Файл: Учреждение образования полесский государственный университет в. Т. Чещевик молекулярные основы.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 04.12.2023
Просмотров: 268
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Молекулярные основы онтогенеза
Полесский государственный университет
Страница 26
• циклический аденозинмонофосфат
(цАМФ) и циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ);
• инозитолтрифосфат;
• липофильные молекулы (например, диацилглицерол);
• оксид азота (NO).
Механизм передачи сигнала имеет следующую схему:
1. взаимодействие внешнего агента (стимула) с клеточным рецептором,
2. активация эффекторной молекулы, находящейся в мембране и отвечающей за генерацию вторичных посредников,
3. образование вторичных посредников,
4. активация посредниками белков-мишеней, вызывающих генерацию следующих посредников,
5. исчезновение посредника.
На ранних этапах эмбриогенеза решающая роль в межклеточных коммуникациях принадлежит паракринным факторам, секретируемым белкам, которые распространяются в межклеточном пространстве путем диффузии, автокринным факторам, секретируемыем сигнальным молекулам, которые регулируют функции самой клетки-производительницы, и юкстакринным факторам, сигнальным молекулам, которые являются интегральными белками плазматической мембраны и влияют на спецификацию соседних клеток, непосредственно взаимодействуя с рецепторами последних.
Паракринные факторы регулируют процессы клеточной репродукции, клеточной дифференциации и морфогенеза. К паракринным факторам относятся:
1. Фибробластические факторы роста (FGF), эпидермальные факторы роста (EGF), инсулинподобные факторы роста (IGF) и некоторые другие факторы, которые взаимодействуют с тирозинкиназными рецепторами.
Фибробластические факторы роста играют важную роль в формировании кровеносных сосудов, являются фактором роста кератиноцитов, участвуют в индукции мезодермы на стадии бластулы и гаструлы амфибий, участвуют в формировании различных отделов головного мозга, в формообразовательных процессах при развитии конечности, черепа и других процессах.
2. Трансформирующие факторы роста бета (TGF-β), активины, разнообразные BMP-факторы взаимодействуют с рецепторами, которые обладают серин-треонинкиназной активностью.
Данные факторы контролируют клеточную репродукцию, программируемую смерть клеток
Молекулярные основы онтогенеза
Полесский государственный университет
Страница 27
(апоптоз), миграцию клеток, установление осей зародыша, спецификацию мезодермы, дифференциацию нервной системы и органов чувств, морфогенез кишки.
3. Сигнальные белки семейства Wingless (Wnt). Данные сигнальные белки у зародышей амфибий и рыб используются при формировании переднезадней оси (Xwnt-3), при спецификации вентральной мезодермы (Xwnt-8), при дифференциации мозга (Xwnt-1, Xwnt-8b, zWntd), для осуществления гаструляции (Xwnt-11, zWnt-11).
4. Сигнальные белки сем. Hedgehog (Hh). Данные белки участвуют в регуляции паттернинга нервной трубки и сомитов, обеспечивают нормальное течение сперматогенеза, формирование лево-правой асимметрии тела и переднезадней оси конечности позвоночных, участвуют в дифференциации зубов и перьев.
Межклеточные взаимодействия с помощью юкстакринных факторов позволяют контролировать выбор пути развития в зависимости от дифференцировочного статуса клеток, находящихся в непосредственном контакте. К юкстакринным факторам относится система передачи сигналов
Delta/Notch. Особенностью сигнальной системы Delta/Notch является то, что как молекулы-лиганды (Delta, Serrate), так и их рецептор (Notch) представляют собой интегральные белки плазматических мембран и могут осуществлять взаимодействие только между клетками, которые находятся в непосредственном контакте. Обычно эти клетки входят в состав одной клеточной популяции, т.е. имеют общую историю развития и одинаковые потенции.
2. Адгезионные молекулы клеточной поверхности и щелевые
контакты
Адгезивные свойства клеток определяются расположенными на их поверхности молекулами клеточной адгезии (МКА). В ходе эмбрионального развития адгезивные свойства клеток закономерно изменяются за счет синтеза и включения в состав плазматической мембраны различных белков и их модификации (например, путем гликозилирования).
Выделяют три семейства молекул клеточной адгезии: кадгерины, иммуноглобулины и селектины.
Кадгерины являются крупными Ca
2+
-зависимыми трансмембранными гликопротеинами, внеклеточные домены которых содержат около 100 аминокислотных остатков, в том числе последовательность гистидин-аланин-
Молекулярные основы онтогенеза
Полесский государственный университет
Страница 28 валин, которая участвует в соединении молекул. Связь между молекулами кадгерина, встроенными в плазматическую мембрану клетки, возможна только при наличии в среде ионов кальция, которые связываются с особыми кальций- связывающими сайтами. Соединение между молекулами кадгеринов имеет обычно гомофильный характер, при котором между собой взаимодействуют идентичные молекулы соседних клеток. Внутриклеточный домен кадгерина соединен с цитоскелетом клетки. Различают несколько типов кадгеринов: E- кадгерин эпителиальных клеток, P-кадгерин клеток плаценты, N-кадгерин нервных клеток.
Иммуноглобулины состоят из 4–6 иммуноглобулин-подобных и 6 фибронектиновых доменов. Молекулы иммуноглобулинов заякорены в плазматической мембране и взаимодействуют с гомологичными молекулами соседних клеток (гомофильное взаимодействие), не нуждаясь в ионах Ca
2+
Селектины – это белки, связывающие углеводы. Это кальций-зависимые молекулы адгезии, которые обеспечивают взаимодействие между клетками крови и эндотелием.
Щелевой контакт – способ соединения клеток в организме с помощью белковых каналов (коннексонов). Через щелевые контакты могут передаваться: электрические сигналы (потенциалы действия), малые молекулы (с молекулярной массой примерно до 1 кДа). Структурную основу щелевого контакта составляют коннексоны – каналы, образуемые шестью белками- коннексинами. Коннексоны сосредоточены на ограниченных по площади участках мембран – нексусах (или бляшках). В области нексуса мембраны соседних клеток сближены, расстояние между ними составляет 2–4 нм.
3. Избирательные взаимодействия клеток с внеклеточным
матриксом и молекулы субстратной адгезии
В процессах клеточной дифференциации и морфогенеза важную роль играет внеклеточный матрикс – сложный комплекс адгезивных внеклеточных белков. Белки внеклеточного матрикса образуют сложную сеть вследствие наличия в их составе трипептида RGD (аргинин-глицин-аспартат).
Внеклеточный матрикс – чрезвычайно динамичная структура, постоянно меняющаяся по мере дифференциации зародыша. Эти изменения обусловлены не только спецификой экспрессии генов клеток, которые продуцируют матрикс, но и активностью во внеклеточном пространстве различного рода ферментов.
В состав внеклеточного матрикса входят следующие белки: фибронектины, коллагены, ламинины, протеогликаны и эластины.
Молекулярные основы онтогенеза
Полесский государственный университет
Страница 29
Протеогликаны
– это сильно обводненные белки, придающие гелеобразный характер соединительной ткани. Протеогликаны связывают факторы роста или другие белки, оказывают влияние на эффективность межклеточного сигналинга.
Функции протеогликанов: а) специфически взаимодействуют с коллагеном, эластином, фибронектином и др.; б) являясь полианионами, связывают катионы; в) определяют форму и упругоэластические характеристики органов; г) участвуют в рецепции, эндо- и экзоцитозе, межклеточном взаимодействии; д) регулируют процессы трансмембранного переноса (например, клубочковую фильтрацию), включая работу синапсов; е) обеспечивают гомеостатическое действие (антикоагулянтное действие, функционирование тучных клеток и др.); ж) образуя структуры типа молекулярных сит (гель), обеспечивают барьерную функцию, защищая организм от проникновения микробов, чужеродных молекул, токсинов.
Фибронектины
– крупные гликопротеины, состоящий из двух субъединиц, которые связаны на С-концах двумя дисульфидными связями. В каждой субъединице до 15 раз повторяется одна и та же последовательность из
90 аминокислотных остатков. Благодаря альтернативному сплайсингу ген фибронектина дает несколько разных форм белка, специфичных для разных типов клеток и тканей. Фибронектин регулирует миграцию клеток в межклеточном веществе соединительной ткани.
Коллагены – представлены нитчатыми структурами нерастворимого белка, которые образуют плотную сеть. Структура и состав коллагенов заметно варьируют в разных тканях. Особенно богаты коллагеном дерма, хрящи и кости.
В организме млекопитающих коллаген составляет 25 % от всех белков.
Выделяют следующие типы коллагенов, важных для органогенеза: тип I и II – кости, дентин, роговица, гиалиновый хрящ; тип III – дерма, десны, клапаны сердца; тип IV – базальные мембраны; тип V и VI – кости, роговица, клапаны сердца, артериальные сосуды; тип VII и VIII – эндотелий сосудов; тип IX и X – хрящевая ткань.
Ламинины – очень рано появляются в эмбриогенезе и являются
Молекулярные основы онтогенеза
Полесский государственный университет
Страница 30 непременным компонентом базальной пластинки эпителиев. Представляют собой белок, состоящий из трех полипептидных цепей, организованных в виде крестообразной структуры, причем домены ламинина связывают коллаген типа
IV, гепаран-сульфат и гликопротеины поверхности клеток;
Коллаген типа IV, гепарансульфат, ламинин и энтактин образуют базальные мембраны.
Молекулы субстратной адгезии участвуют в передаче информации, контролирующей экспрессию генов и морфогенетические процессы. К ним относятся гликозилтрансферазы и интегрины.
Гликозилтрансферазы – это ферменты, встроенные в плазматическую мембрану, при этом их активный центр обращен во внешнюю среду
(эктоэнзим). Функция гликозилтрансфераз состоит в переносе активированного углевода на субстрат. Связь между клеткой и субстратом в данном случае имеет гетерофильный характер, т. е. обеспечивается взаимодействием молекул разной природы.
Гликозилтрансферазы обеспечивают связывание клеток с внеклеточным матриксом.
Интегрины (около 20 видов) – это трансмембранные гликопротеины, которые являются клеточными рецепторами, взаимодействующими с молекулами внеклеточного матрикса. Для их активности необходим кальций.
Внутриклеточные области интегринов с помощью целого ряда линкерных
(промежуточных) белков связаны с актиновым цитоскелетом. Интегрины создают непосредственную связь компонентов внеклеточного матрикса с цитоскелетом клетки. Интегрины в результате взаимодействия с лигандами матрикса индуцируют экспрессию определенных генов, изменяют организацию цитоскелета клетки, контролируют движение клеток и клеточную пролиферацию.
4. Миграция клеток как результат избирательных
взаимодействий
Клеточные перемещения наряду с другими клеточными процессами имеют очень большое значение в онтогенезе. Миграция клеток может происходить группами или одиночно (например, клетки мезенхимного типа) или сплошным пластом (клетки эпителиев). Клетки мезенхимного типа наиболее подвижны, так как не образуют между собой стойких контактов.
Миграция клеток происходит на основе хемотаксиса или контактного воздействия. Амебоидное движение по типу хемотаксиса показано для некоторых видов специализированных мезенхимных клеток (гоноциты,
Молекулярные основы онтогенеза
Полесский государственный университет
Страница 31 сперматозоиды, некоторые клетки крови). Миграция клеток на основе контактных взаимодействий более распространена. При этом важную роль в перемещении клеток в эмбриогенезе играет фибронектин.
Амебоидное движение и свойства клеточных мембран генетически детерминированы, что обуславливает генетический контроль миграции клеток с одной стороны, и влияние окружающих клеток и тканей – с другой стороны.
Молекулярные основы онтогенеза
Полесский государственный университет
Страница 32
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
ТЕМА 5
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ ГАМЕТОГЕНЕЗА
1. Общая характеристика гаметогенеза.
2. Сперматогенез.
3. Оогенез. Метафазный блок мейоза.
1. Общая характеристика гаметогенеза
Гаметогенез – это процесс формирования половых клеток. Гаметы представляют собой высоко специализированные клетки, дифференциация которых связана с редукцией числа хромосом.
Клетки половой линии обособляются на ранних этапах эмбрионального развития. Известны два способа спецификации клеток половой линии: эпигенетический (свойства половой клетки индуцируются внешними по отношению к клетке факторами) и преформационный (обусловленный материнскими детерминантами, унаследованными клеткой вместе с цитоплазмой ооцита). Клетки, потомки которых дают начало исключительно гаметам, называются первичными половыми клетками (ППК). ППК представляют собой диплоидные клетки, которые мигрируют от места своего возникновения до зачатка гонады. В период миграции ППК активно делятся, благодаря чему численность популяции ППК возрастает примерно от ста клеток до пяти тысяч. ППК, заселившие гонады, называют гониями.
Гонии являются диплоидными и способны к митотическим делениям.
Гонии мужских гонад называют сперматогониями, а женских – оогониями. В период созревания половые клетки теряют способность к митотическим делениям. Они вступают на путь превращения в гаплоидные клетки, претерпевая сложный процесс редукции числа хромосом в результате мейоза.
Мейоз включает два последовательных деления, которые называются мейотическими, или делениями созревания. Половые клетки, вступившие на путь делений созревания, называют «цитами»: соответственно в мужских и женских гонадах различают сперматоциты и ооциты. До завершения первого деления созревания половые клетки называют первичными сперматоцитами
(ооцитами). После первого деления созревания их называют – вторичными сперматоцитами (ооцитами). После завершения деления созревания вторичный ооцит называют зрелой яйцеклеткой. Вторичный сперматоцит в результате второго деления созревания образует гаплоидную сперматиду. В процессе
Молекулярные основы онтогенеза
Полесский государственный университет
Страница 33 сперматогенеза различают особый период формирования, в течение которого сперматида преобразуется в зрелый сперматозоид.
В процессе мейоза кроме редукции числа хромосом осуществляется рекомбинация генома половых клеток: случайное распределение родительских хромосом по дочерним клеткам и кроссинговер.
Переключение с митотических делений, характерных для гоний, на мейоз находится под контролем многих генов, в частности, генов, контролирующих репликацию ДНК.
2. Сперматогенез
Специализация мужских гамет направлена на максимальную компактизацию ядерных структур, развитие органелл движения и органелл, обеспечивающих встречу и соединение спермия с яйцеклеткой. Объем спермия определяется практически размерами ядра, несколькими митохондриями, центросомой и величиной жгутика.
В процессе формирования сперматозоида объем его ядра резко уменьшается. Хроматин спермия конденсируется и плотно упаковывается вследствие замещения гистонов особыми высоко основными белками – протаминами и иными аргинин-богатыми белками.
Жгутиковые сперматозоиды обычно имеют акросому. Акросома представляет секреторный пузырек, который формируется при участии аппарата Гольджи, и содержит разнообразные гидролитические ферменты.
Митохондрии часто сливаются между собой и образуют крупную хондросферу, которая локализована в основании жгутика вокруг центриоли и генерирует энергию для движения жгутика. Центриоль, которая в период делений сперматогониев и сперматоцитов определяет формирование веретена, в ходе спермиогенеза преобразуется в базальное тельце жгутика. Основу жгутика составляет осевой комплекс (аксонема), состоящая из двух центральных одиночных микротрубочек, вокруг которых расположены девять дублетов микротрубочек.
Сперматогенез подразделяется на следующие фазы: 1. фаза размножения, в течение которой образующиеся после деления стволовых клеток сперматогонии размножаются путем митотических делений. 2. фаза коммитации, в течение которой включаются генетические программы инициации сперматогенеза. 3. фаза созревания (охватывает премейотический синтез ДНК и два мейотических деления). 4. Фаза формирования спермия
(образование гаплоидного сперматида).