Объект предмет и основные проблемы эмбриологии Полезные

Объект, предмет и основные проблемы эмбриологии

Полезные ссылки и контакты • Глаголев Сергей Менделевич • 8 -495 -330 -50 -59 д. , sglagolev@yandex. ru • http: //www. ncbi. nlm. nih. gov/books/NBK 9983/ - 6 е издание «Биологии развития» С. Гилберта • http: //9 e. devbio. com – 9 -е издание • http: //php. med. unsw. edu. au/embryology/index. p hp? title=Main_Page – UNSW Embryology • http: //www. embryo. pu. ru/Evo. Devo. php - курс лекций по эволюционной биологии развития СПб. ГУ

Общий план курса • Лекция 1. Объект, предмет и основные проблемы эмбриологии Разнообразие онтогенезов и жизненных циклов. Общий обзор развития животных. • Лекция 2. Кто и как читает ДНК, или что умеют делать клетки Путь от гена к признаку. Что делают клетки в ходе развития организма. Механизмы взаимодействия клеток.

Общий план курса • Лекция 3. Дифференцировка клеток Изменения генома vs. дифференциальная экспрессия генов. «Детерминированное» развитие: локальные детерминанты и дифференцировка бластомеров. «Недетерминированное» развитие: роль положения и взаимодействий клеток в дифференцировке. Поддержание структуры тканей. Клеточная память. Обратимость дифференцировки.

Общий план курса • Лекция 4. Индукционные взаимодействия в развитии Роль индукционных взаимодействий в развитии зародышевых листков у амфибий. Нейральная индукция и проблема региональной специфичности. Индукционные взаимодействия в органогенезе позвоночных. Индукция при «детерминированном» развитии (нематоды).

Общий план курса • Лекция 5. Создание упорядоченности 1. Концепция морфогенов и модели морфогенеза. Морфогенез - главная проблема эмбриологии. Примеры самоорганизации в неживых системах. Модель «трехцветного флага» и ее предсказательная сила. Реакционно-диффузионные модели морфогенеза, их реализация: ось тела гидры, развитие цветка, образование периодических паттернов окраски.

Общий план курса • Лекция 6. Создание упорядоченности 2. Закладка осей тела и плана строения животных: генетическая регуляция морфогенеза. Закладка передне-задней оси тела дрозофилы. Сходство спецификации передне-задней оси у дрозофилы и позвоночных. Закладка других осей тела. Развитие осей конечностей позвоночных. Регуляция право-левой асимметрии.

Общий план курса • Лекция 7. Создание упорядоченности 3. Развитие нервной системы Направленный рост аксонов и поиск ими клетокмишеней – пример создания упорядоченности. Опыты Сперри: «хемоаффинная» гипотеза и ее варианты. Подтверждения гипотезы и противоречащие ей факты. Другие механизмы создания упорядоченности в нервной системе.

Общий план курса • Лекция 8. Механизмы перестройки онтогенеза в эволюции. Соотношение онтогенеза и филогенеза. Консервативность генных каскадов и их перестройка в эволюции. Гетерохрония и гетеротопия как основные механизмы появления эволюционных новшеств.

Предмет эмбриологии • Изучение развития – относительно необратимых процессов в организме • Эмбриология = биология развития (изучаются не эмбриональные стадии, а любые) • Необратимость процессов относительна (память) – размытая граница между эмбриологией и физиологией

Основные проблемы эмбриологии • Как из яйца получается цыпленок?

Наследственность и ее роль в развитии • Король. Деспот. А кроме того, я коварен, злопамятен, капризен. Хозяин. Вот видишь? Что я тебе говорил, жена? • Король. И самое обидное, что не я в этом виноват. . . • Хозяин. А кто же? • Король. Предки. Прадеды, прабабки, внучатные дяди, тети разные, праотцы и праматери. Они вели себя при жизни как свиньи, а мне приходится отвечать. Паразиты они, вот что я вам скажу, простите невольную резкость выражения. Я по натуре добряк, умница, люблю музыку, рыбную ловлю, кошек. И вдруг такого натворю, что хоть плачь. • Хозяйка. А удержаться никак не возможно? • Король. Куда там! Я вместе с фамильными драгоценностями унаследовал все подлые фамильные черты. Представляете удовольствие? Сделаешь гадость - все ворчат, и никто не хочет понять, что это тетя виновата.

Основные проблемы эмбриологии • А почему цыпленок? Потому что мама – курица! • Как геном направляет развитие организма? Проблема генетической регуляции развития • Путь от гена к признаку • Взаимодействие генов в развитии • Влияние условий среды

Основные проблемы эмбриологии • Яйцо и цыпленок состоят из клеток и продуктов их секреции • Что происходит с клетками? • Дифференцируются – становятся разными. За счет чего? (проблема дифференцировки) • Делятся до достижения органами определенного размера. Как они вовремя останавливаются? (проблема роста)

Основные проблемы эмбриологии • Клетки упорядоченно располагаются. Как возникает эта упорядоченность? Главная проблема эмбриологии – проблема морфогенеза

Описательной эмбриологии работа тоже найдется…

Основные проблемы эмбриологии • У цыпленка были предки – рептилии, амфибии, рыбы, …, одноклеточные • Как в ходе эволюции меняется развитие и как благодаря этому меняется строение взрослых форм? Проблема эволюции развития

Объект эмбриологии • Эмбриологи думают, что они изучают онтогенезы • А на самом деле они (как и зоологи, ботаники, микробиологи и протистологи) изучают жизненные циклы!

Онтогенез • Онтогенез (индивидуальное развитие) – развитие особи от момента появления до момента исчезновения (смерти или разделения) • Относительно необратимые процессы • Границы особи не всегда легко определить…

Онтогенез есть и у одноклеточных • Развитие створки у диатомей • http: //www. ncbi. nlm. nih. gov/pmc/articles/PMC 3000822/

Сложный онтогенез протистов

Онтогенез многоклеточных • Складывается из клеточных онтогенезов (дифференцировка клеток) • Требует размножения (деления) клеток • Одно поколение (онтогенез) многоклеточных соответствует многим поколениям одноклеточных А. А. Захваткин (1906 -1950)

Это – онтогенез лягушки

Модулярные организмы

Бесполое (вегетативное) размножение животных

Образование колоний

Колониальные пелагические оболочники

Крупная колония сальп

Жизненный цикл • Жизненный цикл – последовательность всех онтогенезов, характерных для данного вида

У кого/чего еще есть онтогенез и жизненный цикл? • • У вирусов? У белков? У молекул ДНК? …?

Жизненный цикл – «воспроизведение себе подобных через себе не подобных» (Т. Д. Лысенко) • Это – жизненный цикл лягушки

Способы размножения • Часто чередуются бесполое и половое размножение и сменяются ядерные фазы

При половом размножении сливаются клетки или ядра

Простой жизненный цикл без полового размножения • (нет «себе не подобных» )

Сложный цикл без полового размножения

Сложный жизненный цикл с половым размножением

Жизненные циклы многоклеточных

Два типа многоклеточности • Вольвоксовые Слизевики

http: //www. nikon. com/about/feelnik on/light/chap 02/sec 04. htm

Вольвокс – многоклеточная водоросль

Половое размножение вольвокса Индуктор пола: гликопротеид, производится сперматозоидами, эффективен в концентрации 10 -17 моль/л

Эволюция пола • Хламидомонада: хлоропласт наследуется от + -гаметы, митохондрии – от - -гаметы • Вольвокс: хлоропласт и митохондрии наследуются от яйцеклетки • Ген «otokogi» (рыцарь, помогающий слабым) есть только у самцов вольвокса, его гомолог – только у – -гамет хламидомонады

Слизевик Dictyostelium discoideum

Многоклеточные стадии диктиостелиума

Плазмодиальные споровики

Инфузория Sorogena образует плодовые тела

Миксобактерии тоже образуют плодовые тела

Облигатная одноклеточность прокариот сильно преувеличена…

Диктиостелиум – один из модельных объектов эмбриологии • Легко содержать в лаборатории • Короткое время генерации • Удобство работы с клетками (клеточными культурами) • Есть инбредные (чистые) линии, разработаны методы генетической трансформации • Геном секвенирован

Главные модельные объекты эмбриологии

Жизненный цикл высших растений

Вероятное происхождение жизненного цикла Metazoa • http: //www. evolbiol. ru/large_files/aleoshin 2009. pdf

Простой жизненный цикл животных

Гаметы – отдельное «бессмертное» поколение жизненного цикла

Стадии онтогенеза гамет и многоклеточного поколения животных

Гаметогенез • У большинства животных рано обособляются первичные половые клетки (ППК) • На заднем конце тела у насекомых и позвоночных • У гидр, планарий, губок и др. их нет – образуются в любой части тела из стволовых клеток

У дрозофилы – «полярная плазма» попадает в полярные клетки (обособляются первыми) • Облучение УФ с определенной длиной волны (разрушение РНК) – стерильность • http: //www. sciencedirect. com/science/article/pii/S 0925477301003926

Полярные гранулы есть почти у всех животных • РНП, содержащие множество белков и РНК • Белки – в основном взаимодействующие с РНК • Множество м. РНК; контроль трансляции? • piwi. РНК – участвуют в борьбе с транспозонами • р. РНК (и целые рибосомы? ) из митохондрий – что-то делают? ? !

Трансляция и транскрипция в клетках зародышевого пути • Поступают из окружающих клеток или транслируются некоторые особые белки, которых нет в соматических клетках (vasa – широко распространенный, http: //www. sdbonline. org/fly/gene/vasa. htm - регулятор трансляции; oskar – пусковой для дрозофилы) • В целом – подавление транскрипции и эпигеномная реорганизация ДНК http: //dev. biologists. org/content/135/23/3817. full. pdf+html

Epigenetic events in mammalian germ-cell development: reprogramming and beyond Hiroyuki Sasaki & Yasuhisa Matsui Nature Reviews Genetics 9, 129 -140 (February 2008)

ППК мигрируют в развивающиеся гонады через кишечник • Митотическое размножение – оогонии и сперматогонии

Мейоз – в гонадах • Остановка митоза - ооциты I порядка, первое деление мейоза - ооциты II порядка, второе деление мейоза - яйцеклетки (рост, дифференцировка) • Остановка митоза - сперматоциты I порядка, первое деление мейоза -сперматоциты II порядка, второе деление мейоза – сперматиды, утрата лишней цитоплазмы и т. п. - сперматозоиды

У них проблемы… • • http: //www. pnas. org/content/105/26/8950/F 6. expansion. html А как у птиц? http: //www. ias. ac. in/jarch/jgenet/70/137. pdf

И у этих тоже… http: //rudocs. exdat. com/docs/index-55344. html? page=2

У человека яйцеклетки образуются в большом избытке. . • http: //molehr. oxfordjournals. org/content/15/12/805/F 1. expansion

И делятся не спеша… • У человека в женских гонадах (яичниках) из ППК еще у зародыша образуется около 7. 000 клеток – предшественников яйцеклеток. К моменту рождения девочки около ¾ из них гибнут. Остальные вскоре вступают в первое деление мейоза. Завершается первое деление лишь через 13 -15 лет, после достижения половой зрелости, и завершает его обычно каждый месяц только одна из яйцеклеток. На стадии метафазы второго деления яйцеклетка может слиться со сперматозоидом, в этом случае второе деление мейоза заканчивается, а затем в ядрах пронуклеусов происходит удвоение ДНК, и хромосомы пронуклеусов объединяются общим веретеном деления • http: //trv-science. ru/2012/04/24/yajjcekletkivosstanavlivayutsya/ - вроде бы есть стволовые клетки

Сперматозоиды довольно сложно устроены http: //commons. wikimedia. org/wiki/

И довольно разнообразные • http: //nittygrittyscience. com/2012/10/19/sperm-are-cool-3 -giant-sperm-and-the-zenker-organ/

Яйцеклетки тоже…. • http: //csls-text. c. u-tokyo. ac. jp/active/10_03. html • Нужно вырасти и много чего накопить…http: //9 e. devbio. com/article. php? id=198 • Анимально-вегетативная ось – радиальная симметрия (после оплодотворения часто сменяется билатеральной)

Видоспецифичное (отчасти) связывание сперматозоидов с оболочкой яйцеклетки – начальный этап оплодотворения • http: //edrv. endojournals. org/content/rphr/57/1/37 /F 8. expansion. html - молекулы, отвечающие за это у млекопитающих • На оболочке яйцеклетки – zona pellucida – гликопротеиды ZP • ZP 3 отвечает за связывание сперматозоидов с оболочкой • Важную роль в связывании играют остатки сахаров, но, возможно, и общая форма молекулы

Связывание с оболочкой • Gal. T-I – бета-галактозилтрасфераза, один из главных рецепторов, отвечающих за связывание с ZP 3 • Вообще-то торчит в аппарат Гольджи и овечает за гликозилирование белков (пример - группы крови АВО) • Есть еще 6 белков с подобной ферментативной активностью • Только Gal. T-I есть и в АГ, и на плазмалемме

Рецептор ZP - Gal. T-I • Два сайта инициации трансляции – две формы, коротка и длинная (13 лишних АК на N-конце) • Длинная форма есть и в АГ, и на плазмалемме; только она передает сигнал при связывании лиганда; есть во многих клетках • Короткая – специфически экспрессируется в клетках молочной железы, где участвует в синтезе лактозы

Gal. T-I (продолжение) • Как попадает и в АГ, и на плазмалемму – загадка • Лиганды – гликопротеиды с N-ацетилглюкозамином • При сперматогенезе производится только длинная форма, перемещается на мембрану головки и, вероятно, образует комплекс с другими белками • Типичный трансмембранный белок с одной трансмембранной альфа-спиралью

Gal. T-I (продолжение) • В придатке семенника блокируется гликоконъюгатами • При капаситации в женских половых путях гликоконъюгаты удаляются • При кросс-связывании с несколькими ZP 3 передает сигнал через Gq –белок (удивительно – явно не GPCR!) • Сигнал индуцирует акросомную реакцию

Gal. T-I (окончание) • Мыши без Gal. T-I на сперматозоидах фертильны • Heredity (2009) 102, 66– 7 (http: //palumbi. stanford. edu/manuscripts/Palumbi. Heredity 2009. pdf) • Берем мышь без ZP 3 и ZP 2 (у нее сперматозоиды не прикрепляются к ZP) и заменяем их на человеческие • Человеческие сперматозоиды к ZP не прикрепляются, в мышиные – прикрепляются! • ZP 2 не расщепляется после акросомной реакции, нет блока полиспермии

Гаметы – объект действия отбора! • На соответствующие белки и их лиганды действует сильный положительный отбор - http: //palumbi. stanford. edu/manuscripts/P alumbi. Heredity 2009. pdf; причины этого разнообразны

Вход ионов кальция запускает акросомную реакцию • http: //www. nature. com/fertility/content/fig_tab/ncb-nm-fertilitys 57_f 2. html

Свои рецепторы нужны для слияния гамет • http: //www. nature. com/fertility/content/fig_tab/ncb-nm-fertilitys 57_f 3. html

Оплодотворение • Вход в цитоплазму ионов кальция - кортикальная реакция (http: //sharonap-cellrepro- p 3. wikispaces. com/Creating+Variation)

Социальное поведение у них тоже есть. Определяют родичей по запаху? (есть обонятельные рецепторы)

Стадии развития ооцита в момент оплодотворения у разных животных. Зародышевый пузырек – название диплоидного ядра ооцита I порядка http: //embriologiya-chel. ru

У ооцитов большинства животных нет центросом! (но материал их есть) Cell 130, 484– 498, 2007

Сперматозоид вносит не только свой геном, но обычно и центриоль • http: //atlasgeneticsoncology. org/Deep/Centrosome. Stem. Cell. ID 20105. html • У человека вносит одну центриоль 9 х3 (вторая деградирует), она удваивается (один раз? ) и образует центросомы веретена деления • У мыши – ничего не вносит! Центриоли образуются заново (так же – в партеногенетических яйцах насекомых)

«Слияние» пронуклеусов • http: //www. ncbi. nlm. nih. gov/books/NBK 26843/

Первые шаги развития животного – секреция внеклеточного матрикса • • • http: //9 e. devbio. com/article. php? id=73&search=egg Figure 1 The ordered assembly of the sea urchin egg hyaline layer by the sequential exocytoses of vesicles formed in the oocyte. This diagram was constructed using immunofluorescence photographs showing the locations of each proteincontaining vesicle at each time period. (After Matese et al. , 1997. ) Желтый – материал базальной пластинки; красный – гиалиновый белок; зеленый - ? ; синий – белок клеточной адгезии эхинонектин

Дробление – начальный этап развития • Серия быстрых делений зиготы без промежуточного роста • Образующиеся клетки – бластомеры – лишены признаков тканевой дифференцировки • Интерфаза сокращена до S-периода • Часто первые деления синхронны • Не активны зиготические гены (до разных стадий у разных групп) • Образуется однослойный (как правило) зародыш - бластула

Дробление морского ежа

Спиральное, радиальное, билатеральное…

Равномерное-неравномерное полное

Неполное – дискоидальное и поверхностное

Гаструляция – приобретение двуслойности «Типичная» гаструляция (по Детлаф, 1969). А – стадия бластулы, Б – промежуточная стадия, В – стадия гаструлы. 1 – стенка зародыша, 2 – бластоцель, 3 – эктодерма, 4 – энтодерма, 5 – начало впячивания, 6 – гастроцель, 7 – бластопор.

Способы гаструляции разнообразны Типы бластул и связанные с ними типы гаструляции (по Ивановой. Казас): а – равномерная морула; б – стерробластула; в – равномерная целобластула; г – неравномерная целобластула; д – неравномерная стерробластула; е – дискобластула; ж – плакула; з – морулярная деламинация; и – клеточная деламинация; к – мультиполярная иммиграция; л – униполярная иммиграция; м – инвагинация; н – эпиболия, о – изгибание плакулы.

Возможный путь эволюции способов гаструляции (из Ивановой-Казас)

Гаструляция амфибий • http: //www. mun. ca/biology/desmid/brian/BIOL 3530/DEVO_03/devo_03. html • http: //scienceblogs. com/pharyngula/2007/02/19/basicsgastrulation/

Нейруляция амфибий

Нейруляция ланцетника

Дробление мыши • Деление в двух плоскостях, асинхронное. На стадии 4 -8 клеток включаются зиготические гены

Дробление мыши • Phys. Biol. 9 (2012)

Бластоциста и начало гаструляции

То же – в другой проекции • http: //www. ncbi. nlm. nih. gov/books/NBK 10 052/

«Нейруляция» мыши

А есть еще и внезародышевые оболочки… • http: //en. wikipedia. org/wiki/File: Human. Embryogenesis. svg

Одно многоклеточное поколение

Два многоклеточных поколения

Три многоклеточных поколения

Партеногенез • Пиявковидные коловратки – 100 млн лет

Циклический партеногенез

Партеногенез у позвоночных Darevskia armeniaca Varanus komodoensis

Бесполое размножение, партеногенез - естественное клонирование • Клоны броненосцев – результат бесполого размножения

Клоны людей

ДНК – кулинарный рецепт на все случаи жизни • Хаим, мах мадера! • Кто и как его использует?

Резюме • Все живые организмы имеют сложный онтогенез • Все живые организмы имеют жизненный цикл со сменой одного или нескольких разных поколений • Жизненный цикл животных включает как минимум два поколения – одноклеточное поколение гамет и многоклеточное поколение • Размножение животных – это воспроизведение «себе подобных через себе не подобных» • В онтогенезе многоклеточного поколения выделяют стадии дробления, гаструляции, органогенеза • Многоклеточные поколения животных могут сменяться в результате полового (партеногенетического) или бесполого размножения