Загадка развития эмбриона – что диктует клетке ее судьбу?

Володяев И.В.

Развитие эмбриона человека

* 0-30 часов (0-1 день) – зигота.

* 30-90 часов (2-4 день) – дробление.

* 90-110 часов (4 день) – морула.

* 110-150 часов (5-6 день) – бластоциста.

Через 12-18 часов после оплодотворения в зиготе (оплодотворенной яйцеклетке) проступают так называемые пронуклеусы – гаплоидные ядра, содержащие хромосомы родителей (один – от мамы, другой – от папы). А еще через такое же время начинается первое деление в жизни эмбриона.

В следующие 2 дня клетки эмбриона делятся, но общий объем сохраняется. Этот процесс называется дроблением. В этот период клетки почти равнозначны, взаимодействуют очень слабо и имеют достаточно примитивный метаболизм.

На стадии ~8 бластомеров начинается процесс компактизации: между клетками образуются плотные контакты и они «распластываются» друг по другу. Чуть раньше в клетках начинается экспрессия ключевых генов, участвующих в разделении эмбриона на первые три области: трофобласт, гипобласт и эмбриобласт. Метаболизм клеток становится сложнее, и они приобретают первые различия между собой.

Далее начинается процесс кавитации – образования полости внутри морулы. Так формируется бластоциста, которая и будет потом имплантироваться в эндометрий матки.

Стадии развития, обозначения

МI – незрелый ооцит (метофаза 1-го делениям мейоза).

МII – зрелый ооцит (метафаза 2-го деления мейоза; видно полярное тельце).

2PN – оплодотворенная яйцеклетка (зигота, с двумя пронуклеусами).

2 бластомера.

8 бластомеров.

Морула

Начало кавитации.

Бластоциста.

Выход эмбриона из зоны пеллюцида и имплантация.

Деление

На стадии дробления все клетки практически идентичны и (почти) каждая из них потенциально может стать эмбрионом (тотипотентность).

На стадии 8 бластомеров появляются различия между клетками – происходит их поляризация и появляются различия в экспрессии генов. В это же время впервые возникают так называемые асимметричные деления клеток – деления, при которых одни из дочерних клеток уходит внутрь эмбриона.

Экспрессия генов в клетках на стадии 8 бластомеров варибалельна, и различия между клетками достаточно случайны. Так, гены Nanog и Oct4 (гены, экспрессируемые клетками эпибласта – будущего плода), ген Cdх2 (ген, экспрессируемый клетками трофобласта – будущей плаценты) и ген Gata6 (экспрессируемый клетками гипобласта – будущих внезародышевых тканей) экспрессируются во всех 8 бластомерах в различной степени, и степень их экспрессии на этой стадии никак не связана между собой.

Бластоциста

У мыши на стадии бластоцисты происходит постепенное «упорядочивание»: «выключение лишних» для данной области генов, «отсортировывание» клеток, экспрессирующих разные гены (т.е. потенциально относящихся к разным областям – эпибласту, гипобласту и трофобласту) и коррекция экспрессии генов в соответствии с положение клетки. Так, гены Nanog и Oct4 экспрессируются клетками эпибласта, ген Gata6 –клетками гипобласта, а гены Cdх2 и Gata3 – клетками трофобласта. Однако в самом начале формирования бластоцисты некоторая вариабельность еще сохраняется, и клетки могут экспрессировать разные гены – в этот период клетка еще может «изменить свою судьбу» и стать частью того или иного слоя.

На стадии поздней бластоцисты завершается период вариабельности – клетки меняют экспрессию генов, либо мигрируют в другую область, совершая активные клеточные движения за счет актина и миозина. Клетки, не сумевшие изменить экспрессию генов или мигрировать в необходимый слой, уходят в апоптоз. Примечательно, что процесс апоптоза во внутренней клеточной массе более выражен, а в трофоэктодерме практически отсутствует.

Период имплантации

У человека процесс «отсортировывания» клеток эпибласта, гипобласта и трофобласта (т.е. их актин-зависимого переползания, коррекции экспрессии генов и апоптоза) протекает позже – в период имплантации. До того клетки внутренней клеточной массы экспрессируют гены эпибласта и гипобласта случайным образом (в англоязычной литературе это называется «паттерн salt and pepper»).

К 8-му дню после оплодотворения клетки гипобласта и эпибласта полностью рассортировываются.

Бластоциста уплощается, в ней формируются проамниотическая полость и полость желточного мешка.

Формирование проамниотической полости

* Образование базальной мембраны вокруг эпибласта.

* Поляризация клеток эпибласта под действием базальной мембраны (через интегрины) – формирование апикальной и базальной части.

* Активное выстраивание клеток в розетки (актин, миозин) – апикальные концы в центре, базальные на периферии (радиальное положение). Апикальный конец тоньше, базальный толще.

* Образование плотных контактов (кадгерин).

* Расхождение апикальных мембран клеток – образование полости (появление заряженных молекул анти-адгезинов на апикальных мембранах клеток – подокалисин). Т.е. клетка выбрасывает заряженные молекулы в апикальный конец, а учитывая, что заряд у всех одинаковый, апикальные концы клеток отталкиваются друг от друга с формированием полости.

Не связано с апоптозом.

Трофобласт

Одновременно с имплантацией в трофобласте также происходят изменения.

* Поляризация клеток трофобласта, экспрессия маркеров цитотрофобласта (СК7) – 8 день.

* Появление многоядерных клеток, экспрессия маркеров синцитиотрофобласта (β-HCG) – 10 день.

Постепенно происходит все большее уплощение трофобласта и увеличение синцитиотрофобласта с его инвазией и увеличением экспрессии бета-ХГЧ. На 12-14 день это уже проявляется достаточно ярко.

Все работы с эмбрионом in vitro на этом этапе завершаются (продолжаются только до 14 дня) из этических соображений (начинает формироваться нервная система).

Почему формируется эмбрион?

На этот вопрос нет, конечно, нет точного и однозначного ответа. Пока невозможно (да и, наверное, никогда не будет возможно) написать «уравнение развития эмбриона». Однако некоторые физические закономерности мы постараемся проследить.

Последовательности событий в развитии (биология развития)

* Детерминированные – когда мы точно знаем последовательность стадий (например, дробление клетки до 8 бластомер).

* Эквифинальные – это разные стадии, не всегда прогнозируемые, в итоге приводящие к формированию какого-то определенного известного объекта. Так, например, в процессе формирования эмбриона, и морула и бластоциста могут отличаться по скорости и последовательности определенных процессов, по внешнему виду, однако, в конечном итоге, этот процесс все равно завершится одним и тем же результатом.

В физике тоже есть два типа процессов: детерминированные (например, движение планет; ядерные процессы. В этих процессах нет разницы между прошлым и будущим) и эквифинальные (процессы, определяемые вторым началом термодинамики – процессы со «стрелой времени»).

«Стрела времени»

В физике направлена от сложного к простому (продиктовано II началом термодинамики).

В биологии от простого к сложному (клетка – организм).

Смысл заключается в том, что каждая закрытая система переходит к все более вероятному состоянию, приближаясь к состоянию равновесия, т.е. хаоса.

В эмбрионе – наоборот, происходит постоянное усложнение. Может быть все эти структуры заложены заранее (это называется преформизм)? Сейчас, и начиная с работ Ганса Дриша, мы знаем, что это не так. Если разделить эмбрион на стадии 2 или 4 бластомеров на отдельные клетки, то каждая из них может дать целый эмбрион «со всеми ручками и ножками». Следовательно, все структуры в эмбрионе не заложены заранее, а формируются заново (эпигенез).

Таким образом, с точки зрения современной науки, развитие эмбриона – это процесс самоорганизации.

Самоорганизация в физике

* Ячейки Бенара – возникновение конвекционных ячеек в жидкости. В тонком слое воды, которая подогревается снизу и охлаждается сверху, при определенном градиенте температур возникают вихревые потоки и формируются определенные структуры, вид сверху которых напоминает ячеистую структуру. В центре ячейки поток идет вверх, а по бокам вниз. Здесь, конечно, нет никакого биополя или жизненной силы, которая бы заставляла формироваться эти структуры. Так что образование новых структур в развитии эмбриона тоже может происходить спонтанно без специальных допущений о существовании «жизненных сил», «биополей» и пр. Витализм оказывается излишен для описания этих процессов.

* Реакция Белоусова-Жаботинского.

Процессы самоорганизации происходят в неживых системах. Условия для самоорганизации: накопленная энергия в системе или ее открытость, которая дает возможность энергии проходить через нее, и наличие системы обратных связей.

Обратные связи

Пример системы обратных связей в живой системе (система генетический триггер Жакоба-Моно): ген №1 синтезирует продукт №1, который подавляет ген №2, а тот в свою очередь экспрессирует свой продукт №2, подавляющий функцию гена №1.

Бывают системы «++», «+-», «--», которые могут усиливать друг друга или подавлять (аналогия – регуляция эндокринной системы).

Двоякая роль обратных связей (эпигенетический ландшафт Уоддингтона)

Стабилизирующая – структурно-устойчивые пути развития (креоды) – «шарик в лунке». К этому типу процессов можно отнести дробление и процесс формирования полости бластоцисты. На этих этапах, скорее всего, не стоит ждать каких-либо отклонений.

Дестабилизирующая – области стохатической динамики – «шарик на вершине» и может скатиться в любую сторону. Применительно к клетке – это состояние, когда она может пойти по одному или другому пути развития (например, вариабельность в экспрессии генов на стадии 8 бластомеров; “salt and pepper” экспрессия генов во внутренней клеточной массе).

Физика и химия обратных связей

Хемокинетика

Выработка индукторов, репрессоров, активаторов и ингибиторов разными клетками.

Морфомеханика

Помимо химического «общения» между клетками, существует и механическое (клетки давят друг на друга, вытягивают за собой и т.д.). Существуют механозависимые гены (активируются только при механическом раздражении), каналы, межклеточные контакты. Также к морфомеханике относится контактная поляризация клеток (компактизация морулы).

Все эти процессы в некотором роде отвечают на вопрос о том, как клетка выбирает свою судьбу.

Вопросы

Какие книги можете посоветовать практикующему акушеру-гинекологу, интересующемуся эмбриологией?

Существуют книги именно по клинической эмбриологии. Можно начать с небольшой разработки Анны Гусаревой, в которой коротко и понятно изложены основы. Также книга по клинической эмбриологии Корсака. Недавно была издана книга в ИДК Самара для более детального изучения. Также очень интересно написан учебник по общей эмбриологии Белоусова.

Если до стадии бластоциты все эмбрионы развиваются одинаково, как определяется их жизнеспособность? И как определяется жизнеспособность ооцита, зрелость и его способность к оплодотворению?

В лекции речь шла об идеальном развитии эмбриона. А у человека лишь 50% эмбрионов способны к имплантаци; также 50% эмбрионов анеуплоидны.
Существуют несколько степеней зрелости ооцита: GV – совсем незрелый ооцит, у которого определяется ядро; MI – незрелый ооцит, у которого ядра уже нет (исчезает ядерная оболочка); МII – зрелый ооцит, у которого определяется полярное тельце. МI – не способен к оплодотворению, поскольку несет двойной набор хромосом. Для того, чтобы оплодотворение стало возможным, один набор должен уйти в полярное тельце.
Спрогнозировать на 100% жизнеспособность эмбриона невозможно, но есть работы, которые позволяют определить вероятность развития нормальной бластоцисты по внешнему виду зиготы (естественно, это не очень надежно).

Где можно пройти обучение по эмбриологии и какая базовая специальность для этого нужна?

Курсы по эмбриологии проводятся в МГУ и в институте Отто. Базовые специальности: биолог, микробиолог, биохимик, врач (существуют ограничения).

Через какое время определяется дозревание ооцитов?

Дозревают ооциты по-разному. Зрелость определяется по появлению полярного тельца. С этого момента мы ожидаем еще 2 часа (поскольку появление полярного тельца еще не означает готовность цитоплазмы) и приступаем к ИКСИ.