Слайд 1Д.б.н.
ОРЛЯНСКАЯ Т.Я.
Кафедра биологии с экологией и курсом фармакогнозии
Слайд 2ОНТОГЕНЕЗ как процесс реализации наследственной информации во взаимодействии с эпигенетическими
факторами
Лекция
Тема (часть 1)
Слайд 3Вопросы
1.Онтогенетический уровень жизни. Эпигенез. Теории развития.
2. Онтогенез как жизненный
цикл особи и биоинформационный процесс.
3. Регуляция ранних этапов эмбриогенеза
Слайд 4ОНТОГЕНЕЗ. ГЕНЕТИЧЕСКИЕ
МЕХАНИЗМЫ РАЗВИТИЯ
Тема (часть2)
Лекция
Слайд 5Вопросы
«Онтогенез – целостный процесс»
1. Регуляция на ранних этапах онтогенеза.
2.
Регуляция эмбриональной индукции.
3. Основные клеточные процессы и межклеточные взаимодействия
на этапах онтогенеза.
Слайд 6Существует ли четкий «чертеж» будущего организма?
???
Слайд 7
«Я считаю вероятным, что в зародышевых клетках существуют тонкие
внутренние различия, которые предопределяют их последующую трансформацию в детерминированные структуры…
Материальные различия, столь тонкие, что мы пока еще не в состоянии выявить их»
Р. ВИРХОВ (1858)
Слайд 8Цель лекции:
Раскрыть сущность систем регуляции онтогенеза, ведущих к реализации
полноценной или измененной генетической информации индивидуумов
Слайд 9ЭТАПЫ ЭМБРИОГЕНЕЗА
ЗИГОТА
ДРОБЛЕНИЕ
ГАСТРУЛЯЦИЯ
ГИСТО- И ОРГАНОГЕНЕЗ
1 КЛЕТОЧНЫЙ ЗАРОДЫШ
1СЛОЙНЫЙ ЗАРОДЫШ
БЛАСТУЛА
2- ИЛИ
3-Х СЛОЙНЫЙ ЗАРОДЫШ
ГАСТРУЛА
ПОЗДНЯЯ ГАСТРУЛА
НЕЙРУЛА
ЗАРОДЫШ У КОТОРОГО ФОРМИРУЮТСЯ ТКАНИ И ОРГАНЫ
1
2
3
4
5
6
ТИП
ЯЙЦЕКЛЕТКИ
Слайд 10Трёхсоставная программа жизни
В тело каждого живого существа внедрены три
основные автономные механизмы:
Саморазворачивание
Самоподдержание
Самоуничтожение
Слайд 11?
Поливариантность онтогенеза -
формирование множества
траекторий онтогенеза
Эпигенетический ландшафт
Слайд 12ДОКАЗАТЕЛЬСТВА РЕГУЛЯЦИИ СТАДИЙ ОНТОГЕНЕЗА
ВЫЯВЛЕНИЕ:
1. Потенции различных участков зародыша
2.
Тотипотентности
3. Эквипотентности
4. Регуляторных способностей бластул – ранних
гаструл…
Слайд 13Тотипотентность – это функциональная равноценность бластомеров на ранних стадиях эмбриогенеза
- равнонаследуемость
!!!
Слайд 14
1. Все клетки организма в начале развития тотипотентны
-обладают потенциями всех будущих клеток тела ;
2. В ходе
развития они приобретают разные свойства ;
!
Слайд 15
3. Расхождение свойств тотипотентных клеток - «основоположников»
различных тканей, активизируются (экспрессируются) разными наборами генов.
!
Слайд 16
4. Различные клетки получают на определенных этапах онтогенеза
разные сигналы. Сигналы направляют клетки по эпигенетическому «маршруту». Это
ведет к клеточной специализации, дифференцировке.
!
Слайд 17Облученные клетки выделяют в среду некие эпигенетические «сигнальные» факторы,
вызывают в необлученных клетках аналогичные изменения.
Какова природа этих факторов
– пока никто не знает.
Слайд 18П
Е
Р
С
П
Е
К
Т
И
В
А
Терапевтическое клонирование
Слайд 19Онтогенез
Зигота
?
Как эмбрион определяет какая его часть станет головой, а
какая хвостом?
Спиной или животом?
Как эмбрион решает где будут глаза, ноги,
крылья, уши?
?
Какие его клетки станут нейронами, а какие кардиомиоцитами?
На каких стадиях развития решается судьба клеток?
2п2с
???
!!!
Слайд 20ОНТОГЕНЕЗ – НЕ ПРОСТАЯ СУММА ОДНОЗНАЧНЫХ ПРИЧИНО-СЛЕДСТВЕННЫХ СВЯЗЕЙ,
А
ЦЕЛОСТНЫЙ ПРОЦЕСС!
Слайд 22Структуры возникающие из разных частей эмбриона лягушки (fate map)
кожа
Кровь, почки
Сомиты,
сердце
кишка
Нервная система
Нотохорд
Слайд 23Системы регуляции
онтогенеза
1. Эмбриональная детерминация
2. Эмбриональная индукция
3. Нейрогуморальная регуляция окончательного
типа
Слайд 24Первая система регуляции онтогенеза:
Эмбриональная детерминация
Слайд 251. Эмбриональная детерминация
мРНКцитоплазмы ооцита
S>>>
Работают ГЕНЫ с материнским эффектом!
Геном НЕ активен
З
И
Г
О
Т
А
!
Слайд 26Девидсон
ТОЛЬКО НА СТАДИИ БЛАСТУЛЫ «ЗАРОДЫШ БЕРЕТ СВОЮ СУДЬБУ В СОБСТВЕННЫЕ
РУКИ»!
Слайд 27Контроль ранних стадий развития определяется материнским геномом при образовании яйцеклеток
!!!
Слайд 28На стадии формирования бластодермы включаются зиготические гены !
Слайд 29
Активация генома зародыша
Синтез РНК зародыша начинается при дроблении у:
млекопитающих
- с 2-4-х бластомеров;
прудовика - с 8 бластомеров;
рыб и амфибий
– по достижении стадии бластулы
Слайд 30Детерминация-это процесс возникновения качественных различий между частями развивающегося организма
лабильная детерминация
стабильная детерминация
Слайд 31Регуляция ранних этапов эмбриогенеза
1. Гены с материнским эффектом
(изучены у
Д.melanogaster)
…Морфогены накапливаются
в яйцеклетке и индуцируют
развитие частей тела…
Слайд 32Гены с материнским эффектом
регулируют
становление пространственной организации
Слайд 33Гены с материнским эффектом
Д.melanogaster
1 группа - 5 генов - обеспечивают
формирование передне-заднего градиента (bicoid, hunchback, nanos)
2 группа - 4
гена -контролируют формирование дорсо-вентрального градиетна (toll)
3 группа - 3 гена - осуществляют общий контроль при развитии несегментированных головного и хвостового концов (torso)
Слайд 34Формирование передне–задней оси у эмбриона Drosophila m.
Слайд 35ГЕНЫ С МАТЕРИНСКИМ ЭФФЕКТОМ В НОРМЕ
bicoid
Мутации в локализации морфогена bicoid
hunchback
nanos
передне-задний градиент
Слайд 36
Гены сегментации
Формируют сегментный план строения тела (передние сегменты, 3 грудных
и 8 брюшных сегментов)
Обеспечивают формирование зародыша с компартментами (гены сегментарной
полярности)
Слайд 38Иерархия действия генов сегментации:
а- разделение на широкие сегменты
б – домены
в
- компартменты
Слайд 39Формирование сегментов у эмбриона Drosophila
Типичная программа поведения клетки:
«Если концентрация вещества
А
в тебе равна Х (находится в таких-то пределах), то
активируй
ген Б»
Слайд 40Формирование сегментов у эмбриона Drosophila
Слайд 41Гены сегментации
Распределение
Распределение
Распределение активатора А ингибитора Б ингибитора В
Регуляторная область
Ген С
Слайд 42Гены сегментации задают систему координат эмбриона
Слайд 43Гены сегментации задают систему координат эмбриона
Gregor et al., 2007
Слайд 44Следствие мутаций сегментных генов
нарушение
числа и полярности сегментов
формирования половины сегментов
утрата
части каждого сегмента и одновременное
удвоение оставшейся части
Слайд 45Роль сегментных генов изучены на мутациях
N
М
У
Т
А
Ц
И
И
Слайд 46ГЕНЫ СЕГМЕНТНОЙ ПОЛЯРНОСТИ У ЧЕЛОВЕКА
Контролируют лево-правую симметрию, детерминацию полярности
ЦНС, формирование скелета
Слайд 47Конечный мозг не разделен на два полушария, представлен полусферой.
Обонятельные
луковицы и тракты отсутствуют.
Гиппокамп резко гипоплазирован.
Цитоархитектоника нарушена.
Гены сегментной
полярности Мутация летальна Голопрозэнцефалия
Слайд 48Лабильная детерминация
На развитие пересаженных бластомеров влияют соседние клетки ткани,
куда они пересажены
Химеры – мыши, имеющие 6 родителей и дающие
половые клетки трех типов
Слайд 49Родительские пары
зародыши
Х
F
Суррогатная самка
Слайд 50
Химерные мыши – явление эмбриональной регуляции (Г. Дриш,
1891)
Слайд 51Гомеозисные гены
Контролируют становление пространственной организации
Обеспечивают – выбор и поддержание
определенного пути развития
Слайд 53 Гомеозисные гены способны трансформировать один сегмент в другой. Мутации:
антенопения, «двуголовость»
Слайд 55Экспрессия гена Pax6 приводит к появлению дополнительных глаз (m.
Слайд 56Развитие глаза в необычных местах на теле дрозофилы
на
лапке
на антенне
Слайд 57ГОМЕОБОКС - область ДНК, где расположены гомеозисные гены
ГОМЕОДОМЕН – это
факторы (белки), активизирующие транскрипцию.
Гомеодомены гомеозисных генов гомологичны на 80-90%
у разных организмов
Слайд 58Гомологичные последовательности в ДНК
Слайд 59Организация комплекса HOX генов у позвоночных
Слайд 61Ген Hox-8 играет важную роль в развитии скелета у эмбрионов
птиц, млекопитающих и рептилий. Он включается на разных этапах онтогенеза
, п.э. ребра формируются на разных позвонках.
Слайд 62Экспрессия гена Hoxc-6 в эмбрионах курицы и ужа
Hoxc-6 контролирует развитие
грудных позвонков
Слайд 64Гомеозисные гены у человека
4 НОХ кластера, состоящих из тесно
сцепленных генов (39).
Мутации чаще летальны
Слайд 65Гомеозисные гены у человека
- Гены группы РАХ (мутации -
нарушение развития н.с. )
- Гены MSX (мутации - зарастание
швов в черепе)
- EMX (мутации - расщелина мозга в полушариях).
- SOX (роль в первичной детерминации пола и др.
Слайд 66Вторая система регуляции онтогенеза:
Эмбриональная индукция
Слайд 67Эмбриональная индукция
– это влияние группы клеток эмбриона на дифференцировку
рядом расположенных клеток
Слайд 68ОПЫТ Г. Шпемана и Г. Мангольд
Схема операции по пересадке хордо-мезодермального
зачатка на стадии ранней гаструлы
Открытие первичной эмбриональной индукции, 1924
(Triturus cristatus)
(T.
vulgaris),
Ганс Шпеман получил в 1935г Нобелевскую премию.
Слайд 69Внешний вид зародыша
Разрез через зародыш; на брюшной стороне образовался индуцированный
зародыш
ОПЫТ Г. Шпемана и Г. Мангольд
Слайд 70Эмбриональная индукция Г.Шпеман, Г. Мангольд 1924 год
Первичный индуктор- клетки дорсальной
губы бластопора
Хорда
Нервная трубка
Кишечная трубка
Слайд 71ХОРДО-МЕЗОДЕРМАЛЬНЫЙ ЗАЧАТОК - ЭТО:
- ДОРСАЛЬНАЯ ГУБА БЛАСТОПОРА НА СТАДИИ РАННЕЙ
ГАСТРУЛЫ
- ПЕРВИЧНЫЙ ЭМБРИОНАЛЬНЫЙ ОРГАНИЗАТОР!
Слайд 72ХОРДО-МЕЗОДЕРМАЛЬНЫЙ ЗАЧАТОК
обеспечивает :
- ФОРМИРОВАНИЕ ОСЕВЫХ СТРУКТУР;
- УСТАНОВЛЕНИЕ ПЛАНА БИЛАТЕРАЛЬНОЙ СИММЕТРИИ;
-
ПЕРЕОПРЕДЕЛЕНИЕ СУДЬБЫ ЧАСТИ КЛЕТОК ХОЗЯИНА;
- ВКЛЮЧЕНИЕ ЧАСТИ КЛЕТОК ХОЗЯИНА В
СТРУКТУРЫ ТРАНСПЛАНТАНТА;
- ИНДУЦИРОВАНИЕ НЕЙРОНАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ.
Слайд 73ТИПЫ ПЕРВИЧНОЙ ЭМБРИОНАЛЬНОЙ ИНДУКЦИИ
1.ЭПИТЕЛИО-МЕЗЕНХИМНЫЙ
2.АРХЭНЦЕФАЛИЧЕСКИЙ
3.ДЕЙТЕРЭНЦЕФАЛИЧЕСКИЙ
Слайд 74ЭМБРИОНАЛЬНАЯ ИНДУКЦИЯ обусловлена СПЕЦИФИЧЕСКИМИ ИНДУКТОРАМИ
ВКЛЮЧАЮТ И ВЫКЛЮЧАЮТ БЛОКИ ГЕНОВ В
РЯДОМ РАСПОЛОЖЕННЫХ КЛЕТКАХ
Слайд 75Развитие любого организма – это цепь последовательных индукций !
Индукция
Дифференцировка
Морфогенез
Слайд 76ДИФФЕРЕНЦИРОВКА
превращение в процессе онтогенеза первоначально одинаковых, неспециализированных клеток зародыша
в специализированные клетки тканей и органов.
Слайд 77Морфогенез – это приобретение зародышем отдельных морфологических структур
Слайд 78Биологический Паттерн – особенность анатомической структуры или морфологии ткани, органа
или организма
Формирование паттерна в индивидуальном развитии
Слайд 79Формула морфогенеза
•Морфоген
•Распределение сигнала
•Реакция
•Начальные данные
паттерн
Слайд 80
Механизмы самоорганизации многоклеточных организмов универсальны
! Морфоген
! Распределение сигнала
! Реакция
Слайд 81Генный уровень регуляции онтогенеза реализуется через
клеточные механизмы
!!!
Слайд 82Клеточные процессы:
размножение
изменение формы
перемещение клеток
гибель клеток
сортировка
дифференцировка
Слайд 83 Клеточные механизмы:
- пролиферация
- апоптоз
- адгезия
-движение, клеточная миграция
- дифференцировка
клеток
- изменение формы клеток
Слайд 84Сигнальные молекулы сверхсемейства TGFβ влияют на спектр биологических процессов: клеточная
пролиферация, клеточная дифференцировка, клеточная гибель (Graham et al., 1994, Hogan
1996, Hogan 1999, Mabie et al., 1999).
Слайд 85Большинство тканей человека, как известно, обладает способностью к регенерации, обусловленной
существованием стволовых клеток, способных к активной пролиферации и дифференцировке.
http://www.medprodukt.ru/index.php?news=yes&news_page=13
Слайд 86Дисплазия - нарушение пролиферации и дифференцировки малодифференцированных исходных клеток
Слайд 87Гены контролируют не только рост и деление клеток, но и
их избирательную гибель в онтогенезе – апоптоз.
Запуск самоубийственной программы
- необходимый элемент общей программы развития каждого организма.
Слайд 90Апоптоз клеток печени
Срез печени мыши; стрелками указаны погибающие в ходе
апоптоза клетки. ЭТО контроль "самоубийства" выродившихся клеток организма.
http://www.popmech.ru/part/?articleid=3157&rubricid=3
АПОПТОЗ
Слайд 91Апоптоз клетки печени
а - Клетки в состоянии апоптоза, б -
контрольные клетки. В апоптозных клетках хроматин уплотнен и фрагментирован.
Слайд 92АДГЕЗИЯ КЛЕТОК
Трансмембранные гликопротеиды
Слайд 93 Миграция клеток
Миграция клеток сетчатки глаза
Миграция клеток костного мозга
Слайд 94Дифференцировка мезодермы зародыша человека
выселение (миграция) клеток мезенхимы
7 - из склеротома,
8 - из париетального листка спланхнотома, 10 - выселение клеток
мезенхимы из дерматома
Слайд 96 Эпителии вторичной полости тела и задней кишки. Зародыш длиной
5.5 мм.
1 - полость тела; 2 - задняя
кишка; 3 - спланхноплевра
гоноциты в спланхноплевре
гоноциты в целомическом эпителии
Миграция первичных половых клеток, гоноцитов, в теле зародыша человека задолго до образования гонад
Слайд 97 Миграция первичных зародышевых клеток в раннем эмбриогенезе птиц
Слайд 98Формирование полос на теле определяется
локальными особенностями
деления и миграции
пигментных клеток
Цихлиды озера Виктория
Верхний ряд - разные виды
ядовитых лягушек, нижний ряд - разные формы одного вида имитатора
Слайд 99Движение клеток
Движение участков клеточной поверхности и целых клеток
Пространствен-ная
координация
Слайд 100Вытяжение и поляризация клеток
Сокращение клеточных тел
Слайд 102Дифференцировка иммунноцитов
Фермент протеинкиназа G, обеспечивающий дифференцировку нормальных клеток
Слайд 104Деление и дифференцировка клеток у растений идет под контролем фитогормонов!
Однодольные
Двудольные
Слайд 105Морфогенез определён генетически, но осуществляется благодаря эпигенетическим взаимозависимостям клеток и
их комплексов.
Нерегулируемые искажения морфогенеза приводят к аномалиям развития (Тератомы).
Слайд 106Критические периоды в эмбриогенезе человека :
Имплантация
6-7 сут после зачатия;
Плацентация конец 2-й недели
беременности;
Интранатальный период или роды
Слайд 107Врожденные пороки в популяциях человека (1-2%) подразделяются на
-
аплазии
- гипоплазии,
- гиперплазии
- гетеротопии
– стенозы
- атрезии
гаметопатии
эмбриопатии
Монозиготные близнецы
Слайд 108Критические периоды в постнатальном онтогенезе:
- новорождения (перестройка всех процессов ж/д)
-
полового созревания (гормональные перестройки)
- полового увядания (угасание функций эндокринных желез).
Слайд 109 Развитие организма определяют:
- генетические факторы
-взаимодействие частей
зародыша
- факторы внешней среды
Слайд 110…..Нейро-гуморальная регуляция онтогенеза……….
Соматотропный гормон (СТГ), или гормон роста
гипофизарная
карликовость
гипофизарный гигантизм
Слайд 112Метаморфоз и гуморальная регуляция у хвостатых амфибий
Слайд 113Хронология развития
Мексиканский аксолотль – водная саламандра. Личинки большинства видов
саламандр развиваются в воде и дышат жабрами.
Слайд 114Хронология развития
Мексиканский аксолотль – водная саламандра. Взрослые формы после
метаморфоза утрачивают жабры и переходят к легочному дыханию.
Слайд 115Хронология развития
Мутация одного из генов, контролирующих метаморфоз.
Аксолотль успешно
размножается на стадии личинки.
Слайд 116Гормональный контроль метаморфоза насекомых
Слайд 117Какой клеточный механизм реализуется
Слайд 118Пальцы у утки оказываются соединенными перепонками, а у курицы нет
…..
ПРИЧИНА??? Какие клеточные механизмы задействованы………
?