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). Четвероногие – у всех отчетливая щитовидная железа, составленная из множественных фолликул, продуцирует тиреоидный гормон (тироксин) A, hagfish B, shark C, eel D, bullfrog E, lizard F, quail Тиреоидные гормоны метаморфоза амфибий -T4 (тироксин) и T3 (трийодтиронин). В ходе метаболизма тиреоидные гормоны подвергаются инактивации дейодиназами. Особенно важна (для всех позвоночных) селен-зависимая дейодиназа II, превращающая малоактивный T4 в активный T3 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 гормоныгипофиз-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 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), 20гидроксиэкдизон (20E), ювенильный гормон (JH) Линьки и метаморфоз индуцируются импульсами экдизона (E) и 20гидроксиэкдизона (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 (20гидроксиэкдизона - 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