Лекция 12 Метаморфоз. Аномалии развития, обусловленные внутренними и внешними причинами Коррекция аномалий и эмбриональные стволовые клетки

Метаморфоз Метаморфоз - процесс превращения организма из личиночной формы во взрослую. Выражается в значительных перестройках морфологических структур, в смене физиологических и биохимических реакций. В ходе метаморфоза реализуются новые морфогенетические программы, происходит перепрограммирование нейронов, целый ряд структур регрессируют (подвергается апоптозу после чего происходит фагоцитоз остатков клеток и дебриса). Метаморфоз свойственен различным представителям позвоночных и беспозвоночных животных.

МЕТАМОРФОЗ АМФИБИЙ

Что происходит при метаморфозе амфибий?

Миграция глаз (с боков дорсально и рострально) и и ипсилатеральная локализация проекций зрительных нейронов в ходе метаморфоза Xenopus laevis

Наиболее очевидное изменение образование костей. Череп головастика изначально хрящевой, а череп взрослого животного костный. Другим впечатляющим событием метаморфоза является формирование нижней челюсти. В ходе этого процесса меккелев хрящ удлиняется почти вдвое относительно своего первоначального размера, жабры и хрящ жаберных дуг (столь важные для дыхания в воде) дегенерируют. Другой хрящ, например, кератогиалиновый (участвующий в прикреплении языка) основательно преобразуется. Таким образом, как и при развитии нервной системы, одни элементы скелета пролиферируют, другие гибнут, третьи ремоделируются.

Замена аммониотелического типа экскреции на более экономичный (по расходу воды) уротелический у наземных амфибий (рода Rana) в ходе метаморфоза

Возрастание активности лизосомных протеаз в дегенерирующем хвосте в ходе метаморфоза Xenopus laevis

Региональная специфичность программы метаморфоза лягушки. Хвост личинки, пересаженный в торакальный район, регрессирует (слева). Зачаток глаза, пересаженный в район хвоста не регрессирует вместе с хвостом (справа).

A, hagfish B, shark C, eel D, bullfrog E, lizard F, quail Четвероногие – у всех отчетливая щитовидная железа, составленная из множественных фолликул, продуцирует тиреоидный гормон (тироксин)

Тиреоидные гормоны метаморфоза амфибий -T 4 (тироксин) и T 3 (трийодтиронин). В ходе метаболизма тиреоидные гормоны подвергаются инактивации дейодиназами. Особенно важна (для всех позвоночных) селен-зависимая дейодиназа II, превращающая малоактивный T 4 в активный T 3

Синтез тиреоидных гормонов Три стадии: Интернализация и внутриклеточный транспорт тиреоглобулина в лизосомы Протеолитическое расщепление прогормона Внутриклеточное образование и секреция T4 и T3

Стадии метаморфоза Преметаморфоз (созревание щитовидной железы, мало тироксина и очень мало трийодтиронина). Инициатором секреции гормона является рилизинг-фактор кортикоотропного гормона- CRH4 (гипоталамус), который действуя на гипофиз, стимулирует продукцию тиреотропного гормона: TSH. На этой стадии инициируется рост зачатков конечностей Прометаморфоз- созревание щитовидной железы, более высокий уровень тиреоидного гормона (резорбция хвоста, резорбция жабер, преобразование кишечника) Климакс-резкое возрастание тироксина (в ЩЖ) и рецепторов тиреоидных гормонов в клетках различных тканей: регрессия хвоста и другие реакции. Структуры мозга реагируют на значительные перестройки тела и способствуют завершению метаморфозного климакса подавляя активность ЩЖ петлёй обратной связи: тиреоидные гормоны- гипофиз-TSH-щитовидная железа-синтез тиреоидного гормона

Контроль образования и способ действия тиреоидных гормонов

Тиреоидные рецепторы - транскрипционные факторы, действуют в виде димеров с ретиноевыми рецепторами (типа RXR) и активируют как собственные гены (положительная обратная связь), так и многие другие гены, важные для осуществления метаморфоза (альбумина, карбамоилфосфатсинтазы, глобинов, кератинов, Shh)

Нарушения метаморфоза могут вызываться мутациями генов, контролирующих сигнальные пути формирования и функционирования тиреоидных гормонов и их рецепторов. Эти нарушения объясняются блочным (модульным) характером морфогенеза,в норме требующим синхронности при «сборке блоков», а мутации ответственны за гетерохронию (рассогласование «созревания блоков» во времени). Эволюция ряда видов амфибий, возможно, связана с гетерохронными мутациями

Гетерохрония у амфибий Неотения – сохранение ювенильной формы в результате замедления развития тела относительно развития половых клеток и гонад, заканчивающегося в нормальные сроки. Прогенез – сохранение ювенильной формы, при котором гонады и половые клетки развиваются с большей скоростью, чем при нормальном развитии, и половое созревание наступает, когда организм продолжает оставаться ювенильным. Прямое развитие – при нём стадия личинки полностью утрачивается и зародыш преобразуется в маленький организм, по своему виду напоминающий взрослый.

Примеры гетерохронии - неотения (слева) и искусственно индуцированный метаморфоз у аксолотля -Ambystoma mexicanum (справа -рост в воде с тироксином)

Пример гетерохронии (прогенеза): образование конечности у саламандры Bolitoglossa occidentalis, дающей ей возможность ползать по деревьям

Пример гетерохронии - прямое развитие пуэрториканской лягушки Eleutheradactylus coqui (слева направо - стадии развития)- видны конечности на ранних стадиях. Тиреоидные гормоны влияют лишь на регрессию хвоста, используемого как респираторный орган.

Формирование различных видов хвостатых амфибий, вызванное блокированием метаморфоза, на разных стадиях гормональной цепочки- гипоталамус-гипофиз-щитовидная железа

МЕТАМОРФОЗ НАСЕКОМЫХ

Метаморфоз у насекомых (три типа развития: 1) прямое разитие (аметаболическое), 2) неполное превращение (гемиметаболическое), 3) полное превращение (голометаболическое)

Неполное превращение (кузнечики, сверчки, тараканы и т.д.)

Неполное превращение

Полное превращение

Имагинальные диски и гистиобласты личинки дрозофилы третьей стадии, из которых при метаморфозе развиваются структуры взрослого насекомого

Клетки личинки (недифференцированные имагинальные клетки)– предшественники клеток тканей и органов взрослого насекомого 1. Имагинальные диски, клетки которых формируют кутикулярные структуры взрослого, включая крылья, ноги, антенны,глаза, голову, грудь и гениталии 2. Кластеры гистобластов небольшие скопления имагинальных клеток, формирующих структуры брюшка взрослого. 3. Кластеры имагинальных клеток внутри каждого органа, которые будут пролиферировать, чтобы сформировать орган взрослого взамен дегенерирующего личиночного

Развитие ноги дрозофилы путём элонгации из имагинального диска вследствие пролиферации и дифференцировки клеток диска в ходе метаморфоза (Из книги S. Gilbert, Developmental Biology)

Формирование ноги мушки из соответствующего имагинального диска в ходе метаморфоза

Гормоны насекомых, контролирующие рост и линьки личинок, а также метаморфоз ( стероидные) экдизон (E) и 20-гидроксиэкдизон (20E) - вызывают линьку и метаморфоз, ювенильный гормон (JH) - способствует линьке, но препятствует метаморфозу)

Гормональная регуляция метаморфоза у насекомых( виды гормонов, места синтеза гормонов и участие их в линьках и метаморфозе). Экдизон (E), 20- гидроксиэкдизон (20E), ювенильный гормон (JH)

Линьки и метаморфоз индуцируются импульсами экдизона (E) и 20- гидроксиэкдизона (20E). Первый импульс угнетает прежнюю программу экспрессии генов, следующие стимулируют активацию новых программ генной экспрессии. Ювенильный гормон (JH) способствует прохождению линек, но угнетает метаморфоз.

Рецепторы экдизона и его производного (20- гидроксиэкдизона - 20Е) относятся к той же группе ядерных рецепторов, что и рецепторы тиреоидных гормонов амфибий и представляют собой активируемые транскрипционные факторы. Полноценные рецепторы такого вида существуют в виде димеров собственного белка с субъединицей ретиноидного рецептора и тем самым они отличаются от группы рецепторов стероидных гормоной позвоночных (гомодимеров), хотя и относятся к общему суперсемейству ядерных рецепторов.

Личиночная гибель клеток при метморфозе дрозофилы вызывается стаде- и тканеспецифической индукцией двух генов смерти reaper и head involution defective (hid). Согласованную индукцию этих генов координирует 20-гидроксиэкдизон(20Е).

Образование трёх вариантов экдизоновых рецепторов альтернативным сплайсингом. Район связывания с гидроксиэкдизоном -красный цвет, связывания с ДНК-зелёный, имеется также район взаимодействия с ретиноевым рецептором- Usp и варьирующие N-концевые домены

Модель каскадной регуляции генов пуфов хромосом слюнных желез дрозофилы, инициированной гидроксиэкдизоном (M. Ashburner). Активация первого гена комплекса BR-C происходит под действием экдизона, а каждого последующего гена комплекса-продуктом экспрессии предыдущего.

В составе ранних пуфов обнаружены гены двух важных транскрипционных факторов Broad-Complex и E74B. Как и ген рецептора экдизона, ген Broad-Complex (BR-C) может кодировать несколько белковых изоформ транскрипционных факторов путем альтернативной инициации транскрипции и сплайсинга транскриптов. Можно полагать, что разные варианты рецептора могут индуцировать синтез того или иного белка BR-C. Органы, наподобие личиночных слюнных желез, запрограммированных на гибель в ходе метаморфоза, экспрессируют изоформу BR-C Z1, в то время как имагинальные диски, предназначенные для дифференцировки, экспрессируют изоформу Z2, а в ЦНС, подвергающейся при метаморфозе значительным перестройкам,экспрессируются все изоформы, с преобладанием Z3 (Emery et al. 1994; Crossgrow et al. 1996).

Тератогенез и мутации млекопитающих в ходе эмбрионального развития Факторы, нарушающие развитие

Фетальный алкогольный синдром (ФАС)

Триплетные мутации

Мутации гена Kit

Фокомелия, вызванная талидомидом

Трансгенная обезьяна

Действие диэтилстильбестрола (DES) в ходе развития мыши

Молекулярные механизмы действия DES в развитии млекопитающих

Действия тератогена на ранних стадиях развития

Экстракорпоральное оплодотворение (ЭКО)

Схема ЭКО-технологий

Доимплантационная технология

Технологии стволовых клеток

Молекулярные технологии стимуляции срастания (регенерации) костей у млекопитающих