Механізми раннього ембріонального розвитку 
Механізми раннього ембріонального розвитку
ІНСТИТУТ БІОЛОГІЇ
ТВАРИН НААН
Федорова Світлана
Володимирівна
МЕХАНІЗМИ РАННЬОГО
ЕМБРІОНАЛЬНОГО РОЗВИТКУ
Реферат до здачі
кандидатського іспиту
по спеціальності
03.00.23 – біотехнологія
Науковий керівник
Доктор сільськогосподарських наук
Мадіч А.В.
Львів-2007
Зміст
Вступ
1. Будова і рівні регуляції репродуктивної системи
ссавців
2. Ранній ембріональний розвиток ссавців
2.1 Доімплантаційний розвиток
2.2 Імплантація
2.3 Роль стероїдних гормонів в імплантаційних
процесах.
3. Фізіологічні та молекулярні механізми імплантації
3.1 Модель імплантації у ссавців
3.2 Функціональні зміни у тканинах матки при
імплантації
3.3 Процеси
адгезії
3.4 Апоптоз на
ранніх стадіях ембріонального розвитку
3.5 Роль трофобласта у процесах інвазії
4. Роль білкових ростових факторів у становленні вагітності.
4.1 Ростові фактори – регулятори ембріонального
розвитку
4.2 Механізми дії ростових факторів
4.3 Взаємодія рецепторів факторів росту з лігандами
4.4 Фактори росту на різних стадіях ембріонального розвитку
4.5Ростові
фактори під час децидуалізації
4.6 Ростові фактори під час імплантації
5. Список літератури
Вступ
Керівники
тваринницьких господарств звичайно зацікавлені у підвищенні продуктивності
сільськогосподарських тварин. Їх кінцевою метою є підвищення якості та
кількості продукції без зростання видатків на утримання поголів’я.
Біотехнологічні методи дозволяють поліпшити продуктивність худоби за допомогою
різних варіантів селекційного розведення.
Велика рогата
худоба відноситься до одноплідних видів – тому від однієї корови за звичайних умов
можна отримати у ліпшому випадку одне теля на рік, в той час як у її яєчнику
містяться сотні тисяч статевих клітин (ооцитів), які являють собою необмежений
генетичний резерв. Кардинальне вирішення проблеми прискореного відтворення
худоби полягає в тому, щоб перейти до нетрадиційних способів збільшення плідності.
Для цього застосовується ціла низка біотехнологічних методів, які розроблені на
основі поглиблених досліджень репродуктивної функції, її регуляції, а також на
вдосконаленні прийомів маніпуляцій з ембріонами, статевими та соматичними
клітинами. В перспективі біотехнологія розглядається як основа прискореного
відтворення високопродуктивних тварин та цілих популяцій.
За останній час набула практичного
застосування трансплантація ембріонів, яка розглядається як ефективний метод
біотехнології прискореного відтворення високоцінних племінних тварин.
Однією з най
поширених проблем, які перешкоджають стопроцентному виходу телят після
трансплантації – це переривання вагітності на різних критичних стадіях розвитку
ембріона. Звичайно виділяють три критичних періоди розвитку ембріона – це
стадія дроблення зиготи, стадія імплантації ембріона в порожнину матки і стадія
плацентації. На стадії дроблення зиготи проблема порушень корегується, як
правило в умовах дозрівання ембріонів in vitro
шляхом використання поживних середовищ, які містять специфічних
біологічно-активні речовини, серед яких гормони, специфічні білки, енергетичні
субстанції, мікро- і макроелементи. Друга стадія – імплантація не вивчена
досконало і являє певні труднощі для дослідження в умовах in vitro. За умов in vivo, під час підготовки репродуктивних
органів самки до прийняття зиготи в дію вступають складні регуляторні системи,
що пов’язані з білковими ростовими факторами. Це низькомолекулярні сполуки, які
специфічно впливають на проліферацію клітин. В результаті взаємодії ростових
факторів з клітинними рецепторами активується комплекс клітинних реакцій Тому
дослідження участі різних специфічних для ранніх стадіях вагітності білків до
сих пір є актуальним і потребує подальшого вивчення.
1.Будова і рівні
регуляції репродуктивної системи ссавців
Репродуктивна система, подібно до інших систем організму, є
функціональною системою – тобто містить периферичну та центральну ланку і
працює на принципах прямого і зворотнього зв’язків. На відміну від інших
систем, репродуктивна система функціонує нерівномірно у період повного
існування організму – оптимальна функціональна активність настає після періоду
статевого дозрівання і знижується до кінця життя. Це називається періодом
фертильності. Організована репродуктивна система по принципу ієрархії – в ній
розрізняють 5 рівнів, кожен з яких регулюється вищими системами. [20]
Перший рівень –
це тканини-мішені (статеві органи, матка, молочні залози). Вони є локусами безпосередньої
дії гормонів. В тканинах цих органів містяться рецептори до статевих гормонів
(цитозольні рецептори) – таких, як естрадіол, прогестерон, тестостерон. Вільні
молекули стероїдних гормонів захоплюються специфічним рецептором білкової
природи і утворюють гормон-рецепторний комплекс, який транспортується до
клітинного ядра, де взаємодіє безпосередньо з нуклеїновими кислотами.
Крім гормонів, до
першого рівня відносяться також внутрішньоклітинні медіатори, які регулюють всі
обмінні процеси і простагландини, які відіграють велику роль у протіканні
вагітності [23].
Другий рівень – яєчники, в яких відбувається синтез стероїдів і розвиток
фолікулів. Яєчник – це парний орган, є основним органом репродуктивної системи.
Саме в ньому йде дозрівання фолікулів. В першій фазі циклу – фолікулярній фазі,
або фазі проліферації зростає концентрація фолікулінів, а в матці відбувається активна
проліферація епітелію. В середині циклу відбувається овуляція - розрив стінки
яєчника і вихід яйцеклітини, після чого вона потрапляє у яйцепровід.
Яйцеклітина може бути запліднена при злитті із сперматозоїдом або може
розсмоктатись у черевній порожнині, а замість фолікула розвивається жовте тіло,
яке синтезує та секретує другу половину циклу прогестерон і розсмоктується до
початку нового циклу. При настанні вагітності воно називається жовтим тілом
вагітності. Прогестерон утримує матку в стані нормотонусу. [11]
Кожен цикл слизова матки готується до імплантації – ендометрій активно
проліферує, стає рихлим, з великою кількістю секреторних залоз. Запліднення
відбувається в ділянці ампулярних відділів рогів матки, запліднена яйцеклітина
– зигота починає рухатись по рогу матки у її порожнину. Під час руху вона
дробиться і на стадії бластули відбувається імплантація. [9]
У фолікулярну фази
яєчники активно синтезують естроген, пік цього настає у лютеїнову фазу, після
овуляції збільшується синтез прогестерону і зменшується відповідно рівень
естрогену. 80% стероїдних гормонів знаходяться у зв’язаному стані і
транспортуються стероїдзв’язуючими білками або по неспецифічній системі
(альбумінами і еритроцитами).
Також в яєчниках
синтезуються простогландини, інгібіни – білкові речовини, які гальмують
виділення фолікулостимулюючого гормону (ФСГ) та речовини місцевої дії –
окситоцин, релаксин – які сприяють зворотньому розвитку жовтого тіла.
Третій рівень –
це гіпофіз. Його клітини секретують гонадотропні гормони:
·
ФСГ –
сприяє розвитку фолікула
·
лютеїнізуючий
гормон – сприяє розвитку жовтого тіла
·
лютеотропний
гормон також сприяє розвитку жовтого тіла
ЛГ и ЛТГ сприяють
овуляції: якщо овуляція не настала, то вони спричиняють такий розвиток
яйцеклітини, що вона може бути запліднена.
·
пролактин
– сприяє атрезії фолікула і регулює лактацію
Четвертий рівень
– гіпоталамус, який виробляє так звані рілізінг-фактори (соматоліберин,
адренокортикотропний рілізінг-фактор, тиреоліберин, ФСГ рілізінг-фактор,
люліберин). Завдяки портальному кровообігу між гіпоталамусом і гіпофізом
забезпечується генетично запрограмований ритм їх секреції і обміну.
П’ятий рівень –
церебральні структури, які сприймають імпульси із зовнішнього середовища і
передають їх через нейротрансмітери.
2. Ембріональний розвиток ссавців
2.1 Доімплантаційний розвиток
У ссавців живлення за рахунок яйцеклітин
відбувається тільки на ранніх стадіях, а далі, навіть до народження, воно здійснюється
виключно за рахунок організму матері. Яйцеклітини вкриті двома оболонками –
первинною і вторинною. Первинна – це плазмолемма клітини, вторинна утворюється
фоллікулярними клітинами, з яких побудовані стінки фоллікула і які оточують
яйцеклітину після її виходу з яєчника [2].
Дроблення у різних тварин відбувається
по-різному. Процес дроблення великої рогатої худоби триває 8 днів, з яких 4 дні
– в яйцепроводі і 4 дні в матці. У щурів доімплантаційний період складає 6
днів. Повне дроблення ссавців відбувається несинхронне - в результаті
утворюються бластомери різної величини і зародок відповідно складається з 3,5,7
і т.д. бластомерів. Останні звичайно лежать у вигляді купки клітин (ця стадія
носить назву морули). Вже у процесі дроблення відбувається відокремлення
зародкових частин від незародкових – бластомери утворюються двох типів: дрібні
світлі і більш грубі темні. [1]
Дрібні і світлі бластомери розташовуються
ззовні і утворюють трофобласт, поступово обростаючи більш грубими темними
бластомерами. Трофобласт в подальшому не приймає участі у побудові тіла зародка,
але відіграє велику роль при імплантації та подальшому живленні ембріона.
Грубі і темні клітини утворюють ембріобласт,
за рахунок якого формується тіло зародка, а пізніше виникають всі
зовнішньозародкові органи.
Дроблячись, зародок пересувається по
яйцепроводу у напрямку матки і поглинає секрет маткових залоз, який
накопичується між трофо- і ембріобластом. Клітини трофобласту поглинають рідину
і формують порожнину, розміри якої швидко збільшуються - утворюється
трофобластичний пухирець. Він складається із зовнішнього шару клітин –
трофобласту і внутрішнього скупчення клітин - ембріобласту, які, прилягаючи до
трофобласту формують зародковий вузлик та порожнину бластули, яка заповнена
рідиною. Ця стадія носить назву бластоцисти. [4]
У корів такий пухирець розвивається впродовж
7-11 дів і має форму кульки. На 12-ту добу діаметр пухирця у корів становить 1 мм, а на 13-ту він видовжується і становиться веретеноподібним.
Розвиток бластули відбувається під прикриттям
яскравої оболонки колишньої яйцеклітини і третинними оболонками. Після
вилуплення (розрив яскравої оболонки і вихід бластули) бластула імплантується в
слизову оболонку матки. Клітини трофобласту синтезують специфічні ферменти, які
руйнують тканину матки і зародковий пухирець, занурюючись в них, контактує з
організмом матері. У корови це відбувається на 13-15-й день, у щурів на 7-й
день після заліднення [17].
2.2 Загальна схема імплантації
Імплантація ембріона у порожнину матки – складний,
багатоступінчастий процес, регуляція якого здійснюється за участі великої
кількості гуморальних факторів і різноманітних міжмолекулярних та міжклітинних
взаємодій.
Як було зазначено вище, запліднена яйцеклітина
потрапляє у порожнину матки на стадії морули. Там вона розвивається у
бластоцисту. Материнській організм сприйнятливий до бластоцисти, що
імплантується тільки у межах строго визначеного по часу “вікна імплантації”.
Поява у ендометрії трансмембранного глікопротеїну MUC-1 обмежує часові рамки “вікна
імплантації” [27].
Під час фаз опозиції (протистояння ембріона і матки) та прикріплення на
зовнішній мембрані бластоцисти утворюються багаточисельні мікровип’ячування –
піноподи, в результаті чого вона входить у тісний контакт з матковим епітелієм,
що означає перехід в стадію адгезії. Від’ємний електричний заряд на поверхні
епітеліальних клітин сприяє зближенню бластоцисти з поверхнею ендометрію [25].
2.3 Роль стероїдних гормонів в імплантаційних процесах
Основними регуляторами морфологічних змін
функціонального шару ендометрію протягом статевого циклу та у доімплантаційний
період є стероїди, що синтезуються яєчниками. Тільки підготовлений циклічним
впливом стероїдних гормонів ендометрій буде готовим до сприйняття бластоцисти
та її гуморальних сигналів [13].
Встановлено, що ембріони самі можуть впливати на функції материнського
організму протягом періоду імплантації. До імплантації розвиток ембріона
залежить від секретів яйцепроводів і матки, від особливостей будови і функцій
статевих органів самок, в яких розвивається бластоциста. Доказом цього є те, що
культивування ембріонів корів до стадії бластоцисти можливо лише у поживному
середовищі, максимально наближеним за хімічним складом до середовища
яйцепроводів [22].
Відомо, що
материнські стероїдні гормони регулюють синтез гормонів статевого тракту і
таким чином можуть впливати на розвиток ембріона. Ембріональний розвиток після
стадії одношарової бластоцисти відбувається нерівномірно до тих пір, поки
ембріон не звільняється від зони пеллюцида – це відбувається під дією
протеолітичних ферментів, які утворюються в ендометрії. Ці ферменти
контролюються стероїдами яєчників, а їх активність стимулюється самою
бластоцистою та починається на початкових етапах імплантації
Для всіх видів ссавців під час статевого циклу характерні дві
слідуючі закономірності:
·
зростаюча
секреція естрогенів у фазі селекції і розвитку фолікулів, яка у хронологічному
відношенні тільки неопосередкованно впливає на імплантацію;
·
синтез
великих кількостей прогестинів у секреторну фазу циклу, що співпадає по часу з
імплантацією.
Рахується, що на відміну від прогестерону, естрогени впливають на імплантацію
опосередковано. Естрадіол виступає у ролі пермісивного агента, тоді як прямий
вплив характерний для локальних факторів, яких він регулює – цитокінів, молекул
адгезії і факторів росту [23]. Більше того, вирішальну роль в імплантації
відіграє не абсолютний вміст стероїдних гормонів, які діють на тканини-мішені
органів репродуктивної системи, а морфологічна структура ендометрію, а саме
ступінь рецептивності останнього, тобто кількість функціонально повноцінних рецепторів
до відповідних стероїдних гормонів. [5]
Естрогени,
одночасно із стимуляцією проліферації клітин маткового епітелію, активують
розвиток секреторного апарату клітин ендометрію і синтез рецепторів до
естрогенів та прогестерону, за допомогою яких і здійснюється різноманітний
вплив гормонів на клітини. Вся родина стероїдних рецепторів являє собою клас
білків, що функціонують на ядерному рівні і по суті, регулюють транскрипційні
процеси. У відсутність лігандів стероїдні рецептори знаходяться у комплексі з
білками теплового шоку. При зв’язуванні з стероїдом відбувається дисоціація
цього комплексу і димеризація рецептора. Димер володіє здатністю зв’язуватись з
відповідними, строго специфічними для стероїдів послідовностями ядерної ДНК, що
забезпечує селективність у відношенні кожного з них і впливає на транскрипцію
генів-мішеней. Всі стероїдні рецептори можуть конкурувати за одні і ті ж
загальні транскрипційні факторі.
Більша частина
гормон-рецепторних комплексів у ядрі дисоціюється і інактивується. В цитоплазму
повертаються вільний стероїд та інактивований під дією ядерних фосфатаз
рецептор. Гормон ніяких змін не зазнає.
Головним фізіологічним регулятором експресії
ядерних рецепторів всередині клітин-мішеней є рівень циркулюючих вільних
гормонів. Естрадіол підсилює синтез власних рецепторів, рецепторів до прогестерону
і рецепторів андрогенів. Прогестерон, навпаки, пригнічує синтез як власних
рецепторів, так і рецепторів естрадіолу [5], [14].
.
3. Фізіологічні
та молекулярні механізми імплантаційних процесів
3.1 Модель
імплантації у ссавців
Багаточисельні дослідження на модельних тваринах, головним чином на
мишах, виявили велику кількість молекул, які приймають участь у процесах
імплантації. Генетичні дослідження за допомогою targeting-методики допомогли ідентифікувати багато факторів росту та їх
рецепторів, включаючи епідермальний фактор росту (ЕФР), трансформуючі фактори
росту (ТФР) та інтерлейкіни, які приймають участь у процесах імплантації
ембріонів. Крім того, in vitro дослідження показали, що гепарин-зв’язаний
епідермальний фактор росту стимулює адгезію бластоцистів миші, а фібронектин та
його рецептори задіяні у процесах утворення відростків трофобласту при адгезії
бластоцист. [9]
In vitro дослідження імплантації у людини виявили
наступні стадії:
1.
Людська
вилуплена бластоциста прикріплюється, а потім проростає у моношар
внутрішньоматкової строми;
2.
Трофобласт
розпластовуєтьсяя по всій поверхні моношару стромальних клітин та з двох
полюсів проростає в ці клітини;
Спільне культивування бластоцист та культури стромальних клітин значно
стимулює синтез бластоцистами hCG.
[7]
Таким чином, імплантація у всіх ссавців може бути описана як
трьохстадійний процес: спочатку бластоциста активує відповідні ферментативні
перетворення в ендометрію матки, які будуть сприяти процесам імплантації – це
досягається двостороннім паракринним “діалогом” між матковою оболонкою і
бластоцистою. Далі трофоектодерма приєднюється до люмінального епітелію
оболонки матки шляхом взаємодії сигнальних молекул та їх рецепторів, і таким
чином проростає через шар епітеліоцитів до базальної мембрани. І
остання, третя стадія полягає у проростанні трофоектодерми в основну строму
матки. Всі епітеліальні клітини синтезують інтегрини 3, 1 і 4,
лептин та глікопротеїд MUC-1 –
епітеліальне похідне глікокаліксу. Вважається, що саме його нестача на поверхні
місця прикріплення бластоцисти і сповільнює імплантаційні процеси [20].
3.2
Функціональні зміни у тканинах матки при імплантації
Маточний ендометрій протягом доімплантаційного періоду багаторазово
змінюється. Всі його компоненти - залозистий епітелій, покривний епітелій, стромальні
клітини та міжклітинний матрикс зазнають морфологічних, клітинних і
молекулярних змін [20], [25].
Страницы: 1, 2, 3
|
