Ембрионската индукција е процес на интеракција помеѓу делови од ембрионот, во кој еден дел влијае на судбината на друг. Овој концепт се однесува на експериментална ембриологија.
Статијата е посветена на едно од најважните и најкомплексните прашања на оваа наука: „Што значи ембрионска индукција?
Малку историја
Феноменот на ембрионска индукција бил откриен во 1901 година од германските научници како Ханс Спеман и Хилда Манголд. Овој процес првпат беше проучен со користење на леќите на водоземците во ембрионска состојба како пример. Историјата зачувала многу примери и експерименти на оваа тема, кои се засноваат на теоријата на Спеман.
Хипотеза
Како што беше кажано претходно, ембрионската индукција е процес на интеракција помеѓу делови од ембрионот. Значи, според хипотезата, постојат голем број на клетки кои влијаат на другите клетки како организатори, предизвикувајќи промени во развојот. Со цел појасно да го илустрираат овој процес, научниците во 20-тите години на минатиот век спроведоа серија експерименти, кои ќе ги опишеме подетално подолу.
Експериментот на Ханс Спеман
Како резултат на неговите експерименти, д-р Спеман откри шема според која развојот се случува во строга зависност на некои органи од други. Експериментот беше спроведен на тритон. Спеман пресадил дел од бластопорната усна од задниот дел на еден ембрион во абдоминалната празнина на друг. Како резултат на тоа, формирањето на нов ембрион започнало на местото каде што бил трансплантиран органот. Нормално, невралната туба никогаш не се формира во абдоминалната празнина.
Врз основа на искуството, докторот заклучил дека има организатори кои влијаат на понатамошниот развој на телото. Сепак, организаторите можат само да дадат почеток ако клетките се компетентни. Што значи тоа? Компетентност значи способност на ембрионскиот материјал да ја промени својата претпоставена судбина под влијание на разни видови влијанија. Кога ги проучувале индуктивните интеракции кај различни видови хорди, научниците дошле до заклучок дека има многу индивидуални карактеристики во областите и условите на компетентност на различни организми. Односно, организаторите дејствуваат ако клетката е способна да го прифати индукторот, но кај сите организми овој или оној процес се случува поинаку.
Да заклучиме: развојот на организмот е верижен процес, без една клетка формирањето на друга е невозможно. Ембрионската индукција постепено го одредува формирањето и диференцијацијата на органите. Овој процес е и основа за формирање на надворешниот изглед на индивидуата во развој.
Истражување на Хилда Манголд
Ханс Спеман имаше дипломиран студент, Хилда Манголд. Со неверојатна умешност, таа беше во можност да спроведе серија сложени експерименти со микроскопски тритон ембриони (1,5 mm во дијаметар). Одвојувајќи мало парче ткиво од еден ембрион, таа го пресадила на ембрион од друг вид. Покрај тоа, за трансплантација, таа избрала области од ембрионот каде што се формирале клетки, од кои потоа ќе се формира ембрионот. И пресаденото парче ткиво доведе до ново тело, обдарено со грб, 'рбет, стомак и глава.
Кое беше значењето на експериментите? За време на нив, Манголд докажа дека постои ембрионска индукција. Ова е можно затоа што мала област ги има овие уникатни својства, таа се нарекува организатор.
Видови на индукција
Постојат два вида: хетерономна индукција и хомономна индукција. Што е тоа и која е разликата? Првиот тип е процес во кој трансплантираната клетка е принудена да се преуреди во општиот ритам, односно да доведе до нов орган. Вториот предизвикува промени во околните клетки. Го поттикнува материјалот да се развива во иста насока.
Основни клеточни процеси
За поголема јасност, табела е дадена подолу. Предлагаме да го искористиме нејзиниот пример за проучување на основните клеточни процеси на ембрионска индукција.
| Форми на клеточни интеракции | Формирање на нормални структури | Последици од прекршувањата |
| движења | формирање на невралната туба за време на движењето на примордијалните герминативни клетки | |
| селективно одгледување | зачетоци на органите | отсуство на органи |
| селективна смрт | одвојување на прстите, смрт на епителните клетки при фузија на палаталната примордија, назални процеси итн. | лица, спина бифида |
| адхезија | формирање на невралната туба од нервната плоча итн. | нарушувања во формирањето на невралната туба, структурни нарушувања |
| згуснување | формирање на екстремитети | отсуство на екстремитети или присуство на дополнителни |
Манифестацијата на овој феномен е откриена во различни фази од развојот на организмот. Во моментов, активно се проучува ембрионската индукција.
Енинг имала 12 години кога таа и нејзиниот помлад брат го пронашле првиот комплетен скелет на ихтиосаурус во карпите во близина на нејзиниот роден град Лајм Реџис (Дорсет, Англија). Оттогаш, Марија била опседната со наоѓање фосили. Обично таа одела на „лов“ по бура, надевајќи се дека ветерот и водата ќе отворат пристап до следните остатоци закопани во дебелина на варовник и шкрилци. Оваа жена успеала да ги открие првите целосни скелети на плезиосаур и птеросаурус (птеродактил). И иако нејзините современици ги користеа резултатите од нејзината работа, на Марија не и беше дозволено да влезе во официјалните научни кругови, а нејзините дела честопати беа цитирани без повикување на оригиналниот извор.9. Алис Хамилтон, истражувач на професионални болести (1869-1970)
Откако ја добила својата медицинска диплома од Универзитетот во Мичиген во 1893 година, Алиса ги проучувала работните услови во фабриките кои користеле олово, жива и други токсични материи. На крајот, таа наслика мрачна слика за тоа како опасната работа го поткопува здравјето на работниците. На пример, оловото доведе до колика, напади и губење на тежината.8. Лизе Мајтнер, физичар (1878−1968)
Во 1944 година, германскиот научник Ото Хан ја доби Нобеловата награда за хемија за неговото откритие за нуклеарно распаѓање. Шведската академија на науките и самиот лауреат молчеа за физичарката Лизе Мајтнер, која беше на почетокот на истражувањето, работеше со Хан рака под рака цели 30 години и заедно со нејзиниот внук Ото Фриш, можеше правилно да го објасни резултатите од експериментите на Хан. Бидејќи била Еврејка, Лиза го напуштила Хемискиот институт Кајзер Вилхелм во Берлин во 1938 година. Откако се преселила во Шведска, таа не можела да ја продолжи работата поради немање пари и поддршка. Во 1997 година, во нејзина чест беше именуван вештачки синтетизираниот хемиски елемент meitnerium.7. Инге Леман, сеизмолог (1888−1993)
Работејќи во Данска без катастрофи, Леман ги проучувал сеизмичките бранови кои произлегуваат од изворот на земјотресот и стигнуваат до спротивната страна на планетата. Леман го открил внатрешното јадро на Земјата. Во 1914 година, германско-американскиот сеизмолог Бено Гутенберг ја утврди границата помеѓу обвивката и течното јадро на Земјата. Но, во средината на 1930-тите, Леман добил податоци кои укажуваат дека некои од брановите при минување на јадрото ја смениле нивната траекторија и брзина. Така Инге дојде до заклучок дека има и цврсто јадро во центарот на планетата.6. Хилде Манголд, ембриолог (1898−1924)
Во своето Нобелово предавање од 1935 година, германскиот ембриолог Ханс Спеман, кој ја доби наградата за физиологија или медицина „за неговото откритие за организирање ефекти во развојот на ембрионот“, го спомна името на неговата дипломирана студентка Хилде Манголд само двапати, иако нејзината дисертација беше ја формираа основата на неговиот научен успех. Во раните 1920-ти, таа пресадила парче ембрионско ткиво од еден вид тритон во ембрион во развој на друг вид. Како резултат на тоа, беа формирани генетски различни сијамски близнаци. Така, Хилде докажа дека ембрионот има „организатор“ - дел од клетки одговорни за развојот на централниот нервен систем и растот на 'рбетот. За жал, Хилде почина во годината на објавување на нејзината научна работа во експлозија на шпорет на гас.5. Елси Видосон, нутриционист (1906-2000)
За време на Втората светска војна, британската влада поттикнуваше диета базирана на зелка, компири и леб со креда. Ова мени го развија Елси Видосон и нејзиниот колега Роберт МекКенс. Елси ги тестирала ефектите на различните минерали и витамини врз сопственото тело давајќи си инјекции. Нејзината работа ги постави темелите на диететиката и даде увид во составот на храната и здравата исхрана.4. Вирџинија Апгар, анестезиолог (1909−1974)
Во 1952 година, американскиот анестезиолог Вирџинија Апгар го предложи нејзиниот систем за проценка на состојбата на детето во првите минути од животот. Претходно, во акушерството не постоеше стандарден начин да се утврди дали се е во ред со новороденчето. Апгар резултатот сега се користи низ целиот свет, а резултатот им се известува на родителите и педијатрите заедно со висината и тежината.3. Џијансонг Ву, физичар (1912−1997)
Кинеско-американецот е најпознат како научник кој го побил законот за зачувување на паритет. Во поедноставена форма, тој прокламира дека честичките што се огледуваат една со друга ќе се однесуваат на ист начин. Во 1956 година, Ву спроведе комплексен експеримент кој покажа дека овој принцип може да биде прекршен под одредени услови. Една година подоцна, истражувањето ја доби Нобеловата награда за физика. Точно, не на самата Ву, туку на нејзините колеги Џенинг Јанг и Џенгдао Ли.2. Ен Мекларен, специјалист за развој на ембриони (1927−2007)
Во средината на 1950-тите, Англичанката Мекларен и нејзините соработници успешно оплодиле јајце клетки од глушец надвор од матката, а потоа ги вградиле ембрионите во сурогат мајка. По успешното завршување на експериментот, Мекларен испрати телеграма до својата колешка: „Родени се 4 бебиња од епрувета!“1. Стефани Кволек, хемичар (1923−2014)
Пронаоѓачот на непробојниот материјал Кевлар бил обучен како хемичар, но сонувал да стане доктор. Се вработила во американската компанија DuPont со намера да заштеди пари за студирање на медицинско училиште. Но, одеднаш се заинтересирав да работам во мојата специјалност. Во 1964 година, нејзината група имаше задача да развие материјал кој може да го замени челичниот кабел во автомобилските гуми. Добиениот кевлар беше пет пати посилен од челикот - и многу полесен. Денес, Кевлар може да се најде насекаде, од белезници за печка до вселенски бродови.Пред 15 години - на 5 јули 1996 година се роди овцата Доли, првото клонирано живо суштество.
Во истата година, кинескиот истражувач Тонг Дижоу за прв пат клонираше риба. Тој го пресадил генетскиот материјал на возрасен азиски крап во јајце, од кое се појавила нова единка, која потоа родила потомство.
Во 1964 година, професорот од Универзитетот Корнел, Фредерик Стјуард, одгледувал цели моркови од целосно изолирани клетки на ризом, со што ја докажал можноста за клонирање со помош на диференцирани (изолирани) клетки.
Во 1969 година, професорите од Универзитетот Харвард, Џејмс Шапиеро и Џонатан Бечвит, го изолираа првиот ген.
Во 1972 година, професорот од Универзитетот Стенфорд, Пол Берг, ги создаде првите рекомбинантни молекули на ДНК.
Во 1979 година, Карл Илмензи објави дека успеал да клонира три глувци.
Во 1983 година, Кари Мулис го разви методот на полимеразна верижна реакција (PCR), кој овозможува значително зголемување на малите концентрации на одредени фрагменти на нуклеинска киселина (ДНК) во биолошкиот материјал (примерок).
Во 1984 година, данскиот научник Стин Виладсен клонираше овца од ембрионски клетки. Ова беше првиот експеримент за клонирање на цицач. Виладсен го користел методот на нуклеарен трансфер.
Во 1986 година, Виладсен клонираше крава од диференцирани клетки од еднонеделен ембрион. Истата година, професорите од Универзитетот во Висконсин, Нил Прво, Рандал Пратер и Вилард Ајстон, исто така, клонираа крава од феталните клетки.
Во 1990 година беше лансиран Проектот за човечки геном, меѓународна истражувачка програма чија цел беше да се одреди низата од повеќе од 3 милијарди нуклеотиди кои го сочинуваат човечкиот генетски код.
Во 1995 година, Иан Вилмут и Кит Кембел, професори на Институтот Рослин во Шкотска, успешно клонираа две овци, Меган и Мораг, користејќи генетски материјал од два изолирани ембриони.
Во 1996 година, Вилмут и Кембел првпат експериментирале со клонирање животно од клетките на возрасен, што резултирало со раѓање на овцата Доли на 5 јули 1996 година.
Во 1997 година, во лабораторијата на Дон Волф во Регионалниот истражувачки центар за примати во Орегон, научниците успеаја да клонираат два мајмуни резус.
Истата година, американскиот претседател Бил Клинтон ја забрани употребата на јавни средства за финансирање на работата за клонирање луѓе.
Во 1997 година, Иан Вилмут и Кит Кембел користеле лабораториски клетки на кожата, генетски имплантирани со човечки ген и клонирале друга овца, Поли.
Во 1998 година, Доли родила три здрави јагниња зачнати по природен пат.
Истата година, на Државниот универзитет на Хаваи, група научници предводени од професорот Рјузо Јанагимачи клонираа 50 глувци од возрасни клетки. Првиот клон глушец го доби прекарот Кумулина.
На 22 декември 2001 година, првата клонирана домашна мачка во светот по име Сиси (CopyCat, CC) е родена на Универзитетот А&М во Тексас. Две години подоцна, првиот клониран елен, Дјуи, и првиот клониран коњ, Прометеја, се родени на универзитетот.
Во 2001 година, научниците од Advanced Cell Technology, Inc. го објави раѓањето на бик гаур по име Ноа, кој стана првото клонирано животно кое припаѓа на загрозен вид. Овој експеримент ја отвори перспективата за спасување на загрозените животински видови преку клонирање.
Во 2003 година, светски познатата овца Доли беше еутаназирана. Причината е напреднат рак на белите дробови предизвикан од вирус. Доли имаше 6,5 години.
Во 2005 година, во Јужна Кореја е родено првото клонирано куче во светот, африканскиот пес Снепи.
Во 2009 година, првата клонирана камила, Инџас, преведена од арапски како „достигнување“, е родена во Дубаи (ОАЕ).
И покрај голем број изјави за успешни експерименти за клонирање човечки ембрион (1998, 2004 година во Јужна Кореја, 2002 година во САД), до денес нема научна потврда за ова.
Генетскиот инженеринг во никој случај не е изум од последните децении, како што мислат многу луѓе. Пристапи кон него беа пронајдени на почетокот на минатиот век.
Еден од првите чекори беа експериментите на германскиот истражувач Спеман и неговите колеги, кои се одржаа во средината на 1920-тите. За експериментите, земавме два вида тритон: гребен (со бели јајца) и пругасти (со жолти јајца). Фрагмент од грбната усна на гребен тритон бил пресаден на едната страна од друг вид. Двата организми беа ембриони во фаза на гаструла.
Набљудувањата покажаа дека трансплантацијата предизвикува формирање на различни органи, вклучувајќи ја и невралната туба. Како што се развива процесот, може дури и да доведе до појава на дополнителен ембрион. Се формира претежно од клетките приматели, но донорските клетки може да се следат и во сите органи.
Експериментот на Спеман - патот до клонирање
Последователно, други експерименти беа спроведени според слична шема, што овозможи да се забележат три заклучоци. Првата е дека трансплантацијата на делови од грбната усна на бластопорите може да го пренасочи развојот на околните ткива во невообичаена (не се наоѓа во природата) форма. Втората е дека на вентралната и страничната страна на гаструлата, обичната површина во експериментот се заменува со цел ембрион. И трето, структурата на органите кои произлегуваат од трансплантацијата е предизвикана од ембрионската регулација.
Спеман на грбната усна на бластопорот го дал името на примарниот организатор. Во претходните фази на развој, ништо слично не беше забележано. Денес веќе е познато дека не е пресудна целата усна, туку само нејзиниот хордомезодермски зачеток. Самиот процес, влијанието на фрагмент од еден ембрион врз развојот на друг, биолозите го нарекуваат ембрионска индукција.
За време на меѓувоениот период, научниците го бараа факторот одговорен за предизвикувачкиот ефект. Тие успеале да откријат дека индукцијата ја предизвикуваат разни мртви ткива, екстракти од животни и растенија, органски, па дури и неоргански материи. Од друга страна, беше откриено дека карактеристиките на реакцијата на примачот на никаков начин не се поврзани со хемиските параметри на агенсот што влијае.
Затоа, ембриолозите се фокусираа на проучување на индуктивните ткива. Тие откриле дека индукцијата е ограничена од способноста на ембрионот да го согледа ударот. Раната гаструла предизвикува формирање на предниот мозок, доцната гаструла предизвикува формирање на спинални и мезодермални ткива. Најлесен начин да се спречи индукција е со помош на нуклеопротеинска фракција.
Одговорот на ембрионските органи и ткива на влијанија на овој начин се нарекува компетентност. Можно е да се промени текот на развојот само кога компетентноста за формирање „обележувачи“ е поширока од областа на нејзиниот нормален развој и само во одреден временски период. Обемот и периодот на компетентност варираат од организам до организам.
Денес, ги проучуваме главно оние индукциски механизми кои работат на молекуларно и клеточно ниво.
Експериментот Спеман-Манголд беше тест на хипотезата за алгоритмот за диференцијација (и целосно го потврди). Експериментите го докажаа постоењето на одредени организатор клетки кои влијаат на други клетки (исполнуваат одредени барања) и го менуваат векторот на нивниот развој. Диференцијацијата се одредува со цитоплазматското влијание на некои клетки врз други.
Уште во 1921 година, Хилда Манголд започна со работа, чиј примерок е опишан погоре. Така е откриена и поткрепена ембрионската индукција. Подоцна истражувачите откриле дека голем број ткива на возрасни организми го неутрализираат формирањето на ектодерм; тие откриле ногин и хордин, индукторни супстанции. Ханс Спеман ја доби Нобеловата награда единаесет години подоцна, а областа на грбната усна што ја проучуваше беше наречена организатор на Спеман.
Ханс Спеман
Нобеловата награда за физиологија или медицина 1935 година. Формулацијата на Нобеловиот комитет: „За неговото откритие на ефектот на организаторот во развојот на ембрионот“.
Нашиот херој требаше да стане продавач на книги, издавач или, во најлош случај, писател. Ханс Спеман беше најстариот од четирите деца на Јохан Вилхелм Спеман и Лисинка Спеман, роденото Хофман. Јохан Вилхелм бил прилично успешен продавач на книги, а неговиот син пораснал опкружен со книги, обожавајќи ги старите тонови и класичната литература. Во истиот дух го добива и своето средно образование, дипломирајќи ја многу добрата гимназија Еберхард Лудвиг. Сепак, откако отслужи една година во армијата (како што беше потребно по завршувањето на училиштето во Германија), поточно, во хусарите, а потоа работеше малку во „подружница“ во Хамбург, Ханс сепак одлучи да студира како лекар а во 1891 година се запишал на Универзитетот во Хајделберг. Сепак, не му било судено ниту да стане лекар.
Веќе во Хајделберг, биологот Густав Волф изврши неверојатен експеримент: леќата на ембрионот тритон беше отстранета од окото во развој, но повторно се разви од работ на мрежницата. Спеман бил толку воодушевен од магијата на она што го видел што, веќе како студент, ја напуштил својата медицинска кариера и решил да стане ембриолог. Веднаш штом се рече: го напушти Хајделберг, студираше накратко во Минхен, а потоа се пресели во Зоолошкиот институт на Универзитетот во Вирцбург.
Таму се стекнал со дипломи по зоологија, ботаника и физика, спроведувајќи истражувања под водство на ембриологот Теодор Хајнрих Бовери (кој ја утврдил константноста на бројот на хромозомите меѓу видовите), ученик на големиот Јулиус фон Сакс (кој всушност бил еден од откривачите на фотосинтезата) и соодветно.
Учителот на Спеман, Јулиус Сакс
Викимедија комонс
Спемановиот учител Теодор Бовери
Викимедија комонс
За време на нормалната ембриогенеза, леќата на тритоновото око се развива од група ектодермски клетки (надворешниот слој на ембрионското ткиво) кога оптичката чаша, израсток на мозокот на тритон, стигнува до површината на ембрионот (не е за ништо што велат дека очите се изваден мозок).
Со помош на елегантни експерименти, Спеман докажал дека токму овој мозочен раст испраќа одреден сигнал дека е време окото да расте. Спеман бил познат по неговата експериментална уметност, а неговите елегантни методи и денес се користат во ембриологијата. „Научник чиј аналитички ум не е комбиниран, барем во мала мера, со уметнички склоности, според мое мислење, не е способен да го разбере организмот како целина“, сакаше да рече Спеман.
Тој и неговата дипломирана студентка Хилда Манголд откриле дека судбината на трансплантираното ткиво речиси целосно не зависи од тоа каков орган би се развил од него во неговата претходна положба, туку од неговата нова локација. Ако дел од идното око се пресади во кожата, тогаш не расте окото, туку кожата.
Имаше исклучок. Одредена област на ембрионот, лоцирана во близина на спојот помеѓу трите главни клеточни слоеви (ектодерм, ендодерм и мезодерм), кога се трансплантираат на кое било место на друг ембрион од истиот период, не се развило во согласност со неговата нова локација. но ја продолжи линијата на сопствениот развој и го насочи развојот на околните ткаенини. Како што напиша Манголд во својата дисертација, „индуцирачките дразби не поставуваат специфични својства [на индуцираниот орган], туку го поттикнуваат развојот на оние својства кои се веќе својствени за ткивото што реагира... Сложеноста на системите во развој е главно одредена од структурата на ткивото што реагира и... индукторот има само активирачки и во некои случаи насочувачки ефект“.
За жал, позната по својата дисертација Über Induktion von Embryonalanlagen durch Implantation artfremder Organisatoren(„Индукција на ембрионално потекло со имплантација на организациски центри во различни видови“) Манголд не можеше да го надгради нејзиниот успех. Откако докторирала во 1923 година, таа се преселила во Берлин со нејзиниот сопруг и нивниот мал син Кристијан. На 4 септември 1924 година се случи трагедија: експлодираше грејачот на гас во нејзината куќа. Хилда умре без да ги види нејзините резултати во печатена форма: нејзината заедничка работа со Спеман беше објавена дури на крајот на 1924 година. Нејзиниот син загинал за време на Втората светска војна.
Научникот го живеел остатокот од животот мирно - во својата селска куќа во Фрајбург, каде што починал во септември 1941 година. Од сите учесници во клучните дела на Спеман за „организациски“ точки, само неговиот поранешен дипломиран студент, Ото Манголд, кој ја одбранил својата дисертација во 1919 година и станал доцент, ја преживеал Втората светска војна. Истиот сопруг на Хилда, кој се приклучи на НСДАП и го потпиша познатото писмо до Канцеларијата на Рајхот во 1942 година, во кое беше забележана „огромната сериозност на борбата на Евреите против германскиот народ“ (и го оправда „конечното решение на еврејското прашање“ ), по што стана претседател на Германското зоолошко друштво. За жал, овој човек се извлече само со суспензијата од наставата во 1945 година, но веќе во 1946 година го доби целиот Институт за експериментална биологија во Хајлигенберг, каде што почина во 1961 година.
