Развитие организма: основные сведения
Яйцо, или ооцит , представляет особую клетку, поскольку является единственной клеткой, потенциально способной к развитию в целый организм. Вильям Харвей был первым, кто осознал это в 1651 году, когда заметил "Ех Ovo Omni" или "все происходит из яйца". Он считал, что яйцо, возможно, прогрессивно развивается в организм. Такая точка зрения оказалась важной для концепции эпигенеза или прогрессивного развития. Это, в конце концов, привело к преформатинисткому взгляду на развитие - теории, предполагающей, что индивидуумы развиваются за счет увеличения крошечных, полностью сформированных организмов (так называемых гомункулусов), которые находятся в половых клетках. Конрад Уодцингтон позднее отобразил эту концепцию в своей знаменитой иллюстрации как "эпигенетический ландшафт", символическое представление последовательного развития из яйца. Развитие целого организма из яйца без участия мужского начала у некоторых организмов возможно и называется партеногенезом . Однако у млекопитающих это не происходит благодаря явлению генетического импринтинга, когда оплодотворение яйца спермой является обязательным для развития взрослого организма.
У большинства организмов развитие начинается после слияния спермы с ооцитом и образования зиготы. Это дает не только нового индивидуума, но и, по крайней мере, теоретически бесконечной серии генераций. Таким образом, половые клетки обеспечивают стойкую связь между всеми поколениями. Вновь оплодотворенное яйцо, или зигота , является уникальной клеткой, поскольку никакая другая клетка не имеет потенции к развитию полностью нового организма. Это свойство называют тотипотентностью . Как передатчики генетической и эпигенетической информации следующим поколениям половые клетки являются уникальными. Для того чтобы реализовать этот потенциал, эти клетки обладают многими особыми свойствами. Ооцит обладает также удивительным свойством передавать тотипотентность ядрам соматических клеток, например нервным клеткам, при трансплантации их в яйцо, процесс, который называют клонированием или ядерным репрограммированием.
В процессе развития зиготы происходит прогрессивное уменьшение тотипотентности вновь образующихся делящихся клеток. У млекопитающих продукты только очень ранних делений сохраняют тотипотентность, когда каждая клетка в отдельности в принципе способна генерировать целый организм.
Ранним этапом развития эмбриона млекопитающих является бластоциста (левый рис. 20 ), структура, у которой наружный слой клеток трофэктодермы в будущем формирует плаценту, а внутренняя группа клеток дает начало всему зародышу и, в конце концов, новому организму. Внутренние клетки будут, следовательно, дифференцироваться во все известные 200 (или около того) специализированные соматические клетки, найденные у взрослых организмов, и поэтому относятся к плюрипотентным клеткам. Эти плюрипотентные клетки могут быть изолированы из ранних эмбрионов и при определенных условиях культивирования могут постоянно расти in vitro, сохраняя способность дифференцироваться в любые специализированные клеточные типы, найденные у эмбрионов и взрослых организмов, включая спермии и яйцеклетки. Такие клетки были получены из эмбрионов человека и мыши и называются плюрипотентными эмбриональными стволовыми клетками или ES-клетками . Способность генерировать плюрипотентные стволовые клетки быстро теряется после имплантации эмбриона и начала программы эмбрионального развития.
Одними из наиболее ранних клеточных типов, закладывающимися во время эмбрионального развития, являются предшественники спермиев и яйцеклеток, называемые примордиальными половыми клетками ( PGC ), видимые как зеленые клетки на правом рисунке заголовка . Это событие гарантирует, чтобы клетки, которые впоследствии дадут начало последующим поколениям развивающегося эмбриона, возникали первыми. Примордиальные половые клетки являются высокоспециализированными клетками, которые впоследствии развиваются в зрелые спермии или яйцеклетки во взрослом организме, таким образом, повторяя цикл, в то время как остальные клетки тела, в конце концов, погибают. PGC, таким образом, являются особыми клетками. Они также могут быть использованы для получения плюрипотентных клеток, называемых эмбриональными половыми клетками или EG .
Стволовые клетки присутствуют и во взрослом организме. Например, взрослые стволовые клетки образуют миллиарды различных клеток крови, которые происходят из стволовых клеток крови костного мозга. Наши клетки кожи или желудочно-кишечного тракта постоянно обновляются за счет дифференцировки соответствующих стволовых клеток. Взрослые стволовые клетки нормально способны генерировать клетки специализированных тканей, а не различные клеточные типы, которые могут быть получены из плюрипотентных стволовых клеток. Очень важно понимать сходство и различия между плюрипотентными ES и взрослыми стволовыми клетками, включая эпигенетические механизмы, которые регулируют эти свойства. Понимание эпигенетических свойств половых клеток и плюрипотентных стволовых клеток поможет нам выработать новые подходы для терапии, особенно для регенеративной медицины.
