Міністерство освіти РФ

Санкт-Петербурзький технологічний інститут

Кафедра молекулярної біотехнології

Реферат

Тема: Диференціація ембріональних клітин

Виконав: Шилов С.Д. гр.295 курс 3

С-Петербург

2003 г.

Зміст:

Введення ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 3
Детермінація і диференціювання .... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .3
Дроблення яйцеклітини та освіта бластули ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 4
Організаційні центри розвиваються зародків. Індукція ... ... ... ... .. 6
Феномен «мертвих організаторів» ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .7
Хімічний аспект вивчення та диференціації клітин і тканин ... ... ... ... ... 8
Теорія полів .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .10
Висновок ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 12
Список використаної літератури ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 13
Додаток ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 14

Вступ:

Організм будь-якого багатоклітинного тварини можна розглядати як клонклітин, що утворилися з однієї єдиної клітини - заплідненогояйця. Тому клітини тіла, як правило, генетично ідентичні, алерозрізняються за фенотипом: одні стають м'язовими клітинами, інші --нейронами, третє - клітинами крові і т.д. В організмі клітини різного типурозташовані строго певним упорядкованим чином, і завдяки цьомутіло має характерною формою. Всі ознаки організму визначаютьсяпослідовністю нуклеотидів в геномної ДНК, яка відтворюється вкожній клітині. Всі клітини отримують одні і ті ж генетичні «інструкції»,але інтерпретують їх з належним урахуванням часу і обставин - так, щобкожна клітина виконувала свою певну специфічну функцію вбагатоклітинній співтоваристві.
Багатоклітинні організми часто бувають дуже складними, але їх побудоваздійснюється за допомогою вельми обмеженого набору різних формклітинної активності. Клітини ростуть і діляться. Вони відмирають, з'єднуютьсямеханічно, створюють сили, які дозволяють їм пересуватися і змінювати своюформу, вони диференціюються, тобто починають або припиняють синтезпевних речовин, кодованих геномом, вони виділяють у навколишнє середовищеабо утворюють на своїй поверхні речовини, що впливають на активність сусідніхклітин. У цьому рефераті я спробую пояснити, яким чином реалізаціярізних форм клітинної активності в потрібний час і потрібному місці призводятьдо утворення цілісного організму.

детермінацію і диференціювання:

Найважливіші поняття в есперіментальной ембріології - поняттядиференціація і детермінації, що відображають основні явища наступності,послідовності процесів розвитку організму. У онтогенезі безперервновідбуваються процеси диференціації, тобто з'являються нові й новізміни між різними ділянками зародка, між клітинами і тканинами,виникають різні органи. У порівнянні з вихідною у розвитку яйцеклітиноюорганізм здається надзвичайно складним. Диференціація - це такеструктурний, біохімічне або іншу зміну розвитку організму, приякому щодо однорідне перетворюється у все різне,чи стосується це клітин (цитологічна дмференціація), тканин
(гістологічна диференціація) або органів та і організму в цілому, йдемова про морфологічні або про фізіологічні зміни. При виявленніпричинного механізму тих чи інших діфференціровок вживається терміндетермінація. Детермінацірованной називають частину зародка з того моменту,коли вона несе в собі специфічні причини свого подальшого розвитку,коли вона може розвиватися шляхом самодіфференціровке відповідно допроспективних своїм розвитком. Згідно Б.І. Балінським детермінацій требаназивати стійкість що почалися процесів диференціації, їх тенденціюрозвиватися в наміченому напрямку, не дивлячись на зміну умов,незворотність пройшли змін.
Тіло тварини побудовано з порівняно невеликої кількостілегкоразлічімих типів клітин - приблизно з 200. Відмінності між ними настількиясні тому що, на додаток до численних білків, необхідним будь-якийклітини організму, клітини різних типів синтезують свій власний набірспеціалізіровнних білків. У клітинах епідермісу утворюється керотін, веритроцитах - гемоглобін, в клітинах кишечника - травні ферменти іт.д. Може виникнути запитання: чи не пояснюється це просто тим, що клітиниволодіють різними наборами генів? Клітини кришталика могли б, наприклад,втратити гени кератину, гемоглобіну і тд, але зберегти гени Кристаллин;або ж у них могло б вибірково збільшуватися число копій крісталліновихгенів шляхом апліфікацій. Однак це не так, цілий ряд дослідженьпоказує що клітини майже всіх типів містять один і той самий повний геном,який був у заплідненої яйце. Мабуть, клітки розрізняються нетому що містять різні гени, а тому що вони експресують різнігени. Активність генів схильна до регуляції: вони можуть включатися івиключатися.
Наболее переконливі дані від те, що незважаючи на видиме змінаклітин при їх диференціювання, сам геном залишається у них незмінним, булиотриманих в дослідах з пересадкою ядер в яйця амфібій. Ядро яйцязаздалегідь руйнують, облуччя ультрафіолетом, і мікропіпеткойпересаджують ядро диференційованої клітини, наприклад, з кишечнику, уплідне яйце. Таким чином можна перевірити, чи містить ядродиференційованої клітини повний геном, рівноцінний геному заплідненогояйця і здатний забезпечити нормальний розвиток зародка. Відповідь виявиласяпозитивним; в цих дослідах вдавалося виростити нормальну жабу,здатну виробляти потомство.

Дроблення яйцеклітини та освіта бластули:

Багатьма шляхами відбувалася еволюція тварин. Дуже різноманітні іспецифічні зв'язку розвиваються організмів із середовищем. Незважаючи на це інезважаючи на великі особливості в морфології і фізіології дроблення урізних видів тварин, дроблення яйцеклітини у більшості організміввідбувається подібним періодом розвитку, що має назву бластули (від грецькогоblaste, blastos - паросток, зародок). Це одна з численних показниківспільності походження тваринного світу і один з прикладів паралелізму веволюційному розвитку структур. Але це не означає, що зародки всіхтварин абсолютно однаково влаштовані на стадії бластули; навпаки, порядз основними спільними рисами є і суттєві відмінності бластули різнихтварин. У завісімотсі від багатьох причин роздрібнюється яйце в загальному зберігаєсвою первісну сферичну форму, а бластомери можуть надавати дужевеликий тиск один на одного, набувати багатогранну форму і незалишати між собою ніяких щілин; при цьому утворюється морула --сукупність діляться клітин, що нагадує ожиновому ягоду з більшою абоменшою порожниною всередині, заповненої продуктами життєдіяльності клітин.
(рис. 1) Ця порожнину називається порожниною дроблення або на честь вченого Берав перші її описати - беровской порожниною. У міру поділу клітин порожнинапоступово збільшується і превращаяется в порожнину бластули, званоїбластоцель. Клітини обмежують бластоцель утворюють епітеліальнийшар.

рис.1

Після того як клітини бластули сформували епітеліальний шар, настаєчас для координованих рухів - гаструляціі. Ця радикальнаперебудова веде до перетворення полого клітинного кульки в багатошаровуструктуру, що володіє центральною віссю і двосторонньою симетрією. У мірурозвитку у тварини повинні визначитися передній і задній кінці тіла,черевна і спинна сторони і серединна площина симетрії, що розділяєтіло на праву і ліву половини. Така полярність складається на дужеранній стадії розвитку зародка. У результаті складного процесу інвагінації
(впячіванія) (рис.1) значну ділянку епітелію переміщається з зовнішньоїповерхні всередину зародка, утворюючи первинну кишку. Подальший розвитокбуде визначатися взаємодіями внутрішнього, зовнішнього та середньогошарів, що створюються при гаструляціі. Після процесу гаструляціі наступаєпроцес органогенезу - це локальне зміна певних ділянок тогочи іншого зародкових пластів, і освіта зачатка. При цьому часомнеможливо виділити якийсь главенсьвующій вид клітинного матеріалу, відякого б залежав механізм розвитку органу.

Організаційні центри розвиваються зародків. Індукція.

У своїх питах Шпеман зрізав у зародка тритона на стадії ранньої гаструливсю верхню половину (анімальное півкуля) і перекидав її на 180 ° ізнову зрощувати. У результаті утворювалася нервова пластинка на тому жмісці де і мала бути, але не з нормального клітинного матеріалу, аз ектодермального шару. Шпеман вирішив, що в цьому районі поширюєтьсяякийсь вплив, який змушує клітини ектодермального шарурозвиватися по шляху розвитку нервової пластинки, тобто індукує їїосвіта. Цю область він назвав організаційним центром, а сам матеріал,з якого виходить вплив - організатором або індукторм. Надалі
Шпеман пересаджував так звані індуктори в різні ділянки іншихзародків на стадії бластули або ранньої гаструли. У не залежно від місцяу зародка індукувати вторинна нервова пластинка з усіма атрибутами,але не з трансплантата, а з клітин господаря, сам же трансплантат вбільшості випадків рухався по шляху свого нормального розвитку. Дляаналізу даних явищ у 1938 році Гольтфетер культивував з стандартнихсередовищах маленькі шматочки, вирізані з гаструли тритонів. Виявилося щошматочки, вирізані з різних областей зародка, тобто в різного ступенядетерміновані, в залежності від цього чи розпадаються на різніокремі клітини (менше детерміновані), або можуть формувати різнітканинні структури (більш локально детерміновані). Ці структури,висловлюючись мовою школи Шпеман, розвивалися у відсутності організатора.
У полне переконливий висновок з цих фактів зробили в 1955 році Ж. Гольтфретері В. Гамбургер: всі ділянки крайової зони продукують в умовах експлантаціібільш широке розмаїття тканин, ніж вони дали б, перебуваючи в системізародка. Пізніше ці вчені аналізуючи дані дослідів зробили дуже важливийвисновок, що неправильно було б розглядати поля і організатори якверховну владу у визначенні долі інших менш специфічнодетермінованих частин зародка. Цінні результати численних дослідіві досліджень школи Шпеман і його послідовників з інших лабораторій,що дали ембріології блискучі докази взаємозалежності частинзародка, його інтеграції на будь-якій стадії розвитку, стали трактуватися всебільше односторонньо, як дія організаторів на нібито індіференцірованнийклітинний матеріал. Це була смуга в розвитку ембріології, коли здавалосябуло знайдено основне пояснення процесів формоутворення та критичнізауваження окремих вчених проти односторонніх захоплень, розглядалосякк щось заважає розвитку науки. Створена в той час теоріяорганізаційних центрів, безсумнівно, містила в собі односторонні і навітьфанатичні вглядись, котороие зазнали поразки перед обличчям нових, не меншзахоплюючих фактів, виявлених згодом самій же шпемановскойшколою.

Феномен «мертвих організаторів»:

Перед дослідниками постало питання: наскільки специфічно діюорганізаторів, індукторів? При пересадці організатора від безхвостий амфібії
(жаба-жерлянка)
Зародку хвостатий амфібії (тритон) була виявлена індукція медулярнойпластинки. У разі пересадки від зародка птиці в зародок тритонаорганізатор так само робить індукують дію. Подібне явищевідбувається і в разі пересадки зародку кролика організатора тритона.
Виникли й інші питання. Чи однакові за своєю природою організатори урізних тварин? Залежать чи індукують властивості організатора від клітин,його складових, специфічної диференціації, типи зв'язків між клітинами
- Словом від біологічної системи організатора або мова йде про якесьіншому механізмі? У 1931 році було виявлено, що організатор здатнийіндукувати і після повного руйнування його структури, навіть повногоруйнування його клітин. Перемішували роздавлені шматочки ембріона, робилигрудочки з них і пересаджували в порожнину бластули іншого зародка. Індукціямала місце. У 1932 році з'явилося повідомлення про так званих мертвихорганізаторів. Група вчених досліджувала дію убитих організаторів, длячого клітини висушували при 120 градусах, кип'ятили, заморожували, поміщали вспирт на 6 місяців, у соляну кислоту і т.д. Виявилося що після такихманіпуляцій організатор не втрачав своїх індукційних здібностей.
Більшість ембріологів вбачає в цьому відкритті нову еру в ембріології,пізнання хімічного механізму організаторів, знаходженняформообразовательних і органообразующіх речовин. Деякі лабораторіїнамагалися довести, що дія мертвих організаторів відмінно від діїживих. Але незабаром, на подив дослідників, була виявленанеспецифічної організаторів. Вбиті шматочки гідри, шматочки печінки, нирок,мови, різні тканини трупа людини, шматочки м'язів молюски,роздавлені дафнії, шматочки кишки риби, клітини саркоми щурів, тканини куркиі людини виявилися індукторами. Почалося одностороннє захоплення хімієюіндукторів: почали намагатися розгадати формулу речовини, що індукуютьспецифічний формообразовательний процес, і за кілька років накопичивсябагатий матеріал. Справа доходила до абсурду: шматочки агару, нібитопросочені такою речовиною, жирні кислоти рослинних олій, отруйнийдля тварин цефалін, нафталін та ін Виявилося що навіть клітини рослинпересаджених в зародок дають ефект індуктора! В даний час ясно, щовсі ці спроби знайти специфічне формообразовательное речовина булипростим захопленням і не досягли мети.
Повернемося знову до теорії організаторів. У звичайній схемі про індукційнихвпливи організаторів на клітинний матеріал, який реагує,индуцируется, мається на увазі як щось індіферентное, тобто тільки ічекає, що б його підштовхнули до детермінації. Однак це не так. Клітиннийматеріал, на який діє організатор, не індеферентен. М. Н. Рагозінапоказала, що закладка осьової мезодерми являє собою не тількиіндуктор нервової трубки, але й сама потребує для своєї диференціації вФормативний дії з боку закладку нервової системи. При цьому маємісце не одностороння індукція, а взаємодія частин, що розвиваєтьсязародка. Один і той же індуктор може індукувати різні освіти,наприклад, слуховий бульбашка при пересадки на бік зародка амфібії можеіндукувати додаткову кінцівку, той же бульбашка при пересадці його в іншемісце і на іншому етапі розвитку може індукувати слухову капсулу. Він жеможе виступати в ролі індуктора додаткового ядра кришталика у разізіткнення з зачатком кришталика і т.д.
Підсумки до сказаного краще підвести цитатою з роботи Уодінгтона, який знизкою інших учених так енергійно намагався з'ясувати хімію організаторів:
«Здавалося, ми знаходимося на порозі виключно важливого відкриття --можливість отримати речовину, що впливає на розвиток. Складність полягалане в тому, що ми не могли знайти речовина діє подібно організатору,викликає диференціації клітин, а в тому, що ми знайшли дуже багатотаких речовин. Зрештою Дж.Нідгем, м. Брашов і автор цієї статтіпереконливо показали, що навіть метиленовий синій - речовина, що навітьлюдина з самої палкої фантазією не буде звертатися в зародку, - можеіндукувати утворення нервової тканини. Виявилося, що шукати в одиничноюклітинах що реагує речовина, що могло б дати ключ до розуміннядиференціювання, марно. Причину диференціювання слід шукати вреагує тканини, в якій вона і відбувається ».

Хімічний аспект вивчення та диференціації клітин і тканин:

У 50 - 60-х роках у зв'язку зі зростаючим взаємовпливом біології, фізики іхімії та використанням нових методик знову підвищився інтерес до хіміїіндукторів, хоча зміст цього поняття різко змінилося. По-перше,вважається марна шукати якесь одне формообразовательноеречовина, що викликає інтекцію. По-друге, все менше число дослідниківуподібнює явище індукції, що спостерігаються в ході нормального розвиткузародків,?? еномену мертвих організаторів. По-третє, замість гіпотези
Шпеман про індукцііонних впливи організатора на «індіферентний» клітиннийматеріал утвердилася думка про взаємозалежність частин у розвитку зародків.
У 1938 році С. Тойвонен, випробовуючи сотні різних тканин тварин наздатність до індукції осьових зачатків у амфібій, виявив що деякііндуктори володіють якісно різних дією, а саме: тканину печінкиморських свинок індукує майже виключно передній мозок і йогопохідні, кістковий мозок - тулуба і хвостові структури. У 1950 р.
Ф. Леман запропонував гіпотезу, прийняту Тойвоненом, Яматадой та іншимидослідниками. Відповідно до цієї гіпотези, первинна індукція може бутивикликана всього двома агентами, що утворюють дві взаімоперекривающіхсяградієнта. Одне речовина індукує виключно переднеголовние
(архенцефаліческіе) структури, а інша речовина - тулуба-хвостові
(дейтеренцефаліческіе) структури. Якщо багато другого агента і мало перше,то индуцируется передній мозок; якщо багато перших і мало другого, товиникає тулубної-хвостова частина. Все це має місце, згідно згіпотезою, у нормальному розвитку амфібій, треба уявити собі наявністьпевних індукують речовин у відповідних кількіснихкомбінаціях в різних ділянках зародка. Тойвонен
Провів серію дослідів з роздільним і одночасною дією тканини печінки ікісткового мозку і дані підтверджують цю теорію. При дії тканинпечінки утворювався передній мозок і його похідні, при дії кістковогомозку - тулуба-хвостові тканини, а при одночасній дії печінки ікісткового мозку утворювалися структури всіх рівнів тіла нормальноїличинки.
Тойвонен припускає, що кожний із двох індукторів утворює своє активнеполі, при одночасній дії їх дії виникає комбіноване поле
(рис. 2)

рис. 2
До 70-х років хімія «індукторів» виявляється настільки ж неясною, як і вперіод односторонніх хімічних захоплень ембріологів в 30-і роки. Незважаючина великий прогрес в хімічній ембріології, всі основні питання про
«Організаційних центрах» залишаються тими ж що і в 40-х роках. Гіпотеза
Тойвонена не дає, на жаль, нічого принципово нового в порівнянні зстарими односторонньо хімічними схемами суті індукторів таорганізаторів, тільки замість однієї речовини думають про двох або декількох.
Повинні бути прийняті до уваги такі очевидні недоліки гіпотези
Тойвонена, на які від частини вказує і сам автор. По-перше, цягіпотеза говорить тільки про індуктора і абсолютно не стосується головногопитання - про реагуючих системах. По-друге, експериментальне їїобгрунтування дано на підставі дії якихось речовин тканин тварин, аробиться спроба пояснення явища нормального розвитку зародків амфібії.
Потрібно довести, що виділені речовини, дійсно присутні внормальної гаструла ембріона. Якщо воно присутнє, то як їхмісце розташування? Однак немає підстав ігнорувати цікаві дані
Тойвонена та інших дослідників. З цими даними перегукуються давнідосліди по анімальних і вегетативних тенденції у морських їжаків. (рис. 3)
У дослідах хірургічного втручання на стадіях від 16 до 64 бластомеріввидалялася різні частини зародка - анімальние і вегетативні. Нормальнерозвиток виникало якщо анімальние і вегетативні градієнти не домінувалиодин над одним. По суті ці досліди близькі до поглядів Товонена.

Теорія полів:

У поняття поля різні дослідники вкладали різний зміст. Деякідумали про поле як про область, в межах якої певні факторидіють однаковим чином. Всередині поля, за їхніми уявленнями існуєстан рівноваги. Поле - це єдина система, а не мозаїка, де однічастини можна було б видалити або замінити так, що б при цьому система незмінилася. Всередині поля-системи може бути різна концентрація хімічнихречовин, можуть бути градієнти метаболізму.
Теорія поля Кольцова. Представлення Н. К. Кольцова про цілісність організму ійого теорія поля - це спроба розгляду даних експериментальноїембріології та генетики у фізико-хімічному аспекті.
Ооцит і яйце - організовані системи, з виразно вираженоюполярністю, з певним розташуванням клітинних структур. Вже в ооцитахзнаходяться різноманітні речовини і структури, що дають своєрідну реакціюна кислі та основні барвники, залежно від їх рН. Це означає, щорізні частини клітини можуть мати ті чи інние позитивні абонегативні заряди. У цілої клітці поверхню її, як правило, зарядженанегативно, а поверхня ядра і хромосом - позитивно. При дозріванніооцита створюється відповідно до його будові електричне силове поле,
«Закріплює» це будову. Під впливом силового поля в клітці повиннівиникати певні, що пояснюються різницею потенціалів катафорезноготочки переміщення речовин. При активації яйця сперматозоїдом відбуваєтьсязміна дихання, інколи різка зміна рН, зміна проникностімембран і пересування речовин. За Кольцову, ці явища обумовлені,очевидно, напругами Перезарядний силових полів, різницеюпотенціалів. Таким чином, що починається розвиватися зародок - це силовеполе. У ході розвитку різні пункти силового поля характеризуються різницеюпотенціалів. Мова йде не тільки про електричні потенціалах, а й прохімічних, температурних, гравітаційних, дифузних, капілярних,механічних та ін
Навіть такий фактор, як зменшення або збільшення проникності мембранклітини, неминуче викликає зміну струмів рідких речовин. Завдяки тому,що між бластомери існують певні зв'язки, можна уявитисобі що зміна струмів рідких речовин може впливати і на простороверозташування бластомерів. Різного характеру потенціали, їх зміни нетільки супроводжують розвиток зародків, не тільки є віддзеркаленнямстану його інтеграції, але й відіграють важливу роль у розвитку, визначаючиповедінку окремих бластомерів і всього зародка. У ході розвитку силовеполе зародка змінюється: воно ускладнюється, диференціюється, але залишаєтьсяєдиним. Кольцов говорить про центри з високою різницею потенціалів, про центридругого, третього ступеня. Він говорить про градієнтах з напругою, убуваючіпотенціалу від одного до іншого. Від кожного центру поширюютьсяградієнти, обумовлені всім силовим полем. При стані біофізики 30-хроків Кольцов не міг створити більш конкретних фізичних уявлень прополе зародка. Він вважав, що силове поле не є магнітним, але можебути з ним є порівняно. Що виникають під час дроблення не однакові поструктурі бластомери опиняються в різних частинах єдиного поля зародка івідповідно до нового положення змінюють свої біохімічні особливості таструктуру. Таким чином, поведінка кожної ділянки зародка залежить від йогопопередньої структури, від впливу загального силового поля та впливуприлеглих областей цього поля.
Кольцов вводить також поняття «силове поле зовнішнього середовища» (гравітаційне,світлове та хімічна), приписуючи йому важливе значення, так як воно впливаєна силове поле всередині зародка, наприклад визначає напрям зростання усидячих тварин.
На жаль, зовсім недостатньо розробляються питання фізикиембріонального розвитку. Наявні факти не суперечать думкам Кольцова прополях.
Близькі до поглядів Кольцова думки висловлювали й інші дослідники
Б. Вейсберг в 1968 році запропонував єдину, фізичну трактування різнихморфогенетичних процесів, створивши уявлення про коливальних полях. Вінвивчав коливання електричних потенціалів у міксоміцетів, схожістьдеяких органічних форм, наприклад колоній печериць з розташуваннямдрібних частинок в акустичному полі. Вейсберг думає, що коливальні пояпризводять до того, що клітинні комплекси повинні поділятися на території,усередині яких коливання синхронізовані по фазах, а між територіямистворюється різниця фаз. Те, що відбувається в результаті цього просторовероз'єднання може призводити до морфогенетичні рухам: впячіваніеклітин при гаструляціі, розташування напівкружних каналів внутрішнього вуха,формування гребних пластинок у ктенофор і т.п.

Висновок:

Аналіз всіх теорій не дозволяє визнати не одну з них як теоріюіндивідуального розвитку, що може задовольнити ембріолога. Незалежновід методології досліджень потрібно брати до уваги той очевидний факт,що будь-які уявлення про зародку як про мозаїці частин, як сумібластомерів і т.д. неспроможні, що організм на будь-якій стадії розвиткутак чи інакше інтегрований, являє собою цілісну систему.

Список використаної літератури:

Б. П. Токін «Загальна ембріологія»видавництво «Вища школа» Москва 1970р.

Б. Альберс, Д. Брей, Дж.Льюісу, М, Рефф, К. Робертс, Дж, Уотсон «Молекулярнабіологія клітини »том 4видавництво «Світ» Москва 1987р.

Програма: