Джелдубаева Э.Р. Биология индивидуального развития. Курс лекций

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 4.8. Схема начальных стадий спирального дробления (по Мануиловой,

1973): А – переход от 4 к 8 бластомерам (в клетках видны веретена деления); Б

– стадия 8 бластомеров; В – переход от 8 к 16 бластомерам; Г – стадия 16

бластомеров

4. Анархический тип дробления присущ кишечнополостных и

паразитическим плоским червям. Он характеризуется тем, что

бластомеры слабо связаны между собой и располагаются

неправильными цепочками (рис. 4.9). При этом они могут распадаться,

например, под ударами волн, но из отдельных участков образуются

полноценные зародыши.

Рис. 4.9. Анархическое дробление (по Токину, 1987)

4.3. МОРФОЛОГИЯ ДРОБЛЕНИЯ

Во время дробления наблюдаются очень быстрые волны митотических

клеточных делений, следующих одна за другой. После первых двух

дроблений образуется 4 бластомера – основной квартет. Если они

одинаковые – гомоквадрантные, неодинаковые – гетероквадрантными.

Дробление – процесс детерминированный, что обусловлено

ооплазматической сегрегацией, взаимодействием между бластомерами.

Кортикальный слой клетки рассматривают как фактор влиющий на

характер дробления. Перед дроблением увеличивается напряжение

кортикального слоя и борозда дробления вознкает в виде метного утолщения.

Клеточный цикл соматических клеток делится на четыре стадии (фазы).

За митозом (М) следует пресинтетический период (G1), после которого

происходит синтез ДНК (S). Затем наступает премитотическая фаза (G2), за

которой опять следует митоз.

Клеточный цикл бластомеров на ранних стадиях дробления может быть

гораздо более простым – двухфазным. Факторы, регулирующие этот

двухфазный цикл, локализованы в цитоплазме. Это те же самые факторы,

которые регулировали деления созревания при оогенезе: фактор,

стимулирующий созревание (maturation promoting factor, MPF),

цитостатический фактор (сytostatic factor, CSF) и ионы кальция.

Показано, что в делящихся клетках уровень активности MPF

претерпевает циклические изменения. Активность MPF в бластомерах

лягушки на ранних стадиях дробления наивысшая в М-фазе и не выявляется

в S-фазе.

Действие MPF осуществляется путем изменения структуры ядерной

оболочки. Цитостатический фактор стабилизирует фактор созревания,

задерживая клетки в состоянии митоза, а кальций инактивирует

цитостатический фактор, стимулируя переход к S – фазе за счет инактивации

MPF. При добавлении CSF прекращаются также циклические сокращения

кортикального слоя цитоплазмы, а последующая инъекция ионов кальция их

стимулирует (рис. 4.10).

На ранних стадиях развития цитоплазма определяет скорость клеточных

делений и продолжительность S- и M-фаз. В период асинхронных делений

дробления появляется фаза G1, удлиняется продолжительность всех

остальных фаз цикла. Начинается синтез различных видов РНК на матрицах

ДНК, т.е. пробуждается транскрипционная активность генома зародыша.

Рис. 4.10. Модель регуляции клеточного цикла бластомеров (по Гилберту, 1993)

Гены, внесенные в геном зародыша со ♂-ом, проявляют свое действие

именно в этот период и, во всяком случае, не раньше окончания периода

синхронного дробления. Именно в это время зародыш берет свою судьбу в

собственные руки и перестает быть генетической копией матери. Поскольку

период асинхронности начинается после разного числа делений дробления,

то и пробуждение транскрипционной активности начинается при

соответственно разном количестве бластомеров: у млекопитающих и

круглых червей практически с самого начала развития, у иглокожих со

стадии 32 бластомеров, у амфибий со стадии бластулы.

Образующиеся в ходе дробления бластомеры соединяются между собой

щелевидными контактами, обеспечивающими электрическую сопряженность

клеток. В наружном слое бластомеры соединяются плотными контактами,

которые изолируют внутреннюю среду зародыша от внешней. Между

бластомерами уже со стадии 4 и более клеток (у амфибий) образуется

небольшая полость, заполненная продуктами жизнедеятельности

бластомеров. Эта полость постоянно увеличивается и называется полостью

дробления, или бэровской полостью. Постепенно слой бластомеров

приобретает вид эпителиального пласта, а полость дробления превращается в

полость бластулы - бластоцель (т.е. первичная полость зародыша).

Бластоцель выполняет две функции:

• дает возможность клеткам при гаструляции мигрировать внутрь

зародыша;

• существование бластоцели предотвращает взаимодействие между

клетками, которые находятся выше и ниже её.

Бластоцель - первый возникающий по ходу развития отсек внутренней

среды организма, отличающийся по ионному составу от наружной среды.

Клетки стенок бластоцеля, отгораживающие его от наружной среды,

образуют между собой плотные контакты, обладающие избирательной

проницаемостью для ионов.

Слои клеток, составляющие стенку бластулы, называются

бластодермой, которая может быть либо однослойная (ланцетник, морской

еж), либо многослойной (амфибии). В результате этих делений из

одноклеточной крупной зиготы образуется скомпонованная масса клеток в

виде плотного скопления без полости – морула (от лат. morum – тутовая

ягода). Клетки морулы морфологически и метаболически еще не

специализированы. Затем у образующегося зародыша образуется

центральная полость (бластоцель), окруженная слоем клеток (бластодермой)

и наступает стадия бластулы.

4.4. ТИПЫ БЛАСТУЛ

В зависимости от разновидности дробления образуются разные виды

бластул:

• Целобластула – равномерная (от греч. koilos – пустой) характерна для

иглокожих и ланцетника (рис. 4.11). Этот тип бластул отличается тем, что

бластомеры на анимальном и вегетативном полюсе абсолютно одинаковы

по размеру, тонкую бластодерму формирует один слой клеток. Полость

внутри - бластоцель. Выделяют в целобластуле следующие зоны: крыша

на анимальном полюсе, дно - на вегетативном, между ними находится

краевая или промежуточная зона.

Рис. 4.11. Типы бластул (по Белоусову, 1989): А – целобластула, поперечный

разрез (морской огурец); Б – стерробластула, поперечный разрез

(ставромедуза); В – стомобластула, поперечный разрез (известковые губки)

• Стерробластула (от греч. sterros – твердый, плотный)

(кишечнополостные, моллюски, черви)– бластула без выраженного

бластоцеля (рис. 4.11);

• Стомобластула (от греч. stoma – рот), характерная для зародышевого

развития известковых губок (рис. 4.11). Она имеет полость в центре и

отверстие (фиалопор) на анимальном полюсе. Жгутикообразующие

полюсы клеток обращены внутрь. По окончании дробления стомобластула

выворачивается наизнанку через фиалопор (экскурвация), в результате

чего образуется покрытая жгутиками амфибластула.

• Амфибластула – неравномерная – бластомеры отличаются на

вегетативном и анимальном полушарии, характерна для амфибий и

известковых губок. В отличие от целобластулы бластоцель в

амфибластуле смещена к анимальному полюсу вследствие большего

количества желтка на вегетативном полюсе. На анимальном полюсе

находятся меньшие по разме клетки - микромеры. В области

вегетативного полюса располагаются макромеры. Также как и в

целобластуле в амфибластуле выделяют крышу, дно и промежуточную

(краевую) зону (рис. 4.12).

• Плакула (известковые губки, некоторые черви, асцидии) - имеет вид

двуслойной пластинки, образованной однородными клетками. Между

слоями располагается бластоцель.

Рис. 4.12. Амфибластула (по Фалину, 1957):

• Дискобластула – бластоцель имеет вид сплошной щели, характерна для

костистых рыб, рептилий и птиц. В результате дискоидального дробления

образуется однослойная бластодерма (бластодиск), из которого затем

возникает 3-х или 4-х клеточный пласт. Бластодерма дискобластулы

несколько выгибается над желтком и между ними формируется

подзародышевая полость. На этой стадии чётко различимы две области

бластодиска: светлое поле (area pellucida) – соответствует той его части,

которая располагается над полостью, темное поле (area opaca) –

состоящим из клеток, расположенных по краю бластодиска и прилежащих

к желтку (рис. 4.13). К моменту откладки яйца некоторые из клеток

бластодермы выселяются в подзародышевую полость, где образуют

второй слой. Таким образом, на данной стадии зародыш состоит из

эпибласта (наружный слой клеток) и лежащего под ним гипобласта.

Между ними находится бластоцель.

• Бластоциста (млекопитающие) образуется после прохождения стадии

морулы (рис. 4.14). Она представлена в виде пузырька (от греч. kystis –

пузырь). Причем в составе этого пузырька имеются две части. Стенку

формирует один слой клеток - трофобласт. Клетки эти очень светлые,

другая часть – темноокрашенные клетки эмбриобласта. Трофобласт

обеспечивает питание, а эмбриобласт идет на построение тела зародыша.

• Перибластула характерна для насекомых и представляет собой

заключительную стадию поверхностного дробления. Энергиды (ядра с

окружающими их островками цитоплазмы) мигрируют на поверхность

яйца, где они окружаются новыми плазматическими мембранами.

Первыми изменения претерпевают ядра, мигрировавшие к заднему

полюсу яйца и образующие полярные клетки зародыша, которые дают

начало половым клеткам взрослого организма. Клетки образующейся

бластодермы образуют скопление на вентральной поверхности, обозначая

место, где возникнут зародышевые листки (зародышевая полоска). Эта

область даёт начало всем клеткам насекомого. Остальные клетки

бластодермы образуют внезародышевые оболочки.

Рис. 4.13. Дискобластула - образование гипобласта в яйце птицы (по Гилберту,

1993): А – бластодерма, преобразованная в трех- или четырехслойный

клеточный пласт; Б – начало выселения клеток бластодермы в

подзародышевую полость и формирование гипобласта; В – завершение

образования дискобластулы: формирование эпи- и гипобласта, блатоцели.

Рис. 4.14. Типы бластул (по Токину, 1987 и Белоусову, 1993): А – морула,

внешний вид (мышь), Б – бластоциста, поперечный разрез (летучая мышь)

Жидкость бластоцеля по составу и консистенции (студень, подвижная

жидкость) различна у животных.

Образующие бластулу бластомеры начинают дифференцироваться, что

проявляется в синтезе разных РНК. В результате клетки начинают

взаимодействовать друг с другом новыми и разными способами.

Характер дробления определяется не только количеством желтка и его

распределением, но и взаимным расположением клеток, т.е. их полярностью

и полярностью эмбриона.

4.5. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЗАРОДЫША ВО ВРЕМЯ

ДРОБЛЕНИЯ

Закономерности, связанные с наличием и распределением желтка в ♀ и

направлением хода борозд дробления определяются 2- мя правилами

Гертвига-Сакса:

• клеточное ядро стремится расположиться в центре чистой, свободной от

желтка цитоплазмы;

• веретено клеточного деления стремится расположиться по направлению

наибольшего протяжения свободной от желтка цитоплазмы.

Наиболее общей закономерностью голобластического дробления мезо- и

олиголецитальных яиц является взаимная перпендикулярность

(ортогональность) первых трех борозд, причем две первые из них проходят

по меридианам яйца, а третья – по экватору.

В настоящее время развитие зародыша рассматривают, пользуясь

системой трех осей, формирующихся на ранних этапах эмбриогенеза:

 кранио-каудальная (от головы к хвосту);

 дорсо-вентральная (от спины к животу);

 медио-латеральная (от плоскости симметрии влево и вправо).

Однако каким образом эти оси устанавливаются в шаровидном яйце, до

настоящего времени остается еще не ясно. По некоторым данным, плоскость

симметрии у зародыша лягушки определяется особой точкой, находящейся

на противоположной стороне от того места, в котором спермий проникает в

♀. Именно здесь спустя 2 часа после оплодотворения у некоторых видов

амфибий под оболочкой ♀ появляется характерная структура, называемая

серым серпом вдоль границы между темной цитоплазмой анимального

полюса и светлой цитоплазмой вегетативного полюса. Средний участок

серого серпа соответствует среднеспинной плоскости тела, определяя тем

самым дорсо-вентральную ось будущего зародыша. Учитывая то, что

анимальный полюс в конечном итоге образует головной отдел, а

вегетативный полюс - хвостовой отдел зародыша, то наложение дорсо-

вентральной оси на уже существующую кранио-каудальную ось чисто

геометрически определяет положение третьей оси – медио-латеральной.

Следовательно, еще до начала дробления у зародыша амфибии можно

установить три главные оси симметрии.

Серый серп также играет важную роль в регуляции развития, т.к. именно

здесь формируется дорсальная губа бластопора, в связи с чем этот участок

называется зародышевым организатором. Например, если удалить серый

серп на одноклеточной стадии, то дробление происходит, а гаструляция не

начинается. Если серый серп на ранних стадиях (два бластомера) разрезать

на 2 части и не дать им слиться, то развиваются два зародыша.

4.6. АКТИВАЦИЯ ГЕНОМА ЗАРОДЫША

Хотя в этот период не происходит увеличении размера зародыша,

синтетические процессы идут очень активно. Высокая скорость делений

яйцеклеток объясняется следующим:

• в ♀ заранее запасены (в период оогенеза) непосредственные

предшественники ДНК (цитидин, тимитидин-3-фосфаты, а также ядерные

белки гистоны) и мРНК, а в других клетках таких запасов нет;

• ДНК синхронно делящихся бластомеров имеет значительно больше точек

инициации репликации, нежели у других клеток эукариот.

Регулярные митотические деления в период дробления требуют

удвоения числа хромосом и других компонентов ядра. Поэтому в период

дробления происходит интенсивный синтез ДНК, гистонов и других белков,

связанных с ДНК. Происходит также синтез цитоплазматических белков и

сборка митотических веретен. Энергия и строительный материал,

необходимые для этих синтезов, поступают, разумеется, из желтка. Кроме

того, образование множества отдельных клеток способствует возникновению

различий в экспрессии (активации) генетического материала зародыша. Это

достигается путем синтеза различных и уникальных видов РНК и белков, что

в свою очередь создает основу для клеточной дифференцировки. Для

реализации этих клеточных функций необходимо, чтобы размеры клеток

соответствовали обычному ядерно-цитоплазматическому соотношению, что

и наблюдается в ходе дробления.

4.7. БЛИЗНЕЦЫ

Близнецы у человека и млекопитающих могут быть двух видов:

 однояйцевые (монозиготные или идентичные) образуются при

оплодотворении одной ♀ при обособлении бластомеров;

 двуяйцевые (дизиготные или братские) – при оплодотворении двух ♀-ок.

В эксперименте показано, что при разрушении одного бластомера из

двух клеточного организма зародыша кролика, произойдет образование из

оставшегося нормального организма. У восьми клеточного зародыша при

изъятии всего одного бластомера, и его пересадке донорской матери, из него

все же может родиться нормальная особь мыши.

Однояйцовые близнецы развиваются из одной ♀ (рис. 4.15). Это

происходит, когда несколько ♂-ов оплодотворяют многоядерную ♀, либо при

разделении зародыша на две части при дроблении оплодотворенного яйца,

когда из каждой части получается отдельный эмбрион. Однояйцовые

близнецы растут в матке вместе и имеют общие оболочки и плаценту. У них

общее кровообращение. Так как генетика у однояйцовых близнецов

одинаковая, то они всегда рождаются однополыми и очень похожими друг

на друга. Обычно одна из плодных оболочек все же находится между

плодами. Если ее нет, то возможно сращение тканей и образование сиамских

близнецов.

Рис. 4.15. Развитие однояйцевых двоен у человека и отношения их с

зародышевыми оболочками (по В.А. Голиченкову, 2005). 1 – зародыш на

стадии двух клеток; 2 – клетки внутренней клеточной массы; 3 – амнион;

4 – желточный мешок; 5 – два хориона; 6 – два амниона; 7 – бластоцель; 8

– амнион (общий).

Разнояйцовых близнецов объединяет только общее место жительства.

Они по-соседски живут в матке. У каждого своя плацента, независимая

система кровообращения, собственные оболочки. Гибель одного, как

правило, облегчает жизнь другому.

Двуяйцовые близнецы получаются при одновременном оплодотворении

нескольких яйцеклеток разными ♂. Генетика у таких близнецов разная, они

могут быть разнополыми и не похожими друг на друга. Почему же двойни,

тройни рождаются чаще у пар, которые лечились от бесплодия? Это связано

с тем, что при лечении используют вещества, стимулирующие овуляцию.

У женщин происходит созревание сразу нескольких (до десяти) ♀-ок. При

другом методе лечения бесплодия — экстракорпоральном оплодотворении —

в матку подсаживают сразу несколько эмбрионов. И хотя обычно

приживается только один, но могут сохраниться и несколько. Благодаря этим

методам иногда развиваются супермногоплодные беременности, когда

рождается сразу четверо и более детей.

Способность создавать целый организм из части называется регуляцией. К

ней можно отнести создание аллофенных особей. Интересен факт:

аллофенные организмы возможны и у человека. Это люди содержащие

половые хромосомы XX и XY в одном организме. Такое может быть при

объединении двух ранних зародышей разного (или одного пола), до процесса

имплантации, с успешным созданием единого организма.

При разделении бластомеров ранних зародышей или разделении

внутренней клеточной массы в одной бластоцисте, возникают

монозиготные близнецы. Практически это случается в 0,25% рождений в

человеческой популяции. В 33% случаев двойни имеют два полных

раздельных хориона.