В эмбриологии дробление — это деление клеток на ранних стадиях развития эмбриона после оплодотворения . [1] Зиготы многих видов проходят быстрые клеточные циклы без значительного общего роста, образуя кластер клеток того же размера , что и исходная зигота. Различные клетки, полученные в результате дробления, называются бластомерами и образуют компактную массу, называемую морулой . Дробление заканчивается образованием бластулы или бластоцисты у млекопитающих.
В зависимости от концентрации желтка в яйце, дробление может быть голобластическим (полное или полное дробление) или меробластическим (частичное дробление). Полюс яйца с наибольшей концентрацией желтка называется вегетативным полюсом , а противоположный ему — анимальным полюсом .
Деление отличается от других форм деления клеток тем, что оно увеличивает количество клеток и массу ядра без увеличения массы цитоплазмы . Это означает, что с каждым последующим делением в каждой дочерней клетке содержится примерно половина цитоплазмы, чем до этого деления, и, таким образом, соотношение ядерного и цитоплазматического материала увеличивается. [2]
Механизм
Быстрые клеточные циклы облегчаются за счет поддержания высоких уровней белков, которые контролируют прогрессию клеточного цикла, таких как циклины и связанные с ними циклинзависимые киназы (CDK). Комплекс циклин B / CDK1, также известный как MPF ( фактор, способствующий созреванию ), способствует вступлению в митоз.
Процессы кариокинеза (митоза) и цитокинеза работают вместе, чтобы привести к дроблению. Митотический аппарат состоит из центрального веретена и полярных звезд, состоящих из полимеров белка тубулина, называемых микротрубочками . Звезды зарождаются центросомами , а центросомы организованы центриолями, которые приносятся в яйцеклетку сперматозоидом в качестве базальных телец . Цитокинез опосредуется сократительным кольцом , состоящим из полимеров белка актина , называемых микрофиламентами . Кариокинез и цитокинез являются независимыми, но пространственно и временно скоординированными процессами. В то время как митоз может происходить и без цитокинеза, цитокинез требует митотического аппарата.
Детерминированное дробление (также называемое мозаичным дроблением) встречается у большинства первичноротых . Оно приводит к тому, что судьба развития клеток задается на ранних стадиях развития эмбриона . Каждый бластомер, полученный в результате раннего эмбрионального дробления, не способен развиться в полноценный эмбрион .
Неопределенный
Клетка может быть неопределенной (также называемой регуляторной), только если она имеет полный набор ненарушенных животных/растительных цитоархитектурных признаков. Это характерно для вторичноротых — когда исходная клетка в эмбрионе вторичноротых делится, две полученные клетки могут быть разделены, и каждая из них может индивидуально развиться в целый организм.
Голобластический
При голобластическом дроблении зигота и бластомеры полностью разделяются во время дробления, поэтому количество бластомеров удваивается с каждым дроблением. При отсутствии большой концентрации желтка можно наблюдать четыре основных типа дробления в изолецитальных клетках (клетки с небольшим, равномерным распределением желтка) или в мезолецитальных клетках или микролецитальных клетках (умеренная концентрация желтка в градиенте) — двустороннее голобластическое, радиальное голобластическое, ротационное голобластическое и спиральное голобластическое дробление. [3] Эти плоскости голобластического дробления проходят через изолецитальные зиготы в процессе цитокинеза. Целобластула является следующей стадией развития для яиц, которые подвергаются этим радиальным дроблениям. В голобластических яйцах первое дробление всегда происходит вдоль вегетативно-животной оси яйца, второе дробление перпендикулярно первому. Отсюда пространственное расположение бластомеров может следовать различным закономерностям из-за различных плоскостей дробления у разных организмов.
Двусторонний
Первое дробление приводит к разделению зиготы на левую и правую половины. Последующие плоскости дробления центрированы на этой оси и приводят к тому, что две половины являются зеркальными отражениями друг друга. При двустороннем голобластическом дроблении деления бластомеров являются полными и раздельными; по сравнению с двусторонним меробластическим дроблением, при котором бластомеры остаются частично соединенными.
Радиальный
Радиальное дробление характерно для вторичноротых , к которым относятся некоторые позвоночные и иглокожие , у которых оси веретена расположены параллельно или под прямым углом к полярной оси ооцита .
Вращательный
Вращательное дробление включает в себя нормальное первое деление вдоль меридиональной оси, что приводит к появлению двух дочерних клеток. Отличие этого дробления в том, что одна из дочерних клеток делится меридионально, а другая — экваториально.
У млекопитающих наблюдается вращательное дробление и изолецитальное распределение желтка (редко и равномерно). Поскольку клетки имеют лишь небольшую концентрацию желтка, им требуется немедленная имплантация в стенку матки для получения питательных веществ.
Нематода C. elegans , популярный модельный организм развития , претерпевает голобластическое вращательное деление клеток. [4]
Спираль
Спиральное дробление сохраняется у многих представителей таксонов лофотрохозоа , называемых Spiralia . [5] Большинство спиралий подвергаются равному спиральному дроблению, хотя некоторые подвергаются неравному дроблению (см. ниже). [6] В эту группу входят кольчатые черви , моллюски и сипункулы . Спиральное дробление может различаться между видами, но обычно первые два деления клеток приводят к образованию четырех макромеров, также называемых бластомерами (A, B, C, D), каждое из которых представляет один квадрант эмбриона. Эти первые два дробления не ориентированы в плоскостях, которые проходят под прямым углом параллельно анимально-вегетативной оси зиготы . [ 5] На стадии 4 клеток макромеры A и C встречаются на анимальном полюсе, создавая анимальную поперечную борозду, в то время как макромеры B и D встречаются на вегетативном полюсе, создавая вегетативную поперечную борозду. [7] С каждым последующим циклом деления макромеры дают начало квартетам более мелких микромеров на анимальном полюсе. [8] [9] Деления, которые производят эти квартеты, происходят под косым углом, углом, который не кратен 90 градусам, к анимально-вегетативной оси. [9] Каждый квартет микромеров вращается относительно своего родительского макромера, и хиральность этого вращения различается между нечетными и четными квартетами, что означает, что существует чередующаяся симметрия между нечетными и четными квартетами. [5] Другими словами, ориентация делений, которые производят каждый квартет, чередуется между тем, чтобы быть по часовой стрелке и против часовой стрелки относительно анимального полюса. [9] Чередующийся рисунок деления, который происходит при создании квартетов, производит квартеты микромеров, которые находятся в бороздах деления четырех макромеров. [7] Если смотреть с анимального полюса, то это расположение клеток имеет спиральный рисунок.
Спецификация макромера D является важным аспектом развития спиралей. Хотя первичная ось, животно-вегетативная, определяется во время оогенеза , вторичная ось, дорсально-вентральная, определяется спецификацией квадранта D. [9] Макромер D облегчает клеточные деления, которые отличаются от делений, производимых тремя другими макромерами. Клетки квадранта D дают начало дорсальным и задним структурам спиралей. [9] Существуют два известных механизма спецификации квадранта D. Эти механизмы включают равное дробление и неравное дробление.
При равном дроблении первые два клеточных деления производят четыре макромера, которые неотличимы друг от друга. Каждый макромер имеет потенциал стать макромером D. [8] После образования третьего квартета один из макромеров инициирует максимальный контакт с вышележащими микромерами на анимальном полюсе эмбриона. [8] [9] Этот контакт необходим для различения одного макромера как официального бластомера квадранта D. В спиральных эмбрионах с равномерным дроблением квадрант D не определяется до тех пор, пока не образуется третий квартет, когда контакт с микромерами диктует одной клетке стать будущим бластомером D. После определения бластомер D подает сигнал окружающим микромерам, чтобы они определили свои клеточные судьбы. [9]
При неравном дроблении первые два деления клеток неравны, образуя четыре клетки, в которых одна клетка больше трех других. Эта более крупная клетка определяется как макромер D. [8] [9] В отличие от одинаково дробящихся спиралей, макромер D определяется на стадии четырех клеток во время неравного дробления. Неравное дробление может происходить двумя способами. Один из методов включает асимметричное расположение веретена деления. [9] Это происходит, когда астра на одном полюсе прикрепляется к клеточной мембране, в результате чего она становится намного меньше астры на другом полюсе. [8] Это приводит к неравному цитокинезу , при котором обе макромеры наследуют часть анимальной области яйца, но только более крупная макромера наследует вегетативную область. [8] Второй механизм неравного дробления включает образование безъядерного, связанного с мембраной цитоплазматического выступа, называемого полярной долей. [8] Эта полярная доля формируется на вегетативном полюсе во время дробления, а затем перемещается в бластомер D. [7] [8] Полярная доля содержит вегетативную цитоплазму, которая наследуется будущей макромерой D. [9]
Меробластический
При наличии большой концентрации желтка в оплодотворенной яйцеклетке, клетка может подвергнуться частичному, или меробластическому, расщеплению. Два основных типа меробластического расщепления — дискоидальное и поверхностное . [ необходима цитата ]
Дискообразный
При дискоидальном дроблении борозды дробления не проникают в желток. Эмбрион образует диск клеток, называемый бластодиском, поверх желтка. Дискоидальное дробление обычно встречается у однопроходных , птиц , рептилий и рыб , имеющих телолецитальные яйцеклетки (яйцеклетки с желтком, сконцентрированным на одном конце). Слой клеток, которые разделились не полностью и находятся в контакте с желтком, называется «синцитиальным слоем».
Поверхностный
При поверхностном дроблении происходит митоз , но не цитокинез , в результате чего образуется многоядерная клетка. При расположении желтка в центре яйцеклетки ядра перемещаются на периферию яйца, а плазматическая мембрана растет внутрь, разделяя ядра на отдельные клетки. Поверхностное дробление происходит у членистоногих , имеющих центролецитальные яйцеклетки (яйцеклетки с желтком, расположенным в центре клетки). Этот тип дробления может способствовать синхронности в сроках развития, например, у дрозофилы . [10]
Млекопитающие
По сравнению с другими быстро развивающимися животными, млекопитающие имеют более медленную скорость деления, которая составляет от 12 до 24 часов. Первоначально синхронные, эти клеточные деления постепенно становятся все более и более асинхронными. Зиготическая транскрипция начинается на двух-, четырех- или восьмиклеточной стадии в зависимости от вида (например, зиготическая транскрипция у мышей начинается к концу стадии зиготы и становится значимой на двухклеточной стадии, тогда как человеческие эмбрионы начинают зиготическую транскрипцию на восьмиклеточной стадии). Дробление является голобластическим и ротационным.
В эмбриональном развитии человека на стадии восьми клеток, пройдя три деления, эмбрион начинает менять форму, поскольку он развивается в морулу, а затем в бластоцисту . На стадии восьми клеток бластомеры изначально круглые и слабо прилегают друг к другу. При дальнейшем делении в процессе уплотнения клетки прилегают друг к другу. [13] На стадии 16 клеток уплотненный эмбрион называется морулой . [ 14] [15] После того, как эмбрион разделился на 16 клеток, он начинает напоминать шелковицу , отсюда и название морула ( лат . morus : шелковица ). [16] Одновременно они развивают полярность изнутри наружу, которая обеспечивает различные характеристики и функции их интерфейсам клетка-клетка и клетка-среда. [17] [18] По мере того, как поверхностные клетки становятся эпителиальными , они начинают плотно прилегать , поскольку образуются щелевые соединения , а с другими бластомерами развиваются плотные соединения . [19] [14] При дальнейшем уплотнении отдельные внешние бластомеры, трофобласты , становятся неразличимыми, поскольку они организуются в тонкий слой плотно сцепленных эпителиальных клеток . Они все еще заключены в zona pellucida . Теперь морула водонепроницаема, чтобы удерживать жидкость, которую клетки позже закачают в эмбрион, чтобы превратить его в бластоцисту.
У людей морула попадает в матку через три или четыре дня и начинает впитывать жидкость, поскольку натрий-калиевые насосы на трофобластах закачивают натрий в морулу, втягивая воду из материнской среды путем осмоса , чтобы она стала бластоцельной жидкостью. В результате повышенного осмотического давления накопление жидкости повышает гидростатическое давление внутри эмбриона. [20] Гидростатическое давление разрывает межклеточные контакты внутри эмбриона путем гидравлического разрыва . [21] Первоначально распределенная в сотнях водных карманов по всему эмбриону, жидкость собирается в одну большую полость , называемую бластоцелем, после процесса, родственного созреванию Оствальда . [21] Клетки эмбриобласта, также известные как внутренняя клеточная масса , образуют компактную массу клеток на эмбриональном полюсе с одной стороны полости, которая в дальнейшем будет производить собственно эмбрион. Теперь эмбрион называется бластоцистой . [14] [22] Трофобласты в конечном итоге дадут начало эмбриональному компоненту плаценты, называемому хорионом .
Из восьмиклеточного эмбриона до уплотнения можно извлечь одну клетку и использовать ее для генетического скрининга , после чего эмбрион восстановится. [23] [24]
^ Gilbert SF (2000). «Введение в ранние процессы развития». Биология развития (6-е изд.). Sinauer Associates. ISBN 978-0-87893-243-6.
^ Forgács G, Newman SA (2005). "Дробление и образование бластулы". Биологическая физика развивающегося эмбриона . Cambridge University Press. стр. 27. Bibcode :2005bpde.book.....F. ISBN978-0-521-78337-8.
^ Gilbert SF (2000). "Раннее развитие нематоды Caenorhabditis elegans". Биология развития (6-е изд.). ISBN978-0-87893-243-6. Получено 17.09.2007 .
^ Gilbert SF (2016). Биология развития (11-е изд.). Sinauer. стр. 268. ISBN978-1-60535-470-5.
^ abc Shankland M, Seaver EC (апрель 2000 г.). «Эволюция плана строения тела билатеральных червей: чему мы научились у кольчатых червей?». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 97 (9): 4434–4437. Bibcode :2000PNAS...97.4434S. doi : 10.1073/pnas.97.9.4434 . JSTOR 122407. PMC 34316 . PMID 10781038.
^ Генри Дж (август 2002 г.). «Сохраняющийся механизм определения дорсовентральной оси у спиральных особей с равным дроблением». Developmental Biology . 248 (2): 343–355. doi : 10.1006/dbio.2002.0741 . PMID 12167409.
^ abc Boyer BC, Henry JQ (1998). «Эволюционные модификации спиральной программы развития». Интегративная и сравнительная биология . 38 (4): 621–33. doi : 10.1093/icb/38.4.621 . JSTOR 4620189.
^ abcdefgh Freeman G, Lundelius JW (1992). «Эволюционные последствия режима спецификации квадранта D у целоматов со спиральным дроблением». Журнал эволюционной биологии . 5 (2): 205–47. doi : 10.1046/j.1420-9101.1992.5020205.x . S2CID 85304565.
^ abcdefghij Lambert JD, Nagy LM (ноябрь 2003 г.). «Каскад MAPK в равномерно дробящихся спиральных эмбрионах». Developmental Biology . 263 (2): 231–241. doi : 10.1016/j.ydbio.2003.07.006 . PMID 14597198.
^ Gilbert SF, Barresi MJ (2016). Биология развития (одиннадцатое изд.). Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates, Inc. ISBN978-1-60535-470-5.
^ Гилберт СФ (2003). Биология развития (7-е изд.). Синауэр. стр. 214. ISBN978-0-87893-258-0.
^ Gauster M, Moser G, Wernitznig S, Kupper N, Huppertz B (июнь 2022 г.). «Раннее развитие трофобласта человека: от морфологии к функции». Cellular and Molecular Life Sciences . 79 (6): 345. doi :10.1007/s00018-022-04377-0. PMC 9167809 . PMID 35661923.
^ Larsen WJ (2001). Sherman LS, Potter SS, Scott WJ (ред.). Эмбриология человека (3-е изд.). Elsevier Health Sciences. стр. 20. ISBN978-0-443-06583-5.
^ Hirate Y, Hirahara S, Inoue Ki, Suzuki A, Alarcon VB, Akimoto K и др. (Июль 2013 г.). «Зависимое от полярности распределение ангиомотина локализует сигнализацию бегемота в предимплантационных эмбрионах». Current Biology . 23 (13): 1181–1194. Bibcode :2013CBio...23.1181H. doi :10.1016/j.cub.2013.05.014. PMC 3742369 . PMID 23791731.
^ Korotkevich E, Niwayama R, Courtois A, Friese S, Berger N, Buchholz F и др. (февраль 2017 г.). «Апикальный домен необходим и достаточен для первой сегрегации линии в эмбрионе мыши». Developmental Cell . 40 (3): 235–247.e7. doi :10.1016/j.devcel.2017.01.006. hdl : 21.11116/0000-0002-8C77-B . PMID 28171747.
^ Standring S (2016). Анатомия Грея: анатомическая основа клинической практики (сорок первое изд.). Филадельфия, Пенсильвания: Elsevier Limited. стр. 165. ISBN978-0-7020-5230-9.
^ Leonavicius K, Royer C, Preece C, Davies B, Biggins JS, Srinivas S (9 октября 2018 г.). «Механика вылупления бластоцисты у мышей, выявленная с помощью анализа микродеформации на основе гидрогеля». Труды Национальной академии наук . 115 (41): 10375–10380. Bibcode : 2018PNAS..11510375L. doi : 10.1073/pnas.1719930115 . PMC 6187134. PMID 30232257 .
^ ab Dumortier JG, Le Verge-Serandour M, Tortorelli AF, Mielke A, de Plater L, Turlier H, et al. (2 августа 2019 г.). «Гидравлический разрыв и активное огрубление позиционируют просвет бластоцисты мыши». Science . 365 (6452): 465–468. Bibcode :2019Sci...365..465D. doi :10.1126/science.aaw7709. PMID 31371608.
^ Wilton L (2005). «Преимплантационная генетическая диагностика и хромосомный анализ бластомеров с использованием сравнительной геномной гибридизации». Human Reproduction Update . 11 (1): 33–41. doi : 10.1093/humupd/dmh050 . PMID 15569702.
^ Kim HJ, Kim CH, Lee SM, Choe SA, Lee JY, Jee BC и др. (сентябрь 2012 г.). «Результаты предимплантационной генетической диагностики с использованием сверления zona с подкисленным раствором Тироде или частичного рассечения zona». Клиническая и экспериментальная репродуктивная медицина . 39 (3): 118–124. doi :10.5653/cerm.2012.39.3.118. PMC 3479235. PMID 23106043 .
Дальнейшее чтение
Wilt F, Hake S (2004). Принципы биологии развития . WW Norton. ISBN 978-0-393-97430-0.
Valentine JW (июль 1997 г.). «Паттерны дробления и топология метазойного древа жизни». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 94 (15): 8001–8005. Bibcode :1997PNAS...94.8001V. doi : 10.1073/pnas.94.15.8001 . PMC 21545 . PMID 9223303.
Онкен М. (4 февраля 1999 г.). «Каковы „преимущества“ развития вторичноротой модели эмбриона». MadSci Network .
Lee SC, Mietchen D, Cho JH, Kim YS, Kim C, Hong KS и др. (январь 2007 г.). «In vivo магнитно-резонансная микроскопия дифференциации эмбрионов Xenopus laevis с первого деления дробления». Дифференциация; Исследования в области биологического разнообразия . 75 (1): 84–92. doi :10.1111/j.1432-0436.2006.00114.x. PMID 17244024.