Что такое эмбриональная индукция? Исследования в области экспериментальной эмбриологии. История экспериментов с клонированием Эксперимент Шпемана – путь к клонированию
Ганс Шпеман (нем. Hans Spemann) - немецкий эмбриолог, лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1935 году «за открытие организующих эффектов в эмбриональном развитии».
Ганс Шпеман родился в Штутгарте, в семье книгоиздателя Иоганна Вильгельма Шпемана и Лизинки Шпеман (Хофман). Ганс был самым старшим из четырех детей Шпеманов. Он окончил гимназию Эберхарда Людвига и, хотя его очень увлекала классическая литература, решил посвятить себя медицине. Проработав в течение года в заведении отца и еще год отслужив в армии, Шпеман в 1891 г. поступил в Гейдельбергский университет.
Во время обучения Ганс Шпеман настолько заинтересовался эмбриологией, что решил оставить практическую медицину и заняться исследовательской деятельностью. В конце 1893 года он покинул Гейдельберг, в течение зимы проучился в Мюнхенском университете, и весной приступил к работе над диссертацией по эмбриологии в Зоологическом институте Вюрцбургского университета. В 1905 году Шпеман защитил докторскую диссертацию.
В 1908 году Шпеман переехал в Росток, где занял пост профессора зоологии и сравнительной анатомии. К началу Первой Мировой войны он стал заместителем директора Института биологии кайзера Вильгельма (в настоящее время Институт Макса Планка) и проработал в этой должности всю войну.
Направление первых научных работ по эмбриональному развитию Шпеману подсказал его коллега по Гейдельбергскому университету Густав Вольф. Этот ученый обнаружил, что если из развивающегося глаза эмбриона тритона удалить хрусталик, то из края сетчатки будет развиваться новый хрусталик.
Шпеман был поражен опытами Вольфа и решил продолжить их, сделав упор не столько на том, как регенерирует хрусталик, сколько на том, каков механизм его изначального формирования.
Ганс Шпеман не уделял особого внимания механизмам процессов, определяющих развитие. Он полагал, что эмбриональное развитие слишком сложно для того, чтобы его можно было анализировать на молекулярном уровне, и поэтому сосредоточил свои усилия на его временной последовательности, т.е. на том, какие части эмбриона определяются в своем развитии первыми и каковы взаимоотношения между различными частями.
В его распоряжении ученого был богатый набор инструментов: тонкие скальпели, микропипетки, волосяные петли, стеклянные иглы. С помощью такого инструментария Шпеман, демонстрируя удивительное терпение и мастерство, проводил тончайшие микрохирургические операции на эмбрионе, позволившие ему узнать много нового и интересного.
В одном из экспериментов Шпеман занимался пересадкой зачатка глаза в различные участки тела зародыша и установил, что кожа над этим зачатком везде превращалась в роговицу. Это навело его на мысль, что различные части эмбриона выделяют вещества, оказывающие влияние на развитие соседних частей.
Свои основополагающие эксперименты Шпеман проводил в период с 1901 по 1918 годы. И всё это время он искал новые подтверждения своей идеи, пересаживая и меняя местами различные части зародыша. У одного эмбриона он взял нервную пластинку, которая обычно развивается в мозг, помещал её в кожу другого эмбриона и обнаруживал, что там она превращается в обычную кожу.
Эти эксперименты позволили ученому создать так называемую теорию - «организационных центров», описать различные точки зародыша, где выделяются вещества - по действию подобные гормонам, - которые влияют на дифференциацию и специализацию клеток. Эти исследования не только чрезвычайно интересны теоретически, но и очень важны для практики, ибо проливают свет на проблему регенерации.
В 1935 г. Ганс Шпеман был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине за «открытие организующих эффектов в эмбриональном развитии». Однако при всей важности этого открытия оно представляло собой лишь одно из многих его научных достижений.
Разработанные им методы и поставленные вопросы задали направление развития эмбриологии первой половины XX века. В 1936 году он подытожил многие свои работы в книге «Эмбриональное развитие и индукция» («Embryonic Development and Induction»), ставшей классическим трудом в области биологии развития.
В 1895 г. Шпеман женился на Кларе Биндер. В семье у них было двое детей. На досуге ученый любил обсуждать с друзьями и коллегами проблемы искусства, литературы и философии. Он часто повторял: «Ученый, у которого аналитический ум не сочетается, хотя бы в небольшой степени, с артистическими наклонностями, по моему мнению, не способен понять организм как целое».
Эннинг было 12, когда в скалах близ родного городка Лайм-Реджис (графство Дорсет, Англия) она и ее младший брат нашли первый полный скелет ихтиозавра . С тех пор Мэри была одержима поиском окаменелостей. Обычно она отправлялась на «охоту» после шторма, рассчитывая, что ветер и вода откроют доступ к очередным останкам, погребенным в толще известняка и сланцев. Этой женщине удалось обнаружить первые полные скелеты плезиозавра и птерозавра (птеродактиля). И хотя современники пользовались результатами ее трудов, Мэри не допустили в официальные научные круги, а ее работы часто цитировали без ссылок на первоисточник.9. Элис Хэмилтон, исследователь профзаболеваний (1869−1970)
Получив медицинскую степень в Мичиганском университете в 1893 году, Элис изучала условия труда на предприятиях, где использовались свинец, ртуть и другие ядовитые вещества. В конце концов, она обрисовала мрачную картину того, как вредное производство подрывает здоровье работника. Например, свинец приводил к коликам, судорогам и потере веса.8. Лиза Мейтнер, физик (1878−1968)
В 1944 году немецкий ученый Отто Ган получил Нобелевскую премию по химии за открытие ядерного распада. Шведская академия наук и сам лауреат умолчали о физике Лизе Мейтнер, которая стояла у истоков исследования, проработала с Ганом рука об руку 30 лет и вместе с племянником Отто Фришем сумела правильно объяснить результаты экспериментов Гана. Будучи еврейкой, Лиза оставила берлинский Институт химии имени кайзера Вильгельма в 1938 году. Перебравшись в Швецию, она не смогла продолжить работу из-за отсутствия денег и поддержки. В 1997 году в ее честь назвали искусственно синтезированный химический элемент мейтнерий.7. Инге Леманн, сейсмолог (1888−1993)
Работая в спокойной в плане природных катастроф Дании, Леманн изучала сейсмические волны, которые расходятся от очага землетрясения и достигают противоположной стороны планеты. Именно Леманн открыла внутреннее ядро Земли. В 1914 году немецко-американский сейсмолог Бено Гутенберг установил границу между мантией и жидким ядром Земли. Но в середине 1930-х Леманн получила данные, которые указывали, что часть волн при прохождении ядра меняет траекторию и скорость движения. Так Инге пришла к выводу, что в центре планеты есть еще и твердое ядро.6. Хильде Мангольд, эмбриолог (1898−1924)
В нобелевской лекции 1935 года немецкий эмбриолог Ханс Шпеман, получивший премию по физиологии и медицине «за открытие организующих эффектов в эмбриональном развитии», лишь дважды упомянул имя своей аспирантки Хильде Мангольд, хотя именно ее диссертация легла в основу его научного успеха. В начале 1920-х она пересадила кусочек ткани эмбриона одного вида тритона в развивающийся зародыш другого вида. В результате сформировались генетически разные сиамские близнецы. Так Хильде доказала, что у эмбриона есть «организатор» — участок клеток, ответственный за развитие центральной нервной системы и рост позвоночника. Увы, Хильде погибла в год публикации своей научной работы при взрыве газовой плиты.5. Элси Уиддоусон, диетолог (1906−2000)
Во время Второй мировой войны британское правительство поощряло рацион, основанный на капусте, картошке и хлебе с добавлением мела. Это меню разработала Элси Уиддоусон совместно со своим коллегой Робертом Маккансом. Действие различных минералов и витаминов Элси проверяла на собственном организме, делая себе инъекции. Ее работа заложила основы диетологии, дала представление о составе продуктов и здоровом питании.4. Вирджиния Апгар, анестезиолог (1909−1974)
В 1952 году американский анестезиолог Вирджиния Апгар предложила свою систему оценки состояния ребенка в первые минуты жизни. Прежде в акушерстве не было стандартного способа определить, все ли в порядке с новорожденным. Сейчас шкалу Апгар используют во всем мире, а оценку сообщают родителям и педиатру наряду с ростом и весом.3. Цзяньсун Ву, физик (1912−1997)
Американка китайского происхождения более всего известна как ученый, опровергший закон сохранения четности. В упрощенной форме он провозглашает, что частицы, зеркально повторяющие друг друга, станут вести себя одинаково. В 1956 году Ву провела сложный эксперимент, показавший, что при определенных условиях этот принцип может быть нарушен. Год спустя исследование принесло Нобелевскую премию по физике. Правда, не самой Ву, а ее коллегам Чжэньнину Янгу и Чжэндао Ли.2. Энн Макларен, специалист по эмбриональному развитию (1927−2007)
Еще в середине 1950-х англичанка Макларен и ее сотрудники успешно оплодотворили яйцеклетки мыши вне матки и затем имплантировали эмбрионы суррогатной матери. После удачного завершения эксперимента Макларен отправила телеграмму своей коллеге: «Родились 4 ребенка из пробирки!»1. Стефани Кволек, химик (1923−2014)
Изобретательница пуленепробиваемого материала кевлара получила образование химика, но мечтала стать доктором. В американскую компанию DuPont она устроилась с намерением поднакопить денег на обучение в медицинском вузе. Но внезапно увлеклась работой по специальности. В 1964 году ее группе поручили разработать материал, которым можно было бы заменить стальной корд в автомобильных шинах. Полученный в результате кевлар был в пять раз прочнее стали — и намного легче нее. Сегодня кевлар можно найти повсюду: от прихваток до космических кораблей.15 лет назад - 5 июля 1996 года на свет появилась овечка Долли, первое клонированное живое существо.
В этом же году китайский исследователь Тун Дичжоу (Tong Dizhou) впервые клонировал рыбу . Он пересадил генетический материал взрослого азиатского карпа в икринку, из которой появилась новая особь, которая впоследствии принесла потомство.
В 1964 г. профессор Корнелльского университета Фредерик Стюард (Frederic Steward) вырастил целую морковь из полностью изолированных клеток корневища, доказав таким образом возможность клонирования с использованием дифференцированных (изолированных) клеток.
В 1969 г. профессора Гарвардского университета Джеймс Шапиро (James Shapiero) и Джонатан Беквит (Johnathan Bechwith) выделили первый ген.
В 1972 г. профессор Стэнфордского университета Пол Берг (Paul Berg) создал первые рекомбинантные молекулы ДНК.
В 1979 г. Карл Илменси (Karl Illmensee) заявил, что ему удалось клонировать трех мышей.
В 1983 г. Кэри Муллис (Kary Mullis) разработал метод полимеразной цепной реакции (ПЦР), позволяющий добиться значительного увеличения малых концентраций определенных фрагментов нуклеиновой кислоты (ДНК) в биологическом материале (пробе).
В 1984 г. датский ученый Стин Вилладсен (Steen Willadsen) клонировал овцу из эмбриональных клеток. Это был первый эксперимент по клонированию млекопитающего. Вилладсен использовал метод пересадки ядра (nuclear transfer).
В 1986 г. Вилладсен клонировал корову из дифференцированных клеток однонедельного эмбриона. В этом же году профессора Университета Висконсина Нил Ферст (Neal First), Рэндал Прэзер (Randal Prather) и Уиллард Айстоун (Willard Eyestone) также клонировали корову из клеток зародыша.
В 1990 г. стартовал проект "Геном человека" (Human Genome Project) - международная научно-исследовательская программа, целью которой стало определение последовательности более чем 3 млрд нуклеотидов, составляющих генетический код человека.
В 1995 г. профессора Рослинского института в Шотландии Иэн Уилмут (Ian Wilmut) и Кит Кэмпбелл (Keith Campbell) с помощью генетического материала двух изолированных эмбрионов успешно клонировали двух овец - Меган и Мораг.
В 1996 г. Уилмут и Кэмпбелл впервые поставили эксперимент по клонированию животного из клеток взрослой особи, в результате которого 5 июля 1996 г. на свет появилась овца Долли.
В 1997 г. в лаборатории Дона Вольфа (Don Wolf) Орегонского регионального центра по изучению приматов (Oregon Regional Primate Research Center) ученым удалось клонировать двух макак-резусов.
В этом же году президент США Билл Клинтон запретил использовать государственные средства для финансирования работ по клонированию человека.
В 1997 г. Иэн Вилмут и Кит Кэмпбелл использовали выращенные в лабораторных условиях клетки кожи с генетически вживленным в них человеческим геном и клонировали еще одну овцу - Полли.
В 1998 г. Долли родила трех здоровых ягнят, зачатых естественным путем.
В этом же году в Университете штата Гавайи группа ученых во главе с профессором Риузо Янагимачи (Ryuzo Yanagimachi) клонировала 50 мышей из клеток взрослых особей. Первая мышь-клон получила прозвище Кумулина.
22 декабря 2001 г. в Техасском университете агрокультуры и машиностроения (Texas A&M University) родилась первая в мире клонированная домашняя кошка по кличке Сиси (CopyCat, CC). Через два года в университете родились первый клонированный олень - Дьюи и первая клонированная лошадь - Прометея.
В 2001 г. ученые из компании Advanced Cell Technology, Inc. объявили о рождении быка-гаура по кличке Ноа, который стал первым клонированным животным, относящимся к вымирающим видам. Этот эксперимент открыл перспективу спасения исчезающих видов животных путем клонирования.
В 2003 г. знаменитую на весь мир овцу Долли усыпили . Причиной послужил прогрессирующий рак легких, вызванный вирусом. Долли было 6,5 лет.
В 2005 г. в Южной Корее на свет появилась первая в мире клонированная собака - африканская борзая Снаппи.
В 2009 г. в Дубае (ОАЭ) родился первый клонированный верблюд - Инджас, в переводе с арабского "достижение".
Несмотря на ряд заявлений о проведении успешных опытов по клонированию человеческого эмбриона (1998, 2004 - в Южной Корее, 2002 - в США), на сегодняшний день научного подтверждения этому нет.
Вначале Ш. собирался стать врачом, однако во время обучения он настолько заинтересовался эмбриологией, что решил оставить практическую медицину и заняться исследовательской деятельностью. В конце 1893 г. он покинул Гейдельберг, в течение зимы проучился в Мюнхенском университете, и весной приступил к работе над диссертацией по эмбриологии в Зоологическом институте Вюрцбургского университета. Его руководителем был Теодор Бовери, один из ведущих эмбриологов мира.
Уже в самом начале своей исследовательской карьеры Ш. поставил перед собой ряд вопросов, волновавших в то время эмбриологов. Впоследствии он сформулировал эти вопросы так: «Как налаживается гармоничное взаимодействие между отдельными процессами, в результате которого формируется единый целостный процесс развития? Происходят ли эти процессы независимо друг от друга, будучи с самого начала настолько точно сбалансированными, что в конце концов приводят к формированию сложнейшего «продукта» целостного организма, или же осуществляется их взаимное влияние, при котором они усиливают, поддерживают или ограничивают друг друга?»
Направление первых работ Ш. по эмбриональному развитию было подсказано ему его коллегой по Гейдельбергскому университету Густавом Вольфом. Этот ученый обнаружил, что если из развивающегося глаза эмбриона тритона удалить хрусталик, то из края сетчатки будет развиваться новый хрусталик. Ш. был поражен опытами Вольфа и решил продолжить их, сделав упор не столько на том, как регенерирует хрусталик, сколько на том, каков механизм его изначального формирования.
В норме хрусталик глаза тритона развивается из группы клеток эктодермы (наружный листок эмбриональной ткани) в тот момент, когда особый вырост мозга – глазной бокал – достигает поверхности эмбриона. Ш. доказал, что сигнал к формированию хрусталика поступает именно от глазного бокала. Он обнаружил, что если удалить эктодерму, из которой должен образоваться хрусталик, и заменить ее клетками из совершенно иной области эмбриона, то из этих пересаженных клеток начинает развиваться нормальный хрусталик. Для решения своих задач Ш. разработал чрезвычайно сложные методы и приборы, многие из которых По сей день используются эмбриологами и нейробиологами для тончайших манипуляций с отдельными клетками.
Тем временем Ш. закончил докторскую диссертацию и в 1895 г. был удостоен степени доктора наук. После этого он остался в Вюрцбурге и 3 года спустя получил должность лектора по зоологии. В 1908 г. он переехал в Росток, где занял пост профессора зоологии и сравнительной анатомии. К началу первой мировой войны он стал заместителем директора Института биологии кайзера Вильгельма (в настоящее время Институт Макса Планка) в Далеме (пригород Берлина) и проработал в этой должности всю войну. В 1919 г. он стал профессором зоологии Фрейбургского университета.
В своих ранних опытах на хрусталике и глазном бокале Ш. показал, что развитие эктодермы, из которой формируется хрусталик, зависит от влияния сетчатки. Далее он решил изучить, в какие же сроки определяется развитие эмбриона как целого. Для этого он разделил яйцеклетку тритона на две половины с помощью петли, сделанной из человеческого волоса. Оказалось, что если эту операцию произвести на ранних сроках эмбриогенеза (развития эмбриона), то из каждой половины может развиться целостный, хотя и меньший по сравнению с нормой, эмбрион. Если ту же операцию произвести позднее, то из каждой половины вырастет половина эмбриона. Из этого Ш. заключил, что «план развития» каждой половины яйцеклетки определяется в этот промежуточный период.
Ш. не уделял особого внимания механизмам процессов, определяющих развитие. Он полагал, что эмбриональное развитие слишком сложно для того, чтобы его можно было анализировать на молекулярном уровне, и поэтому сосредоточил свои усилия на его временной последовательности, т.е. на том, какие части эмбриона определяются в своем развитии первыми и каковы взаимоотношения между различными частями.
Для того чтобы ответить на эти вопросы, Ш. производил пересадки тканей между зародышами, принадлежащими двум близкородственным видам тритона. Поскольку особи этих видов различаются по цвету, Ш. легко мог проследить за судьбой пересаженных клеток. Вместе со. своими коллегами (в частности, с Хильдой и Отто Мангольд) он обнаружил, что, как и в первых опытах Вольфа с хрусталиком, судьба пересаженной ткани почти полностью зависит не от того, какой орган должен был из нее развиться в ее прежнем положении, а от ее новой локализации. В то же время Ш. выявил и одно удивительное исключение. Оказалось, что определенный участок эмбриона, расположенный вблизи соединения между тремя основными клеточными листками (эктодермой, эндодермой и мезодермой), будучи пересаженным в любое место другого эмбриона того же срока, развивался не в соответствии с его новым расположением, а скорее продолжал линию своего собственного развития и направлял развитие окружающих тканей. Эти данные были опубликованы Ш. и Хильдой Мангольд в 1922 г.; было показано, что существует участок эмбриона, ткань из которого, будучи пересаженной в любое место другого эмбриона, вызывает организацию примордиальных структур (самых первых различимых структур, появляющихся в ходе эмбрионального развития) второго эмбриона. В связи с этим подобные участки были названы «организационными центрами».
Лучшие дня
Как писал Ш. впоследствии, в его последующих работах по пересадке тканей между эмбрионами разных видов было показано, что «индуцирующие стимулы не задают специфические свойства [индуцируемого органа], но запускают развитие тех свойств, которые уже присущи реагирующей ткани... Сложность развивающихся систем в основном определяется структурой реагирующей ткани, и... индуктор оказывает лишь запускающий и в некоторых случаях направляющий эффект».
В 1935 г. Ш. был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине за «открытие организующих эффектов в эмбриональном развитии». Однако при всей важности этого открытия оно представляло собой лишь одно из многих научных достижений Ш. Разработанные им методы и поставленные вопросы задали направление развития эмбриологии первой половины XX в. В 1936 г. он подытожил многие свои работы в книге «Эмбриональное развитие и индукция» («Embryonic Development and Induction»), ставшей классическим трудом в области биологии развития.
Ш. сумел показать, что в ряде случаев от взаимодействия между эмбриональными листками зависит дальнейшее развитие особых групп клеток (и их дочерних клеток) в те ткани и органы, в которые они должны превратиться в зрелом эмбрионе. Четкие эксперименты Ш. привели его к постановке ясных вопросов относительно причинно-следственных отношений между определенными и четко очерченными процессами развития идентифицируемых клеточных групп. Совокупность его работ заложила основу для современного учения о развитии эмбриона.
В 1895 г. Ш. женился на Кларе Биндер. В семье у них было двое детей. На досуге Ш. любил обсуждать с друзьями и коллегами проблемы искусства, литературы и философии. Он часто повторял: «Ученый, у которого аналитический ум не сочетается, хотя бы в небольшой степени, с артистическими наклонностями, по моему мнению, не способен понять организм как целое». 12 сентября 1941 года Ш. скончался в своем загородном доме близ Фрейбурга.
Немецкий эмбриолог, один из основоположников экспериментальной эмбриологии.
Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине за 1935 год «за открытие организующих эффектов в эмбриональном развитии».
«Исследования Вильгельма Ру
расширил и углубил немецкий эмбриолог Ханс Шпеман
. В его распоряжении был более богатый набор инструментов: тонкие скальпели, микропипетки, волосяные петли, стеклянные иглы. С помощью такого инструментария Шпеман, демонстрируя удивительное терпение и мастерство, проводил тончайшие микрохирургические операции на эмбрионе, позволившие ему узнать много нового и интересного.
В одном из экспериментов он занимался пересадкой зачатка глаза в различные участки тела зародыша и установил, что кожа над этим зачатком везде превращалась в роговицу.
Это навело его на мысль, что различные части эмбриона выделяют вещества, оказывающие влияние на развитие соседних частей. Свои основополагающие эксперименты Шпеман проводил в период с 1901 по 1918 годы.
И всё это время он искал новые подтверждения своей идеи, пересаживая и меняя местами различные части зародыша. У одного эмбриона он взял нервную пластинку, которая обычно развивается в мозг, помещал её в кожу другого эмбриона и обнаруживал, что там она превращается в обычную кожу. Он поставил и обратный эксперимент: взяв часть эпидермиса второго эмбриона, он поместил её на место нервной пластинки в первый, где она развилась в полноценный мозг.
Он сформулировал так называемую теорию - «организационных центров», описав различные точки зародыша, где выделяются вещества - по действию подобные гормонам, - которые влияют на дифференциацию и специализацию клеток.
Эти исследования не только чрезвычайно интересны теоретически, но и очень важны для практики, ибо проливают свет на проблему регенерации. Возможности человека в этом отношении весьма скромны, тогда как, например, у ящериц вырастают новые хвосты, а у тритонов даже новые конечности. (Как было бы прекрасно, если бы и человек располагал такими возможностями!)
Оценив по достоинству результаты Шпемана , эксперты Каролинского института приняли в 1935 году решение присудить ему Нобелевскую премию по физиологии и медицине за открытие «организационных центров» в развивающемся эмбрионе.
Проблема взаимодействия клеток тесно связана с генной инженерией и новым направлением иммунологии - иммунной инженерией. Эти направления постепенно объединяются, обеспечивая удивительный синтез, который откроет перед человеком возможность управления живой материей».
Валерий Чолаков, Нобелевские премии. Учёные и открытия, М., «Мир», 1986 г., с. 339-340.