Тема 11. Органогенез

Одно из свойств зародыша – стремление разделиться на отделы, не остаться однородным. Это происходит с помощью деламинации, сегментации, отшнурования. При этом эпителиальный слой не остаётся плоским, а образует трубки и выпячивания. Это общая тенденция развивающегося зародыша.

Различаются:

1. Эпителиальные органогенезы.

2. Мезенхимные органогенезы.

Эпителиальные ткани состоят из клеток с ясно выраженной полярностью (в клетке имеются апикальный и базальный концы). Друг с другом эти клетки скреплены боковыми стенками. Клеточные контакты расположены на боковых стенках, т.е, тоже поляризованы.

Мезенхимные ткани состоят из клеток без ясно выраженной поляризации. Мезенхимные клетки могут перейти в эпителиальные. Это – процесс эпителизации тканей. Обратный переход встречается реже.

В основе органогенезов лежат следующие события: 1) изгибы эпителиальных пластов (при образовании мозга); 2) формирование плакод (образование хрусталика); 3) сгущение мезенхимы, эпителизация и деэпителизация (образование сомитов).

Развитие ЦНС (центральной нервной системы) – пример эпителиального органогенеза. Первичный мозговой пузырь разделяется сначала на 3 пузыря, затем на 5.

Промежуточный мозг дает боковые выступы, которые подходят к поверхностному эпителию. Это зачатки глаз – глазные пузыри.

Координированные движения двух разных компонентов – эпителия неврального и эпителия покровного, приводит к образованию глаза. Для органогенеза глаза необходимо присутствие мезенхимных клеток. Это пример сложного комплексного органогенеза.

Образование сомитов.

У эмбрионов всех позвоночных закладываются осевая и боковая мезодермы. Осевая мезодерма метамеризуется, т.е, подразделяется на сомиты. У большинства позвоночных сомиты закладываются в виде сплошных скоплений мезодермальных клеток, а затем в них возникают полости ( исключение - у ланцетника сомиты возникают энтероцельным путем и сразу содержат полость).

Образование сомитов идет по направлению от головы к хвосту. Отдельные мезенхимные клетки собираются в кучности и переходят в эпителиальное состояние. Затем они разделяются на эпителиальную закладку дермамиотома и мезенхимальную – склетотома. Клетки склеротома уходят к хорде, где формируют осевой скелет - позвоночник. Миотом – это будущие миобласты, зачаток всей поперечно-полосатой мускулатуры.

Вначале осевая мезодерма метамеризуется по всей длине зародыша – в головной и туловищной части. Однако головные сомиты быстро распадаются. Основная часть их клеток идет на построение парных хрящевых закладок задней части черепа.

Туловищные сомиты в конце концов тоже распадаются, но намеченная ими метамеризация тела взрослых животных сохраняется.Это закрепляется положением позвонков, так как каждый позвонок строится из задней части впереди лежащего сомита и передней части следующего, расположенного каудальнее. Сомиты определяют расположение спинномозговых ганглиев и прорастание выходящих из них нервных окончаний.

Развитие конечностей.

Из париетального листка мезодермы выселяются мезенхимные клетки, которые приподнимают эпителий – образуется почка конечности. Все сложные хрящевые структуры строятся из мезенхимных клеток. Мезенхима вместе с эпителием играет важную роль. По мере роста конечности меняется её форма, апикальная её часть расширяется и уплощается. Затем появляются зачатки пальцев. Одновременно с внешней дифференцировкой формируется её внутренний скелет – хрящи образуются из сгущений мезенхимных клеток. Первым появляется зачаток проксимального отдела, который в передней конечности разовьется в плечевую кость, а в задней – в бедренную. Затем формируется зачаток более дистальных отделов – соответственно зачатки локтевой и лучевой костей и зачатки большой и малой берцовых костей. Последними появятся хрящи кисти , стопы и фаланг пальцев.

При дифференцировке парных конечностей происходят интенсивные эпителиально-мезодермальные взаимодействия. Вначале мезодерма влияет на эктодерму, который утолщается и образует апикальный гребешок. Затем эпителий влияет на мезодерму. Если его убрать, то не происходит дифференцировки фаланг пальцев, а если его пересадить более проксимально, то в этом месте начнут формироваться вместо проксимальных отделов конечности её дистальные отделы (вместо плечевого отдела, например, формируется кисть). Но мезодерма прочитывает новую информацию по-своему: мезодерма задней конечности, получив сигнал от эктодермы передней конечности, сформирует на месте проксимальной части дистальную часть, но не крыла, а ноги, и наоборот. Это говорит о том, что «прочтение» индукционного воздействия зависит от природы самого реагирующего материала.

Следует сказать, что формирующаяся конечность цыпленка является очень удобной моделью для исследования механизмов последовательной экспрессии генов, которая, вероятно, лежит в основе клеточной дифференцировки, составной части любого органогенеза.

Клеточные механизмы органогенеза.

В органогенезах участвуют клеточное размножение, клеточная гибель и клеточные движения. Если клеток образуется больше, чем нужно, то часть их гибнет , например в процессе кавитации –образовании полостей. Примером использования кавитации может служить формирование канальцев почки.

При образовании конечностей также наблюдается запрограмированная гибель –когда формируются пальцы. Сначала выемки, обозначающие границы будущих пальцев невелики, но затем, благодаря гибели клеток, увеличиваются.

Важным компонентом органогенезов является клеточные движения. Они очень различны. Клетки путешествуют, мигрируют. Пример- клетки нервного гребня. Уже в процессе замыкания нервной трубки клетки нервного гребня выходят из состава нервных валиков и мигрируют в разных направлениях. Эти клетки дают начало самым разнообразным зачаткам. Некоторые клетки нервных валиков мигрируют назад в эктодерму и превращаются в первичные пигментные клетки – меланоциты. Другие клетки мигрируют в вентральном направлении и образуют скопления медуллобластов, которые затем сформируют ганглии симпатической и парасимпатической нервной системы, а также клетки шванновских оболочек нервов. Из головной части нервного гребня выселяются клетки, которые превратятся в хрящевые, мышечные и соединительнотканные. Они строят хрящи лицевого скелета, мышцы, и рыхлую соединительную ткань лица, языка и нижней челюсти, входят в состав аденогипофиза, паращитовидных желез и мякоти зуба. Таким образом, клетки нервного шребня могут формировать закладки, которые обычно формирует мезодерма. Считается, что выбор их дифференцировки определяется их положением в нервном гребне и также окружением, в которое они попадают.

Таким образом в основе органогенезов лежат следующие морфологические преобразования:

1. Самый типичный – изгиб клеточного пласта, например, при образовании ЦНС, кишечной трубки и многих других органов.

2. Утолщение – утолщенные участки эпителия называются плакодами. Плакодами являются зачатки зачатки хрусталика, органов слуха и обоняния.

3. Расхождение клеток – образование щелей и полостей.

4. Сгущение – характерно для мезенхимных клеток, например, при закладке конечностей и образовании хрящей.

5. Клеточные движения. Они очень различны. Клетки путешествуют, мигрируют. Пример – клетки нервного гребня, Это пример длительной миграции. Эти клетки дают начало меланофорным клеткам, шванновским, ганглиозным клеткам симпатических и парасимпатических нервных ганглиев, а также многим соединительнотканным закладкам в головной части зародыша.

Более короткие миграции: а) при образовании глазных пузырей; б) при нейруляции. В изменении формы пласта зачатков участвует и изменение формы клеток – они сокращаются.Миграция клеток и изменение их формы происходят одновременно.

Межзачатковые взаимодействия индукционного типа.

Они были обнаружены за 10-15 лет до открытия первичной индукции. Ганс Шпеман обнаружил индукционные взаимосвязи между зачатками глаза и хрусталика. Он пересаживал глазную чашу тритона другому тритону на бок. Над ней возникал хрусталик. Применяли межвидовые пересадки, которые подтвердили первые опыты.

Было показано, что продолговатый мозг индуцирует образование слухового пузырька.

Была высказана гипотеза о развитии органов в результате последовательных индукционных влияний. Существуют индукции вторичные, третичные. На основании многих опытов пришли к выводу, что индуктор подает абстрактные команды, а конкретное исполнение зависит от реагирующей ткани. Пример: перекрестная пересадка брюшной эктодермы в область рта у эмбрионов тритона и лягушки. В обоих случаях под воздействием подлежащей ткани хозяина из пересаженной эктодермы формировались ротовые части, но по типу донора. Индуктор индуцировал «абстрактный » рот, а каким он должен быть, зависит от самого зачатка (опыт Шпемана и Шотте, начало 30х годов 20века).

Другой пример: брали зачаток конечности цыпленка на стадии, когда зачаток состоял из большого количества мезенхимных клеток. Пересаживали мезенхимные клетки из области презумптивной голени ( дистальная часть нижней конечности) в область зачатка крыла. На новом месте перенесенные клетки формировали тоже дистальные отделы, но не крыла, а хрящи голени. Это тоже показывает, что индуктор подает «абстрактные» команды.

Эти опыты показывают, что на стадии органогенеза органы детерминированы, так как их общая судьба при пересадке не изменяется, но они детерминированы как целое, внутри которого есть возможность регуляции. Другими словами, на этой стадии судьба каждой клетки зачатка детерминирована её положением в целом.

Общая характеристика индукционных взаимодействий при развитии органов.

При развитии различных органов обнаруживаются многочисленные индукционные взаимодействия между их частями: так, глазная чаша индуцирует в накрывающей её покровной эктодерме образование сначала хрусталика, а затем роговицы. В ряде случаев индукционные процессы следуют один за другим, образуя как бы цепи индукций. Например, энтодерма дорзальной стороны зародыша индуцирует из прилежащего к ней района крыши бластоцеля хордомезодерму, последняя индуцирует из покровной эктодермы центральную нервную систему, а выделившийся из неё промежуточный мозг –хрусталик; продолговатый мозг – слуховой пузырек, а последний – слуховую капсулу. Это наводит на мысль, что весь ход эмбриональных событий является развертыванием цепи последовательных индукций, в ходе которых индуктор полностью определяет структуру возникающего органа, который в свою очередь станет индуктором для следующего органа. Однако в действительности все гораздо сложнее. Прежде всего не все этапы органогенеза связаны с индукциями, так, не обнаружен индуктор закладок конечностей. Ни в одном случае структура индуцируемой закладки не задается индуктором, а определяется свойствами индуцируемой ткани. Индукторы являются как бы пусковыми факторами или снимающими запрет (в последнем случае происходит индукция по умолчанию).

Уместно привести опыт, проведенный Б.И.Балинским. В 1924 году он испытывал способность слухового пузырька зародыша тритона формировать вокруг себя слуховую капсулу. Для этого он пересадил слуховой пузырек в туловищную область зародыша между закладками парных конечностей. К его изумлению вместо слуховой капсулы над пузырьком образовалась дополнительная конечность, вполне сформированная. Оказалось, что если в эту область подсадить другой зачаток или просто кусочек целлоидина, то результат будет таким же. Ни в одном из экспериментальных «индукторов» не содержалась информация о структуре конечности. Значит искусственный индуктор только побуждал мезенхиму боковой стороны туловища к скоплению, а дальше в результате взаимодействия клеток мезенхимы и эктодермы формировалась конечность. Аналогичные результаты были получены в более или менее яркой форме и при изучении других индукционных процессов. Таким образом большинство индукционных процессов являются пермиссивными ( разрешительными), а индуктор играет роль пускового механизма процесса, исход которого зависит от самой индуцируемой ткани.

До сих пор неясны непосредственные факторы индукционных взаимодействий и этот вопрос требует дальнейших выяснений.