Детермінація у ході розвитку

Диференціювання клітин, придбання ними морфологічних і функціональних відмінностей передує детермінація (від лат. Determinatio – обмеження, визначення) – приречення долі клітин, яке здійснюється завдяки виникненню якісних відмінностей між ними. Під детерминацией мається на увазі призначення клітин до того, щоб в кінцевому рахунку диференціюватися саме в цей, а не який-небудь інший клітинний тип. Ніяких явних структурних або функціональних змін у клітинах на цій стадії не відбувається. Клітинний матеріал вважають детермінованим, починаючи зі стадії, коли він вперше виявляє здатність при пересадці в чуже місце диференціюватися в той тип клітин, який з нього утворюється при нормальному розвитку.

Детермінація окремих клітин і клітинних комплексів нерозривно пов’язана з детерминацией зачатків органів і структур організму, яка передує диференціації частин (структур), що розвивається. При цьому спочатку детермінується спільне – цілий зачаток, а потім визначається доля окремих клітин. Під детерминацией частин організму також розуміють виникнення якісних відмінностей, які зумовлюють подальшу долю цих частин, перш ніж виникають морфологічні відмінності між ними (диференціація).

Останнім часом набув поширення термін коммітація. По суті, він означає те ж, що і детермінація. Термін «детермінація» відносять переважно до ранніх ембріональним стадіями розвитку, а про коммітаціі говорять найчастіше стосовно окремих клітинам, доля яких визначається на відносно пізніх стадіях розвитку. Так, наприклад, говорять про коммітаціі різних типів клітин крові, що виникли з первинної (родоначальної стовбурової) кровотворної клітини.

Попередня процесам диференціювання, диференціації та морфогенезу, спостережуваним протягом усього розвитку, детермінація також реалізується протягом всього онтогенезу особини. Обсяг детермініруемих областей з віком зменшується. У ранньому ембріогенезі детермінуються області, відповідні зародковим листками, потім визначається загальний план будови організму зародка. На більш просунутих фазах ембріонального розвитку і навіть у постембріональному періоді під дію цих процесів підпадають більш обмежені області – зачатки органів або окремих структур організму.

Детермінованість елементів організму, що розвивається тісно пов’язана з поняттям потенцій розвитку. Потенції (проспективні потенції) – це всі можливі напрями розвитку елементів організму, які могли б здійснитися за певних умов, у тому числі і відмінних від нормальних. Те, у що даний елемент розвивається при нормальних умовах, називають його проспективним (презум-птівним) значенням. Очевидно, що проспективні потенції деякої частини зародка не можуть бути вже її проспективного значення.

На кожному етапі розвитку елементи організму – окремі клітини, клітинні комплекси, зачатки органів і структур характеризуються певними потенціями. У ході розвитку організму в міру посилення детермінації відбувається зміна (звуження) потенцій його елементів. Іншими словами, спостерігається рестрикция – обмеження можливостей вибору шляхів розвитку, що надаються розвивається елементу. Приклад, що ілюструє рестрикцию потенцій клітин мезодерми зародка, представлений на рис. 8.51.

Розглянемо, як відбувається зміна потенцій елементів організму, що розвивається на прикладі Хордових. Як говорилося вище, на стадії дроблення в клітинах зародка спочатку синтез білків здійснюється на матрицях, запасених в ході овогенеза. Коли відбувається активація власних генів зародка, експрессірует-ся максимальне за весь період онтогенезу кількість генетичного матеріалу. Всі клітини зародка на цій стадії розвитку синтезують тільки загальноклітинні білки («house keeping» proteins) і проявляють активність одних і тих же генів. Внаслідок цього (нагадаємо, що на зазначеній стадії) зародок є одношаровим, оскільки всі його клітини однорідні з генетичною та біохімічної точок зору. Бла-Стомера у фазі дроблення еквіпотенційної (равнонаследственни), тобто всі вони мають однакові можливості розвитку. Ці можливості максимальні, що визначає здатність окремого бластомера дати початок цілому зародку і, отже, всім типам клітин сформованого організму. Ця властивість клітин отримало назву тоті- (омні) потентность. Доказом служать досліди Дріша, який поділяв бластомери 2-, 4- і навіть 8-клітинних зародків морського їжака. Окремі бластомери згодом давали початок повноцінного організму. Подібні експерименти були зроблені і на інших тварин, у тому числі що відносяться до різних класів Хордових. Було встановлено, що у тритона тоті (омні) потентность зберігається до стадії 16 бластомерів, у кролика – до стадії 4-8 бластомерів, у людини – 24 бластомерів. Доказом останнього твердження є народження у людини однояйцевих близнюків (див. Також поліембріонія).

У більшості хордових клітини втрачають тоті (омні) потентность до кінця дроблення. На стадії бластули і у фазі гаструляції починають працювати гени термінальної диференціювання, що кодують специфічні білки. Внаслідок цього відбувається детермінація клітин і починаються прояви диференціювання клітин зародка, що утворюють до кінця гаструляції зародкові листки. На цьому етапі спостерігається рестрикция потенцій клітин зародка, що підтверджують досліди з пересадки в розвивається «незабарвлений» зародок клітин, взятих з різних областей іншого зародка тій же стадії розвитку і помічених флуоресцентним барвником. Було встановлено, що окремі ентодермальні клітини до стадії середньої бластули практично тоті (омні) потентность: будучи пересадженими у відповідну область, вони можуть дати всі інші клітинні типи, що відбуваються в нормі як з екто-, так і з мезодерми. Наприклад, якщо одну мічену ентодермального клітку пересадити на територію очного зачатка, то вона дасть одну з клітин сітківки ока. Однак якщо окремі ентодермальні клітини пересаджували на стадії пізньої бластули, вони зберігали потенції до формування мезодермальних клітин, але втрачали потенції до утворення ектодермальних. Нарешті, до стадії ранньої гаструли вони зберігали потенції тільки до утворення ен-тодермальних похідних. В цілому до кінця гаструляції можливості диференціювання клітин зародка обмежуються компетенціями конкретних зародкових листків.

Однак коло можливих напрямків розвитку клітин все ще досить широкий, клітини мульти (плюрі) потентность. Завдяки цьому клітини на стадії ранньої гаструли виявляються здатні за певних умов до трансдетермінаціі – зміні напрямку розвитку, перевизначення своєї долі. У цьому випадку говорять про стан лабільною детермінації. В ході подальшого розвитку лабільна детермінація змінюється стабільною, яка необоротно і прогресивно звужує коло можливих напрямків розвитку даного елемента організму. У ході гисто- і органогенезу спостерігається подальше обмеження можливих шляхів розвитку елементів зародка, аж до моменту, коли зберігається лише єдиний шлях спеціалізації – подібний стан визначається як уніпотентность. Процес прогресивного обмеження потенцій в ході онтогенезу отримав назву каналізація розвитку (рис. 8.52).

З вищесказаного випливає висновок, що детермінація елементів організму, що розвивається – це процес, користуючись мовою ембріологів і біологів, розвитку, обмеження проспективних потенцій до проспективних значень.

Як уже зазначалося, детермінація йде від загального до приватного: спочатку детермінується доля цілого зачатка розвивається організму, а надалі визначається доля клітин його конкретних (частин) елементів. Саме тому трансдетермінаціі на більш ранніх фазах розвитку можлива в більших масштабах, а в ході подальших перетворень – у все більш обмежених. На стадії ранньої гаструли детермінується доля клітин цілого зародкового листка. Так, проспективні потенції будь-якої клітини ектодерми забезпечують можливість кожній з них увійти до складу будь-якого похідного даного зародкового листка: нейральних структур, епітеліальних структур шкіри і початкових і кінцевих відділів кишкової трубки, елементів органів почуттів і т.д. На стадії ранньої гаструли пересадка клітин пре-зумптівной нервової пластинки в область майбутнього епідермісу живота приводила до того, що вони ставали епідермальними і навпаки, пересадка будь-якої ділянки презумптівного епідермісу в область майбутньої нервової пластинки викликала його перетворення в нервову тканину. На стадії пізньої гаструли клітини виявляються вже жорстко детермінованими до утворення тільки конкретних структур, наприклад клітини нейроектодерми вже не здатні до утворення епітеліальних структур шкіри, передньої і задньої кишки. Вони беруть участь у формуванні елементів центральної і периферичної нервової системи, дають початок деяким кісток черепа, пігментним клітинам шкіри, елементам органів чуття та ін. Надалі потенції певних груп клітин нейроектодерми ще більш обмежуються, причому кожна клітинна популяція характеризується своїм напрямом розвитку. Однак і в межах обмежених клітинних груп, якщо їх потенції ще не унікальні, можливі явища трансдетермінаціі, звичайно, в більш вузьких масштабах, ніж на більш ранніх фазах розвитку. Зокрема, в ході органогенезу випинання переднього мозку формує очної міхур, з якого утворюється очної келих, що представляє собою двостінні чашу. При формуванні останнього внутрішня стінка стискається і утворює сітківку, а зовнішня розтягується і формує пігментний епітелій. Але ці ділянки еквіпотенційної – равнонаследственни. Якщо впливу поміняти, то і диференціювання зміниться, тобто досить тривалий час вони можуть перетворюватися один в одного, що й було доведено в експериментах на амфібії.

Практично у всіх тварин у ранньому розвитку можна знайти таку стадію, коли проспективні потенції частин ширше їх проспективних значень. Відмінність полягає в тому, в який момент детермінація стає незворотною. У тварин з регуляційних типом розвитку тоті (омні) – і мульти (плюрі) потенційність зберігається досить тривалий час, що робить можливим трансдетермінаціі. Потенції ембріональних клітин при мозаїчному типі розвитку істотно звужуються вже в період дроблення, іноді в самому його початку. У цьому випадку клітини швидко втрачають тоті (омні) потентность і зародок являє собою як би мозаїку самодіфференцірующіхся частин.

Вважають, що одним з механізмів детермінації є виборча трансляція мРНК в клітинах. Як зазначалося в п. 8.2.5.2, предсінтезірованние мРНК для багатьох білків запасаються у вигляді ін-Формоса. Їх трансляція починається на більш пізніх стадіях розвитку, при цьому частина з них піддається деградації і в трансляції не бере. Потенції клітини залежать від набору мРНК в ній, що визначають можливі шляхи диференціювання. Ембріональна детермінація настає тоді, коли відбувається синтез білка на одних матрицях з цього (існуючого) набору і руйнування інших. В цілому, в зародках транскрипція генів, що відповідають за наступні етапи диф-ференцировки, відбувається в більш широкій області (у більшому числі клітин), ніж подальша трансляція.

Іншим механізмом може служити безпосередня активація або блокування генів. Так, в дослідах з використанням ембріональних стовбурових клітин було показано, що одним з генів, що обумовлюють тоті (омні) потентность є OCT-4. Він експресується в зрілих ооцитах і в діляться ембріонах до стадії морули. Спеціалізація клітин бластоцисти – формування трофобласта – призводить до зникнення експресії OCT-4 в клітинах останнього, тоді як в клітинах внутрішньої клітинної маси експресія гена зберігається. До 7-му тижні розвитку експресія OCT-4 визначається тільки в первинних статевих клітинах. В експериментах на стовбурових клітинах встановлено, що активація генів, що забезпечують утворення зародкових листків, супроводжується припиненням експресії всіх генів, що контролюють тоті (омні) потентность. З’ясовано також, що існує антагонізм розвитку зародкових листків. Наприклад, головні індуктори гаструляціі і мезодерми Nodal, Cripto, TGFβ є найсильнішими блокаторами освіти нейроектодерми. Зайва доза гена FoxA2 викликає надлишковий розвиток ендодерми за рахунок мезодерми. Вимкнення гена-регулятора ектодерми EED призводить до перепродукціі мезодерми за рахунок ектодерми зародка.

В цілому, детермінація тісно пов’язана з властивостями організму, що розвивається як інтегрованої системи, яка включає взаємопов’язані і взаємозалежні частини. Головне в понятті детермінації – проблема співвідношення цілісності організму і автономності, або здатності його частин до самодіфференціровке.

Посилання на основну публікацію