Мезодерма

В мезодерме зародыша на стадии нейрулы можно различить пять областей (рис. 6.1). Первая из них даст начало хорде, провизорному органу, основные функции которого состоят в индукции нервной трубки и в установлении оси тела. Вторая область дорсальная (параксиальная) мезодерма. Из этой мезодермы, локализованной по обе стороны нервной трубки и хорды, будут образовываться многие ткани тела — кости, хрящ, дерма и поперечнополосатая мускулатура. Третья область — промежуточная мезодерма (материал сегментных ножек). Из нее формируются органы выделения и протоки половых желез. (Мы будем более подробно говорить об этой области позднее, в других главах.) На большем расстоянии от материала хорды находится четвертая область— несегментированная мезодерма боковых пластинок, из которой развиваются сердце, кровеносные сосуды, клетки крови, гладкая мускулатура, выстилка полости тела (целома) и все мезодермальные компоненты конечностей, кроме поперечнополосатой мускулатуры. Боковые пластинки принимают также участие в формировании внезародышевых оболочек. Наконец, пятая область мезодермы— мезенхима головы.

Дорсальная мезодерма: дифференцировка сомитов

Одной из главных задач гаструляции является перемещение энтодермы глубоко внутрь зародыша и мезодермальных клеток между слоями эктодермы и энтодермы. Мезодермальные и энтодермальные органы формируются не после образования нервной трубки, а одновременно с ней (рис. 6.2). У куриного зародыша мезодермальные клетки, не участвующие в формировании хорды, мигрируют латерально, образуя толстые полосы, идущие продольно вдоль каждой стороны хорды и нервной трубки. Эти полосы дорсальной (параксиальной) мезодермы называют у птиц сегментной пластинкой, а у млекопитающих — несегментированной мезодермой. Когда первичная полоска претерпевает регрессию, а нервные валики в центральной части зародыша начинают сближать-

¹ Перевод с англ. К. Чуковского — В кн.: Уолт Уитмен. Листья травы, с. 37. М.: Художественная литература. 1982. с. 495.

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

_______________ РАННЕЕ РАЗВИТИЕ ПОЗВОНОЧНЫХ. МЕЗОДЕРМА И ЭНТОДЕРМА________________________________________ 187

Рис. 6.1. Схема, показывающая происхождение специализированных частей тела из трех первичных зародышевых листков. Половые клетки представлены в виде линии клеток, обособленной от остальных клеток, происходящих из трех зародышевых листков; объясняется это тем, что, хотя предшественники половых клеток и локализованы в эктодерме или мезодерме, их, по-видимому, следует отнести к уникальному клеточному типу. (По Carlson, 1981).

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

188_______________ ГЛАВА 6_______________________________________________________________________________

Рис. 6.2. Последовательные стадии развития куриного зародыша (основное внимание уделено мезодерме). А. Область первичной полоски; видна миграция клеток-предшественников мезодермы и энтодермы. Б. Образование хорды и дорсальной мезодермы. В. /'. Дифференцировка сомитов, целома и двух аорт (которые впоследствии сольются в одну). А. Б. В — 24 ч инкубации: Г — 48 ч инкубации.

ся, параксиальная мезодерма постепенно разделяется на треугольные блоки клеток, называемые сомитами. Первые сомиты появляются в переднем отделе зародыша, новые сомиты формируются позади них через равные интервалы времени (рис. 6.2. Г и 6.3). Поскольку при слегка различных температурах инкубации зародыши развиваются с разными скоростями, число имеющихся сомитов служит обычно наилучшим показателем того, насколько далеко продвинулось развитие. Конечное число сомитов является видоспецифичным признаком.

Механизм образования сомитов не вполне выяснен, но недавние исследования на куриных зародышах показали, что образующие их клетки сегментной пластинки организуются в виде розеток, называемых сомитомерами (Meier, 1979). В сегментной пластинке куриного зародыша постоянно видны от 10 до 11 пар сомитомеров, которые затем становятся сомитами (Packard, Meier, 1983). Превращение сомитомера в сомит можно наблюдать тогда, когда клетки самого переднего сомитомера становятся плотно упакованными. Было высказано предположение (Lash, Yamada, 1986), что в процессе упаковки клеток сомитомера участвует фибронектин. В основе этой гипотезы лежат два ряда данных. Во-первых (Ostrovsky et al., 1984), количество фибронектина в передней области презумптивного сомита увеличивается одновременно с началом уплотнения клеток переднего края этой ткани. Во-вторых (Lash et al., 1984; Cheney, Lash, 1984), in vitro было обнаружено, что диссоциированные клетки передних участков сегментной пластинки (которые уже имели оформленные сомиты) легко реагрегируют в скопления, по размерам равные сомитам. Диссоциированные клетки из задних участков сегментной пластинки (в которых еще не образовались сомиты) не реагрегируют с такой же легкостью. Это показывает, что мезодермальные клетки становятся более адгезивными по мере того, как они приобретают способность формировать сомиты. Клетки задних отделов можно индуцировать к образованию сомитоподобных скоплений, добавляя фибронектин к культуральной жидкости, в которой происходила их реагрегация.

По мере того как сомит становится когерентным образованием, т. с. совокупностью сцепленных друг с другом клеток, его клетки приобретают характер эпителиальных, а клетки наружного слоя соседних сомитов соединяются между собой плотными контактами. Вокруг сомита, так же как вокруг хорды и нервной трубки, образуется базальная мембрана (рис. 6.4; см. также рис. 5.36), состоящая из коллагена, фибронектина, ламинина и гликозаминоглика-

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

Рис. 6.3. Нервная трубка и сомиты (фотография получена с помощью сканирующего электронного микроскопа). Видны хорошо сформированные сомиты и дорсальная мезодерма (внизу справа), которая еще не разделилась на отчетливо выраженные сомиты. Можно также видеть клетки нервного гребня, мигрирующие в вентральном направлении из крыши нервной трубки. (Фотография с любезного разрешения К. W. Tosney.)

Рис. 6.4. Матрикс на поверхности сомитов и соседних тканей (фотографии получены с помощью сканирующего электронного микроскопа). А. Края нервной трубки, хорды и сомитов соединены внеклеточным матриксом, образованным комплексом коллагена и гликозаминогликана и имеющим важное значение для миграции клеток и для межклеточных взаимодействий между этими структурами. Б. Локализация фибронектина на внеклеточной базальной мембране сомита и прилегающих тканях у 2-дневного куриного зародыша (окрашивание флуоресцирующими антителами против фибронектина). Такие мембраны, содержащие фибронектин, обнаруживаются только после того, как клетки сомитомеров конденсируются и становятся эпителиальными клетками сомитов. (Фотографии с любезного разрешения: А — K.W. Tosney; Б — J. Lash.)

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

190_______________ ГЛАВА 6_______________________________________________________________________________

Рис. 6.5. Схематическое изображение поперечного среза через туловище зародыша человека в начале (А) и в конце (Б) четвертой недели развития. А. Клетки склеротома начинают мигрировать, удаляясь от миотома и дерматома. Б. К концу четвертой недели клетки склеротома конденсируются и образуют хрящевые позвонки, дерматом начинает формировать дерму, а клетки миотома распространяются вниз в вентральном направлении вдоль стенок тела зародыша. (По Langman, 1969.)

нов (ГАГ). По-видимому, ГАГ хорды и нервной трубки индуцируют в сомитах секрецию их собственных ГАГ. Если с помощью фермента удалить с поверхности хорды ГАГ, синтез ГАГ в сомитах прекращается до тех пор, пока на хорде заново не появится ГАГ. Под воздействием ГАГ или какого-то другого фактора, секретируемого либо хордой, либо нервной трубкой, вентральные клетки сомита (т. е. те, которые находятся дальше других от спинной стороны зародыша) начинают делиться митотически, теряют признаки, характерные для округлых эпителиальных клеток, и снова становятся мезенхимными клетками. Часть сомита, в которой образуются эти клетки, называют склеротомом; мезенхимные клетки в конечном счете становятся хондроцитами (рис. 6.2 и 6.5). Хондроциты ответственны за секрецию специфических типов коллагенов и гликозаминогликанов (таких, как хондроитинсульфат), характерных для хряща. Эти хондроциты участвуют в образовании осевого скелета (позвонков, ребер и т.д.).

После того как прекращается миграция клеток склеротома из сомита, оставшиеся эпителиальные клетки (совокупность которых называется дермамиотомом) формируют двуслойную плотную трубку (рис. 6.2 и 6.5). Наружный слой ее называется дерматомом: он дает начало мезенхимной соединительной ткани кожи — дерме, или кориуму. Внутренний слой называется миотомом; эти клетки образуют поперечнополосатые мышцы стенки тела и конечностей (Chevallier et al., 1977).

Миогенез: дифференцировка скелетной мышцы

Скелетная мышца образована пучками поперечнополосатых мышечных волокон — симпластов. развивающихся из многоядерных мышечных трубочек. В середине шестидесятых годов специалисты в области биологии развития дискутировали по поводу происхождения мышечных трубочек: возникают ли они в результате слияния нескольких одноядерных клеток-предшественников мышцы (миобластов) или образуются путем многократных делений ядра единичного миобласта, не сопровождающихся цитокинезом. Данные, полученные из двух независимых источников, показали, что мышечные трубочки формируются путем слияния миобластов.

Наиболее значительных успехов в изучении развития мышц удалось достичь после того, как было показано (Kö nigsberg. 1963). что миобласты могут дифференцироваться в мышечные трубочки в условиях культивирования in vitro. Культивирование in vitro позволило исследователям изучить механизм этого процесса и связать его с дифференцировкой мышечного волокна. Клетки из эмбриональных областей, содержащих миобласты, отделяли одну от другой с помощью переваривания внеклеточного матрикса трипсином. Затем их помещали в покрытые коллагеном чашки Петри, содержащие питательные вещества и сыворотку (рис. 6.6). Через 48 ч подавляющее большинство клеток представляло собой быстро делящиеся миобласты. Вскоре после этого в миобластах прекращался синтез ДНК и они сливались с соседними клетками, образуя широкие мышечные трубочки (Kö nigsberg, 1963), которые начинали синтезировать специфические для мышц белки. В многоядерных мышечных трубочках деления ядер и синтеза ДНК не наблюдается.

Слияние миобластов, приводящее к образованию мышечных трубочек, четко разделяется на два отдельных процесса. На первой стадии наблюдаются миграция клеток, узнавание и выстраивание их в ряд. В культуре изолированных клеток грудной мышцы 11-дневного куриного зародыша (которая еще содержала большое число одноядерных миобластов) можно было наблюдать, что эти клетки делились и мигрировали. Многие из мигрировавших клеток затем сливались и образовывали мышечные трубочки. Оказалось возможным (Nameroff, Munar, 1976) от-

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

_______________ РАННЕЕ РАЗВИТИЕ ПОЗВОНОЧНЫХ. МЕЗОДЕРМА И ЭНТОДЕРМА____________ ___________ 191

Д

Рис. 6.6. Дифференцировка миобластов у зародышей перепела. Миобласты помешали в культуральную среду, затем фиксировали, окрашивали и фотографировали на сроках 2, 3 и 5 сут после начала культивирования. А. Двухдневная культура, состоящая из одноклеточных миобластов. Б. Слияние миобластов, обнаруживаемое впервые в трехдневной культуре. В. Увеличение числа ядер в многоядерных мышечных трубочках в пятидневной культуре. Г. Та же 5-дневная культура при малом увеличении: наблюдается интенсивное слияние клеток. Д. Многоядерная мышечная трубочка при большем увеличении: видна характерная поперечная исчерченность. Масштабная полоска соответствует 0.01 мм (на рис. ошибка). (Из Buckley, Konigsberg, 1974; фотографии с любезного разрешения J.M. Konigsberg.)

делить процесс узнавания (выстраивание миобластов в цепочку) от процесса слияния, обработав культивируемые клетки фосфолипазой С. Этот фермент препятствует слиянию мембран, но не действует на процесс узнавания. Поэтому в присутствии фермента клетки образовывали цепочки, но их мембраны не сливались. Эти опыты также показали, что процесс узнавания ответствен за остановку синтеза ДНК в миобласте. ³Н-тимидин включался в ДНК мигрирующих миобластов, но не включался в миобласты, расположенные в цепочку (рис. 6.7). Следовательно, процесс узнавания клетками приостанавливает их дальнейшее деление.

Вторая стадия миогенеза это процесс слияния миобластов. Оба события — и узнавание, и слияние — зависят от наличия ионов кальция, но во время слияния ионы кальция должны поступать в миобласты. В соответствии с этим слияние можно активировать

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

192_______________ ГЛАВА 6_______________________________________________________________________________

Рис. 6.7. Синтез ДНК в культуре миобластов куриного зародыша. Миобласты были обработаны фосфолипазой С, а затем подвергнуты воздействию 3H-тимидина. Не прикрепившиеся миобласты продолжают делиться и поэтому включают 3Н-тимидин в ДНК. Включенные в ДНК меченые нуклеотиды вызывают потемнение зерен серебра в эмульсии, что можно обнаружить после проявления пленки. Выстроившиеся в одну линию (но еще не слившиеся) клетки (показаны стрелками) метку не включают. (Из NumerolT, Munar, 1976; фотографии с любезного разрешения М. Nameroff.)

ионофорами кальция, такими, как A23I87, который переносит ионы кальция через клеточные мембраны (Schainberg et al., 1969; David et al., 1981). Если выстраивание миобластов в цепочку опосредовано гликопротеидами клеточной мембраны (Knudsen, 1985), то их слияние, по-видимому, регулируется интенсивной реорганизацией мембранных компонентов, приводящей к образованию участков, свободных от белков и содержащих фосфолипиды (Kaufman, Foster, 1985; Wakelam, 1985). Было показано (Kalderon, Gilula, 1979), что опосредованное кальцием слияние миобластов происходит в тех участках их мембран, которые обогащены фосфолипидами. Эта гипотеза объясняет, почему фосфолипаза С является таким мощным ингибитором слияния клеток.

Хотя узнавание клетками друг друга и их слияние — существенные черты миогенеза. видовая специфичность в этих явлениях отсутствует. Миобласты сливаются только с миобластами, и они не обязательно должны принадлежать одному и тому же виду животных. Показано (Yaffe, Feldman, 1965), что миобласты зародышей крысы и курицы легко сливаются, образуя гибридные мышечные трубочки.

Результаты исследований, проведенных на аллофенных мышах, также свидетельствуют в пользу гипотезы о слиянии миобластов. Таких мышей получают путем слияния двух ранних зародышей; у развивающихся мышей имеются две четко различимые популяции клеток (см. рис. 3.29). В одном из опытов (Mintz, Baker, 1967) объединяли зародышей двух линий мышей, у которых синтезируются разные формы фермента изоцитратдегидрогеназы. Этот фермент, обнаруженный во всех клетках, состоит из двух идентичных субъединиц. Если мышечные трубочки образуются из одной клетки, ядра которой делятся без цитокинеза, то следует ожидать появления у аллофенной мыши двух разных («родительских») форм фермента (рис. 6.8). Вместе с тем, если мышечные трубочки формируются путем слияния миобластов, то следует ожидать появления мышечных клеток, в которых экспрессируются гены не только одной из двух «родительских» изоформ фермента (АА или ВВ), но также и третьей изоформы, образованной субъединицами каждого из родительских типов фермента (AB). Различные формы изоцитратдегидрогеназы могут быть разделены и идентифицированы по их подвижности в электрическом поле. Результаты опыта ясно показали наличие гибридного фермента в экстрактах из скелетных мышц, хотя в экстрактах из всех других тканей был обнаружен фермент только двух родительских типов. Следовательно, мышечные трубочки действительно формируются путем слияния многочисленных миобластов.

Все исследователи считают слияние миобластов и синтез специфических мышечных белков независимыми друг от друга явлениями, хотя и происходящими обычно одновременно. Как только миобласты выстраиваются в цепочку и прекращают делиться. они начинают синтезировать тропомиозин, тяжелую цепь миозина и специфичные для мышц изоформы актина и креатинкиназы. Креатинкиназа представляет собой димерный белок. До слияния миобластов в них синтезируется креатинкиназа, состоящая только из субъединиц В (димер ВВ). К моменту слияния в культуре они начинают синтезировать другую специфичную для мыши форму фермента (М), создавая димеры ММ (рис. 6.9. А). Слияние миобластов можно стимулировать, заменив среду, поддерживающую пролиферацию, средой, в которой отсутствуют определенные факторы роста. В лимитированной среде миобласты прекращают делиться и в течение короткого периода времени сливаются. Эта методика была использована (Devlin, Emerson, 1978) для синхронизации слияния клеток и изучения синтеза миозина, актина и тропомиозина (рис. 6.9, Б). В начале культивирования ни одного из белков обнаружить не удается. Однако ко времени слияния миобластов эти структурные белки очень быстро выяв-

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

Рис. 6.8. Схема, иллюстрирующая два возможных механизма формирования скелетных мышц и способ выбора между ними. Аллофенных мышей получают путем слияния мышиных зародышей разных линий: клетки каждой из двух линий можно различить по наличию разных форм фермента изоцитратдегидрогеназы. Этот фермент состоит из двух субъединиц; одна линия мышей продуцирует А-субъединицы изоцитратдегидрогеназы, другая — В-субъединицы. А. Если ферменты синтезируются одной клеткой или в многоядерных клетках, образовавшихся путем деления ядер в одной клетке, то изоформы фермента будут либо АА, либо ВВ, Б. Если в одной и той же клетке имеются два разных ядра, то одно из них может кодировать субъединицу В, тогда как другое — субъединицу А, и в результате некоторые молекулы фермента будут гибридными (AB). Эти три типа молекул разделяют методом электрофореза. Присутствие молекулы AB только в клетках скелетных мышц (но не в других типах клеток) подтверждает правильность модели слияния. (По Mintz, Baker, 1967.)

Рис. 6.9. Синтез новых ферментов, сопутствующий слиянию миобластов. А. Уменьшение активности субъединиц немышечной креатинкиназы (B-типа), сопровождающееся замещением их субъединицами специфичной для мышц креатинкиназы (М-типа) по мере слияния миобластов куриного зародыша, культивируемых in vitro. Слияние начинается после первых суток культивирования, и на вторые сутки культивирования в мышечных трубочках обнаруживается 38% ядер. Б. Синтез специфичных для мышц сократительных белков после перенесения делящихся миобластов в среду, способствующую их слиянию. Культуры метили 35S-метионином, который включается в белки, а затем через определенные сроки выявляли синтез разных белков (А — по Lough, Bischoff, 1977; Б —поDevlin, Emerson, 1978.)

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

194_______________ ГЛАВА 6_______________________________________________________________________________

ляются. Показано (Sutherland, Kö nigsberg, 1983), что, когда прекращается синтез ДНК, синтез специфичных для мышц белков увеличивается как обычно, даже в том случае, если слияние миобластов подавлено понижением концентрации кальция в среде. Отсюда можно заключить, что, как только клетки прекращают делиться, они приобретают способность и к слиянию, и к синтезу специфичных мышечных белков.

Общепризнано, что огромное увеличение синтеза таких белков происходит к моменту слияния миобластов, однако остается неясным, на каком уровне осуществляется контроль этих процессов — на транскрипционном, трансляционном или на том и другом вместе. Некоторые исследователи (см. гл. 14) сообщили, что в миобластах до их слияния обнаруживаются мРНК, специфичные для мышечных белков. Если это так, то акт слияния должен действовать как сигнал для начала трансляции этих уже имеющихся мРНК. Другие исследователи (Devlin, Emerson, 1979; Daubas et al., 1981) не смогли обнаружить в делящихся миобластах мРНК для сократительных белков. Эти исследователи полагают, что синтез таких белков происходит на новообразованных мРНК. В любом случае слияние миобластов и накопление специфичных мышечных белков, по-видимому, координируется прекращением синтеза ДНК в пролиферирующих миобластах.

Остеогенез: развитие кости

Кости наиболее четко выраженные производные соматической мезодермы. В этой главе будут рассмотрены только самые общие механизмы формирования костей. Студенты, желающие получить более подробные сведения, могут обратиться к учебникам по гистологии, где этой теме посвящены целые главы. Существуют два способа формирования костей (остеогенеза), и оба включают в себя трансформацию предсуществующей соединительной ткани в костную ткань. Превращение малодифференцированной соединительной ткани в костную называется интрамембранным окостенением, а замещение хряща костью — эндохондральным окостенением. Образование плоских костей, например костей черепа, осуществляется посредством интрамембранного окостенения. Рыхло расположенные мезенхимные клетки пролиферируют и образуют плотные скопления. Некоторые из этих клеток дают начало капиллярам, а другие изменяют свою форму и становятся остеобластами — клетками, способными секретировать костный матрикс. Синтезируемый ими коллагено-гликозаминогликановый матрикс обладает способностью связывать соли кальция, приносимые капиллярами в область окостенения. Таким образом, матрикс становится кальцифицированным (обызвествленным). В большинстве случаев остеобласты отделяются от области обызвествления слоем предкостного (остеоидного) матрикса. который они секретируют. Однако время от времени остеобласты захватываются костным матриксом, и тогда они становятся остеоцитами — костными клетками. По мере обызвествления костные спикулы распространяются радиально от центра, где началось окостенение (рис. 6.10). Кроме того, целая область обызвествленных спикул окружается плотно лежащими над ней мезенхимными клетками, формирующими периост, или надкостницу. Клетки на внутренней поверхности надкостницы также становятся остеобластами и секретируют костный матрикс параллельно с матриксом уже образовавшихся спикул. Таким образом формируется много слоев кости.

Эндохондральное окостенение заключается в замещении хрящевой ткани костной. В данном случае хрящ служит моделью для последующего формирования кости. Сначала образуется хрящевой зачаток

Рис. 6.10. Схема, иллюстрирующая внутримембранное окостенение. А. В скоплениях мезенхимы образуются остеобласты, которые секретируют костеподобный (предкостный) матрикс. Эти остеобласты располагаются вдоль обызвествленного участка матрикса. Остеобласты, попавшие внутрь костного матрикса, становятся остеоцитами. Б. Распространение костных спикул от места первичного окостенения в костях черепа трехмесячного зародыша человека. Кости, образующиеся путем эндохондрального окостенения, обозначены черным цветом. (По Langman, 1969.)

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

________________ РАННЕЕ РАЗВИТИЕ ПОЗВОНОЧНЫХ. МЕЗОДЕРМА И ЭНТОДЕРМА___________________________ 195

Рис. 6.11. Схема, иллюстрирующая эндохондральное (внутрихрящевое) окостенение. А. Хрящевая «модель» кости. Б. Инвазия кровеносного сосуда в центр хрящевого диафиза, приводящая к образованию зон клеточной пролиферации, гипертрофии клеток и клеточной гибели. В. Формирование костного мозга в диафизе и центра вторичного окостенения в эпифизе. (По Langman. 1969.)

будущих костей позвоночного столба, таза и конечностей, а позже хрящ замещается костной тканью. Этот замечательный процесс координирует хондрогенез (образование хряща) с остеогенезом (ростом кости), в течение которого скелетные элементы одновременно испытывают нагрузку, растут в ширину и отвечают на локальные стрессы. Одна из гипотез, предложенная для объяснения механизма этой координации, постулирует сдвиг в функции митохондрий, вызываемый изменением количества кислорода и питательных веществ, доступных клеткам. У зародыша человека в возрасте 7 нед. «длинные кости» образованы только хрящем, окруженным оболочкой из плотной мезенхимы. Эта оболочка становится надкостницей (рис. 6.11). Затем капилляры из надкостницы проникают в центр хрящевого зачатка, ранее лишенного кровеносных сосудов. Хрящ реагирует на это формированием зон интенсивной клеточной пролиферации, гипертрофии клеток (увеличения их размеров) и клеточной гибели.

Если клетка находится в зоне пролиферации, то она лежит вблизи несущего кислород кровеносного сосуда и хорошо снабжается гликогеном — источником энергии. Митохондрии этих делящихся клеток синтезируют АТФ, необходимый для митоза. Однако в зоне гипертрофии снабжение клеток кислородом ухудшается. Согласно этой теории, дыхание клеток в зоне гипертрофии становится анаэробным, и митохондрии переключаются с образования АТФ на накопление кальция (Brighton, Hunt, 1974; Brighton. 1984). В анаэробном участке зоны гипертрофии снабжение клеток гликогеном полностью прекра-

Рис. 6.12. Отложение кальция хондроцитами в дистальной области зоны гипертрофии клеток. Кальций (окрашенный в черный цвет на смонтированной электронной микрофотографии) откладывается во внеклеточном матриксе крупными хондроцитами (Из Brighton, Hunt, 1974; фотография с любезного разрешения С. Т. Brighton.)

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

196_______________ ГЛАВА 6________________________________________________________________________________

Рис. 6.13. Минерализация скелета у 17-дневных куриных зародышей: нормальных (справа) и культивировавшихся без скорлупы (слева). Зародышей фиксировали и окрашивали ализарином красным для выявления обызвествленного матрикса. (Из Tuan, Lynch, 1983; фотография с любезного разрешения R. Tuan.)

Рис. 6.14. Пролиферация клеток в эпифизарной пластинке, стимулированная гормоном роста. А. Участок хряща в кости молодой крысы, у которой удалением гипофиза вызван дефицит гормона роста. Б. Такой же участок хряща у крысы после инъекции ей гормона роста. (Фотографии J. Gersh из Bloom, Faweett, 1975.)

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

________________ РАННЕЕ РАЗВИТИЕ ПОЗВОНОЧНЫХ. МЕЗОДЕРМА И ЭНТОДЕРМА___________________________ 197

Рис. 6.15. Активность остеокластов в костном матриксе. А. Ундулирующая мембрана куриного остеокласта, культивируемого на реконструированном костном матриксе. Б. Участок ундулирующей мембраны, окрашенной на присутствие АТФазы, способной к транспорту Η + из клетки. АТФаза локализована только в мембране клеточного отростка. (А и Б - фотографии получены с помощью просвечивающего электронного микроскопа). В. Растворение неорганического и коллагенового компонентов матрикса (измеряемое соответственно по высвобождению 45Ca и 3H-пролина из 10 000 остеокластов, инкубированных на меченых фрагментах кости). (А и В - из Blair et.al., 1986; Б - из Baron et al., 1986; фотографии с любезного разрешения авторов.)

щается и митохондрии более не могут накапливать кальций (его накопление - активный энергоемкий процесс). В результат отмирающие хондроциты высвобождают кальций, и за его счет формируется провизорный обызвествленный (кальцифицированный) матрикс (рис. 6.12). Остеобласты выстраиваются в ряд вдоль обызвествленных полос матрикса и начинают откладывать на них кость. В конечном счете эти полосы исчезают и остается лишь кость, сформированная остеобластами. Таким образом, кость оказывается там, где ранее находился хрящ.

Другая гипотеза подчеркивает различное происхождение начальных запасов фосфита кальция во внеклеточном матриксе. Согласно этой гипотезе, главными действующими агентами в накоплении кальция являются не митохондрии хондроцитов, а пузырьки матрикса. Считают, что эти пузырьки представляют собой специализированные участки плазматической мембраны хондроцита, которые отпочковываются от клетки и прилипают к внеклеточному матриксу. Попав на это место, они накапливают большие количества кальция и фосфита из окружающей лимфы (Dereszewski, Howell, 1978; Wuthier et al., 1985). Действительно, ли пузырьки связаны с самыми начальными отложениями кальция в хряще и кости. Недавно обнаружено (Wuthier et. al., 1985), что некоторые пузырьки содержат кальций из хондроцитов. Это позволяет предположить, что обе модели могут быть правильными и что накопление кальция может осуществляться с помощью не одного, а двух или более механизмов. Замещение хондроцитов остеобластами зависит, по-видимому, от минерализации внеклеточного матрикса. У куриных зародышей источником кальция

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

198 ГЛАВА 6

служит углекислый кальций скорлупы яйца. За время развития кровеносная система зародыша переносит около 120 мг кальция от скорлупы к скелету (Tuan, 1987). Если у развивающегося куриного зародыша на третьи сутки инкубации удалить скорлупу, поместить его в пластиковую оболочку и культивировать до конца эмбриогенеза, то в условиях дефицита кальция большая часть хрящевого скелета не превращается в костную ткань (Tuan. Lynch. 1983; рис. 6.13). Остеогенез в длинных костях начинается в диафизе и постепенно распространяется к концам хрящевого зачатка. У новорожденного младенца диафизы длинных костей обызвествлены, тогда как их концы (называемые эпифизами) все еще образованы хрящом. Вскоре после рождения в хрящевых эпифизах (по мере того как в них проникают кровеносные сосуды) возникают вторичные центры окостенения. Между кальцинированной тканью в эпифизах и диафизом продолжает сохраняться хрящевая пластинка. Эта эпифизарная пластинка играет важную роль в росте ребенка после рождения, так как она отвечает пролиферацией на поступающий в нее гормон роста (рис. 6.14). Гормоны также ответственны и за прекращение роста: высокие концентрации эстрогена или тестостерона вызывают слияние центров окостенения в эпифизах и диафизе, что приводит к утрате эпифизарной пластинки. Такое эпифизарное слияние происходит в юношеском возрасте, причем у девушек на два года раньше, чем у юношей.

По мере увеличения костного матрикса на периферии кости в ее внутренней части образуются полости и формируется костный мозг. Эта деструкция костной ткани осуществляется остеокластами многоядерными клетками, поступающими в кость по кровеносным сосудам (Kahn, Simmons, 1975).

	Рис. 6.16. Сравнение развития мезодермы узародышей лягушки и курицы. А. Нейрула лягушки: видно прогрессивное развитие мезодермы и целома. Б. Поперечный разрез через куриный зародыш, которого отделили от желтка и сблизили края разреза. Лишенный огромной массы желтка, он напоминает нейрулу амфибий на сходной стадии. (А —по Rugh, 1951; Б — по Patten, I95I.)

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

________________ РАННЕЕ РАЗВИТИЕ ПОЗВОНОЧНЫХ. МЕЗОДЕРМА И ЭНТОДЕРМА___________________________ 199

Остеокласты, вероятно, происходят из тех же клеток-предшественников, что и клетки крови; они растворяют как неорганические, так и белковые компоненты костного матрикса (Ash et al., 1980; Blair et al.. 1986). Остеокласт направляет многочисленные отростки в матрикс и накачивает ионы водорода в окружающий его материал, тем самым окисляя и растворяя его (Baron et al.. 1985. 1986: рис. 6.15). Кровеносные сосуды поставляют в костный мозг также кроветворные клетки, которые остаются в нем на всю жизнь.