Дифференцировка ембріональних клеток

року міністерство освіти РФ.

Санкт-Петербурзький технологічний институт.

Кафедра молекулярної биотехнологии.

Реферат.

Тема: Диференціювання ембріональних клеток Выполнил: Шилов С. Д. гр.295 курс 3.

С-Петербург.

2003 г.

Введение

…3 Детермінація і дифференцировка…3 Дроблення яйцеклітини й освіту бластулы …4 Організаційні центри та розвитку зародків. Індукція …6 Феномен «мертвих організаторів» …7 Хімічний аспект вивчення і диференціації клітин та тканей…8 Теорія полів. …10 Укладання …12 Список використаної літератури …13 Додаток …14.

Организм будь-якого багатоклітинного тваринного можна як клон клітин, які утворилися з однієї єдиної клітини — оплодотворённого яйця. Тому клітини тіла, зазвичай, генетично ідентичні, але різняться по фенотипу: одні стають м’язовими клітинами, інші - нейронами, треті - клітинами крові й т.д. У організмі клітини різного типу розташовані суворо певним упорядкованим чином, і таким чином тіло має характерною формою. Усі ознаки організму визначаються послідовністю нуклеотидів в геномної ДНК, яка відтворюється в кожній клітці. Усі клітини отримують одні й самі генетичні «інструкції», але інтерпретують його з належним урахуванням часу й обставин — те щоб кожна клітина виконувала свою певну специфічну функцію в многоклеточном співтоваристві. Багатоклітинні організми часто бувають дуже складними, та їх побудова здійснюється за допомогою дуже обмеженого набору різної форми клітинної активності. Клітини й зростають діляться. Вони відмирають, з'єднуються механічно, створюють сили, які дозволяють пересуватися змінювати свою форму, вони диференціюються, тобто починають чи припиняють синтез певних речовин, кодованих геномом, вони виділяють в довкілля чи утворюють у своїй поверхні речовини, що впливають активність сусідніх клітин. У цьому вся рефераті я спробую пояснити, як реалізація різної форми клітинної активності у потрібний час і потрібному місці наводять до утворення цілісного организма.

Детерминация і дифференцировка:

Самые важливі поняття на эспериментальной ембріології - поняття диференціація і детермінації, відбивають основні явища наступності, послідовності процесів розвитку організму. У онтогенезі безупинно відбуваються процеси диференціації, тобто з’являються нові й нові зміни між різними ділянками зародка, між клітинами і тканинами, заходять у різні органи. У порівняні з вихідної у розвитку яйцеклітиною організм здається надзвичайно складним. Диференціювання — це таке структурне, біохімічне чи інше зміна розвитку організму, при якому щодо однорідне перетворюється на дедалі більше різне, стосується це клітин (цитологічна дмференциация), тканин (гистологическая диференціація) чи й організму загалом, йде промову про морфологічних або про фізіологічних змінах. При выявлениии причинного механізму тих чи інших диференціювань вживається термін детермінація. Детерминацированной називають частина зародка відтоді, коли він несе у собі специфічні причини свого її подальшого розвитку, коли може розвиватися шляхом самодифференцировке відповідно до своїм проспективным розвитком. Відповідно до Б.І. Балинскому детерминацией треба називати стійкість розпочатих процесів диференціації, їх тенденцію повинна розвиватися у визначеному напрямі, не дивлячись зміну умов, необоротність минулих змін. Тіло тваринного побудовано з порівняно невеликої кількості легкоразличимых типів клітин — з майже 200. Відмінності з-поміж них настільки зрозумілі оскільки, на додаток до численним білкам, необхідним будь-який клітині організму, клітини різних типів синтезують свій власний набір специализировнных білків. У клітинах епідермісу утворюється керотин, в еритроцитах — гемоглобін, у клітинах кишечника — травні ферменти і т.д. Може запитати: не чи це пояснюється просто тим, що різні клітини мають різними наборами генів? Клітини кришталика міг би, наприклад, втратити гени кератина, гемоглобіну і т.ін, але зберегти гени кристаллинов; або ж них міг би вибірково збільшуватися число копій кристаллиновых генів шляхом аплификаций. Але це негаразд, низку досліджень показує що різні клітини майже всіх типів містять і той ж повний геном, який був у оплодотворённом яйці. Очевидно, клітини різняться не оскільки містять різні гени, як тому що вони экспрессируют різні гени. Активність генів схильна до регуляції: можуть включатися і виключатися. Наболее переконливі дані про те, що попри видиме зміна клітин за її дифференцировке, сам геном залишається вони незмінним, були полученны в дослідах з пересадкою ядер в яйця амфібій. Ядро яйця попередньо руйнують, опромінюючи ультрафіолетом, і микропипеткой пересаджують ядро диференційованої клітини, наприклад, з кишечника, в оплодотворённое яйце. Відтак можна перевірити, несе ядро диференційованої клітини повний геном, рівноцінний геному оплодотворённого яйця і здатний забезпечить нормальну розвиток зародка. Відповідь виявився позитивним; у тих дослідах вдавалося виростити нормальну жабу, здатну виробляти потомство.

Дробление яйцеклітини й освіту бластулы:

Многими шляхами відбувалася еволюція тварин. Дуже різноманітні і специфічні зв’язку та розвитку організмів з середовищем. Попри те й попри великі особливості в морфології і фізіології роздрібнення у різних видів звірів, роздрібнення яйцеклітини в багатьох організмів відбувається подібним періодом розвитку, іменованим бластулой (від грецького blaste, blastos — паросток, зачаток). Це з численних показників спільності походження тваринного світу і з прикладів паралелізму в еволюційному розвитку структур. Але це отже, що зародки всіх тварин цілком однаково влаштовані на стадії бластулы; навпаки, поряд з основними загальними рисами є й істотні розбіжності бластул різних тварин. У зависимотси багатьох причин дробящееся яйце загалом зберігає початкову сферичну форму, а бластомеры можуть надавати дуже велике тиск друг на друга, набувати багатогранну форму і залишати між собою жодних щілин; у своїй утворюється морула — сукупність делящихся клітин, нагадує ожинну ягоду з більшою або меншою порожниною всередині, заповненою продуктами життєдіяльності клітин. (рис. 1) Ця порожнину називається порожниною роздрібнення або на вшанування ученого Бера у перших її описавшей — бэровской порожниною. Принаймні розподілу клітин порожнину поступово зростає й превращаяется в порожнину бластулы, званої бластоцелием. Клітини обмежують бластоцелий утворюють эпителиальный слой.

[pic].

рис. 1.

После того як клітини бластулы сформували эпителиальный шар, настає час для координованих рухів — гаструляции. Ця радикальна перебудова веде до перетворення пологого клітинного кульки в багатошарову структуру, що має центральної віссю і двосторонньої симетрією. Принаймні розвитку в тваринного мають визначитися передній і задній кінці тіла, черевна і спинна сторони, і серединна площину симетрії, поділяє тіло праву і ліву половини. Така полярність складається на дуже ранній стадії розвитку зародка. Через війну складного процесу инвагинации (впячивания) (мал.1) значний ділянку епітелію переміщається із зовнішнього поверхні всередину зародка, створюючи первинну кишку. Наступне розвиток визначатиметься взаємодіями внутрішнього, зовнішнього й середнього шарів, створюваних при гаструляции. Після процесу гаструляции настає процес органогенезу — це локальне зміна певних ділянок того чи іншого зародкових пластів, й освіту зачатків. У цьому часом неможливо виділити якийсь главенсьвующий вид клітинного матеріалу, від якого залежав механізм розвитку органа.

Организационные центри та розвитку зародків. Индукция.

В своїх пытах Шпеман зрізав у зародка тритона на стадії ранньої гаструлы всю верхню половину (анимальное півкуля) і перевертав її в 180° і знову сращивал. Через війну утворювалася нервова платівка тому ж місці що й повинна бути, але з нормального клітинного матеріалу, а з эктодермального шару. Шпеман вирішив, у цьому районі поширюється який вплив, яке змушує клітини эктодермального шару розвиватися шляхом розвитку нервової платівки, тобто індукує її освіту. Цю область він їх назвав організаційним центром, а сам матеріал, із якого виходить вплив — організатором чи индукторм. Надалі Шпеман пересаджував звані індуктори у різні ділянки інших зародків на стадії бластулы чи ранньої гаструлы. Не залежність від місця у зародка индуцировалась вторинна нервова платівка з усіма атрибутами, але з трансплантату, та якщо з клітин хазяїна, сам трансплантат в вона найчастіше рухався шляхом свого розвитку. Для аналізу даних явищ в 1938 року Гольтфетер культивував з стандартних середовищах маленькі шматочки, вирізані з гаструлы тритонів. Виявилося що шматочки, вирізані з різних галузей зародка, тобто у різного рівня детермінований, залежно від прийняття цього чи розпадаються різні окремі клітини (менш детермінований), чи можуть формувати різні тканинні структури (більш локально детермінований). Ці структури, висловлюючись мовою школи Шпемана, розвивалися за відсутності організатора. У полне переконливий вихід із цих фактів зробили на 1955 року Ж. Гольтфретер і В. Гамбургер: всі сфери крайової зони продукують за умов эксплантации ширше розмаїтість тканин, що вони дозволили б, перебувають у системі зародка. Пізніше вчені аналізуючи дані дослідів зробили дуже важливий висновок, що неправильно було б розцінювати поля та організатори як верховну владу у визначенні долі інших менш специфічно детермінованих частин зародка. Цінні результати численних дослідів і досліджень школи Шпемана та її послідовників з деяких інших лабораторій, дали ембріології блискучі докази взаємозалежності частин зародка, її інтеграцію про всяк стадії розвитку, стали трактуватися все більш однобічно, як дію організаторів на нібито индиференцированный клітинний матеріал. Це була смуга у розвитку ембріології, коли здавалося знайшли основне пояснення процесів формоутворення і критичні зауваження окремих вчених проти односторонніх захоплень, розглядалося кя щось заважає розвитку науки. Створена той час теорія організаційних центрів, безсумнівно, містила у собі односторонні і навіть фанатичні вгляды, котороые зазнали поразки перед нових, щонайменше захоплюючих фактів, виявлених згодом, а самої шпемановской школой.

Феномен «мертвих организаторов»:

Перед дослідниками постало питання: як специфічно дію організаторів, індукторів? При пересадці організатора від бесхвостой амфібії (лягушка-жерлянка) Зародку хвостатої амфібії (тритон) було виявлено індукція медулярной платівки. Що стосується пересадки від зародка птахи в зародок тритона організатор як і надає индуцирующее дію. Таке явище відбувається у разі пересадки зародку кролика організатора тритона. Виникли й інші питання. Однакові з своїй — природі організатори у різних тварин? Залежать чи индуцирующее властивості організатора від клітин, які його складають, специфічної диференцировки, типу перетинів поміж клітинами — словом від біологічної системи організатора чи йдеться якесь іншому механізмі? У 1931 року було знайдено, що організатор здатний індукувати і після руйнації його структури, навіть повного руйнації його клітин. Перемішували придушені шматочки ембріона, робили грудочки також пересаджували в порожнину бластулы іншого зародка. Індукція повинна була. 1932;го року з’явилося повідомлення про про мертвих організаторів. Група вчених досліджувала дію убитих організаторів, для чого клітини висушували при 120 градусах, кип’ятили, заморожували, поміщали в спирт на 6 місяців, в соляну кислоту тощо. Виявилося що лише після таких маніпуляцій організатор не втрачав своїх індукційних здібностей. Більшість эмбриологов побачило у тому відкритті нову еру в ембріології, пізнання хімічного механізму організаторів, перебування формообразовательных і органообразующих речовин. Деякі лабораторії намагалися довести, що дія мертвих організаторів відмінно від дії живих. Але невдовзі, на подив дослідників, було виявлено неспецифичность організаторів. Убиті шматочки гідри, шматочки печінки, нирок, мови, різні тканини трупа людини, шматочки м’язів молюска, придушені дафнії, шматочки кишки риби, клітини саркоми пацюків, тканини курки і розсудливу людину виявилися индукторами. Почалося одностороннє захоплення хімією індукторів: намагалися розгадати формулу речовини, що індукує специфічний формообразовательный процес, і поза кілька років нагромадився багатого матеріалу. Доходило абсурдно: шматочки агару, нібито просочені таким речовиною, жирні кислоти рослинних масел, отрутний тваринам цефалин, нафталін та інших. Виявилося що й клітини рослин пересаджених в зародок дають ефект індуктора! Нині ясно, що всі ці спроби знайти специфічне формообразовательное речовина були простим захопленням і досягли мети. Повернімося знову до теорії організаторів. У звичайному схемою про індукційних впливах організаторів на клітинний матеріал, який реагує, индуцируется, мається на увазі чимось индиферентное, тобто тільки і чекає, що його підштовхнули до детермінації. Але це негаразд. Клітинний матеріал, який діє організатор, не индеферентен. М. Н. Рагозина показала, що закладання осьової мезодермы є як індуктор нервової трубки, а й потребує для своєї диференціації в формативном вплив із боку закладання нервової системи. У цьому має місце не одностороння індукція, а взаємодія частин що розвивається зародка. Один і хоча б індуктор може індукувати різні освіти, наприклад, слуховий пузырёк при пересадки набік зародка амфібії може індукувати додаткову кінцівку, хоча б пузырёк під час пересадки їх у інше місце і іншому етапі розвитку може індукувати слухову капсулу. Він також може у ролі індуктора додаткового ядра кришталика у разі зустрічі з зачатком кришталика й т.д. Результати до сказаного краще підвести цитатою із роботи Уодингтона, що з низку інших вчених так енергійно намагався з’ясувати хімію організаторів: «Здавалося, ми одразу на порозі винятково важливого відкриття — нагоду отримати речовина, впливає в розвитку. Складність полягала в тому, що ми знаходили речовина чинне подібно організатору, зухвалому диференцировку клітин, суть у тому, що ми знайшли занадто багато таких речовин. Зрештою Дж. Нидгем, М. Браше і автор цих цієї статті переконливо показали, що й метиленовый синій — речовина, що навіть людина із дуже палкої фантазією стане шукати в ембріоні, — може індукувати освіту нервової тканини. Виявилося, що шукати в одиничної клітинах реагуюче речовина, яка могла б дати ключем до розуміння диференціювання, марно. Причину диференціювання слід шукати в реагує тканини, де вона і происходит».

Химический аспект вивчення і диференціації клітин та тканей:

В 50 — 60-ті роки у зв’язку з зростаючим взаимовлиянием біології, фізики та хімії та використанням нових методик знову підвищився інтерес до хімії індукторів, хоча зміст цього поняття різко змінилося. По-перше, вважається безпідставним шукати якесь одне формообразовательное речовина, що викликає интекцию. По-друге, все менше дослідників уподібнює явище індукції, спостережувані під час розвитку зародків, феномену мертвих організаторів. По-третє, замість гіпотези Шпемана про индукциионных впливах організатора на «индиферентный» клітинний матеріал існує стійке переконання про взаємозалежності частин у розвитку зародків. У 1938 року С. Тойвонен, відчуваючи сотні різних тканин тварин на спроможність до індукції осьових зачатків у амфібій, виявив деякі індуктори мають якісно різним дією, саме: тканину печінки морських свинок індукує майже передній мозок та її похідні, мозок — туловищные і хвостові структури. 1950;го р. Ф. Леман запропонував гіпотезу, прийняту Тойвоненом, Яматадой та інші дослідниками. Відповідно до цієї гіпотезі, первинна індукція то, можливо викликана лише двома агентами, утворюючими два взаимоперекрывающихся градієнта. Одне речовина індукує виключно переднеголовные (архенцефалические) структури, а інше речовина — туловищно-хвостовые (дейтеренцефалические) структури. Якщо чимало другого агента мало першого, то индуцируется передній мозок; якщо багато першого заступника й мало другого, то виникає туловищно-хвостовая частина. Усе це має місце, відповідно до гіпотезі, нормального розвитку амфібій; треба уявити наявність певних индуцирующих речовин, у відповідних кількісних комбінаціях у різних ділянках зародка. Тойвонен Провів серію дослідів з роздільним і одночасним дією тканини печінці та кісткового мозку і такі підтверджують цю теорію. При дії тканин печінки утворювався передній мозок та її похідні, при дії кісткового мозку — туловищно-хвостовые тканини, а за одночасного дії печінці та кісткового мозку утворювалися структури всіх рівнів тіла нормальної личинки. Тойвонен передбачає, що з двох індукторів утворює своє активне полі, за одночасного дії їх дії виникає комбіноване полі (рис. 2).

[pic]рис. 2 До 70-х років хімія «індукторів» виявляється так само неясною, як й у період односторонніх хімічних захоплень эмбриологов у роки. Незважаючи великий прогрес у хімічній ембріології, все основні питання про «організаційних центрах» залишаються тими самими що у в 40-ві роки. Гіпотеза Тойвонена не дає, на жаль, нічого нового порівняно з старими однобічно хімічними схемами сутності індукторів і організаторів, лише замість одного речовини дбають про двох або кількох. Мають бути прийнято до уваги такі очевидні недоліки гіпотези Тойвонена, куди частково вказує сам автор. По-перше, ця гіпотеза свідчить лише про индукторах і немає уникає головного питання — про реагують системах. По-друге, експериментальне її обгрунтування дано виходячи з дії якихось речовин тканин тварин, а робиться спроба пояснення явища розвитку зародків амфібії. Потрібна довести, що виділені речовини, справді є у нормальної гаструле ембріона. Якщо він присутній, то яке їх місце розташування? Однак немає підстав ігнорувати цікаві даные Тойвонена та інших вчених. Із цією даними перегукуються давні досліди по анимальных і вегетативних тенденціях у морських їжаків. (рис. 3) Досліди хірургічного втручання на стадіях від 16 до 64 бластомеров віддалялася різні частини зародка — анимальные і вегетативні. Нормальне розвиток виникало якщо анимальные і вегетативні градієнти не домінували друг над іншому. По суті ці досліди близькі до поглядам Товонена.

Теория полей:

В поняття поля різні дослідники вкладали різне зміст. Деякі думали про полі як про область, не більше якої певні чинники діють однаковим чином. Усередині поля, за їхніми уявленнями існує стан рівноваги. Поле — це єдина система, а чи не мозаїка, де одні частини можна було б видалити чи замінити отже при цьому читача система має не змінилася. Усередині поля-системы може бути різною концентрація хімічних речовин, може бути градієнти метаболізму. Теорія поля Кольцова. Уявлення Н. К. Кольцова цілісність організму, що його теорія поля — це розгляду даних експериментальної ембріології і генетики в фізико-хімічному аспекті. Ооцит і яйце — організовані системи, з виразно вираженої полярністю, з певним розташуванням клітинних структур. Вже ооцитах перебувають різноманітні речовини і структури, дають своєрідну реакцію на кислі й освоєно основні барвники, залежно від своїх рН. Це означає, що різні частини клітини може мати ті чи инные позитивні чи негативні заряди. У цілій клітині поверхню її, зазвичай, заряджено негативно, а поверхню ядра і хромосом — позитивно. При дозріванні ооцита створюється відповідно його будовою електричне силове полі, «закріпляюче» цю споруду. Під упливом силовим полем у клітині повинні виникати певні, объясняющиеся різницею потенціалів катафорезные точки переміщення речовин. При активації яйця сперматозоїдом відбувається зміна дихання, іноді різку зміну рН, зміна проникності мембран та пересування речовин. По Кольцову, ці негативні явища обумовлені, очевидно, напругами перезаряжающихся силових полів, різницею потенціалів. Отже, що починається розвиватися зародок — це силове полі. У результаті розвитку різні пункти силовим полем характеризуються різницею потенціалів. Йдеться як про електричних потенціалах, а й хімічних, температурних, гравітаційних, дифузних, капилярных, механічних та інших. Навіть такий чинник, як зменшення чи збільшення проникності мембран клітини, неминуче викликає зміна струмів рідких речовин. Завдяки тому, що бластомерами існують певні зв’язку, можна собі зміна струмів рідких речовин може істотно впливати і просторове розташування бластомеров. Всілякого характеру потенціали, зміни не лише супроводжують розвиток зародків, як є відбитком стану її інтеграцію, а й відіграють істотне значення у розвитку, визначаючи поведінка окремих бластомеров і лише зародка. У результаті розвитку силове полі зародка змінюється: воно ускладнюється, диференціюється, але залишається єдиним. Кольцов говорить про центрах із високим різницею потенціалів, про центрах другий, третього ступеня. Він розповідає про градиентах з напругою, убутним від однієї потенціалу до іншого. З кожної центру поширюються градієнти, зумовлені всім силовим полем. При стані біофізики 30-х років Кольцов було створити конкретніших фізичних поглядів на полі зародка. Він вважає, що силове полі перестав бути магнітним, а може бути з нею сравнено. Виникаючі під час роздрібнення не однакові по структурі бластомеры опиняються у різних частинах єдиного поля зародка і відповідно новому становищу змінюють свої біохімічні особливості і структуру. Отже, поведінка кожної ділянки зародка залежить з його попередньої структури, тяжіння загального силовим полем і сфери впливу сусідніх областей цього поля. Кольцов вводить також поняття «силове полі довкілля» (гравітаційне, світлове і хімічне), приписуючи йому важливого значення, бо вона впливає на силове полі всередині зародка, наприклад визначає напрям зростання сидячих тварин. На жаль, дуже мало розробляються питання фізики ембріонального розвитку. Наявні факти не суперечать думкам Кольцова про полях. Близькі до поглядам Кольцова думки й інші дослідники Б. Вейсберг 1968 року запропонував єдину, фізичну трактування різних морфогенетических процесів, створивши уявлення про коливальних полях. Він вивчав коливання електричних потенціалів у миксомицетов, подібність деяких органічних форм, наприклад колоній шампінь-йонів з розташуванням дрібних частинок в акустичному полі. Вейсберг думає, що коливальні співаючи призводять до того, що клітинні комплекси повинні розділятися біля, всередині яких коливання синхронизируются по фазам, а між територіями створюється різницю фаз. Події після цього просторове роз'єднання може спричинить морфогенетическим рухам: впячивание клітин при гаструляции, розташування полукружных каналів внутрішнього вуха, формування гребних платівок у ктенофор і т.п.

Заключение

:

Анализ всіх теорій Демшевського не дозволяє визнати не лише одну їх як теорію індивідуального розвитку, здатної задовольнити эмбриолога. Незалежно від методології досліджень потрібно приймати до уваги той факт, будь-які ставлення до зародку як і справу мозаїці частин, як суму бластомеров тощо. неспроможні, що про всяк стадії розвитку однак інтегрований, є цілісну систему.

Список використаної литературы:

Б.П.Токин «Загальна ембріологія» видавництво «Вищу школу» Москва 1970 г.

Б.Альберс, Д. Брей, Дж. Льюїс, М, Рэфф, К. Робертс, Дж, Уотсон «Молекулярна біологія клітини» тому 4 видавництво «Світ» Москва 1987 г.

Приложение: