http://www.embryo.pu.ru/DevBiol/Program.php

ПРОГРАММА КУРСА «БИОЛОГИЯ РАЗВИТИЯ»

(3-й курс дневного отделения биолого-почвенного факультета СПбГУ)

54 часа (34 часа лекции и 20 часов практических занятий),16 лекций

1-я лекция (2 час)

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ БИОЛОГИИ РАЗВИТИЯ

ПРЕДМЕТ, ПРОБЛЕМЫ И МЕТОДЫ БИОЛОГИИ РАЗВИТИЯ

Предметом изучения биологии развития являются: 1) развитие многоклеточных организмов, произошедших половым или бесполым путём; 2) физиологическая и репаративная регенерации

Основными изучаемыми проблемами биологии развития являются: а) формирование паттернов, модулей составляющих формирующийся организм, б) регуляция пролиферации, дифференцировки и гибели клеток в ходе развития: в) морфогенез - образование надклеточных структур, включая избирательные межклеточные взаимодействия и миграцию клеток, образование тканей и надтканевых систем организма; г) эволюционные преобразования развивающихся форм и структур; д) влияние факторов внешней среды на развитие.

Основные концептуальные понятия: дифференциальная активность генов и избирательные взаимодействия клеток

Биология развития является интегральной наукой о развитии многоклеточных организмов, включающей в качестве составных частей описательную, экспериментальную и сравнительную эмбриологию, молекулярную биологию и генетику развития, а также вопросы эволюции геномов и отдельных генов многоклеточных в связи с преобразованиями развивающихся форм и структур. Биология развития изучает не только ранние этапы развития из яйца, но также формирование личинок с прямым развитием или метаморфозом, постнатальное развитие, а также болезни развития.

Гомология эмбриональных структур (К. Э. фон Бэр), рассматривается с позиций гомологичных макромолекул и сигнальных каскадов в эволюционном ряду организмов. Ортологичность и паралогичность генетических молекул. Пересмотр филогенетических связей у первичноротых. Происхождение Bilateria. Новый синтез идей эволюции и развития - EvoDevo.

Основные методологические подходы в биологии развития - это

1. «утрата функции»
2. «приобретение функции»

Эти подходы достигается благодаря широкому и комплексному применению методов исследования: 1) экспериментальной эмбриологии (умерщвление, удаление, трансплантация частей зародыша, зачатков тканей или отдельных клеток); 2) культивирования эмбриональных стволовых клеток и клеточных линий (их маркировка) зачатков тканей и органов с целью прослеживания их судьбы при дальнейшем развитии; 3) генетических, молекулярно-генетических и молекулярно-биологических методов, включая методы переноса генов, их частей, получения трансгенных и нокаутированных животных; 4) компьютерные методы (in silico) моделирования развития.

Экспериментальная эмбриология XIX-XX веков как провозвестник современной биологии развития. От наблюдения к эксперименту, от экспериментов с бластомерами, тканями и органами к экспериментам со специализированными клетками и макромолекулами. От клонирования генов к клонированию животных. Генотерапия и клонирование эмбиональных стволовых клеток на службе у медицины будущего.

МОРФОГЕНЕТИЧЕСКИЕ ПОЛЯ И ПАТТЕРНЫ РАЗВИТИЯ

Коммитирование клеток ( спецификация и детерминация). Три типа спецификации (автономная, зависимая и синцитиальная). Мозаический и регулятивный типы развития. Опыты А. Вейсмана и Ру. Опыты Г. Дриша, Г. Шпемана и С. Гёрстадиуса.

Клеточные линии у червей, моллюсков. Проспективные карты зачатков (карты клеточных судеб), методы их построения.

Морфогенетическое поле – группа клеток, чья позиция и назначение определены в пределах одних и тех же границ (морфогенетические поля зачатков глаза, сердца и конечностей у высших позвоночных). Задание морфогенетических полей зачатков в полярных координатах.

Позиционная информация. Морфогенетические детерминанты и морфогены. Градиенты морфогенов и модель «французского флага» Вольперта.

Реакционно-диффузионная модель Тьюринга образования градиентов концентраций.

2-я лекция (2 час)

МЕХАНИЗМЫ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ КЛЕТОЧНОЙ ДИФФЕРЕНЦИРОВКИ И МОРФОГЕНЕЗА

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ЭКСПРЕССИЯ ГЕНОВ

В основе дифференциальной активности генов лежат обратимые (эпигеномные) изменения отдельных участков хроматина с сохранением непрерывной структуры (соответствуют эпигенетической изменчивости генома): конденсация, деконденсация хроматина, метилирование ДНК), а также необратимые изменения участков хроматина, которые могут быть связаны с частичной перестройкой структуры генома.

Онтогенетическая стабильность генома как базовая характеристика половых и соматических клеток большинства многоклеточных животных в ходе онтогенеза

Цитологические, генетические, эмбриологические и молекулярно-биологические

доказательства эквивалентности генома в клетках различных типов тканей и органов. Клонирование организмов как доказательство эквивалентности клеточных генотипов

в онтогенезе (пересадка ядер в энуклеированные ооциты земноводных, клонирование овец, телят, мышей и т.п.).

Явления онтогенетической нестабильности генома в соматических клетках ряда животных как результат геномных перестроек соматических клеток. Диминуция хроматина у паразитирующих нематод и некоторых насекомых в соматических клетках; реорганизация ДНК в ходе образования генов иммуноглобулинов в B-лимфоцитах и клеточных рецепторов в Т-лимфоцитах; транслокации хромосом в ходе онтогенеза как причины возникновения ряда опухолей.

Изменение структуры хромосом в ходе развития: пуффинг, образование ламповых щеток, политения, недорепликация сателлитных ДНК, амплификация рибосомных (ядрышковых) генов, Инактивация районов Х-хромосом у самок млекопитающих.

Импринтинг. Функциональные различия отцовских и материнских геномов, возникающие в гаментогенезе (метилирование, экспансия триплетных повторов у млекопитающих).

Многоуровневый характер регуляции экспрессии генов

(регуляция на уровне хроматина, транскрипции, процессинга, транспорта из ядра в цитоплазму, претрансляции, трансляции мРНК, при пострансляционном созревании белков, секреции и созревание белков после секреции)

Регуляция генов на уровне инициации транскрипции.

Цис-элементы промотров и транс-факторы регуляции транскрипции. Общие и специальные транскрипционные факторы. ДНК-белковые и белок-белковые взаимодействия. Роль белковых факторов, взаимодействующих с хроматином.

Доменная структура транскрипционных факторов, на примере ТФ важных для раннего эмбрионального развития животных: гомеодомен (helix-turn-helix), Paired-домен, basicHLH.

Регуляция экспрессии генов на пост-транскрипционном уровне

В ходе созревания насцентной РНК (терминация транскрипции, кэпирование, полиаденилирование, сплайсинг, транспорт из ядра в цитоплазму).

Детерминация пола у Drosophila (на уровне траснкрипции и сплайсинга): гены нумераторы и деноминаторы, sex letal (Sxl), transformer (tra), doublesex (Dsx).

Регуляция экспрессии генов в на пре-трансляционном и трансляционном уровнях.

Хранение запасенной м-РНК в цитоплазме (гены “материнского эффекта”). Транспорт экзогенных мРНК в яйцеклетки насекомых. Хранение мРНК в цитоплазме яйцеклеток Drosophila, Xenopus laevis и активация мРНК (вторичное полиаденилирование, взаимодействие РНК-связывающих белков с 3’-UTR и т.п.) в раннем развитии Сaenorhabditis. elegans, Drosophila melanogaster.

3-я лекция (2 час)

ИЗБИРАТЕЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КЛЕТОК

Эксперименты Townes, Holtfretter и Foty (Клеточный сортинг).

Адгезионные молекулы клеточной поверхности

Межклеточные контакты: Молекулы клеточной адгезии-CAM (Ca-зависимые, Ca-независимые); щелевые контакты (коннексоны и коннексины).

Избирательные взаимодействия клеток с внеклеточным матриксом (интегрины, селектины, гликозилтрансферазы), базальные мембраны ( ламинин, коллаген IV, эластин, протеогликаны ) и рыхлый внеклеточный матрикс (фибронектин, хондронектин, тенасцин, коллагены I-III, V-VIII, протеогликаны).

Миграция клеток как результат избирательных взаимодействий

КОНЦЕПЦИЯ СИГНАЛИНГА, основанная на передачи информации клеткам за счёт избирательных взаимодействий между молекулами.

Рецептор-опосредованные взаимодейстия клеток с паракриными, ростовыми факторами и низкомолекулярными агентами.

Трансдукция сигналов

Передача сигнала: паракринные факторы, использование белок- белковых взаимодействий и ферментативных реакций постсинтетической модификации белков: фосфорилирования, специфического расщепления (деградации) и других модификаций.

Сигналинг при межклеточных взаимодействиях и при взаимодействии клеток с внеклеточным матриксом. Цепочки сигналинга от паракринных факторов: семейств FGF, Hedgehog , Wnt и TGF- Участие межклеточных контактов и контактов клеток с внеклеточным матриксом в передаче сигналов. Боковой сигналинг: Delta-Notch.

4-я лекция (2час)

ГАМЕТОЗЕНЕЗ И ОПЛОДОТВОРЕНИЕ

ГАМЕТОГЕНЕЗ

Структура и функции половых клеток.

Происхождение гамет. миграция гоноцитов в гонаду.

Этапы оогенеза: размножение, рост, мейоз. Период роста: вителлогенез, источники желтка, синтез макромолекул, контролирующих последующее развитие зародыша -РНК, белки, амплификация генов. Этапы сперматогенеза (включая спермиогенез). Различия в мейозе мужских и женкских половых клеток (на примере млекопитающих)

ОПЛОДОТВОРЕНИЕ

Биологическое значение процессов оплодотворения. Стадии оплодотворения: привлечение и активация спермия, видоспецифическое связывание с ооцитом и слияние гамет, активация яйца).

Факторы активации сперматозоидов: ионный баланс, осмолярность, активирующие спермии пептиды (сперакт, резакт). Капацитация спермиев млекопитающих: функции галактозилтрансферазы. Роль zona pellucida яйца в «заякоривании» сперматозоида млекопитающих (белки зоны Zp3 иZp2)

Слияние плазматических мембран гамет: фузогенные белки. Активация ооцита. Роль инозитолфосфатов и фосфолипазы С в активации ооцита, необходимой для слияния со спермием.

Акросомная реация спермиев морского ежа. Образование акросомной нити. Байндин и его рецепторы. Роль ионного баланса в акросомной реакции.

Акросомная реакция спермиев млекопитающих. Связывание рецепторов на мембране сперматозоида с ZP3 индуцирует акросомную реакцию, открывает кальциевые каналы и стимулирует образование «дыры» в оболочке с помощью протеолитических ферментов. Связывание в дальнейшем сперматозоида с ZP2 способствует его сближению с ооцитом.

Способы предотвращение полисперимии у разных организмов.

Деполяризация яйца и быстрый блок полиспермии. Механизмы высвобождения ионов кальция. Экзоцитоз кортикальных гранул. Факторы медленного блока полиспермии (кортикальная реакция). Реакция зоны. Роль N-ацетиглюкозоаминидазы (нейроаминидазы).

. Слияние мужского и женского пронуклеусов. Условия возобновления синтеза ДНК и стимуляции белкового синтеза, подготовка к процессу дробления.

5-я и 6-я лекции (4 час)

ФОРМИРОВАНИЕ ОСЕЙ И ЗАЧАТКОВ ТКАНЕЙ ЗАРОДЫША ВДОЛЬ ОСЕЙ В РАННЕМ РАЗВИТИИ ЖИВОТНЫХ

ООПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ ПОЛЯРНОСТЬ КАК ФАКТОР, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЙ СУДЬБУ ЗАРОДЫША НА РАННИХ СТАДИЯХ РАЗВИТИЯ.

Ооплазматическая полярность (ооплазматическая локализация). Полярность ооплазмы, или устанавливающаяся непосредственно после оплодотворения полярность зародыша, определяет типы развития. Ооплазматическая сегрегация, как следствие ооплазматической полярности (локализации).

Дробление. Биологические функции дробления (становление многоклеточности, нормализация ядерно-цитоплазматических отношений, ооплазматическая сегрегация; точка перехода на средней бластуле –midblastula transition- и гипотеза истощения репрессора). Факторы, определяющие пространственную организацию делений дробления. Роль цитоскелета в процессах поляризации ооцита, кортикальной ротации, дробления. .

Особенности клеточного цикла в период дробления. Ритмика клеточных делений. MPF и циклины.

Концентрации морфогенетических факторов. Понятие морфогенов и градиентов концентраций морфогенов. Примеры ооплазматической полярности, примеры градиентов морфогенов.

ООПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ ПОЛЯРНОСТЬ И ФОРМИРОВАНИЕ ОСЕЙ ЗАРОДЫША В РАННЕМ РАЗВИТИИ DROSOPHILA

Формирование передне-задней оси у Drosophila. Градиенты Bicoid и Nanos.

Гены материнского эффекта и сегментации (gap-гены, pair-rule -гены и гены полярности сегментов) ( Нюсслайн-Вольхард и Вишаус).Каскады транскрипционных факторов в синцитиальном зародыше дрозофилы. Целлюляризация зародыша. Сегменты и парасегменты. Гомейозисные (селекторные гены) и гены-реализаторы (Льюис). Гомеобоксы (Helix-Turn-Helix), кластерная организация гомеотических генов ( организация кластера Hom-C Drosophila). Консерватизм кластеров Hox- генов (от беспозвоночных до позвоночных ) и паттерны их экспрессии, предполагаемая роль Hox-генов в эволюции. Имагинальные диски личинки и их соответствие отдельным структурам взрослого насекомого.

Формирование дорсо-вентальной оси у Drosophila. Передача сигналов между фолликулярными клетками, ооцитом и зародышем (факторы сигналинга Gurken, Torpedo, Spatzle, Toll-рецептор). Ядерный градиент Dorsal в целлюляризованном зародыше. Гомология путей сигналинга дрозофилы (Dorsal, Cactus) и млекопитающих (NF-B, IB).

7-я и 8-я лекции (4 час)

ФОРМИРОВАНИЕ ОСЕЙ И СТАНОВЛЕНИЕ ОБЩЕГО ПЛАНА СТРОЕНИЯ В РАННЕМ РАЗВИТИИ ПОЗВОНОЧНЫХ ЖИВОТНЫХ

Также как и у беспозвоночных ооплазматическая полярность может играть роль при формировании осей полярности у позвоночных ( анимально-вегетативной полярность ооцитов). Передне-задняя, дорсо-вентральная и лево-правая оси полярностей зародыша формируются в ходе раннего развития.

Формирование осей полярности и общего плана строения у амфибий

Поляризация зиготы (одноклеточного зародыша) происходит благодаря кортикальной ротации. Следствие этого события – изменение позиций ряда внутриклеточных молекул Wnt- и TGF-сигналинга, что является отправным моментом становления дорсо-вентральной полярности зародыша.

Далее в ходе дробления формируется центр Ньюкупа (наиболее дорсальные клетки вегетативного полюса), который индуцирует «организатор Шпемана», формирующийся в ходе гаструляции (дорсальная губа бластопора, хорда, прехордальная мезодерма). Рольсигнальных каскадов Wnt, BMP4 и TGF- в образовании оганизатора.

Гаструляция – процессы морфогенетические миграции клеток и клеточных пластов, в результате которых формируется общий план строения зародыша, закладываются зародышевые листки и происходит пространственное обособление зачатков.

Зачатки органов и тканей, возникающие из различных зародышевых листков.

ПОНЯТИЕ “ЭМБРИОНАЛЬНАЯ ИНДУКЦИЯ” «Организатор»Шпемана(«первичная эмбриональная индукция»)

История и сущность явления. Исследование межклеточных взаимодействий в раннем развитии амфибий. Анимализирующий, вегетализирующий и мезодермализирующий факторы. Спецификация мезодермы факторами бластомеров вегетативного полушария (FGF, Vg1, activin-related, Xbra) .

Роль Vg1, VegT, Nodal-Xnr, - catenin в формировании «организатора»

«Организующие» свойства организатора Шпемана в гаструляции и последующем морфогенезе с образованием передне-задней оси.Прехордальная пластинка (энтомезодерма), хордо-мезодермальный комплекс – индуктор нервной трубки (головного и туловищного отделов). Роль желточной (глоточной) энтодермы и прехордальной пластинки в формировании структур головы (мозга). Региональная специфичность индукции. Транскрипционных факторы: goosecoid, Lim-1, Xanf1, Otx-2, HNF- 3- родственные белки. Секретируемые белки: Cerberus, Dickkkopf, Frzb, Nodal-родственные белки (головной отдел), Chordin, Noggin, Follistatin, Sonic Hedgehog (преимущественно, туловищный отдел),. eFGF, Wnt3a, а также ретиноевая кислота (хвостовой отдел).

Формирование осей полярности (передне-задней, дорсо-вентральной), лево-правой асимметрии и общего плана строения в раннем развитии костистых рыб (Danio rerio). Эпибласт, гипобласт. Зародышевый щиток, маргинальная зона. Аналоги центра Ньюкупа и организатора амфибий.

Формирование осей полярности (передне-задней, дорсо-вентральной), лево-правой асимметрии и общего плана строения в раннем развитии птиц (цыплёнок). Эпибласт, гипобласт. Гензеновский узелок.

Формирование осей полярности (передне-задней, дорсо-вентральной), лево-правой асимметрии и общего плана строения в раннем развитии млекопитающих (мышь, человек). Особенности дробления яица, события до имплантации и в ходе имплантации зародыша.Бластоциста, внутренняя клеточная масса и трофобласт. Эпибласт и гипобласт. Два сигнальных центра AVE (антериорная висцеральная эндодерма) и узелок в формировании структур головы млекопитающих.

Сходства и различия в формировании осей и спецификации структур у представителей разных классов позвоночных

Формирование лево-правой оси асимметрии у Xenopus (Xnr, Pitx2), курицы (Shh, Caronte, Nodal, Lefty2, Pitx2, Snail) и млекопитающих (Nodal, Lefty2, Pitx2, Snail, iv/inv, dynein)

9-я лекция (2 час)

НЕЙРОГЕНЕЗ

Пути дифференцировки структур спинного и головного раздела нервной системы у млекопитающих.

Спецификация нейроэктодермальных клеток у зародышей позвоночных “по умолчанию” (паракринный фактор BMP4). Рольпроизводных организатора Шпемана в образовании нервной трубки.

Дальнейшая дифференцировка нейроэпителиальных клеток на нейрональные и глиальные линии. Сигналинг с участием Notch, Delta, Serrate.

Формирование передне-заднего и дорсо-вентрального паттернов нервной трубки (Hox –гены, паракринные факторы Shh , Wnt, BMP.). Роль basicHLH- и HTH- транскрипционных факторов ( Mash1, Math1, neurogenin; Lim-факторы), Участие транскрипционных факторов семейства Pax (Pax 3,7; Pax 6). Гомологичные пути спецификации нейральной ткани у повоночных и членистоногих. Гомологии BMP/Dpp; chordin/Sog; achaete, scute/Mash1; Delta, Notch. Гены Otx1 и Otx2 у позвоночных и ortodenticle у Drosophila),

Гены Pax 6 (позвоночные) и eyeless (Drosophila)

Нервный гребень и его производные.

Образование нервного гребня и его производных (отделы –черепной, туловищный, пояснично-крестцовый). Дифференцировка клеток нервного гребня в симпатические нейроны (роль NGF) и хромафинные клетки мозгового слоя надпочечников (роль глюкокортикоидов). Нервный гребень (НГ) и его производные в разных отделах зародыша. Участие молекул клеточной адгезии и отталкивания (ephrin, Ephr) в миграции клеток НГ. Роль паракринных факторов в выборе пути дифференцировки клеток НГ.

Роль паракринных (нейротрофины), хемотропных (нетрины) и репеллентных (семафорины, эфрины) факторов в выборе направления конуса роста аксонов нервных клеток.

10-я лекция (2 час)

МЕЗОДЕРМА И ЕЁ ПРОИЗВОДНЫЕ В ХОДЕ СПЕЦИФИКАЦИИ ЗАЧАТКОВ ВДОЛЬ ОСЕЙ ЗАРОДЫША

Карта органов, происходящих от трёх зародышевых листков

Хорда, параксиальная мезодерма, мезодерма боковой пластинки и промежуточной мезодерма.

Эпителиально-мезенхимные взаимодействия и миграции клеток определяют формообразовательные процессы в органах и тканях мезодермального происхождния

Хорда (новая роль гена Brachyury).

Параксиальная мезодерма и её производные

Сомитогенез у позвоночных гены транскрипционных факторов Pax 1,3,7; basicHLH : hairy, paraxis/scleraxis (активность гена hairy и молекулярные часы сомитогенеза Delta-Notch, Serrate – сигналинг, brachyury-семейство генов). Роль сингналинга Ephrin-Ephrin receptor (Eph) в сегментации. Индуцирующие сигналы от хорды, нервной трубки и мезодермы боковой пластинки (Shh, Wnt1,3, NT-3, BMP4, FGF).

Склеротом, дерматом, миотом. Транскрипционные факторы семейства Pax (Pax1- склеротом, Pax 3,7 – дермамиотом) и транскрипционные факторы bHLH семейства MyoD.

Миогенез

Образование скелетной мускулатуры под действием транскрипционных факторов MyoD, Myf5. Обратимая и необратимая стадии коммитирования клеток в программе мышечной дифференцировки. Факторы, принимающие участие в мышечной дифференцировке (Shh, Wnt, фибронектин, CAM, интегрины, Meltrin). Мышечная дифференцировка in vitro (клетки С3H10T1/2), характеристика клонированного гена MyoD. Гены MyoD, miogenin, Mrf4. Свойства и структура транскрипционных факторов bHLH:

E-белки и Id – белки. Суперсемейство белков basic Helix-Loop-Helix и их роль в программах дифференцировки клеток различных типов тканей.

Гены- кофакторов белков семейства MyoD (MEF2)

Промежуточная мезодерма

Механизмы формирования почки (пронефрос, мезонефрос, метанефрос). Эпителиально-мезенхимные взаимодействия. Участие паракринных факторов.

Каскадная взаимоактивация паракринных факторов метанефрогенной мезенхимы и эпителиальных клеток зачатка мочеточника.образование нефронов из почечных канальцев, артериол, ветвящегося эпителия зачатка мочеточника. Морфогенез путём ветвления, роль металлопротиназ и паракринных факторов.

Мезодерма боковой пластинки.

Закладка и образование сердца. Кардиогенная мезодерма, типы клеток, участвующие в формировании парных сердечных трубок. Сплавление сердечных трубок в единую трубку и образование путём выпетливания четырёх-камерного сердца. Sinus venosus и Trunkus arteriosus.Лево-правая асимметрия сердца. Молекулы клеточной адгезии, факторы транскрипции Nkx2-5, MEF2C, Pitx2, Hand1, Hand2,паракринные факторы: Xin, Nodal-related, Lefty-2.

11-я лекция (2 час)

РАЗВИТИЕ КОНЕЧНОСТЕЙ У ВЫСШИХ ПОЗВОНОЧНЫХ

Вклад различных зародышевых листков и разделов мезодермы в морфогенез конечности.

Морфогенетическое поле конечности. Пересадки участков тела, соответствующих этим морфогенетическим полям. Индукции эктопических конечностей. Мезенхимно-эпителиальные взаимодействия клеток.

Стилоподий, зигоподий и аутоподий.

Формирование осей развивающейся конечности.

Проксимо-дистальная ось.

Гомеозисные гены вдоль передне-задней оси зародышей. Фактор роста фибробластов 10 (FGF10). Спецификация положения передних и задних конечностей (роль brachyury-родственных ранскрипционых факторов Tbx4, Tbx5).

Индукция апикального эктодермального гребня (АЭГ) и его значение для морфогенеза конечности, паракринный фактор FGF8.

Передне-задняя ось.

Формирование зона «прогресса». Зависимость дифференциации элементов проксимо-дистальной оси от времени их пребывания в зоне «прогресса» (роль Hoxa и Hoxd –9-13 генов). Спецификация передне-задней оси. Зона поляризующей активности (ЗПА). Роль Shh, FGF4,8, Hoxb-8, BMP2,7. Образование дорсо-вентральной оси (Wnt3а/7a, engrailed).

Роль BMP 2,7 –факторов в хондрогенезе и в апоптозе. Gremlin, Noggin –ингибиторы BMP (апоптоза). Их роль в формировании структур аутоподия.

Гомология процессов формирования конечностей у насекомых и позвоночных

Экспериментальная экспрессия SHh и Hh индуцирует зеркально-симметричные дупликации передне-задней оси в зачатках конечности кур и насекомых соответственно.

Набор белков, ответственных за образование осей полярности конечностей у дрозофилы и курицы (fringe/Distall-less, Wnt7/ Wingless, Limx1/ apterous, BMP2/ Dpp, Sonic Hedgehog/ Hedgehog).

Поздние этапы развития конечностей млекопитающих

Ремоделирование хряща костной тканью конечности, образование скелетных мышц, их иннервация. Роль BMP-факторов.

12-я лекция (2 час)

ДЕТЕРМИНАЦИЯ ПОЛА

Х,Y и W,Z – половые генотипы у животных.

Становление пола: соотношение вклада генетических факторов и факторов внешней среды у различных животных.

Роль факторов внешней среды в формировании пола

Изменение пола под действием факторов внешней среды (эхиурида Bonellia, брюхоногий моллюск Crepidula, некоторые рыбы, аллигаторы, крокодилы, черепахи). Роль гормона в формировании пола под действием факторов внешней среды.

Генетические механизмы детерминации пола. Половые хромосомы, значение плоидности числа хромосом, гермафродитизм.

Молекулярные механизмы детерминации пола у дрозофилы и нематоды.

Детерминация пола у D. melanogaster

Соотношение хромосом X:A, “нумераторные» и «деноминаторные» белки, гены Sxl, tra и tra2, Dsx.

Детерминация пола у С. elegans

Регуляция выбора между митозом и мейозом первичными половыми клетками в гонадах, роль клетки дальнего (дистального) конца гонады (угнетение мейоза сигналингом Lag-2/Delta - Glp-1/Notch). Молекулярные механизмы выбора пути дифференцировки спермиев или ооцитов у гермафродитной нематоды. Гены fem-3, fog. Участие белков Nanos и Pumilio в детерминации первичных половых клеток как спермиев или как ооцитов.

Молекулярные механизмы детерминации пола у млекопитающих.

Первичная и вторичная детерминации пола.

Миграция первичных половых клеток

Образование половых складок (валиков)-SF1, WT1, LHX9;

Заселение гонад первичными половыми клетками. Бипотенциальные гонады.

Функции генов Sry и Sox9 в формировании семенников.

Клетки Сертоли и Лейдига. Антимюллеров гормон (AMH) и тестостерон

Функции Dax1 и Sox9 в формировании яичника.

Фолликулярные клетки и клетки теки, роль эстрогена.

Формирование вторичных половых признаков. Тестостерон, дигидротестостерон, эстроген.

Структура Y-хромосомы млекопитающих и её значение в эволюции приматов.

13-я лекция(2 час)

МЕТАМОРФОЗ

Метаморфоз беспозвоночных и позвоночных. Реактивация процессов развития при метаморфозе под действием гормонов.

Метаморфоз амфибий (у хвостатых и бесхвостых). Изменения строения тела при метаморфозе. Смена аммонотелического типа экскреций на уротелический у Rana sp. Синтез гормонов T₃ (трийодтиронина) и T₄ (тироксина). Регуляция синтеза рецептора тироидного гормона трийодтиронином (T_3). Роль апоптоза в метаморфозе. Гетерохрония (неотения, прогения, прямое развитие).

Метаморфоз насекомых.

Голометаболия, гемиметаболия и аметаболия. Метаморфоз у дрозофилы. Развитие взрослых структур из имагинальных дисков. Детерминация клеток имагинальных дисков и их обособление от эктодермы Роль Hox-генов, генов Distal-less, wingless, vestigial, engrailed, hedgehog, decapentaplegic, apterous.

Роль гормонов в метаморфозе: жирорастворимого ювенильного гормона (JH) и стероидных (экдизон и 20-гидроксиэкдизон). Регуляция метаморфоза насекомых гормонами. Регуляция транскрипции рецепторами стероидных гормонов.

14-лекция ( 4 час)

РЕГЕНЕРАЦИЯ

Общая характеристика репаративной регенерации. Классификация (эпиморфоз, морфоллаксис, компенсаторная регенерация).Регенерат и регенерант. Эпиморфная регенерация у амфибий. Регенерационные территории. Регенерация конечности. Эпителизация (механизм эпителизации, роль раневого эпидермиса). Апикальная эктодермальная шапочка и регенерационная бластема. “Позиционная память” регенерационной бластемы. Участие нервной системы. Градиент ретиноевой кислота при эпиморфной регенерации конечности саламандр и гены msx1 и Hoxa. Правила регенерации конечности у тритона.

Регенерация гидры, и плоского червя.

Регенерация по типу морфоллаксиса у гидры. Активация градиента головного отдела. Градиенты ингибирования головы и подошвы гидры.

15-я лекция (2 час)

БИОЛОГИЯ РАЗВИТИЯ РАСТЕНИЙ

16-я лекция (2 час)

ЭВОЛЮЦИОННАЯ БИОЛОГИЯ РАЗВИТИЯ

Предыстория. Креационизм: «Единство типа» - Жоффруа Сент-Илер, Ричард

Оуэн, «Условия существования»- Жорж Кювье, Чарльз Белл,

Эволюционизм – Чарльз Дарвин «Наследование с изменениями».

Современное состояние EvoDevo: Успехи в секвенировании геномов и оценка числа генов у разных животных. Генетические основы усложнения организмов в ходе эволюции. Гомологичные и паралогичные гены. Консерватизм генов и сигнальных цепочек (гены-селекторы, гомеозисные гены; сигналинг с использованием Toll –рецепторов, Shh- , Wnt- и BMP- сигналинги).

Возможная эволюция насекомых за счет мутаций Hox-генов или за счёт изменения их регуляции (экспрессия генов Distal-less и гомеобоксных генов Ubx и AbdA при образовании ложных ножек гусеницы бабочки Precis)

Гомологии путей образования конечностей беспозвоночных и позвоночных на примере формирования крыла у курицы и дрозофилы.

Модулярность (модули и модульные порядки) как основной принцип эволюции. Комбинаторное сочетание модулей (роль процессов диссоциации, дупликации с дивергенцией и коопции).

Гетерохрония и аллометрия (примеры). Коопция (примеры).

Скоррелированная прогрессия. Макроэволюционные и микроэволюционные изменения, Создание эволюционно новых структур у позвоночных. Ограничения (физические, морфогенетические, филетические), накладываемые на пути эволюции, и образование основных планов строения животных.

Канализация развития.

Механизмы защиты клеток и тканей животных в ходе развития.

(Тепловой шок и участие в поддержании процессов нормального развития (гены белков теплового шока - hsp и родственные им геныhsp-cognate).

. апоптоз и защита организма в ходе развития беспозвоночных ( Drosophila) и позвоночных (Xenopus, Mammalia).

Пути взаимной регуляции “теплового шока” и апоптоза в клетках.

Врождённая и приобретенная формы иммунитета. Роль врождённого иммунитета в развитии животных.

Новый эволюционный синтез, включающий достижения эволюционноной биологии развития и модели популяционной генетики.

Рекомендуемая литература:

www.embryo.pu.ru: Презентации курса лекций в форматах ppt, pdf

(лекции №№1-16)

а также компьютер

кафедры эмбриологии

Дондуа А. К. (2005) «Биология развития» (в двух томах) (учебник), издательство СПбГУ

Гилберт С. (1993-1995) Биология развития (в трёх томах) (учебное

пособие)

Корочкин Л. И. 2000, Введение в генетику развития

Корочкин Л. И. 2002, Биология индивидуального развиия (генетический

аспект) М. МГУ (учебник)

Иванова-Казас О. М. 1995 г. Эволюционная эмбриология животных

Составитель программы: проф. А. П. Перевозчиков

http://www.embryo.pu.ru/devbio-AKD.php

А. К. Дондуа. "Биология развития" в двух томах

Издательство Санкт-Петербургского университета, 2005 г.

ББК 28.63 Д 67

ISBN 5-288-03474-5, ISBN 5-288-03472-9 (Т. 1), ISBN 5-288-03474-2 (Т. 2)

Рецензенты: д. б. н. Л. В. Белоусов (МГУ им. М. В. Ломоносова), д. б. н. С. Г. Васецкий, д. б. н. В. И. Миташев (Институт биологии развития им. Н. К. Кольцова РАН)

Печатается по постановлению Редакционно-издательского совета СПбГУ.

Том 1. Начала сравнительной эмбриологии. 295 с. В первом томе учебника рассматриваются вопросы общей и сравнительной эмбриологии. Дается краткий очерк истории становления современной эмбриологии, рассматриваются проблемы гаметогенеза, оплодотворения, дробления, гаструляции, зародышевых листков, прямого и личиночного развития, метаморфоза. Излагаются данные по сравнительной эмбриологии губок, стрекающих, гребневиков, аннелид, моллюсков, круглых червей, членистоногих, иглокожих, оболочников, бесчерепных, низших и высших позвоночных.

Том 2. Клеточные и молекулярные аспекты индивидуального развития. 239 с. Во втором томе учебника с позиции клеточных и молекулярно-генетических основ эмбрионального развития и регенерации анализируются явления автономной детерминации и эмбриональной индукции. Излагаются современные представления о реализации ряда генетических программ развития на примерах сегментации тела насекомых, развития конечности и глаза позвоночных, становления лево-правой ассиметрии, детерминации пола. В заключительной главе, посвященной эволюционной биологии развития, суммированы некоторые гипотезы о путях эволюции генетических систем управления индивидуальным развитием.

Учебник для студентов биологических факультетов университетов, преподавателей биологии средней школы и всех интересующихся проблемами эмбриологии.