduction. 2004 Dec; 128(6): 669 -678
Регуляция и роль LIF Регуляция: Прогестерон желтого тела (кролики, люди) Эстрадиол желез яйцеводов (коровы) Эстроген яичников (мыши) Эстроген эмбриона (свиньи) Влияние на пролиферацию и дифференцировку ЭСК 24 часа после пассажа 1000 U/ml LIF 48 часов после пассажа 1000 U/ml LIF 24 часа после пассажа 48 часов после пассажа
Some of the potential cell cycle regulatory mechanisms controlling the entry of the mammalian embryo into diapause by mitotic arrest and consequent developmental recrudescence by re-initiation of mitotic activity Reproduction. 2004 Dec; 128(6): 669 -678 Copyright © 2010 Society for Reproduction and Fertility
Сравнение экспрессии активной и диапазирующей бластоцист Hamatani et al. / PNAS, 2004, 101, 28: 10326 -10331
Бластоциста мыши в состоянии покоя В бластоцисте примерно 120 клеток Ядерно-плазменное отношение примерно как в соматических клетках Остановка на 8 -ом клеточном цикле деления дробления
Модели задержанной имплантации у мыши 1) Пересадка эмбрионов в яйцеводы неполовозрелых самок 2) Экспериментальная диапауза Ø Овариоэктомия на четвертый день беременности Ø Ежедневная инъекция прогестерона в течение 5 -7 дней Ø Имплантацию индуцирует инъекция эстрадиола-17β Применение моделей задержанной имплантации ØОценка выживаемости бластоцист и потребностей эмбрионов в период диапаузы ØПолучение монозиготных двоен ØИзучение «окна» имплантации ØАнализ экспрессии гена рецептора эпидермального фактора роста ØИзучение экспресии антигенов на поверхности доимплантационных эмбрионов мыши
Факультативная диапауза у мыши возникает, когда самка не способна обеспечить состояние матки для непрерывного эмбрионального развития имплантация и развитие бластоциста с задержанной имплантацией подготовленная самка-реципиент культивирование in vitro повышение уровня метаболизма, на него не влияет прогестерон и/или эстроген в среде диапауза активная бластоциста самка после овариоэктомии и инъекции прогестерона
Экспериментальная диапауза у овцы Ptak G. E. et al. / Plos ONE, 2013, 3: e 33027
Обратимость экспериментальной диапаузы у овцы Ptak G. E. et al. / Plos ONE, 2013, 3: e 33027
Механизмы диапаузы разнятся гибель бластоцист (сумчатые) Овариоэктомия Секреция пролактина эпифизом Работа желтого тела, оценка по секреции прогестерона возобновление развития и имплантация (броненосец) блок имплантации (валлаби) стимуляция развития и ускорение имплантации (норка, пятнистый скунс) неизменна (косули, броненосец) низкий уровень (хищные)
Происхождение диапаузы. Конвергентная эволюция vs однократное эволюционное событие Однократное возникновение диапаузы Диапауза возникла несколько раз в эволюции Можно вызвать факультативную диапаузу искусственно Диапауза есть у многих видов животных с разными механизмами имплантации и плацентации Наличие/отсутствие у близкородственных видов Различные варианты механизмов эндокринной регуляции диапаузы Индукция диапаузы у недиапазирующих видов переносом эмбрионов в покоящуюся (диапазирующую) матку Сильные отличия диапазирующих эмбрионов у разных видов Сходство механизмов регуляции со стороны матки Всегда происходит на стадии бластоцисты Fenelon J. C. et al. // Int. J. Dev. Biol. l, 2014, 58: 163 -174
