стаючи людиною

стаючи людиною
Як з однієї простої клітини виходить один з найскладніших організмів на Землі

Тисячоліттями людство вважало народження дитини Божим даром. Процес зачаття і розвитку маленького організму довгий час був невідомий, і через це виникали дивні теорії, як наприклад наявність зменшеної копії людини в сперматозоїді чоловіки.

Лише в XIX столітті вчені змогли описати справжню природу цього процесу - як кожен з нас виростає з однієї клітини в складний багатофункціональний організм, слідуючи по одному і тому ж шляху.

Протягом десятків років німецький біолог Ернст Геккель замальовував людські ембріони на різних етапах розвитку. У 1868 р він видає ці ілюстрації у вигляді книги за назвою "Історія створення", яка має шалений успіх і в 1870 р перевидається. Основний ідеєю нової, т.зв. біогенетичної теорії був той факт, що зародок людини в своєму розвитку проходить весь шлях від найпростішого одноклітинного організму, повторюючи велику еволюцію виду. На картинках на різних етапах дійсно можна було побачити щось схоже то на птицю, то на ящірку. Однак як саме з однієї клітини формуються різні за функціями клітини і як вони утворюють єдиний організм в подальшому, займаючи кожна необхідне їй місце, залишалося невідомим протягом більш ніж цілого століття. Відповісти на питання, чому розвиток не зупиняється на довільній стадії, вчені змогли тільки в XXI столітті.

Ембріологія як наука існує близько ста років, проте основна маса відкриттів було зроблено в останні 15 років, що пов'язано із розвитком електронної мікроскопії, а також відкриттям флюоресцирующих білків і початком їх застосування в якості одного з молекулярних інструментів. Просте візуальне спостереження за клітиною і процесами її диференціації не можуть дати уявлення про механізми її спеціалізації, тому різні маніпуляції з генами, такі, як обмеження або зупинення експресії (реалізації програми) гена, або, навпаки, надмірна його експресія, дозволили зробити прорив в розумінні механізмів визначення долі клітини.

Варто почати з того, що весь цей шлях розвитку носить назву ембріогенезу. Протягом 40 тижнів клітина проходить ряд перетворень, перш ніж нарешті стати людиною. Всі клітини тіла, незважаючи на відмінності в будові та його роботи, об'єднує одне - єдиний генетичний код, що зберігається в ядрі кожної клітини. Виняток становлять так звані постклеточние структури, які не є типовими для організму клітинами: наприклад, складові частини скелетного м'яза мають кілька ядер, а зрілі еритроцити ядер зовсім не мають.

Існує два типи клітин: соматичні (від грецького soma - тіло) і полові. Соматичні клітини мають подвійний набір хромосом - 44 аутосоми і дві статеві хромосоми, що визначають приналежність людини до тієї чи іншої статі. Для того, щоб генетичний код клітини не переповнявся і комбінувався з кодом інших особин, відбувається мейоз - два послідовних розподілу клітини, в результаті якого утворюється чотири статевих клітини, що містять 22 аутосоми і одну статеву хромосому. Саме такий розподіл генетичного матеріалу дозволяє при злитті сперматозоїда і яйцеклітини дати початок новому організму, має унікальний набір ознак. Отже, що ж відбувається на самому початку становлення нового людського організму?

Спершу в результаті статевого акту дві статеві клітини - чоловіча і жіноча - з'єднуються в одну. Це запліднення стає пусковим фактором до поділу. Але механізм початку поділу зиготи до сих пір достовірно не встановлено. За однією з гіпотез, сигналом до поділу служить зниження концентрації білка Whi5, виявленого групою вчених зі Стенфорда. За їхньою версією, Whi5 зв'язується з білком-регулятором, блокуючи реплікацію (подвоєння) молекул ДНК для нової клітини. За іншою версією, сигналом до поділу служить кортикальная реакція - взаємодія головки сперматозоїда з оболонкою яйцеклітини: при зіткненні двох оболонок відбувається активація клітинного ділення. Якщо в умовах in vitro викликати кортикальну реакцію, не дозволяючи сперматозоїду проникнути в яйцеклітину, то яйцеклітина почне ділитися сама по собі, однак якщо впровадити ядро ​​сперматозоїда безпосередньо в цитоплазму, минаючи мембрану клітини, то утворилася двуядерная клітина - синкарион - не почнеться поділ. Цікавим є той факт, що формування яйцеклітини гальмується на етапі другого поділу мейозу, а її повноцінне формування відбувається тільки після проникнення сперматозоїда.

Перше поділ зиготи відбувається протягом 30 годин після запліднення, а подальше збільшення кількості клітин йде протягом її тривалого і складного подорожі з фаллопиевой труби, де і зустрічаються статеві клітини, в порожнину матки. Розподіл зиготи називається дробленням, так як кількість зародкових клітин збільшується, але їх сумарні маса і обсяг не перевищують вихідний розмір зиготи. Зародок дуже швидко нарощує кількість клітин, що складають його організм, але при цьому не зростає в розмірі. Клітини ембріона, які називаються бластомерами, діляться в різний час і з різною періодичністю. Бластомери знаходяться в стані постійного поділу протягом трьох діб з моменту запліднення і в результаті цього етапу розвитку утворюється морула з 12-16 клітин. На цьому етапі всі клітини є поліпотентними, тобто з них може утворитися будь-яка інша клітина. Дрібні клітини морули незабаром починають перегрупування, і формують бластул - куля з одного шару клітин з порожниною; приблизно на четверту добу починається міграція окремих бластомерів з утворенням двох шарів - зовнішнього, званого трофобластом, і внутрішнього - ембріобласта.

У більш складних організмів одними Морфогенія справа не обмежується. В процесі дроблення, як уже говорилося вище, розмір зиготи залишається незмінним, але клітин стає більше. Їх клітинні мембрани все більш щільно контактують один з одним, і це призводить до перерозподілу особливих білків в цитоплазмі клітин. Такий тип розподілу називається обумовленим. При наступному циклі ділення одні клітини отримують одні білки, а інші клітини - інші. Таким чином, починається наступний етап клітинного розподілу, в результаті чого клітини отримують відповідний сигнал для розподілу або в трофобласт, або в ембріобласт. Останній - цей майбутня дитина, а трофобласт буде грати ключову роль в його харчуванні.

Під час переміщення зародка в порожнину матки він покритий блискучою оболонкою. Ледве зародок стосується стінки матки, оболонка руйнується і зародок прикріплюється до її слизовій оболонці, котра до формування плаценти буде забезпечувати зародок поживними речовинами. Трофобласт також формує хоріон, ворсинчастий оболонку плода, амніон, водну оболонку, в якій зародок підтримується в підвішеному стані, і плаценту, яка забезпечуватиме зародок поживними речовинами в процесі розвитку. При імплантації трофобласт починає синтезувати хоріонічний гонадотропін, який у лікарській практиці використовується як маркер настання вагітності, а також в якості одного з "сигналів", що вказують на розвиток пухлинного процесу (докладніше можна прочитати в нашому тексті про онкомаркери). Після прикріплення зародка ембріобласт ділиться і утворює три шари, або зародкових листка: зовнішній шар, прилеглий до трофобласта, називається ектодермою, внутрішній, звернений до порожнини - ентодермою, між якими знаходиться мезодерма.

Починаються процеси диференціювання тканин і органогенез. Клітини на цій стадії вже не зовсім самостійні, але можуть давати зачатки будь-яким органам в межах свого листка, завдяки чому їх називають мультипотентними. Причиною такої мультіпонтентності є ДНК, вірніше, специфічні гени - Hox-гени. Вони регулюють активність зчитування тій чи іншій інформації з іншою ДНК, а значить - і синтез білків. Активація Hox-генів залежить від матричної РНК і білків, що містяться в цитоплазмі клітини, тобто від інформації, що дісталася зародку від матері.

Ектодерма - зовнішній листок - дає початок органам почуттів і нервовій системі. На третьому тижні розвитку формується нервова пластинка з нейроепітелія, що утворився в результаті процесів диференціювання тканин. Потім протягом тижня нервова пластинка згортається досередини порожнини гаструли, утворюючи нервову трубку і примушуючи зародок також прийняти форму люльки. На головному кінці трубки формується п'ять мозкових міхурів, навколо яких згодом будуть формуватися відділи головного мозку і органи чуття.

Мезодерма служить основою для формування серцево-судинної системи і опорно-рухового апарату. По ходу розвитку спинна частина мезодерми ділиться на соміти, сегменти, а інша мезодерма формує Спланхнотоми. В процесі розвитку кожен соміт диференціюється на миотом, склеротом і дерматом, з яких утворюються відповідно поперечноскелетна мускулатура, кістки і хрящі скелета (у риб також плавники) і сполучнотканинна частина шкіри з її похідними. Частина сомітов в ході диференціювання утворюють нефрогонадотоми - основу для органів сечостатевої системи. Спланхнотоми формують зачатки внутрішніх органів і їх зовнішні шари: серозні оболонки, гладкі м'язи, судини. Виселяють з спланхнотома клітини мезенхіми утворюють сполучну тканину, кровоносні і лімфатичні судини, клітини крові і лімфи, гладку м'язову тканину нутрощів.

Ентодерма, внутрішній зародковий листок, дає початок слизової шлунково-кишкового тракту, травних залоз і легким. Спочатку травна трубка влаштована досить просто, проте надалі в цій трубки утворюються вирости, що перетворюються в мережу розгалужених трубочок. Так, кишечник набуває завіси, а в легенях розвивається бронхіальна дерево, основою якому служить утворена з кишкової трубки трахея.

Крім внутрішнього розвитку, змінюється і зовнішній образ зародка. На 5-му тижні виникають зачатки рук, а потім і ніг, на 6-й вони поділяються на основні відділи, на 7-й з'являються зачатки пальців. У віці 8 тижнів зародок набуває основні морфологічні ознаки людини в зовнішньому вигляді і у внутрішній організації. Довжина його (від тім'я до куприка) 4 см, вага 4-5 м До кінця 8-го тижня закінчується закладка органів зародка. З 9 тижні зародок вже гордо називається плодом, і з цього моменту починається посилений ріст і набір маси тіла: протягом 20 тижнів маса збільшується з 3-4 грам до 900-1100 (!) Грам. До народження людині залишається всього нічого.

Вивчення нашого ембріогенезу - не тільки порожній інтерес. Знання механізмів регуляції диференціювання клітин дозволить точно розуміти особливості придбаних внутрішньоутробно порушень розвитку плода. Крім того, особливості клітин у ембріона відкривають багато можливостей для клітинної терапії стовбуровими клітинами. І за останні 15 років лікарі наблизилися до вирішення цього запитання як що раніше.