МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧНІ МЕХАНІЗМИ ОНТОГЕНЕЗУ. ПОРУШЕННЯ ОНТОГЕНЕЗУ ТА ЇХ МІСЦЕ В ПАТОЛОГІЇ ЛЮДИНИ.
Онтогенез – це індивідуальний розвиток особини від її зародження до смерті. У різних груп організмів онтогенез має свої особливості, які, зокрема, залежать від способу розмноження. В одноклітинних організмів онтогенез збігається з клітинним циклом.
Тривалість онтогенезу може бути різною. Наприклад, у секвої понад 3000 років, деякі види черепах живуть до 150 років, білуга (представник осетрових) – до 100 років. З безхребетних тварин значна тривалість життя спостерігається у деяких молюсків, членистоногих (наприклад, у річкового рака -до 20 років).
При вегетативному розмноженні онтогенез зводиться до диференціації клітин і органів багатоклітинного зачатка (певного фрагмента, бруньки тощо) та росту. При статевому розмноженні вихідною стадією онтогенезу є зигота (при партеногенезі – не-запліднена яйцеклітина).
Ембріональний (зародковий) період – це час, коли новий організм (ембріон) розвивається всередині материнського організму або всередині яйця, насінини тощо. Він завершується народженням (вилупленням, проростанням).
Постембріональний (післязародковий) період триває від моменту народження (виходу із зародкових оболонок, покривів насінини) і триває до моменту набуття організмом здатності до розмноження.
У організмів деяких видів після розмноження настає смерть (лососеві риби – кета, горбуша тощо). В інших організмів (більшість хребетних тварин, деякі комахи, павукоподібні, молюски, багаторічні рослини тощо) здатність до розмноження зберігається певний час – період статевої зрілості. Після її втрати смерть у таких організмів настає не відразу, а через деякий час (від кількох днів у комах до кількох років і десятків років у великих ссавців, дерев тощо). Цей час називається періодом старіння, коли знижується рівень обміну речовин, відбуваються незворотні зміни в організмі, які, врешті-решт, призводять до смерті.
Існує два типи онтогенезу: прямий і непрямий. Непрямий розвиток може бути личинковим. Прямий розвиток існує у двох формах: неличинковій та внут-рішньоутробний. Личинкова форма характеризується наявністю однієї або кількох личинкових стадій. Личинки активно живляться. Цей тип розвитку супроводжується метаморфозом. Неличинкова форма розвитку властива рибам, плазунам, птахам. Яйця цих тварин багаті на жовток. Для дихання, виділення та живлення зародка, що розвивається, існують тимчасові органи. Внутрішньоутробний розвиток характерний для ссавців і людини. Всі функції зародка здійснюються за рахунок організму матері за допомогою спеціального органа – плаценти.
Виділяють такі етапи ембріонального розвитку: а) запліднення – утворення зиготи; б) дроблення – утворення бластули; в) гаструляція – утворення. зародкових листків; г) гісто- та органогенез – утворення тканин і органів зародка.
При личинковій формі онтогенезу ембріональний період починається з утворення зиготи і закінчується виходом із яйцевих оболонок. При неличинковій формі онтогенезу ембріональний період починається з утворення зиготи і закінчується виходом із зародкових оболонок. При внутрішньоутробній формі- ембріональний період починається з утворення зиготи і продовжується до народження.
Зауважимо, що періодизація – це умовний поділ єдиного процесу для зручності його вивчення, а насправді індивідуальний розвиток – це неперервний процес і одна його стадія непомітно і плавно переходить у наступну.
У результаті запліднення утворюється зигота – початкова стадія розвитку нового організму. Стадія зиготи триває від кількох хвилин до кількох годин. У деяких видів тварин вже в зиготі здійснюється інтенсивний синтез білка, матрицею якого на початкових стадіях є власна ІРНК яйцеклі тини. У цей же час з’являється яскраво виражена двобічна симетрія. У жаби, наприклад, точка, в якій спермій проник в яйцеклітину, якраз і визначає площину симетрії зародка і положення майбутньої дорсальної губи бластопора. Встановлено, що в зиготі ссавців і людини до початку наступної стадії ембріогенезу також відбувається диференціювання і пе реміщення ділянок цитоплазми, що призводить до двобічної симетрії.
Наступна стадія ембріогенезу – дроблення. Дробленням називають ряд мітотичних поділів зиготи, між якими немає типової інтерфази: пресинте-тичний період Gj – відсутній повністю, а синтетичний S-період дуже короткий і починається ще в телофазі попереднього мітозу.
В результаті цього дочірні клітини зиготи (бластомери) не набувають розмірів материнських клітин і з кожним поділом стають все меншими і меншими і, кінець кінцем, результат дроблення – бластула (морула) майже не відрізняється за розміром від зиготи.
Дроблення залежно від типу яйцеклітини може бути повним і неповним; рівномірним і нерівномірним; синхронним і асинхронним, але в будь-якому випадку обов’язково закінчується утворенням бластули (від лат. blastos – зачаток, проросток).
У залежності від типу дроблення розрізняють целобластули, амфібластули, дискобластули, стер-робластули. Будова їх завжди однакова. Вони мають стінку (бластодерму), побудовану із бластомерів, і порожнину всередині, яка називається бла-стоцелем, або первинною порожниною. Стадію бла стули проходять зародки всіх типів тварин. Дроблення зиготи людини повне, нерівномірне й асинхронне закінчується утворенням бластоцисти (стерробластули).
По закінченню періоду дроблення у багатоклітинних тварин настає період утворення зародкових листків – гаструляція. Гаструляція – процес розвитку з одношарового зародка багатоклітинних тварин (бластули) двошарового (гаструли), а в більшості з них – згодом і тришарового.
Гаструляція починається з утворення в бластулі круглого отвору – бластопора . При цьому бластоцель зникає, а утворюється нова порожнина – порожнина первинної кишки. Клітини зародка переміщуються, розташовуються у вигляді трьох окремих зародкових листків, або шарів, утворюючи гаструлу.
Утворення зародкових листків відбувається у два етапи. Спочатку утворюється рання гаструла, яка має два зародкових листки (ектодерму й ентодерму), а потім пізня гаструла, коли формується третій зародковий листок – мезодерма. На першому етапі можливі чотири способи: інвагінація (впинання), як у ланцетника; імміграція (виселення клітин), як у кишковопорожнинних ,епіболія (обростання), як у жаби, і деламінація (розщеплення), як у деяких кишковопорожнинних.
Другий етап гаструляції передбачає два варіанти: телобластичний і ентероцельний.
Обґрунтована і доведена тотожність зародкових листків у всіх систематичних групах вищих тварин. У людини перший етап гаструляції проходить переважно за типом деламінації, а другий етап – шляхом виселення клітин. На стадії гаструляції зародок імплантується (проникає) у слизову оболонку матки.
Подальші клітинні поділи, переміщення, ріст та диференціювання зародкових листків призводять до гістогенезу – утворення тканин. При цьому спостерігаються закономірності, притаманні конкретним листкам і тканинам.
Процес формування органів називається органогенезом. Гістогенез і органогенез ідуть паралельно і завершуються в основному наприкінці ембріонального періоду.
Проблема детермінації та взаємодії бластомерів, ембріональна індукція
Основоположником експериментальної ембріології став наприкінці XIX століття німецький зоолог В. Ру. Він спробував з’ясувати, на якій стадії розвитку зародка визначається доля його частин. Чи може, наприклад, кожен із двох перших бластомерів розвинутись у цілий організм? З цією метою В. Ру один із двох бластомерів жаби руйнував розпеченою голкою.
Із незруйнованого (цілого) бластомера розвинувся неповноцінний зародок. Це дало привід В. Ру дійти невірного висновку про те, що вже на ранніх стадіях ембріонального розвитку доля окремих бластомерів повністю визначена. Тут потрібно відзначити, що в ході експерименту вчений залишав ушкоджений бластомер поряд з цілим (неушкодженим). Пізніше інші науковці-експериментатори провели експеримент інакше. Вони забирали ушкоджений бластомер від цілого і тоді спостерігали, як з останнього розвивався повноцінний зародок. Учень В. Ру-Г. Дріш показав: якщо яйця морського їжака помістити в морську воду, позбавлену кальцію, то у зиготі, що почала ділитися, бластомери розпадаються і потім кожен із них, за сприятливих умов, здатен сформувати повноцінний зародок. Таке явище, коли ізольований бластомер може розвинутися в повноцінний організм, отримало назву mominотпентність (рівноспадковість), а такі бластомери назвали тотіпотентними . У подальшому, знову ж таки експериментальним шляхом, було встановлено, що у тритона зберігається така тотіпотентність до стадії 16 бластомерів, у кроля -до стадії 4 бластомерів. Про існування подібного явища у бластомерів людини вказують випадки народження двох, трьох, чотирьох і навіть семи мо-нозиготних близнюків.
Після утворення бластули зародкові клітини втрачають тотіпотентність. Починається диференціація тобто формування різноманітних структур і частин тіла (а згодом – тканин і органів) із відносно однорідного матеріалу зародка. Але з’ясувалося, що, незважаючи на втрату тотіпотентності і диференціації, клітини повністю зберігають генетичну інформацію. Це показали в своїх експериментах американський ботанік Стюард на моркві та англійський зоолог Д. Гердон (1964-1966), який пересаджував ядра із клітин епітелію шкіри і кишок пуголовків у яйцеклітини, з яких їх власні ядра видалялися. Багато з таких клітин розвинулись, утворивши пуголовків і навіть статевозрілих жаб .
Таким чином, можна дійти висновку, що будь-яка соматична клітина, з одного боку, являє собою диференційовану частину організму і виконує вузькоспеціалізовані функції, а з іншого боку, утримує в собі генотип всього організму. Тоді випливає питання: якщо генотип у всіх клітин однаковий, а різні клітини мають неоднакову будову і входять до складу органів, що відрізняються один від одного за морфологією і за функціями, то чим зумовлене диференціювання під час розвитку?
Щоб розібратись у цьому питанні, повернемося знову до експерименту В. Ру з двома бластомерами зародка жаби. Ру вбивав один з бластомерів, але залишав його поряд з цілим, неушкодженим, і спостерігав неповноцінний його розвиток. Тобто тотіпотентність не проявлялася. Чому? А тому, що ушкоджений бластомер впливав і перешкоджав нормальному розвитку другого цілого бластомера. Так майже 100 років тому була виявлена і доведена взаємодія частин організму в процесі розвитку.
Пізніше це явище взаємного впливу одних частин організму, що розвивається, на інші отримало назву ембріональної індукції.
Рання закладка ока являє собою випинання тканини проміжного мозку в так званий очний міхур. Він росте у напрямку до шкірної ектодерми, з якої на місці їх зближення утворюється кришталик. В експерименті було показано, що якщо на одному боці зародка видалити закладку очного міхура, то на цьому боці кришталик не формується. І, навпаки, якщо закладку очного міхура пересадити під шкіру в іншому місці голови або тулуба, то тут на межі ектодерми виникає кришталик. Він у свою чергу, вплине на формування очної западини. Таким чином, розвиток одного органа зумовлює формування наступних.
Подальшими дослідженнями було розкрито нові ланки впливу між частинами зародка. Г. Шпема-ном було доведено, що при нормальному розвитку спинна ектодерма гаструли перетворюється на зачаток нервової трубки, але якщо її пересадити, наприклад, на черевну частину зародка, то з неї утвориться шкіра живота. І, навпаки, якщо шкірну ектодерму живота пересадити на спинну частину зародка, то з неї утвориться нервова трубка.
Це свідчить про те, що на стадії ранньої гаструли доля зачатків ще не повністю визначена і можливе перевизначення подальшого шляху розвитку. Ця стадія ембріонального розвитку отримала назву стадії лабільного диференціювання.
Чому ж ектодерма спинної частини зародка дає початок нервовій трубці зі всіма її похідними? Експериментально було встановлено, що якщо на ранній стадії видалити ділянку верхньої “губи” бластопора, яка і прилягає до ектодерми на спинному боці зародка, то нервова трубка зовсім не утворюється. І, навпаки, якщо верхню “губу” бластопора пересадити під шкіру в будь-якій ділянці гаструли, то з навколишніх клітин формується нервова трубка. І навіть якщо пересадити додаткову верхню “губу” бластопора, то утвориться додаткова нервова трубка.
Так, Г. Шпеман дійшов висновку, що верхня “губа” бластопора впливає на клітини ектодерми, спрямовуючи їх розвиток на формування нервової трубки. Згодом були виявлені інші ділянки тіла зародка з аналогічним впливом на його частини. Ці ділянки були названі організаційними центрами, а їх індукований вплив – організаторами (або індукторами).
Реалізація індукції можлива тільки за умов, що клітини здатні сприймати вплив, тобто є компетентними. Компетенція клітин може змінюватися в часі (виникати й зникати). На пізніших стадіях розвитку, коли диференціація уже почалася, пересадка цієї ділянки в іншу частину зародка не змінює його розвиток, бо він вже повністю визначений. Це явище незалежної, стабільної диференціації. У розвитку органів спостерігається перехід від залежної до незалежної диференціації.
Подальші дослідження проблеми ембріональної індукції йшли в напрямку визначення природи індукторів.
Ще в 30-ті роки XX ст. американський вчений Ч. Чайлд висунув припущення про градієнт фізіологічної активності організму зародка. Було показано, що інтенсивність окиснювальних та інших метаболічних процесів поступово гальмується в напрямку від головного відділу до хвостового. Згідно з цими даними, розвиток органів у тій чи іншій частині зародка визначається інтенсивністю метаболізму. Дані узгоджуються з положеннями школи Шпемана: дійсно, найбільш інтенсивний обмін речовин у гаструли відбувається в ділянці верхньої “губи” бластопора, тобто в місці утворення нервової трубки.
X. Тидеман у 1970 році провів дослідження, які показали роль взаємовідносин органів зародка на молекулярному рівні. Він виділив із зародків курчат індуктори білкової природи. Один з них індукує структури нервової системи й органів чуття, інший – м’язову систему. Вчений довів, що білки-індуктори є вже у незаплідненому яйці, але вони знаходяться в неактивному стані через присутність інгібіторів, які стримують їх дію. Під час ембріонального розвитку змінюється іонний склад цитоплазми і зовнішнього середовища, яке оточує клітину. Це призводить до виходу інгібіторів із клітини і цим інактивація з індукторів знімається. В результаті цього індуктори входять в ядро і активують відповідні гени, що, у свою чергу, сприяє диференціюванню клітин і формуванню органів і систем.
Морфогенез-це процес виникнення нових структур і зміна їх форми в процесі онтогенезу. Морфогенез на клітинному рівні розпочинається з гаструляції. У хордових після гаструляції закладаються осьові органи . В цей період морфологічні перебудови охоплюють весь зародок. Потім відбувається закладка і розвиток окремих органів (органогенез) . Це вже місцеві процеси, всередині кожного з яких відбувається дискретизація на окремі зачатки. Так послідовно в часі і в просторі перебігає індивідуальний розвиток, що призводить до формування організму із складною будовою і значно багатшою інформацією, ніж генетична інформація зиготи.
Морфогенез зв’язаний з багатьма процесами, починаючи з прогенезу. Поляризація яйцеклітини, овоплазматична сегрегація після запліднення, закономірно орієнтовані поділи дробіння, рух клітинних мас в процесі гаструляції і закладок різних органів, зміна пропорцій тіла – все це процеси, які мають велике значення для морфогенезу.
Таким чином, морфогенез – багаторівневий динамічний процес. Сьогодні вже багато відомо про ті перебудови, які відбуваються на внутрішньоклітинному і міжклітинному рівнях і які перетворюють хімічну енергію клітин на механічну, тобто про елементарні рушійні сили морфогенезу.
Процес запліднення в людини. Запліднення може настати зразу після завершення яйцеклітиною стадії дозрівання. У цей період вона вкрита шаром фолікулярних клітин, містить гаплоїдний набір – 23 хромосоми.
Під час запліднення здійснюються два важливі процеси: активація яйця, тобто збудження до розвитку, та синкаріогамія, тобто утворення диплоїд-ного ядра зиготи внаслідок злиття гаплоїдних ядер статевих клітин, які несуть генетичну інформацію двох батьківських організмів.
Зустрічі гамет сприяє те, що яйцеклітини виділяють у навколишнє середовище хімічні речовини, які активізують сперматозоони. Можливо, що такі речовини виділяються і клітинами жіночих статевих шляхів.
Проникнення сперматозоона відбувається завдяки акросомній реакції, яка виявлена за допомогою електронної мікроскопії. Розташована на передньому кінці сперматозоона акросомна ділянка оточена мембраною. При контакті з яйцем оболонка акросоми руйнується, із неї викидається акросомна нитка, виділяються ферменти: один розчиняє оболонку яйцеклітини, і другий фермент-гіалуронідаза, який розчиняє фолікулярні клітини, що оточують яйцеклітину. Акросомна нитка проникає крізь розчинну зону яйцевих оболонок і зливається з мембраною яйцеклітини. У цьому місці з цитоплазми яйцеклітини утворюється сприймаючий горбик. Він захоплює ядро, центріолі та мітохондрії сперматозоона і втягує їх всередину яйця. Плазматична мембрана сперматозоона вмонтовується в поверхневу мембрану яйця, утворює мозаїчну зовнішню мембрану зиготи.
Проникнення сперматозоона в яйцеклітину змінює її обмін речовин, показником чого є ряд морфологічних і фізіологічних перетворень. Підвищується проникність клітинної мембрани, посилюється поглинання з навколишнього середовища фосфору і калію, виділяється кальцій, збільшується обмін вуглеводів, активується синтез білка. Змінюються колоїдні властивості цитоплазми. В’язкість збільшується у 6-8 разів. У зовнішньому шарі яйця змінюється еластичність і оптичні властивості. На поверхні відшаровується оболонка запліднення; між нею і поверхнею яйця утворюється заповнений рідиною простір. Під ним формується оболонка, яка забезпечує скріплення клітин, які виникають внаслідок дробіння яйця. Після утворення оболонки запліднення, інші сперма-тозоони вже не можуть проникнути до яйцеклітини. Показником зміни обміну речовин є і те, що в деяких видів тварин дозрівання яйця закінчується тільки після проникнення у нього сперматозоона. У людини сперматозоони проникають в яйцеклітини, які перебувають ще на стадії дозрівання. Первинний полоцит виділяється за 10 годин, вторинний -тільки за добу після проникнення сперматозоона.
Кульмінаційним моментом у процесі запліднення є злиття ядер . Ядро сперматозоона (чоловічий пронуклеус) у цитоплазмі яйця набрякає і досягає розмірів ядра яйцеклітини (жіночого пронуклеуса). Одночасно чоловічий пронуклеус повертається на 180° і центросомою вперед рухається у бік жіночого пронуклеуса; останній також зміщується йому назустріч. Після зустрічі ядра зливаються. Внаслідок синкаріогамії відновлюється диплоїдний набір хромосом. Після утворення син-каріона яйце починає дробитися.
Вивчення фізіології запліднення дозволяє зрозуміти роль великої кількості сперматозоонів, які беруть участь у заплідненні. Встановлено, що коли при штучному осіменінні кролів у сім’яній рідині міститься менше 1000 сперматозоонів, запліднення не відбувається.
Не відбувається запліднення і при введенні дуже великої кількості сперматозоонів (більше 100 млн). Це пояснюється в першому випадку недостатньою кількістю, а у другому – надлишком ферментів, які необхідні для проникнення сперматозоонів у яйцеклітину.
Розроблено методики штучного осіменіння яйцеклітини людини поза організмом, і здебільшого це здійснюється за медичними показаннями. Напередодні овуляції хірургічним шляхом яйцеклітину виймають із яєчника. її поміщають у спеціально розроблене хімічне середовище зі сперматозоонами, де і відбувається злиття статевих клітин. Зародок на стадії 8-16 бластомерів імплантують у матку жінки де він і розвивається.
В яйцеклітину проникає зазвичай один сперма-тозоон (моноспермія). У комах, риб, птахів і деяких інших тварин у цитоплазму яйцеклітини їх може потрапити декілька (поліспермія). Роль поліспермії не зовсім зрозуміла, проте встановлено, що ядро лише одного із сперматозоонів (чоловічий пронуклеус) зливається з жіночим пронуклеусом. Отже, у передаванні спадкової інформації бере участь тільки цей сперматозоон. Ядра інших руйнуються.
Таким чином, біологічна суть запліднення полягає в наступному:
1) внаслідок об’єднання гаплоїдних наборів хромосом відновлюється диплоїдне число хромосом;
2) запліднення забезпечує безперервність матеріального зв’язку між поколіннями організмів;
3) у результаті поєднання спадкових особливостей двох організмів у нащадків утворюються нові ознаки, – з’являється матеріал для добору, підвищується мінливість потомства, зростає комбінативна мінливість;
4) вибірковість запліднення (запліднення тільки в межах виду) забезпечує збереження виду як цілого.
Порушення запліднення, його наслідки. Запліднення – одна з ланок біологічного існування виду. Цьому передує тривала і складна підготовка двох особин, під час якої вони зазнають різноманітної дії навколишнього середовища, що може негативно вплинути на процес запліднення.
Яйцеклітина і сперматозоїд мають обмежену тривалість життя і ще меншу тривалість здатності до запліднення. Так, у ссавців, і в людини зокрема, звільнена з яєчника яйцеклітина зберігає спроможність до запліднення впродовж 24 год. Порушення цього часового терміну неминуче призведе до втрати здатності до запліднення.
Сперматозоїди чоловіка в статевих шляхах жінки залишаються рухомими понад 4 доби, але запліднювальну здатність вони втрачають вже через 1— 2 доби. Із збільшенням тривалості в часі незахищені клітини зазнають негативного впливу різних чинників. Останні можуть викликати порушення висхідного стану генофонду гамет, що неминуче призведе до незапрограмованих відхилень розвитку зиготи з відповідними наслідками для виду в цілому.
Швидкість руху сперматозоїдів, за звичайних умов, складає 1,5-3 мм/хв. Різне відхилення від такого поступального переміщення викликає втрату здатності до запліднення. До цього призводить також зміна рН середовища піхви, запальні явища та ін.
В еякуляті чоловіка в середньому міститься 350 млн сперматозоїдів, здатних до запліднення. Якщо кількість сперматозоїдів менша ніж 150 млн (або менше 60 млн в 1 мл), то ймовірність запліднення різко знижується. Отже, надмірна концентрація сперматозоїдів в еякуляті має виняткове значення в механізмі запліднення.
Порушення запліднення виникає при патологічних змінах морфології сперматозоїдів. На біологічну повноцінність гамет істотно впливає термін перебування їх у статевих шляхах жінки. Так, перезрівання сперматозоїдів і яйцеклітин у жіночому статевому тракті за різних причин обумовлює зростання частоти хромосомних аберацій в абортованих плодах.
Здатність до репродукції можлива після статевого дозрівання. Ознакою настання статевого дозрівання в людини є перші полюції (довільне виділення сперматозоонів) у хлопчиків і перші менструації у дівчаток. Статева зрілість настає у осіб жіночої статі віком 16-18, чоловічої- 18-20 років. Здатність до репродукції зберігається у жінок до 40^45 років (у деяких випадках – довше), у чоловіків – до літнього віку, навіть упродовж усього життя.
Продукція гамет у представників обох статей різна: зрілий сім’яник безперервно продукує багато сперматозоонів; статевозрілий яєчник періодично (в середньому один раз кожні 28 днів) виділяє зрілу яйцеклітину, яка дозріває із тих овоцитів, що закладаються на ранніх етапах онтогенезу. Значення того, що овоцити закладаються ще до народження, полягає у тому, що потомство, яке з’являється під кінець репродуктивного періоду, розвивається з овоцитів, у яких за тривалий період життя жінки могли виникнути генетичні дефекти. Наслідком цього є те, що в жінок 35-40 років відносно частіше народжуються діти з природженими вадами. Необхідно зазначити, що загрозою є не вік матері, а мутагенні фактори, які впливають на розвиток плоду.
У людини, як і в інших організмів, для яких характерне внутрішнє запліднення, чоловічі статеві клітини при статевому акті (коїтусі) вводяться у статеві органи жінки. Під час викидання сім’яної рідини (еякуляція) у чоловіка виділяється близько 350 млн сперматозоонів, але тільки один із них запліднює яйцеклітину. Зустріч жіночих і чоловічих гамет відбувається у верхніх відділах труб матки. Потреба у величезній кількості сперматозоонів пояснюється випадковим, неспрямова-ним їх рухом, малою тривалістю життя, масовою загибеллю при пересуванні по жіночих статевих шляхах. Внаслідок цього верхніх відділів труб матки досягає лише близько 100 сперматозоонів. Пересування їх здійснюється завдяки власній рухливості, а також внаслідок скорочення м’язів стінок статевого тракту і спрямованого руху війок слизової оболонки труб матки. Сперматозоони у жіночих статевих шляхах зберігають здатність до запліднення впродовж 1-2 діб, яйцеклітини – впродовж доби після овуляції.
Запліднення здійснюється зазвичай впродовж перших 12 год після овуляції. У процесі проникання сперматозоона крізь бар’єр фолікулярних клітин, які оточують яйцеклітину, велике значення має акро-сомальна реакція. Відразу після проникнення сперматозоона в яйцеклітину утворюється оболонка запліднення, яка перешкоджає проникненню інших спер-матозоонів. Зигота опускається по трубах матки і на восьму-десяту добу зародок імплантується у стінку матки. Якщо запліднення не відбулося, яйцеклітина видаляється з організму.
Дроблення – це ряд послідовних мітотичних поділів зиготи або партеногенетичної яйцеклітини, за якого утворені клітини (бластомери) в інтерфазі не ростуть, і тому їх розміри зменшуються після кожного поділу; на характер дробіння впливають кількість та характер розташування поживних речовин (жовтка) в яйцеклітині. Процес дробіння завершується утворенням бластули, яка є наступною стадією ембріогенезу; вона має вигляд порожнистого утвору різної форми, стінки якого складаються з одного шару бластомерів.
Після утворення бластули починається процес гаструляції – утворення гаструли – процес формування двошарового зародка. Утворення гаструли можливе чотирма основними способами (інвагінація, деламінація, епіболія, іміграція), з яких найпоширенішими є вгинання – інвагінація. Під час інвагінації частина бластодерми вгинається всередину бластули (наприклад, у ланцетника), при цьому утворюється двошаровий зародок – гаструла, шари клітин якої (зовнішній – ектодерма та внутрішній – ентодерма) дістали назву зародкових листків, що вперше встановив естонський учений Карл Бер. У більшості багатоклітинних тварин після гаструляції настає етап формування третього (середнього) зародкового листка – мезодерми, – розташованого між зовнішнім та внутрішнім.
Диференціювання клітин, зародкових листків, тканин
Диференціювання – це процес, внаслідок якого клітина стає більш спеціалізованою, тобто набуває морфологічних і функціональних особливостей. Це зміни, які відбуваються у клітині впродовж одного, нерідко термінального, клітинного циклу. Прикладом може бути диференціювання клітин епідермісу шкіри людини, при якому у клітинах, що переміщуються з базального шару до вищих шарів, відбувається ні-копичення кератогіаліну, який перетворюєтьс і у клітинах блискучого шару в елеїдин, а потім у роговому шарі – в кератин. При цьому змінюється форма клітин, будова клітинних мембран і набір орга-нел. Насправді диференціюється не одна клітина, а група подібних клітин. Прикладів можна навести багато, оскільки в організмі людини налічується близько 100 видів різних типів клітин. Фібробласти синтезують колаген, міобласти – міозин, клітини епітелію травного тракту – пепсин і трипсин.
У більш широкому розумінні під диференціюванням розуміють поступове наростання відмінностей і спеціалізації між клітинами, які походять від однорідних клітин. Перші хімічні та морфогенетичні відмінності між клітинами відбуваються в період гаструляції.
Зародкові листки та їхні похідні є прикладом раннього диференціювання, яке призводить до обмеження потенцій клітин зародка.
Можна виділити цілий ряд ознак, які характеризують ступінь диференціації клітин. Так, для недиферен-ційованого стану характерні відносно велике ядро і високе ядерно-цитоплазматичне співвідношення, диспергований хроматин і добре виражене ядерце, численні рибосоми та інтенсивний синтез РНК, висока мітотична активність і неспецифічний метаболізм.
Всі ці ознаки змінюються в процесі диференціювання, характеризуючи клітинну спеціалізацію. Процес, внаслідок якого окремі тканини в ході диференціювання набувають характерного для них вигляду, називають гістогенезом.
Диференціювання клітин під час онтогенезу є результатом послідовних реципрокних (взаємних) впливів цитоплазми і змінених продуктів активності ядерних генів. Таким чином, диференціальна експресія генів є основним механізмом цитодиференціювання.
У ряді випадків остаточне диференціювання пов’язане з “добудовою” молекул ферментів або гормонів. Це вже посттрансляційні події. Наприклад, фермент тирозиназа з’являється у зародків амфібій ще в ранньому ембріогенезі, але переходить в активну форму лише після їх вилуплення.
Іншим прикладом є диференціювання клітин, при якому вони набувають здатності реагувати на хімічні речовини не відразу після синтезу відповідного рецептора, а лише в певний момент. Показано, що м’язові волокна у своїй мембрані мають рецептори до медіаторної речовини ацетилхоліну. Цікаво, що ці хо-лінрецептори виявляли всередині цитоплазми клітин-міобластів до утворення ними м’язових волокон, а чутливість до ацетилхоліну виникала лише з моменту вбудовування рецепторів у плазматичну мембрану під час утворення м’язових трубочок і м’язових волокон. Цей приклад показує, що експресія генів і тканинне диференціювання можуть регулюватися після трансляції у процесі міжклітинних взаємодій.
Таким чином, диференціювання клітин не зводиться лише до синтезу специфічних білків, тому стосовно багатоклітинного організму ця проблема пов’язана з просторово-часовими аспектами і більш високими рівнями її регуляції, ніж біосинтез білка на клітинному рівні.
Процеси утворення тканин та органів розпочинаються з формування нервової пластинки на спинному боці зародка. Згодом боки нервової пластинки підіймаються й утворюють нервові валики, а між ними виникає поздовжній “рівчачок” (майбутня порожнина нервової системи). Валики з’єднуються на спинному боці і нервова пластинка перетворюється на нервову трубку, яка відокремлюється від іншої частини ектодерми. Ектодерма зростається над нервовою трубкою і згодом дає початок покривному епітелію. Розширений передній кінець нервової трубки поділяється на п’ять первинних мозкових міхурів, які відповідають певним відділам головного мозку.Наприкінці нейруляції зародок набуває плану будови дорослого організму: під нервовою трубкою міститься хорда, нижче – кишечник тощо. З ектодерми, крім нервової тканини, виникають елементи органів чуття, зовнішній шар покривів (епідерміс шкіри) та шкірні залози, передня та задня кишки, зовнішні зябра земноводних тощо.
Ентодерма дає початок епітелію, що вистеляє порожнину середньої кишки, та її похідним – травним залозам (печінка, підшлункова залоза), хорді, плавальному міхуру, внутрішнім зябрам, легеням, секретуючим відділам передньої та середньої часток гіпофіза та щитоподібної залози.
З мезодерми формуються зачатки скелета, мускулатури, кровоносної системи, статевих та видільних органів, сполучнотканинні шари шкіри, плевра, брижі черевної порожнини тіла, перикард тощо.
Тератогенез, тератогенні фактори середовища
Тератогени (від грец. τέρατος – виродок, чудовисько, потвора) – хімічні, фізичні та біологічні чинники (напр.: іонізуюче випромінення, деякі лікарські препарати, отрути, віруси) здатні порушувати процеси ембріогенезу, що призводить до виникнення аномалій розвитку. Механізм виникнення вад розвитку називається тератогенезом.
До речовин, які мають тератогенну дію, відносять алкоголь, нікотин, наркотики, стрептоміцин, тетрациклін, талідомід, антагоністи фолієвої кислоти. Тератогенний ефект можуть викликати збудники інфекційних захворювань (простий герпес, вірусний гепатит, грип, краснуха, вітрянка, токсоплазмоз, віруси Коксакі, цитомегаловірус та ін.).
У виникненні виродливостей має значення як дія (природа) тератогенного чинника, так і видові, індивідуальні, вікові й інші особливості кожного організму, на який подіяв тератогенний фактор. Одну й ту ж ваду можна викликати дією різних чинників і, навпаки, різні вади розвитку виникають за дії одного і того ж чинника.
На різних стадіях розвитку зародок має неоднакову чутливість до пошкоджувальних факторів середовища. Періоди найбільшої чутливості до тих або інших чинників отримали назву “критичні періоди розвитку”. Так, у людини такими періодами є прогенез (гаметогенез), запліднення, імплантація (кінець 1-го і початок 2-го тижня внутрішньоутробного розвитку), плацентація (у людини 3–6-й тиждень вагітності), гісто- і органогенез (3-4-й місяць ембріогенезу), пологи.
До механічних чинників відносять тиск, струси, механічну травму та ін.
Серед фізичних чинників найбільше значення мають різні види радіації, особливо проникаючої, гіпо- і гіпертермія. Іонізуюче випромінення (один з найважчих за ефектом тератогенів) у різних дозах викликає різного ступеня порушення розвитку і різні форми виродливостей. Іонізуюче випромінення навіть у малих дозах, не викликаючи патологічних зрушень в організмі, спричинює мутагенний ефект на статеві клітини. До виродливості призводить дія високої температури.
Значною різноманітністю характеризуються хімічні тератогени. Це можуть бути випадкові побутові отруєння й алкоголізм; хронічні виробничі отруєння, лікарські речовини.
До біологічних тератогенів належать бактеріальні токсини, віруси, чинники імунологічної несумісності. Наприклад, вірус краснухи, грипу, дифтерійний токсин. Особливу турботу викликають тепер вживання алкоголю, куріння, зловживання ліками або наркотиками, які негативно впливають на внутрішньоутробний або постнатальний розвиток.
Алкоголь – найчастіший тератоген, а зловживання алкоголем під час вагітності – часта причина хімічного індукованого тератогенезу. Він безпосередня причина кожної 10-ї ембріональної патології. Із 10 розумово неповноцінних дітей п’ятеро народжується від батьків-алкоголіків. Надзвичайно широкий спектр аномалій виявляється в дітей, народжених матерями, які зловживали алкоголем: вади розвитку серця, нирок, статевих органів, шкіри, скелета і суглобів, аненцефалії, гідроцефалії, мікроцефалії, щелепно-лицьової аномалії.
Природжені вади розвитку. ЇХ класифікація.
Природженими вадами розвитку називають такі структурні порушення, що виникають до народження (у пренатальному онтогенезі), виявляються відразу або через певний час після народження і викликають порушення функції органа. Останнє відрізняє природжені вади розвитку органів від аномалій, при яких порушення функції звичайно не спостерігається. Оскільки природжені вади розвитку є причиною приблизно 20 % смертей у неонатально-му періоді, а також займають значне місце у практиці акушерства і гінекології, медичної генетики, дитячої хірургії й ортопедії, патологічної анатомії, то знання питань профілактики, етіології, патогенезу, лікування і прогнозу природжених вад розвитку мають велике значення.
Розрізняють декілька критеріїв, за якими класифікують природжені вади розвитку: 1) причина їх виникнення; 2) стадія, на якій виявляється вплив; 3) послідовність їх формування в організмі; 4) поширеність і локалізація.
В основі класифікації природжених вад, прийнятої Всесвітньою організацією охорони здоров’я (ВООЗ), лежить анатомо-фізіологічний принцип (за місцем локалізації). Залежно від причини виникнення всі природжені вади розвитку поділяють на спадкові, екзогенні (середовищні) і мульпгифакторіальні.
До спадкових відносять вади, викликані зміною генів або хромосом у гаметах батьків, внаслідок чого зигота з моменту виникнення несе відповідну мутацію.
Екзогенними називають вади, що виникли під впливом тератогенних чинників, тобто компонентів довкілля різної природи і походження, які діючи під час ембріогенезу, порушують розвиток тканин і органів (різні види випромінювань, промислові отрути, пестициди, лікарські препарати, віруси, алкоголь, тютюновий дим та ін.)
Мультифакторіальними називають вади, які виникають в організмі під впливом як генетичних, так і екзогенних чинників. Це можна зрозуміти, виходячи з того, що чинники навколишнього середовища порушують спадковий апарат у клітинах організму, що розвивається.
Всі порушення, що відбуваються в пренатальному онтогенезі, залежно від стадії, на якій виявляються генетичні або екзогенні впливи, поділяють на гаметопатію, бластопатію, ембріопатію і фетопатію. Якщо досить суттєві порушення розвитку виникають на стадії зиготи (гаметопатія) або бластули (бластопатія), то подальший розвиток не відбувається і зародок гине. Найбільше клінічне значення мають ембріопатія і фетопатія.
Ембріопатія – порушення, що виникли в період від 15 діб до 8 тижнів ембріонального розвитку.
Порушення, які з’являються після 10 тижнів ембріонального розвитку, називають фетопатією. Вона характеризується патологічними станами, які, як правило, супроводжуються відхиленнями загального типу: зниженням маси, різноманітними функціональними порушеннями, затримкою інтелектуального розвитку тощо, а суттєві морфологічні порушення відсутні.
Залежно від послідовності виникнення природжені вади поділяють на первинні і вторинні. Якщо первинні вади зумовлені безпосередньою дією тератогенного чинника, то вторинні – ускладненням первинних, патогенетично з ними пов’язані.
Алкогольний синдром плода. Діти з алкогольним синдромом плода народжуються в 30-45 % випадків вживання алкоголю матерями. Характерні риси обличчя: 1 – малий окіп голови; 2 – низька носова перегородка; 3 – складки очей; 4 – короткий ніс; 5 зменшена середня частина обличчя; б – тонка нижня губа.
У свою чергу, первинні вади розвитку за поширеністю в організмі також поділяють на окремі групи. Якщо певна вада пов’язана лише з одним органом, то вона є ізольованою, або поодинокою; системні вади охоплюють одну систему органів; множинні наявні в органах двох і більше систем.
За філогенетичною значимістю усі природжені вади розвитку можна розділити на філогенетично зумовлені і не пов’язані з попереднім філогенезом, тобто нефілогенетичні.
Філогенетично зумовленими називають такі вади, що за своїм виглядом нагадують певні органи тварин з типу Хордові і підтипу Хребетні. Якщо вони нагадують відповідні органи предкових груп або їхніх зародків, то такі вади називають анцестральними (предковими), або атавістичними (незрощення дужок хребців і твердого піднебіння, шийні і поперекові ребра, персистування вісцеральних дуг тощо). Якщо вади нагадують органи споріднених сучасних або давніх, але бічних гілок тварин, то їх називають алогенни-ми. Розглядаючи філогенетично зумовлені вади, можна виявити генетичний зв’язок людини з іншими хребетними, а також зрозуміти механізми виникнення вад впродовж ембріонального розвитку.
Нефілогенетичними є такі природжені вади, що не мають аналогів у нормальних предкових або сучасних хребетних тварин. До таких вад можна віднести, наприклад, двійникові каліцтва й ембріональні пухлини, що з’являються внаслідок порушення ембріогенезу, не відображають філогенетичних закономірностей.
Встановлення причини природжених вад має велике прогностичне значення для носія цих вад і профілактичне – щодо наступного потомства. У даний час медичні генетики та інші фахівці істотно просунулися в галузі так званого синдромологічно-го аналізу. Синдромологічний аналіз – це узагальнений аналіз фенотипу хворих з метою виявлення стійких сполучень ознак. Оволодіння цим методом допомагає у встановленні причини виникнення вад і основних патогенетичних механізмів.
Фактори середовища, що викликають порушення розвитку.
Чинники, які викликають зміни розвитку (аномалії, від грец. тєратод – потвора, чудовисько), називаються тератогенами. Наука про природжені аномалії називається тератологією. Природжені аномалії або уроджені вади розвитку – це тератоми.
Тератогени діють упродовж певних критичних періодів. Для будь-якого органа найбільш критичним періодом є час його росту й утворення специфічних структур. Різні органи мають різні критичні періоди. Серце формується між 3-м і 4-м тижнями. Головний мозок і скелет чутливі до шкідливих впливів постійно, починаючи з 3-го тижня після запліднення до кінця вагітності.
Існує дуже багато тератогенів. Іонізуюча радіація, лікарські препарати призводять до розриву хромосом і зміни структури ДНК.
До тератогенів можна віднести деякі віруси. У жінок, які перенесли краснуху в першій третині вагітності, у кожному з шести випадків народжувалися діти з катарактою, серцевими вадами і глухотою. Чим раніше вірус краснухи уражає вагітну жінку, тим більший ризик, що постраждає зародок.
Тератогенну дію мають найпростіші з класу споровиків – токсоплазма.
Якщо мати хвора на токсоплазмоз, то через плаценту токсоплазми можуть потрапити у зародок і викликати ураження мозку й очей. Багато ліків здатні викликати вади розвитку. Наприклад, хінін може спричинити глухоту. Дуже слабкий транквілізатор талідомід широко використовувався у 60-х роках XX ст. Він здатен викликати вади, при яких довгі кістки кінцівок або відсутні, або різко деформовані, в результаті чого утворюються кінцівки, які нагадують плавці тюленя. У жінок, які приймали талідомід, народилося понад 7000 дітей із вадами.
Викликати вади розвитку може патологічний стан здоров’я матері. Однією з причин уроджених вад можна вважати гіпоксію. Гіпоксія в період органогенезу гальмує плацентацію, розвиток зародка, і в ряді випадків, призводить до появи природжених вад та загибелі плоду.
Неповноцінне харчування матері, дефіцит мікроелементів, наприклад, цинку, призводить до розвитку вад центральної нервової системи, гідроцефалії, мікро- та анофтальмії, викривлення хребта, вад серця тощо.
Ендокринні захворювання у вагітних часто спричиняють мимовільний аборт чи порушення морфологічної і функціональної диференціації органів плода, які визначають високу ранню дитячу смертність. Тератогенний ефект доведено для цукрового діабету. Діабетична ембріопатія проявляється комплексом уроджених вад, з яких 37 % – вади кістково-м’язової системи, 24 % – вади серця і судин, 14 % -вади центральної нервової системи. Вади розвитку дітей при цукровому діабеті матері спостерігаються у 6 % випадків.
Нейрогуморальна регуляція процесів росту і розвитку
Швидкість росту різних органів і тканин неоднакова, що призводить до певних диспропорцій тіла людини в ембріогенезі і після народження.
Регуляція росту складна. Важливе значення мають генетична конструкція і фактори зовнішнього середовища. Майже в кожного виду є генетичні лінії, які характеризують граничні розміри особин. Реалізація ж генетичної інформації значною мірою залежить від дії гормонів. Найбільш важливим гормоном є соматотропін, який виробляється гіпофізом з моменту народження до підліткового віку. Гормон щитоподібної залози – тироксин – також відіграє важливу роль впродовж усього періоду росту.
Швидкість росту організму в постнатальному онтогенезі поступово знижується до чотирирічного віку, потім деякий час залишається сталою, а в певному віці дає “стрибок”, який називається пубертатним стрибком росту. Це пов’язано з періодом статевого дозрівання.
На ріст і розвиток людини впливають і деякі патологічні стани. Наприклад, при значних порушеннях генетичного матеріалу у випадку численних аномалій статевих хромосом (ХО, XXY, XXX, XYY). Зокрема, при синдромі Шерешевського – Тернера різко пригнічується соматичне та статеве дозрівання, при синдромі XYY чоловіки мають високий зріст, добре розвинену мускулатуру.
На процеси розвитку значний вплив мають відхилення у функціонуванні ендокринних залоз як центрального, так і периферичного походження. Класичними прикладами таких порушень є карликовість (нанізм) гіпофізарного або гіпоталамічного походження, гігантизм, гіпотиреоз.