Эмбриональной индукцией называется процесс взаимодействия частей зародыша, при котором один участок оказывает влияние на судьбу другого. Данное понятие относится к экспериментальной эмбриологии.
Статья посвящена одному из самых важных и сложных вопросов данной науки: "Что значит эмбриональная индукция?"
Немного истории
Явление эмбриональной индукции было открыто в 1901 году такими немецкими учеными как Ханс Шпеман и Хильда Мангольд. Впервые этот процесс изучили на примере хрусталика у земноводных, находящихся в эмбриональном состоянии. История сохранила множество примеров и экспериментов по данной теме, в основе которых лежит теория Шпемана.
Гипотеза
Как говорилось ранее, эмбриональная индукция - это процесс взаимодействия частей эмбриона. Так вот, согласно гипотезе, есть ряд клеток, воздействующих на другие клетки как организаторы, провоцирующие изменения в развитии. Для того, чтобы более понятно проиллюстрировать данный процесс, ученые в 20-ых годах прошлого века провели ряд опытов, о которых более подробно расскажем далее.
Эксперимент Ханса Шпемана
В результате своих экспериментов доктор Шпеман выявил закономерность, что развитие происходит в строгой зависимости одних органов от других. Опыт проводился на тритонах. Шпеман пересадил со спины одного эмбриона в брюшную полость другого участок губы бластопора. В результате этого, на месте, куда пересадили орган, началось образование нового зародыша. В норме на брюшной полости никогда не образуется нервная трубка.
Исходя из опыта, доктор сделал вывод, что есть организаторы, которые влияют на дальнейшее развитие организма. Однако, организаторы могут дать старт только в том случае, если клетки обладают компетенцией. Что это значит? Под компетенцией подразумевается способность зародышевого материала к изменению своей презумптивной судьбы под воздействием разного рода влияний. При изучении индукционных взаимодействий у различных видов хордовых ученые пришли к выводу, что в областях и сроках компетенции различных организмов много индивидуальных особенностей. То есть организаторы действуют, если клетка способна принять индуктор, но у всех организмов тот или иной процесс происходит по-разному.
Сделаем вывод: развитие организма - это цепной процесс, без одной клетки невозможно образование другой. Эмбриональная индукция поэтапно определяет формообразование и дифференцировку органов. Также этот процесс является основой становления внешнего облика развивающейся особи.
Исследования Хильды Мангольд
У Ханса Шпемана была аспирантка - Хильда Мангольд. Обладая удивительной ловкостью, она сумела провести ряд сложных экспериментов с микроскопическими эмбрионами тритона (1,5 мм в диаметре). Отделяя от одного зародыша маленький кусочек ткани, она пересаживала его на зародыш другого вида. Причем для пересадки она выбирала участки эмбриона, где происходило формирование клеток, из которых впоследствии должны были образоваться Эмбрион с пересаженной на него частичкой другого зародыша, успешно продолжал развиваться. А привитый кусочек ткани дал начало новому телу, наделенному спиной, позвоночником, брюшком и головой.
Какое же значение имели проведенные эксперименты? В ходе них Мангольд доказала что существовует эмбриональная индукция. Это возможно, потому что небольшой участок обладает этими уникальными свойствами, его назвали организатором.
Виды индукции
Различают два вида: гетерономную индукцию и гомономную индукцию. Что это такое и в чем отличие? Первый вид - это процесс, при котором пересаженная клетка вынуждена перестраиваться под общий ритм, то есть она зарождает какой-то новый орган. Второй провоцирует изменение окружающих клеток. Побуждает материал к развитию в этом же направлении.
Основные клеточные процессы
Для большей наглядности ниже приведена таблица. Предлагаем на ее примере изучить основные клеточные процессы эмбриональной индукции.
| Формы клеточных взаимодействий | Образование нормальных структур | Последствия нарушений |
| перемещения | образование нервной трубки при перемещении первичных половых клеток | |
| избирательное размножение | зачатки органов | отсутствие органов |
| избирательная гибель | разделение пальцев, гибель эпителиальных клеток при слиянии небных зачатков, носовых отростков и т.д. | лица, спинно-мозговые грыжи |
| адгезия | образование нервной трубки из нервной пластинки и т.д. | нарушения при образовании нервной трубки, нарушение структуры |
| сгущения | образование конечностей | отсутствие конечностей или наличие дополнительных |
Проявление данного явления обнаружили на самых разных этапах развития организма. В настоящее время эмбриональная индукция активно изучается.
Эннинг было 12, когда в скалах близ родного городка Лайм-Реджис (графство Дорсет, Англия) она и ее младший брат нашли первый полный скелет ихтиозавра . С тех пор Мэри была одержима поиском окаменелостей. Обычно она отправлялась на «охоту» после шторма, рассчитывая, что ветер и вода откроют доступ к очередным останкам, погребенным в толще известняка и сланцев. Этой женщине удалось обнаружить первые полные скелеты плезиозавра и птерозавра (птеродактиля). И хотя современники пользовались результатами ее трудов, Мэри не допустили в официальные научные круги, а ее работы часто цитировали без ссылок на первоисточник.9. Элис Хэмилтон, исследователь профзаболеваний (1869−1970)
Получив медицинскую степень в Мичиганском университете в 1893 году, Элис изучала условия труда на предприятиях, где использовались свинец, ртуть и другие ядовитые вещества. В конце концов, она обрисовала мрачную картину того, как вредное производство подрывает здоровье работника. Например, свинец приводил к коликам, судорогам и потере веса.8. Лиза Мейтнер, физик (1878−1968)
В 1944 году немецкий ученый Отто Ган получил Нобелевскую премию по химии за открытие ядерного распада. Шведская академия наук и сам лауреат умолчали о физике Лизе Мейтнер, которая стояла у истоков исследования, проработала с Ганом рука об руку 30 лет и вместе с племянником Отто Фришем сумела правильно объяснить результаты экспериментов Гана. Будучи еврейкой, Лиза оставила берлинский Институт химии имени кайзера Вильгельма в 1938 году. Перебравшись в Швецию, она не смогла продолжить работу из-за отсутствия денег и поддержки. В 1997 году в ее честь назвали искусственно синтезированный химический элемент мейтнерий.7. Инге Леманн, сейсмолог (1888−1993)
Работая в спокойной в плане природных катастроф Дании, Леманн изучала сейсмические волны, которые расходятся от очага землетрясения и достигают противоположной стороны планеты. Именно Леманн открыла внутреннее ядро Земли. В 1914 году немецко-американский сейсмолог Бено Гутенберг установил границу между мантией и жидким ядром Земли. Но в середине 1930-х Леманн получила данные, которые указывали, что часть волн при прохождении ядра меняет траекторию и скорость движения. Так Инге пришла к выводу, что в центре планеты есть еще и твердое ядро.6. Хильде Мангольд, эмбриолог (1898−1924)
В нобелевской лекции 1935 года немецкий эмбриолог Ханс Шпеман, получивший премию по физиологии и медицине «за открытие организующих эффектов в эмбриональном развитии», лишь дважды упомянул имя своей аспирантки Хильде Мангольд, хотя именно ее диссертация легла в основу его научного успеха. В начале 1920-х она пересадила кусочек ткани эмбриона одного вида тритона в развивающийся зародыш другого вида. В результате сформировались генетически разные сиамские близнецы. Так Хильде доказала, что у эмбриона есть «организатор» — участок клеток, ответственный за развитие центральной нервной системы и рост позвоночника. Увы, Хильде погибла в год публикации своей научной работы при взрыве газовой плиты.5. Элси Уиддоусон, диетолог (1906−2000)
Во время Второй мировой войны британское правительство поощряло рацион, основанный на капусте, картошке и хлебе с добавлением мела. Это меню разработала Элси Уиддоусон совместно со своим коллегой Робертом Маккансом. Действие различных минералов и витаминов Элси проверяла на собственном организме, делая себе инъекции. Ее работа заложила основы диетологии, дала представление о составе продуктов и здоровом питании.4. Вирджиния Апгар, анестезиолог (1909−1974)
В 1952 году американский анестезиолог Вирджиния Апгар предложила свою систему оценки состояния ребенка в первые минуты жизни. Прежде в акушерстве не было стандартного способа определить, все ли в порядке с новорожденным. Сейчас шкалу Апгар используют во всем мире, а оценку сообщают родителям и педиатру наряду с ростом и весом.3. Цзяньсун Ву, физик (1912−1997)
Американка китайского происхождения более всего известна как ученый, опровергший закон сохранения четности. В упрощенной форме он провозглашает, что частицы, зеркально повторяющие друг друга, станут вести себя одинаково. В 1956 году Ву провела сложный эксперимент, показавший, что при определенных условиях этот принцип может быть нарушен. Год спустя исследование принесло Нобелевскую премию по физике. Правда, не самой Ву, а ее коллегам Чжэньнину Янгу и Чжэндао Ли.2. Энн Макларен, специалист по эмбриональному развитию (1927−2007)
Еще в середине 1950-х англичанка Макларен и ее сотрудники успешно оплодотворили яйцеклетки мыши вне матки и затем имплантировали эмбрионы суррогатной матери. После удачного завершения эксперимента Макларен отправила телеграмму своей коллеге: «Родились 4 ребенка из пробирки!»1. Стефани Кволек, химик (1923−2014)
Изобретательница пуленепробиваемого материала кевлара получила образование химика, но мечтала стать доктором. В американскую компанию DuPont она устроилась с намерением поднакопить денег на обучение в медицинском вузе. Но внезапно увлеклась работой по специальности. В 1964 году ее группе поручили разработать материал, которым можно было бы заменить стальной корд в автомобильных шинах. Полученный в результате кевлар был в пять раз прочнее стали — и намного легче нее. Сегодня кевлар можно найти повсюду: от прихваток до космических кораблей.15 лет назад - 5 июля 1996 года на свет появилась овечка Долли, первое клонированное живое существо.
В этом же году китайский исследователь Тун Дичжоу (Tong Dizhou) впервые клонировал рыбу . Он пересадил генетический материал взрослого азиатского карпа в икринку, из которой появилась новая особь, которая впоследствии принесла потомство.
В 1964 г. профессор Корнелльского университета Фредерик Стюард (Frederic Steward) вырастил целую морковь из полностью изолированных клеток корневища, доказав таким образом возможность клонирования с использованием дифференцированных (изолированных) клеток.
В 1969 г. профессора Гарвардского университета Джеймс Шапиро (James Shapiero) и Джонатан Беквит (Johnathan Bechwith) выделили первый ген.
В 1972 г. профессор Стэнфордского университета Пол Берг (Paul Berg) создал первые рекомбинантные молекулы ДНК.
В 1979 г. Карл Илменси (Karl Illmensee) заявил, что ему удалось клонировать трех мышей.
В 1983 г. Кэри Муллис (Kary Mullis) разработал метод полимеразной цепной реакции (ПЦР), позволяющий добиться значительного увеличения малых концентраций определенных фрагментов нуклеиновой кислоты (ДНК) в биологическом материале (пробе).
В 1984 г. датский ученый Стин Вилладсен (Steen Willadsen) клонировал овцу из эмбриональных клеток. Это был первый эксперимент по клонированию млекопитающего. Вилладсен использовал метод пересадки ядра (nuclear transfer).
В 1986 г. Вилладсен клонировал корову из дифференцированных клеток однонедельного эмбриона. В этом же году профессора Университета Висконсина Нил Ферст (Neal First), Рэндал Прэзер (Randal Prather) и Уиллард Айстоун (Willard Eyestone) также клонировали корову из клеток зародыша.
В 1990 г. стартовал проект "Геном человека" (Human Genome Project) - международная научно-исследовательская программа, целью которой стало определение последовательности более чем 3 млрд нуклеотидов, составляющих генетический код человека.
В 1995 г. профессора Рослинского института в Шотландии Иэн Уилмут (Ian Wilmut) и Кит Кэмпбелл (Keith Campbell) с помощью генетического материала двух изолированных эмбрионов успешно клонировали двух овец - Меган и Мораг.
В 1996 г. Уилмут и Кэмпбелл впервые поставили эксперимент по клонированию животного из клеток взрослой особи, в результате которого 5 июля 1996 г. на свет появилась овца Долли.
В 1997 г. в лаборатории Дона Вольфа (Don Wolf) Орегонского регионального центра по изучению приматов (Oregon Regional Primate Research Center) ученым удалось клонировать двух макак-резусов.
В этом же году президент США Билл Клинтон запретил использовать государственные средства для финансирования работ по клонированию человека.
В 1997 г. Иэн Вилмут и Кит Кэмпбелл использовали выращенные в лабораторных условиях клетки кожи с генетически вживленным в них человеческим геном и клонировали еще одну овцу - Полли.
В 1998 г. Долли родила трех здоровых ягнят, зачатых естественным путем.
В этом же году в Университете штата Гавайи группа ученых во главе с профессором Риузо Янагимачи (Ryuzo Yanagimachi) клонировала 50 мышей из клеток взрослых особей. Первая мышь-клон получила прозвище Кумулина.
22 декабря 2001 г. в Техасском университете агрокультуры и машиностроения (Texas A&M University) родилась первая в мире клонированная домашняя кошка по кличке Сиси (CopyCat, CC). Через два года в университете родились первый клонированный олень - Дьюи и первая клонированная лошадь - Прометея.
В 2001 г. ученые из компании Advanced Cell Technology, Inc. объявили о рождении быка-гаура по кличке Ноа, который стал первым клонированным животным, относящимся к вымирающим видам. Этот эксперимент открыл перспективу спасения исчезающих видов животных путем клонирования.
В 2003 г. знаменитую на весь мир овцу Долли усыпили . Причиной послужил прогрессирующий рак легких, вызванный вирусом. Долли было 6,5 лет.
В 2005 г. в Южной Корее на свет появилась первая в мире клонированная собака - африканская борзая Снаппи.
В 2009 г. в Дубае (ОАЭ) родился первый клонированный верблюд - Инджас, в переводе с арабского "достижение".
Несмотря на ряд заявлений о проведении успешных опытов по клонированию человеческого эмбриона (1998, 2004 - в Южной Корее, 2002 - в США), на сегодняшний день научного подтверждения этому нет.
Генная инженерия – отнюдь не изобретение последних десятилетий, как кажется многим. Подходы к ней были найдены ещё в начале прошлого века.
Одним из первых шагов были опыты германского исследователя Шпемана и его коллег, происходившие в середине 1920-х годов. Для опытов взяли тритонов двух разновидностей: гребенчатого (с белыми яйцами) и полосатого (с жёлтыми). Фрагмент дорсальной губы гребенчатого тритона пересаживали на одну из сторон другого вида. Оба организма при этом были зародышами в стадии гаструлы.
Наблюдения показали: пересадка вызывает формирование различных органов, в том числе нервной трубки. Развиваясь, процесс может привести даже к возникновению дополнительного зародыша. Он образуется преимущественно из клеток реципиента, но во всех органах прослеживаются также и клетки донора.
Эксперимент Шпемана – путь к клонированию
Впоследствии проводились другие опыты по схожей схеме, что позволило зафиксировать три вывода. Первый – трансплантация участков спинной губы бластопоров может перенаправлять развитие окружающих тканей в необычном (не встречающемся в природе) виде. Второй – на брюшной и боковой сторонах гаструлы обыкновенную поверхность в эксперименте заменяет целый зародыш. И третий – строение возникающих вследствие пересадки органов вызвано эмбриональной регуляцией.
Шпеман дал спинной губе бластопора название первичного организатора. В более ранних фазах развития чего-либо подобного зафиксировано не было. Сегодня уже известно, что решающее значение имеет не вся губа, а только её хордомезодермальный зачаток. Сам процесс влияние фрагмента одного зародыша на развитие другого биологи называют эмбриональной индукцией.
В межвоенный период учёные искали фактор, обуславливающий индуцирующее действие. Им удалось обнаружить, что индукция провоцируется различными мёртвыми тканями, вытяжками из животных и растений, органическими и даже неорганическими веществами. С другой стороны, установили, что особенности реакции реципиента никак не связаны с химическими параметрами влияющего агента.
Потому эмбриологи сосредоточились на изучении индуцируемых тканей. Они выяснили, что индукция ограничена способностью зародыша воспринимать воздействие. Ранняя гаструла вызывает формирование переднего мозга, поздняя – спинного и мезодермальных тканей. Препятствовать индукции проще всего с помощью фракции нуклеопротеинов.
Реакция эмбриональных органов и тканей на влияния таким способом называется компетенцией. Поменять ход развития можно только тогда, когда компетенция к формированию «закладок» шире, чем область её нормального развития, и исключительно в определённый период времени. Масштаб и период компетенции у разных организмов неодинаковы.
Сегодня изучаются главным образом те механизмы индукции, которые работают на молекулярном и клеточном уровнях.
Эксперимент Шпемана-Мангольд был проверкой гипотезы об алгоритме дифференцировки (и полностью её подтвердил). На опыте доказали существование определённых клеток-организаторов, воздействующих на другие клетки (отвечающие определённым требованиям), и меняющих вектор их развития. Дифференцировка определяется цитоплазматическим влиянием одних клеток на другие.
Ещё в 1921 году Хильда Мангольд начала работу, образец которой описан выше. Так была открыта и обоснована эмбриональная индукция. Позднейшие исследователи выяснили, что ряд тканей взрослых организмов нейтрализует формирование эктодермы, открыли ноггин и хордин – вещества-индукторы. Ганс Шпеман через одиннадцать лет получил Нобелевскую премию, а исследованный им участок дорсальной губы назвали организатором Шпемана.
Ханс Шпеман
Нобелевская премия по физиологии и медицине 1935 года. Формулировка Нобелевского комитета: «За открытие организующих эффектов в эмбриональном развитии» (for his discovery of the organizer effect in embryonic development).
Наш герой должен был стать книгопродавцем, издателем или, на худой конец, литератором. Ханс Шпеман был старшим из четырех детей Иоганна Вильгельма Шпемана и Лизинки Шпеман, урожденной Хофман. Иоганн Вильгельм был достаточно успешным книжным торговцем, и сын рос среди книг, обожал старые фолианты и классическую литературу. В том же духе он получил и среднее образование, окончив очень неплохую гимназию Эберхарда Людвига. Однако прослужив год в армии (как было положено после окончания школы в Германии), а точнее, в гусарах, а затем немного поработав в «дочерней фирме» в Гамбурге, Ханс все-таки решил учиться на медика и в 1891 году поступил в Гейдельбергский университет. Впрочем, стать медиком ему тоже было не суждено.
Уже в Гейдельберге биолог Густав Вольф проделывал удивительный эксперимент: у зародыша тритона из развивающегося глаза удалял хрусталик, но он вновь развивался из края сетчатки. Шпеман был настолько поражен магией увиденного, что, уже будучи студентом, отказался от медицинской карьеры и решил стать эмбриологом. Сказано - сделано: он ушел из Гейдельберга, недолго учился в Мюнхене, а затем перешел в Зоологический институт Университета Вюрцбурга.
Там он получает степени по зоологии, ботанике и физике, выполнив исследования под руководством эмбриолога Теодора Генриха Бовери (который установил постоянство количества хромосом у разных видов), ученика великого Юлиуса фон Сакса (который фактически был одним из первооткрывателей фотосинтеза) и соответственно.
Учитель Шпемана Юлиус Сакс
Wikimedia Commons
Учитель Шпемана Теодор Бовери
Wikimedia Commons
При нормальном эмбриогенезе хрусталик глаза тритона развивается из группы клеток эктодермы (наружный листок эмбриональной ткани) тогда, когда глазной бокал, вырост мозга тритона, достигает поверхности эмбриона (не зря говорят, что глаза - это мозг, вынесенный наружу).
При помощи изящных экспериментов Шпеман доказал, что именно этот мозговой вырост и посылает некий сигнал о том, что глазу пора расти. Шпеман отличался артистизмом эксперимента, и его изящные методы до сих пор используются в эмбриологии. «Ученый, у которого аналитический ум не сочетается хотя бы в небольшой степени с артистическими наклонностями, по моему мнению, не способен понять организм как целое», - любил говаривать Шпеман.
Он и его аспирантка Хильда Мангольд выяснили, что судьба пересаженной ткани почти полностью зависит не от того, какой орган должен был из нее развиться в ее прежнем положении, а от ее новой локализации. Если кусочек будущего глаза пересаживать в кожу, то вырастал не глаз, а кожа.
Было и исключение. Определенный участок эмбриона, расположенный вблизи соединения между тремя основными клеточными листками (эктодермой, эндодермой и мезодермой), будучи пересаженным в любое место другого эмбриона того же срока, развивался не в соответствии с его новым расположением, а продолжал линию своего собственного развития и направлял развитие окружающих тканей. Как писала Мангольд в своей диссертации, «индуцирующие стимулы не задают специфические свойства [индуцируемого органа], но запускают развитие тех свойств, которые уже присущи реагирующей ткани... Сложность развивающихся систем в основном определяется структурой реагирующей ткани, и... индуктор оказывает лишь запускающий и в некоторых случаях направляющий эффект».
Увы, прославившаяся диссертацией Über Induktion von Embryonalanlagen durch Implantation artfremder Organisatoren («Индукция эмбрионального происхождения путем имплантации организационных центров у разных видов») Мангольд не смогла развить свой успех. Получив докторскую степень в 1923 году, она вместе с мужем и своим маленьким сыном Христианом переехала в Берлин. 4 сентября 1924 года случилась трагедия: газовый обогреватель в ее доме взорвался. Хильда погибла, так и не увидев своих результатов в печати: их совместная работа со Шпеманом вышла только в конце 1924 года. Ее сын погиб во время Второй мировой войны.
Остаток жизни ученый доживал спокойно - в своем загородном доме во Фрайбурге, где и умер в сентябре 1941 года. Из всех участников ключевых работ Шпемана по «организационным» точкам, Вторую мировую пережил только его бывший аспирант, защитивший диссертацию в 1919 году и ставший ассистентом профессора, Отто Мангольд. Тот самый муж Хильды, примкнувший к НСДАП и подписавший в 1942 году знаменитое письмо в Рейхсканцелярию, которое отмечало «огромную остроту борьбы еврейства против немецкого народа» (и оправдывало «окончательное решение еврейского вопроса»), после чего стал президентом Немецкого зоологического общества. Увы, этот человек отделался только отстранением от преподавания в 1945, но уже в 1946 году получил целый Институт экспериментальной биологии в Хайлигенберге, где и умер в 1961 году.
