Embriologia „dla zabieganych”, czyli jak zrozumieć podstawy embriologii

Po sukcesie artykułu o „genetyce dla zabieganych” (do przeczytania tutaj) postanowiłem przedłużyć tę serię. Kolejny, niniejszy tekst jest o embriologii. Dzięki przeczytaniu go łatwiej będzie Wam zrozumieć informacje ze świata dotyczące zarodków i płodów, zapłodnienia (w tym pozaustrojowego in vitro), bliźniaków, czy komórek macierzystych i klonowania. Będzie to artykuł wyłącznie o embriologii ssaków łożyskowych i odnoszący się przede wszystkim do człowieka.

Zacznijmy od podstawowych pojęć. W jądrach znajdują się komórki płciowe męskie, czyli spermatocyty. Ich dojrzałą formą są plemniki. W jajnikach znajdziemy natomiast oocyty, które w dojrzałej postaci są zwykle nazywane komórkami jajowymi. Po wniknięciu haploidalnego plemnika (z jednym zestawem chromosomów) do haploidalnej komórki jajowej (z jednym zestawem chromosomów) zachodzi połączenie obu i powstaje nowy, diploidalny genom, czyli z dwoma zestawami chromosomów – jednym po ojcu i jednym po matce. Jest to prawidłowy stan u ludzi i większości innych zwierząt rozmnażających się płciowo – w naszych komórkach mamy po dwa chromosomy każdego typu, jedna kopia od każdego rodzica. Jedynie w jądrach i jajnikach znajdziemy haploidalne (pojedyncze) genomy – właśnie w plemnikach i komórkach jajowych.

Plemniki i komórki jajowe to właśnie gamety. Proces ich powstawania do formy dojrzałej, gotowej do zapłodnienia, nazywa się gametogenezą (a dokładniej rzecz ujmując spermatogenezą w przypadku komórek płciowych męskich i oogenezą w przypadku komórek płciowych żeńskich). Przebiega ona odmiennie u mężczyzn i u kobiet – u tych pierwszych „na dobre” zaczyna się w okresie dojrzewania, a liczba powstających od nowa plemników jest niemal nieograniczona. Z kolei u kobiet liczba pęcherzyków z oocytami (późniejszymi komórkami jajowymi) ustala się już w okresie płodowym i również wtedy zaczynają one swój rozwój, przyhamowując na pewnych etapach, aż do owulacji, kiedy to co około miesiąc dojrzewa kolejna, zwykle jedna komórka. Kiedy oocyty się kończą, następuje moment menopauzy.

W trakcie gametogenezy (oogenezy) oogonia przekształcają się w oocyty I rzędu, a potem w oocyty II rzędu i ootydy, po drodze wyrzucając część DNA w formie tzw. ciałek kierunkowych (czyli polocytów, które obumierają). Jeśli nie zostaną one właściwie usunięte z komórki, to mogą się w niej zachować dodatkowe chromosomy. Gdy taka komórka jajowa z nadmiarowymi chromosomami zostanie zapłodniona, możemy mieć do czynienia np. z trisomią (jeśli zachował się dodatkowy chromosom 21 pary – z Zespołem Downa). Jeśli nie został wyrzucony chromosom X, to możemy mieć później Zespół Supersamicy (dziewczynkę z trzema chromosomami X) lub Zespół Kilnefeltera (chłopca z dwoma lub więcej chromosomami X i jednym chromosomem Y). Po dalszym dojrzewaniu oocytu pęcherzyk jajnika pęka, a oocyt zostaje uwolniony do jajowodu; dochodzi do owulacji. Oogenezie towarzyszy folikulogeneza, czyli rozwój pęcherzyka zawierającego oocyt.

 

W czasie gametogenezy zachodzi mejoza, czyli wyjątkowy, bo redukcyjny podział komórek. Tak jak wszystkie komórki poza płciowymi dzielą się mitotycznie – bez wymiany materiału genetycznego między chromosomami i z doreplikowaniem brakujących kopii po podziale – tak spermatocyty i oocyty przechodzą podział mejotyczny. Polega on z grubsza na tym, o czym napisałem już wyżej – wytwarzane są komórki z jednym tylko zestawem chromosomów. Mejoza jest swego rodzaju międzypokoleniową mitozą (więcej na ten temat pisałem tutaj).

W trakcie mejozy dochodzi do zjawiska crossing-over, czyli wymiany fragmentów DNA między chromosomami tej samej pary. W ten sposób mieszany jest materiał genetyczny po ojcu i po matce w oocycie/spermatocycie ich dziecka (jeśli jesteś np. kobietą, to podczas crossing-over w Twoich oocytach mieszają się fragmenty par chromosomów, które otrzymałaś od ojca z tymi, które otrzymałaś od matki). Zjawisko to dało ogromną przewagę ewolucyjną organizmom rozmnażającym się płciowo. Dzięki zwiększeniu w ten sposób różnorodności genetycznej populacja jest bardziej odporna na choroby (na konkretnym przykładzie opisałem wpływ różnorodności genetycznej na odporność w artykule o nowotworach zakaźnych, tutaj).

Wyróżnia się różne rodzaje potencji komórek, czyli ich zdolności do różnicowania się w inne typy komórek. Potencjał ten zmienia się w czasie rozwoju embrionalnego i późniejszego. Najczęstszy podział to: totipotencja, pluripotencja, multipotencja i unipotencja. Totipotencja oznacza możliwość różnicowania się we wszystkie możliwe typy komórek, a jej zdolność posiada zarodek od pierwszego podziału zygoty do około 8-16 komórkowej formy zarodka (nazywanej morulą) i chwilę później. Wówczas komórki zaczynają tworzyć blastocystę (następna forma rozwoju zarodka) i dzielić się na węzeł zarodkowy (embrioblast), z którego powstanie odrębny organizm oraz trofoblast, który stworzy po implantacji łożysko (struktura pozazarodkowa). Komórki węzła zarodkowego są pluripotentne, czyli mogą zróżnicować się we wszystkie typy komórek z wyjątkiem komórek trofoblastu (nie mogą przekształcić się w łożysko).

Potem wyróżnia się jeszcze multipotencję – zdolność różnicowania się komórki w inne komórki, ale jedynie w obrębie danej tkanki (np. tkanki nerwowej) i unipotencję, a więc możliwość przemiany jedynie w jeden konkretny rodzaj komórki (np. preadipocyty dojrzewające do formy adipocytów). Dwa ostatnie typy potencji zachowują niektóre grupy komórek również u dorosłych, natomiast totipotencjalne i pluripotencjalne są tylko komórki zarodkowe i nowotworowe oraz w sensie międzypokoleniowym – komórki płciowe (stworzenie totipotencjalnej zygoty z plemnika i komórki jajowej).

Po wniknięciu plemnika do komórki jajowej ten pierwszy traci wszystko poza jądrem (stąd na ogół mitochondria dziedziczymy tylko po matce; ojcowskie mitochondria są znakowane i niszczone), które staje się przedjądrzem męskim. Jądro komórki jajowej staje się przedjądrzem żeńskim. W końcu oba się łączą i powstaje nowy genom diploidalny (z podwójnym zestawem chromosomów). Zygota dzieli się na dwie komórki (nazywane na tym etapie blastomerami), potem na cztery, potem na osiem – jest to wzrost wykładniczy. Kiedy blastomerów jest około szesnaście, a zarodek jest już morulą, komórki zaczynają się kompaktować (zachodzi kompakcja, czyli zagęszczenie komórek przez ich dalsze podziały). Następnie, po kolejnych podziałach, morula zaczyna formować wypełnioną płynem blastocystę, zróżnicowaną coraz wyraźniej na wspomniany wyżej trofoblast i embrioblast (węzeł zarodkowy). Komórki znajdujące się wewnątrz będą tworzyć ten drugi, pierwszy natomiast powstanie z komórek zewnętrznych (zachęcam do przeczytania mojego krótkiego, naukowego opowiadania na ten temat tutaj). Później blastocysta wylęga się z osłonki przejrzystej (można to na swój sposób porównać do wykluwania się z jajka) i przylega do nabłonka macicy – zachodzi implantacja.

Następnym etapem rozwoju zarodka jest gastrulacja, w efekcie której powstaje gastrula. W procesie tym zarodek wytwarza podstawowe listki zarodkowe, z których rozwiną się później poszczególne organy ciała. U ssaków listki te to endoderma, ektoderma oraz mezoderma i dlatego też należymy do grupy trójwarstwowców. Istnieją jednak zwierzęta, które wytwarzają tylko dwa listki zarodkowe – endodermę i ektodermę – i są nazywane dwuwarstwowcami. Prawdopodobne jest, że zetknęliście się kiedyś ze zdaniem, ze jakiś narząd ma pochodzenie endodermalne, ektodermalne czy mezodermalne. Dotyczy ono właśnie listków zarodkowych i tego, z którego z nich wywodzą się komórki tworzące dany organ.

Gastrula powstaje z węzła zarodkowego (embrioblastu), czyli tej części wczesnego zarodka, która utrzymywała się bardziej wewnątrz, w przeciwieństwie do zewnętrznej warstwy komórek tworzących trofoblast. Ósmego dnia rozwoju zarodka węzeł zarodkowy wyodrębnia dwie grupy komórek: epiblast (wewnętrzny) i hipoblast (zewnętrzny). Zgrubienie tego ostatniego, kiedy zarodek ma już kształt tarczki, oznacza wytworzenie płytki przedstrunowej (a następnie płytki strunowej i struny grzbietowej, która u kręgowców zanika w okresie zarodkowym, zastępowana przez kręgosłup), co warunkuje determinację osi głowowo-ogonowej zarodka. Z kolei z epiblastu tworzy się smuga pierwotna i właśnie ten moment uznaje się zwykle za początek gastrulacji. Z komórek epiblastu wywędrowuje populacja dająca początek trzeciemu listkowi zarodkowemu – mezodermie – który umiejscawia się pośrodku. Wówczas mówimy już nie o hipoblaście i epiblaście, ale o ektodermie, endodermie i mezodermie.

Z mezodermy powstaje mezenchyma, która utworzy tkanki łączne. Bardzo szybko powstanie z niej pierwotny układ krążenia (które u ludzkiego zarodka rozpoczyna się w 21 dniu rozwoju), by zarodek mógł czerpać składniki odżywcze od matki, ponieważ zapasy zgromadzone w komórce jajowej na tym etapie już się skończyły. W życiu postnatalnym, czyli po narodzinach, pochodzenie mezodermalne poza tkankami łącznymi ma część tkanek mięśniowych poprzecznie prążkowanych, niemal cały układ szkieletowy (poza czaszką), tkanka mięśniowa serca czy układ moczowo-płciowy. Endodermalne pochodzenie ma część przewodu pokarmowego i układu oddechowego, a także niektóre narządy gruczołowe (m.in. tarczyca, przytarczyce, trzustka, prostata, grasica). Ektoderma natomiast daje początek komórkom, które stworzą m.in. część układu nerwowego i pokrywowego (naskórek i jego wytwory).

 

Gastrulacja. Autorka: Abigail Pyne; za: opentextbc.ca; z późn. zm.

 

Następnymi etapami embriogenezy są neurulacja i somitogeneza. Zarodek na etapie neurulacji nazywa się neurulą. Odbywa się wówczas tworzenie cewy nerwowej, będącej zawiązkiem układu nerwowego. Z jej przedniej części powstaną pęcherzyki mózgowe, a z nich przodomózgowie, śródmózgowie i tyłomózgowie. Dzieje się to nad struną grzbietową, która bierze udział w tym procesie, a która wkrótce potem zanika (u kręgowców jest obecna jedynie na etapie zarodkowym).

Somitogeneza to natomiast powstawanie somitów, czyli segmentowanych fragmentów mezodermy wzdłuż zarodka przy cewie nerwowej. Somity różnicują się w sklerotomy (których komórki przekształcą się w kręgi u zarodków kręgowców), miotomy (komórki miotomów stworzą mięśnie poprzecznie prążkowane szkieletowe) i dermatomy (z których powstanie skóra). Ostatnim etapem rozwoju zarodkowego jest podstawowa organogeneza, czyli powstawanie organów wraz z ich histologiczną specyfikacją (histogeneza). Organogeneza trwa także w okresie płodowym (dobry podręcznik do embriologii można znaleźć tutaj).

Zarodek (embrion) i płód wbrew powszechnemu stosowaniu tych słów zamiennie, to nie synonimy. O zarodku mówimy u wielokomórkowych organizmów rozmnażających się płciowo. Odnosi się to również do roślin. Natomiast płód występuje wyłącznie u ssaków. U niessaczych kręgowców z okresem zarodkowym mamy do czynienia od podziału zygoty do wyklucia się z jaja. U ssaków wygląda to inaczej. Kiedy zygota się podzieli mówimy także o zarodku, ale od zakończenia głównej organogenezy, co u ludzi ma miejsce między 54, a 60 dniem ciąży, nowy organizm definiujemy już jako płód. Zauważmy, że termin „rodzić” odnosi się wyłącznie do ssaków łożyskowych i torbaczy i oznacza wydalenie z ciała samicy płodu wraz z łożyskiem.

Błony płodowe wytwarzane są u owodniowców, czyli tych kręgowców, które uniezależniły swój rozwój zarodkowy od środowiska wodnego właśnie za ich pomocą. Chodzi oczywiście o gady, ptaki i ssaki. Rozród śluzic, minogów, ryb i płazów jest natomiast w pełni zależny od dostępu do wody. Do błon płodowych należą: kosmówka, owodnia, omocznia i pęcherzyk żółtkowy. Owodnia powstaje z mezodermy i ektodermy i zbudowana jest z komórek nazywanych amnioblastami. Jest wypełniona wodami płodowymi i tworzy środowisko „wodne” dla zarodka.

Dalej na zewnątrz znajduje się omocznia powstająca z endodermy i pozazarodkowej mezodermy, a jej funkcją jest gromadzenie niepotrzebnych metabolitów zarodka (stąd nazwa kojarząca się z moczem). Najbardziej na zewnątrz jest kosmówka powstała z trofoblastu, a która później, wraz z błoną śluzową macicy, staje się łożyskiem. Czwarta błona płodowa to pęcherzyk żółtkowy (nazywany też woreczkiem żółtkowym lub pęcherzykiem pępowinowym). Jest to narząd krwiotwórczy. U niższych kręgowców odpowiadający także za odżywianie zarodka.

W biologii istnieją dwie płcie: męska i żeńska. Są różne ich poziomy – od płci genowej, przez chromosomową, anatomiczną, hormonalną, po psychiczną oraz społeczno-kulturową. Nie zawsze płeć na wszystkich tych poziomach jest ze sobą zgodna. Cechy, które charakteryzują określone płcie niekoniecznie są zero-jedynkowe, jakościowe, lecz także ilościowe. Na podstawie tych ostatnich wyróżnia się płeć mózgu, ale warto wiedzieć, że różnice mają tu często charakter „międzypłciowej mozaiki”, stąd częściej mówi się o dymorfizmie płciowym mózgu. Więcej na ten temat tutaj (klik).

Płeć genowa wyznaczona jest przez obecność określonych sekwencji DNA. Płeć chromosomowa także, ale w postaci całego chromosomu – chromosomu X i Y lub dwóch chromosomów X (mówimy cały czas o ssakach). Płeć anatomiczna związana jest z występowaniem jąder lub jajników oraz produkowanych przez nie gamet (spermatocytów lub oocytów), a także z wykształceniem zewnętrznych narządów płciowych. Płeć hormonalna wiąże się z poziomem hormonów płciowych i pomimo możliwości jej empirycznego wyznaczenia jest bardzo rozmyta, tzn. bazująca na cesze ilościowej w postaci stężenia danego hormonu we krwi, a nie tylko jego obecności. „Płeć psychiczna” nie jest już tak ścisłym pojęciem i bazuje na zachowaniach charakterystycznych dla przedstawicieli poszczególnych płci oraz identyfikacji płciowej. W biologii istotne jest pojęcie hermafrodytyzmu, czyli występowania anatomicznej (gruczołowej) płci męskiej i żeńskiej.

Jak wygląda determinacja płci u człowieka? Oocyty, czyli żeńskie komórki płciowe, przekazują chromosom X, natomiast plemniki chromosom X lub Y. To od obecności tego ostatniego zależeć będzie płeć nowego organizmu. Wiemy to dzięki dowodom pośrednim i bezpośrednim. Na przykład ssak tylko z chromosomem X będzie samicą/kobietą, ssak z trzema czy czterema chromosomami X (Zespół Supersamicy) też będzie samicą/kobietą, ale jeśli „wkradnie” się tam chromosom Y, to nawet mając kilka chromosomów X, w obecności jednego chromosomu Y zarodek będzie się rozwijał w kierunku męskim. Jednak rzecz nie w całym chromosomie Y, a tak naprawdę w jego fragmencie zawierającym gen SRY. Jego ekspresja zachodzi w gonadach determinując rozwój w kierunku płci męskiej. Brak tej sekwencji sprawia, że zarodek rozwija się w kierunku płci żeńskiej. Jest to oczywiście pewne uproszczenie, ponieważ w rozwój płci zaangażowane są również inne geny, ten jednak ma szczególne znaczenie. Jeśli w wyniku mutacji (translokacji) gen SRY zostanie przeniesiony z chromosomu Y na chromosom X (lub inny chromosom), to osobnik/osoba z dwoma chromosomami X (w tym jeden z genem SRY) będzie samcem/mężczyzną.

Pojęcie płci jest w istocie skomplikowane, ponieważ możemy mieć do czynienia z osobą lub osobnikiem mającym chromosomową płeć męską – czyli chromosom X i Y – ale z delecją (czyli wypadnięciem) genu SRY (lub jego przeniesieniem, jak w przykładzie, który opisałem wyżej), gdzie w efekcie powstanie kobieta/samica pomimo posiadania chromosomu Y. Znaczenie ma też zjawisko chimeryczności. Jest to sytuacja, kiedy dana osoba lub osobnik posiada dwie różne linie komórkowe pochodzące od innego zarodka każda. Zdarza się to przy ciąży bliźniaczej, w której jeden zarodek pochłania drugi i stają się jednym organizmem. Prowadzić to może np. do posiadania oczu o różnych kolorach. W ciele takiej osoby możemy też znaleźć komórki z chromosomami XX, jak i XY, jeżeli bliźniacze zarodki przed pochłonięciem jednego przez drugi były innej płci. W wyniku istnienia takiego zjawiska możliwe jest na przykład zapłodnienie komórki jajowej przez chimerycznego mężczyznę komórkami swojego nieistniejącego (bo pochłoniętego w okresie zarodkowym) „brata” bliźniaka lub takiego faktycznie żyjącego, z którym w okresie prenatalnym „wymienił się” komórkami, które zróżnicowały się w gonady – znane są takie przypadki.

Bliźniaki dwujajowe to bliźniaki, które rozwinęły się z dwóch innych, zapłodnionych komórek jajowych. Mają więc w około 50% takie same DNA i mogą być innej płci, a ewentualne większe podobieństwa między nimi w porównaniu do podobieństwa rodzeństwa niebliźniaczego to m.in. efekt rozwoju prenatalnego w takich samych warunkach oraz dalszego rozwoju (postnatalnego) w tym samym czasie i na tym samym etapie. Bliźniaki jednojajowe z kolei są niemal identyczne genetycznie – powstają na skutek podzielenia się bardzo wczesnego zarodka (na etapie kilku, kilkunastu, kilkudziesięciu blastomerów) na dwa zarodki. Jest to czas, gdy komórki embrionu są jeszcze totipotentne i każdy blastomer ma możliwość utworzenia całkowicie odrębnego organizmu. W czasie dalszego rozwoju, po podziale, zarodki-bliźniaki nabywają swoiste mutacje i zyskują odmienne epigenetyczne znakowanie DNA i histonów, co wraz z czynnikami typowo środowiskowymi czyni je różnymi. Jednak nadal są do siebie bardzo podobne (więcej na temat różnic między bliźniakami jednojajowymi napisałem tutaj).

Zapłodnienie in vitro to zapłodnienie pozaustrojowe, czyli poza organizmem. Przeprowadza się je we właściwym naczyniu w laboratorium embriologicznym. Odpowiednio dojrzały oocyt i zbadane pod względem jakości plemniki są zanurzone w medium wypełniającym płytkę, zaś samo naczynie powinno być umiejscowione w inkubatorze spełniającym warunki dotyczące temperatury, wilgotności czy stężenia CO₂. Zapłodnienie może być też przeprowadzone sztucznie, poprzez wprowadzenie wybranego plemnika do oocytu za pomocą odpowiedniej mikrostrzykawki i mikromanipulatora. Jeśli wszystko się powiedzie to na etapie blastocysty zarodek transferowany jest do organizmu kobiety, aby mógł się zaimplantować. Potomstwo z zapłodnienia in vitro może mieć więcej niż dwóch biologicznych rodziców. Możliwy jest na przykład przeszczep mitochondriów z jednego oocytu do drugiego, przez co dziecko będzie miało ojca (poprzez jego plemnik) i dwie matki (jedna poprzez jądro komórki rozrodczej, a druga poprzez przeszczepione mitochondria).

Sztuczne zapłodnienie

 

Klonowanie zasadniczo przeprowadzane jest na dwa sposoby: przez podział zarodka oraz przez transfer jądra do oocytu. Pierwsza metoda polega na wyodrębnieniu blastomeru wczesnego zarodka i umieszczeniu go w sztucznej osłonce przejrzystej lub przecięciu późniejszego zarodka, na etapie wczesnej blastocysty, z uwzględnieniem takiej osi cięcia, by obie części po podziale miały węzeł zarodkowy i trofoblast. Zauważmy, że ten rodzaj klonowania może zachodzić naturalnie, dając w efekcie bliźniaki jednojajowe. Drugi sposób, czyli poprzez transfer jądra, polega na usunięciu jądra komórkowego oocytu dawczyni, a następnie wprowadzeniu na jego miejsce jądra komórkowego osobnika/genomu, który ma być sklonowany. Później na różne sposoby, np. chemicznie czy impulsem elektrycznym stymuluje się taką – diploidalną już, bo z jądrem pochodzącym od rozwiniętej osoby z diploidalnymi komórkami – komórkę by zaczęła się dzielić, stając się zarodkiem. Właśnie tak sklonowano słynną owcę Dolly. Jednak osobniki sklonowane tą drogą mają, z grubsza, „genetyczny wiek” swoich dawców, czyli rodzą się na swój sposób „stare”.

Teoria rekapitulacji mówi, że w okresie zarodkowym organizmu odtwarzane są cechy z przeszłości ewolucyjnej. Czyli embriogeneza ma być odwzorowaniem filogenezy, gdzie na początku wszystkie zarodki różnych grup zwierząt są bardzo podobne, a z czasem ich wzrostu związane jest nabywanie coraz bardziej wyspecjalizowanych cech. Na przykład zarodek delfina najpierw wykazuje cechy strunowców, następnie cechy kręgowców – np. kręgosłup – potem ssaków lądowych czyli nogi, które zanikają, aż do charakterystyki typowej dla waleni. Rekapitulacja jest teorią jedynie o znaczeniu historycznym i, powiedzmy, symbolicznym, ponieważ pomimo faktycznego występowania tego typu obserwacji wskazującej na odtwarzanie filogenezy w okresie rozwoju zarodka, jest ona bardzo nieścisła i nie ma mechanizmów, które tłumaczyły by ją w tym właśnie, ewolucyjnym kontekście.

Embriogeneza zasadniczo dzieli się na etap bruzdkowania, gastrulacji, neurulacji oraz organogenezy. Jak widzicie, w embriologii znajomość podstaw genetyki, histologii, anatomii czy zoologii ma duże znaczenie. Jest to dziedzina bardzo nam bliska, bo w końcu większość z nas jest lub będzie rodzicami. W obliczu nowych odkryć i tworzenia nowoczesnych technologii w biologii rozrodu dobrze jest mieć przyswojone podstawy z embriologii, by lepiej rozumieć tak przekazy medialne ze świata nauki, jak i sam świat wraz z występującymi w nim biologicznymi procesami.   

Prowadzenie bloga naukowego wymaga ponoszenia kosztów. Merytoryczne przygotowanie do napisania artykułu to często godziny czytania podręczników i publikacji. Zdecydowałem się więc stworzyć profil na Patronite, gdzie w prosty sposób można ustawić comiesięczne wpłaty na rozwój bloga. Dzięki temu może on funkcjonować i będzie lepiej się rozwijać. Pięć lub dziesięć złotych miesięcznie nie jest dla jednej osoby dużą kwotą, ale przy wsparciu wielu staje się realnym, finansowym patronatem bloga, dzięki któremu mogę poświęcać więcej czasu na pisanie artykułów.