Биология развития — это изучение процесса роста и развития животных и растений . Биология развития также охватывает биологию регенерации , бесполого размножения , метаморфоза , а также роста и дифференциации стволовых клеток во взрослом организме.
Основными процессами, участвующими в эмбриональном развитии животных, являются: формирование структуры ткани (посредством региональной спецификации и структурированной дифференциации клеток ); рост ткани ; и морфогенез ткани .
Развитие растений включает в себя процессы, подобные тем, что происходят у животных. Однако растительные клетки в основном неподвижны, поэтому морфогенез достигается за счет дифференциального роста, без клеточных движений. Кроме того, индуктивные сигналы и задействованные гены отличаются от тех, которые контролируют развитие животных.
Генеративная биология — это генеративная наука , которая исследует динамику, направляющую развитие и эволюцию биологической морфологической формы. [1] [2] [3]
Дифференциация клеток — это процесс, при котором в процессе развития возникают различные функциональные типы клеток. Например, нейроны, мышечные волокна и гепатоциты (клетки печени) — хорошо известные типы дифференцированных клеток. Дифференцированные клетки обычно вырабатывают большое количество нескольких белков, необходимых для их специфической функции, и это придает им характерный вид, который позволяет их распознавать под световым микроскопом. Гены, кодирующие эти белки, очень активны. Обычно их хроматиновая структура очень открыта, что обеспечивает доступ для транскрипционных ферментов, а специфические факторы транскрипции связываются с регуляторными последовательностями в ДНК для активации экспрессии генов. [4] [5] Например, NeuroD является ключевым фактором транскрипции для нейрональной дифференциации, миогенин — для мышечной дифференциации, а HNF4 — для дифференциации гепатоцитов. Дифференциация клеток обычно является конечной стадией развития, которой предшествуют несколько состояний приверженности, которые визуально не дифференцируются. Одна ткань, образованная из одного типа прогениторной клетки или стволовой клетки, часто состоит из нескольких дифференцированных типов клеток. Контроль их формирования включает процесс латерального торможения [6] , основанный на свойствах сигнального пути Notch . [7] Например, в нервной пластинке эмбриона эта система действует, генерируя популяцию нейрональных клеток-предшественников, в которых NeuroD экспрессируется в высокой степени.
Регенерация указывает на способность восстанавливать утраченную часть. [8] Это очень распространено среди растений, которые показывают непрерывный рост, а также среди колониальных животных, таких как гидроиды и асцидии. Но наибольший интерес биологов развития был проявлен к регенерации частей у свободно живущих животных. В частности, четыре модели были предметом многочисленных исследований. Две из них обладают способностью регенерировать целые тела: гидра , которая может регенерировать любую часть полипа из небольшого фрагмента, [9] и планарии , которые обычно могут регенерировать как головы, так и хвосты. [10] Оба этих примера имеют непрерывный оборот клеток, питаемый стволовыми клетками , и, по крайней мере, у планарии, по крайней мере, некоторые из стволовых клеток, как было показано, являются плюрипотентными . [11] Две другие модели показывают только дистальную регенерацию конечностей. Это конечности насекомых, обычно ноги полуметаболических насекомых, таких как сверчок, [12] и конечности хвостатых амфибий . [13] В настоящее время имеется значительный объем информации о регенерации конечностей амфибий, и известно, что каждый тип клеток регенерирует сам себя, за исключением соединительных тканей, где наблюдается значительная взаимоконверсия между хрящом, дермой и сухожилиями. С точки зрения структуры, это контролируется повторной активацией сигналов, активных в эмбрионе. Все еще ведутся споры о старом вопросе о том, является ли регенерация «изначальным» или «адаптивным» свойством. [14] Если верно первое, то с улучшением знаний мы могли бы ожидать, что сможем улучшить регенеративную способность у людей. Если верно второе, то предполагается, что каждый случай регенерации возник в результате естественного отбора в обстоятельствах, характерных для данного вида, поэтому не следует ожидать общих правил.
Сперматозоид и яйцеклетка сливаются в процессе оплодотворения, образуя оплодотворенную яйцеклетку, или зиготу . [15] Она проходит период делений, образуя шар или пласт похожих клеток, называемых бластула или бластодерма . Эти клеточные деления обычно происходят быстро и не растут, поэтому дочерние клетки в два раза меньше материнской клетки, а весь эмбрион остается примерно того же размера. Они называются делениями дробления .
Первичные зародышевые клетки эпибласта мыши (см. рисунок: «Начальные стадии эмбриогенеза человека ») подвергаются обширному эпигенетическому перепрограммированию. [16] Этот процесс включает в себя деметилирование ДНК по всему геному , реорганизацию хроматина и стирание эпигенетического импринта, что приводит к тотипотентности . [16] Деметилирование ДНК осуществляется с помощью процесса, который использует путь репарации оснований ДНК путем эксцизии . [17]
Морфогенетические движения преобразуют клеточную массу в трехслойную структуру, состоящую из многоклеточных листов, называемых эктодермой , мезодермой и энтодермой . Эти листы известны как зародышевые листки . Это процесс гаструляции . Во время дробления и гаструляции происходят первые события региональной спецификации. В дополнение к образованию трех зародышевых листков, они часто генерируют внезародышевые структуры, такие как плацента млекопитающих , необходимые для поддержки и питания эмбриона, [18] а также устанавливают различия в приверженности вдоль переднезадней оси (голова, туловище и хвост). [19]
Региональная спецификация инициируется наличием цитоплазматических детерминант в одной части зиготы. Клетки, содержащие детерминант, становятся сигнальным центром и выделяют индуцирующий фактор. Поскольку индуцирующий фактор вырабатывается в одном месте, диффундирует и распадается, он образует градиент концентрации, высокий вблизи исходных клеток и низкий дальше. [20] [21] Остальные клетки эмбриона, не содержащие детерминант, способны реагировать на различные концентрации, активируя определенные гены контроля развития. Это приводит к созданию ряда зон, расположенных на все большем расстоянии от сигнального центра. В каждой зоне активируется различная комбинация генов контроля развития. [22] Эти гены кодируют факторы транскрипции , которые активируют новые комбинации активности генов в каждом регионе. Помимо других функций, эти факторы транскрипции контролируют экспрессию генов, придающих клеткам, в которых они активны, определенные адгезивные и подвижные свойства. Из-за этих различных морфогенетических свойств клетки каждого зародышевого слоя перемещаются, образуя пласты таким образом, что эктодерма оказывается снаружи, мезодерма в середине, а энтодерма внутри. [23] [24]
Морфогенетические движения не только изменяют форму и структуру эмбриона, но и, приводя клеточные слои в новые пространственные отношения, они также делают возможными новые фазы сигнализации и реакции между ними. Кроме того, первые морфогенетические движения эмбриогенеза, такие как гаструляция, эпиболия и скручивание , напрямую активируют пути, вовлеченные в спецификацию энтомезодермы через процессы механотрансдукции. [25] [26] Было высказано предположение, что это свойство эволюционно унаследовано от спецификации энтомезодермы, поскольку оно механически стимулировалось гидродинамическим потоком морской среды у первых животных организмов (первые метазоа). [27] Скручивание вдоль оси тела с помощью левосторонней хиральности встречается у всех хордовых (включая позвоночных) и рассматривается теорией осевого скручивания . [28]
Рост эмбрионов в основном автономен. [29] Для каждой территории клеток скорость роста контролируется комбинацией активных генов. Свободноживущие эмбрионы не растут в массе, поскольку у них нет внешнего источника питания. Но эмбрионы, питающиеся плацентой или внеэмбриональным желтком, могут расти очень быстро, и изменения относительной скорости роста между частями этих организмов помогают создать окончательную общую анатомию.
Весь процесс должен быть скоординирован во времени, и то, как это контролируется, не понятно. Может быть, есть главные часы, способные общаться со всеми частями эмбриона, которые контролируют ход событий, или же синхронизация может зависеть просто от локальных причинных последовательностей событий. [30]
Процессы развития очень очевидны в процессе метаморфоза . Это происходит у различных типов животных. Хорошо известные примеры можно увидеть у лягушек, которые обычно вылупляются головастиками и превращаются во взрослую лягушку, а также у некоторых насекомых, которые вылупляются личинками, а затем преобразуются во взрослую форму на стадии куколки.
Все перечисленные выше процессы развития происходят во время метаморфоза. Примеры, которые были особенно хорошо изучены, включают потерю хвоста и другие изменения у головастика лягушки Xenopus , [31] [32] и биологию имагинальных дисков, которые генерируют взрослые части тела мухи Drosophila melanogaster . [33] [34]
Развитие растений — это процесс, посредством которого структуры возникают и развиваются по мере роста растения. Он изучается в анатомии и физиологии растений , а также в морфологии растений.
Растения постоянно производят новые ткани и структуры в течение всей своей жизни из меристем [35], расположенных на кончиках органов или между зрелыми тканями. Таким образом, живое растение всегда имеет эмбриональные ткани. Напротив, эмбрион животного очень рано произведет все части тела, которые у него когда-либо будут в жизни. Когда животное рождается (или вылупляется из яйца), у него есть все части тела, и с этого момента оно будет только расти и становиться более зрелым.
Свойства организации, наблюдаемые в растении, являются эмерджентными свойствами , которые представляют собой нечто большее, чем сумма отдельных частей. «Сборка этих тканей и функций в интегрированный многоклеточный организм дает не только характеристики отдельных частей и процессов, но и совершенно новый набор характеристик, которые нельзя было бы предсказать на основе изучения отдельных частей». [36]
Сосудистое растение начинается с одноклеточной зиготы , образованной путем оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом. С этого момента оно начинает делиться, образуя зародыш растения в процессе эмбриогенеза . По мере того, как это происходит, полученные клетки организуются таким образом, что один конец становится первым корнем, а другой конец образует верхушку побега. У семенных растений зародыш разовьет один или несколько «семядольных листьев» ( семядолей ). К концу эмбриогенеза молодое растение будет иметь все части, необходимые для начала своей жизни.
Как только зародыш прорастает из своего семени или родительского растения, он начинает производить дополнительные органы (листья, стебли и корни) посредством процесса органогенеза . Новые корни вырастают из корневых меристем, расположенных на кончике корня, а новые стебли и листья вырастают из меристем побега, расположенных на кончике побега. [37] Ветвление происходит, когда небольшие скопления клеток, оставленные меристемой и еще не претерпевшие клеточную дифференциацию для формирования специализированной ткани, начинают расти как кончик нового корня или побега. Рост из любой такой меристемы на кончике корня или побега называется первичным ростом и приводит к удлинению этого корня или побега. Вторичный рост приводит к расширению корня или побега за счет делений клеток в камбии . [38]
В дополнение к росту путем деления клеток , растение может расти посредством удлинения клеток . [39] Это происходит, когда отдельные клетки или группы клеток становятся длиннее. Не все клетки растения вырастут до одинаковой длины. Когда клетки на одной стороне стебля растут длиннее и быстрее, чем клетки на другой стороне, стебель в результате будет изгибаться в сторону более медленно растущих клеток. Этот направленный рост может происходить посредством реакции растения на определенный стимул, такой как свет ( фототропизм ), гравитация ( гравитропизм ), вода ( гидротропизм ) и физический контакт ( тигмотропизм ).
Рост и развитие растений опосредуются специфическими фитогормонами и регуляторами роста растений (РРР) (Росс и др., 1983). [40] На уровень эндогенных гормонов влияют возраст растения, холодостойкость, покой и другие метаболические условия; фотопериод, засуха, температура и другие внешние условия окружающей среды; а также экзогенные источники РРР, например, применяемые извне и ризосферного происхождения.
Растения демонстрируют естественные вариации в своей форме и структуре. В то время как все организмы различаются от особи к особи, растения демонстрируют дополнительный тип вариаций. В пределах одной особи повторяются части, которые могут отличаться по форме и структуре от других подобных частей. Эти вариации легче всего увидеть в листьях растения, хотя другие органы, такие как стебли и цветы, могут показывать похожие вариации. Существуют три основные причины этих вариаций: позиционные эффекты, эффекты окружающей среды и молодость.
Факторы транскрипции и сети регуляции транскрипции играют ключевую роль в морфогенезе растений и их эволюции. Во время посадки растений возникло много новых семейств факторов транскрипции, которые преимущественно встраиваются в сети многоклеточного развития, размножения и развития органов, способствуя более сложному морфогенезу наземных растений. [41]
Большинство наземных растений имеют общего предка — многоклеточные водоросли. Примером эволюции морфологии растений являются харофиты. Исследования показали, что харофиты обладают признаками, гомологичными наземным растениям. Существуют две основные теории эволюции морфологии растений: гомологичная теория и антитетическая теория. Общепринятой теорией эволюции морфологии растений является антитетическая теория. Антитетическая теория утверждает, что множественные митотические деления, происходящие перед мейозом, вызывают развитие спорофита. Затем спорофит будет развиваться как независимый организм. [42]
Большая часть исследований биологии развития в последние десятилетия была сосредоточена на использовании небольшого числа модельных организмов . Оказалось, что существует большая консервация механизмов развития во всем животном мире. На раннем этапе развития различные виды позвоночных используют по сути одни и те же индуктивные сигналы и одни и те же гены, кодирующие региональную идентичность. Даже беспозвоночные используют схожий репертуар сигналов и генов, хотя сформированные части тела значительно различаются. Каждый модельный организм имеет некоторые особые экспериментальные преимущества, которые позволили им стать популярными среди исследователей. В одном смысле они являются «моделями» для всего животного мира, а в другом смысле они являются «моделями» для человеческого развития, которое трудно изучать напрямую как по этическим, так и по практическим причинам. Модельные организмы оказались наиболее полезными для выяснения общей природы механизмов развития. Чем больше деталей ищут, тем больше они отличаются друг от друга и от людей.
Также для некоторых целей популярны морские ежи [51] [43] и асцидии . [52] Для изучения регенерации используются хвостатые амфибии , такие как аксолотль Ambystoma mexicanum , [53] а также планарии, такие как Schmidtea mediterranea . [10] Органоиды также были продемонстрированы как эффективная модель для развития. [54] Развитие растений было сосредоточено на кресс-салате Таля Arabidopsis thaliana как модельном организме. [55]
{{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}
: |journal=
проигнорировано ( помощь )