Что такое эмбриональная индукция? Исследования в области экспериментальной эмбриологии. Нобелевские лауреаты: Ханс Шпеман

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».

Генная инженерия – отнюдь не изобретение последних десятилетий, как кажется многим. Подходы к ней были найдены ещё в начале прошлого века.

Одним из первых шагов были опыты германского исследователя Шпемана и его коллег, происходившие в середине 1920-х годов. Для опытов взяли тритонов двух разновидностей: гребенчатого (с белыми яйцами) и полосатого (с жёлтыми). Фрагмент дорсальной губы гребенчатого тритона пересаживали на одну из сторон другого вида. Оба организма при этом были зародышами в стадии гаструлы.

Наблюдения показали: пересадка вызывает формирование различных органов, в том числе нервной трубки. Развиваясь, процесс может привести даже к возникновению дополнительного зародыша. Он образуется преимущественно из клеток реципиента, но во всех органах прослеживаются также и клетки донора.

Эксперимент Шпемана – путь к клонированию

Впоследствии проводились другие опыты по схожей схеме, что позволило зафиксировать три вывода. Первый – трансплантация участков спинной губы бластопоров может перенаправлять развитие окружающих тканей в необычном (не встречающемся в природе) виде. Второй – на брюшной и боковой сторонах гаструлы обыкновенную поверхность в эксперименте заменяет целый зародыш. И третий – строение возникающих вследствие пересадки органов вызвано эмбриональной регуляцией.

Шпеман дал спинной губе бластопора название первичного организатора. В более ранних фазах развития чего-либо подобного зафиксировано не было. Сегодня уже известно, что решающее значение имеет не вся губа, а только её хордомезодермальный зачаток. Сам процесс влияние фрагмента одного зародыша на развитие другого биологи называют эмбриональной индукцией.

В межвоенный период учёные искали фактор, обуславливающий индуцирующее действие. Им удалось обнаружить, что индукция провоцируется различными мёртвыми тканями, вытяжками из животных и растений, органическими и даже неорганическими веществами. С другой стороны, установили, что особенности реакции реципиента никак не связаны с химическими параметрами влияющего агента.

Потому эмбриологи сосредоточились на изучении индуцируемых тканей. Они выяснили, что индукция ограничена способностью зародыша воспринимать воздействие. Ранняя гаструла вызывает формирование переднего мозга, поздняя – спинного и мезодермальных тканей. Препятствовать индукции проще всего с помощью фракции нуклеопротеинов.

Реакция эмбриональных органов и тканей на влияния таким способом называется компетенцией. Поменять ход развития можно только тогда, когда компетенция к формированию «закладок» шире, чем область её нормального развития, и исключительно в определённый период времени. Масштаб и период компетенции у разных организмов неодинаковы.

Сегодня изучаются главным образом те механизмы индукции, которые работают на молекулярном и клеточном уровнях.

Эксперимент Шпемана-Мангольд был проверкой гипотезы об алгоритме дифференцировки (и полностью её подтвердил). На опыте доказали существование определённых клеток-организаторов, воздействующих на другие клетки (отвечающие определённым требованиям), и меняющих вектор их развития. Дифференцировка определяется цитоплазматическим влиянием одних клеток на другие.

Ещё в 1921 году Хильда Мангольд начала работу, образец которой описан выше. Так была открыта и обоснована эмбриональная индукция. Позднейшие исследователи выяснили, что ряд тканей взрослых организмов нейтрализует формирование эктодермы, открыли ноггин и хордин – вещества-индукторы. Ганс Шпеман через одиннадцать лет получил Нобелевскую премию, а исследованный им участок дорсальной губы назвали организатором Шпемана.

Ханс Шпеман

Нобелевская премия по физиологии и медицине 1935 года. Формулировка Нобелевского комитета: «За открытие организующих эффектов в эмбриональном развитии» (for his discovery of the organizer effect in embryonic development).

Наш герой должен был стать книгопродавцем, издателем или, на худой конец, литератором. Ханс Шпеман был старшим из четырех детей Иоганна Вильгельма Шпемана и Лизинки Шпеман, урожденной Хофман. Иоганн Вильгельм был достаточно успешным книжным торговцем, и сын рос среди книг, обожал старые фолианты и классическую литературу. В том же духе он получил и среднее образование, окончив очень неплохую гимназию Эберхарда Людвига. Однако прослужив год в армии (как было положено после окончания школы в Германии), а точнее, в гусарах, а затем немного поработав в «дочерней фирме» в Гамбурге, Ханс все-таки решил учиться на медика и в 1891 году поступил в Гейдельбергский университет. Впрочем, стать медиком ему тоже было не суждено.

Уже в Гейдельберге биолог Густав Вольф проделывал удивительный эксперимент: у зародыша тритона из развивающегося глаза удалял хрусталик, но он вновь развивался из края сетчатки. Шпеман был настолько поражен магией увиденного, что, уже будучи студентом, отказался от медицинской карьеры и решил стать эмбриологом. Сказано - сделано: он ушел из Гейдельберга, недолго учился в Мюнхене, а затем перешел в Зоологический институт Университета Вюрцбурга.

Там он получает степени по зоологии, ботанике и физике, выполнив исследования под руководством эмбриолога Теодора Генриха Бовери (который установил постоянство количества хромосом у разных видов), ученика великого Юлиуса фон Сакса (который фактически был одним из первооткрывателей фотосинтеза) и соответственно.

Учитель Шпемана Юлиус Сакс

Wikimedia Commons

Учитель Шпемана Теодор Бовери

Wikimedia Commons

При нормальном эмбриогенезе хрусталик глаза тритона развивается из группы клеток эктодермы (наружный листок эмбриональной ткани) тогда, когда глазной бокал, вырост мозга тритона, достигает поверхности эмбриона (не зря говорят, что глаза - это мозг, вынесенный наружу).

При помощи изящных экспериментов Шпеман доказал, что именно этот мозговой вырост и посылает некий сигнал о том, что глазу пора расти. Шпеман отличался артистизмом эксперимента, и его изящные методы до сих пор используются в эмбриологии. «Ученый, у которого аналитический ум не сочетается хотя бы в небольшой степени с артистическими наклонностями, по моему мнению, не способен понять организм как целое», - любил говаривать Шпеман.

Он и его аспирантка Хильда Мангольд выяснили, что 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. Если кусочек будущего глаза пересаживать в кожу, то вырастал не глаз, а кожа.

Было и исключение. 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 продолжал линию своего собственного развития и направлял развитие окружающих тканей. Как писала Мангольд в своей диссертации, «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».

Увы, прославившаяся диссертацией Über Induktion von Embryonalanlagen durch Implantation artfremder Organisatoren («Индукция эмбрионального происхождения путем имплантации организационных центров у разных видов») Мангольд не смогла развить свой успех. Получив докторскую степень в 1923 году, она вместе с мужем и своим маленьким сыном Христианом переехала в Берлин. 4 сентября 1924 года случилась трагедия: газовый обогреватель в ее доме взорвался. Хильда погибла, так и не увидев своих результатов в печати: их совместная работа со Шпеманом вышла только в конце 1924 года. Ее сын погиб во время Второй мировой войны.

Остаток жизни ученый доживал спокойно - в своем загородном доме во Фрайбурге, где и умер в сентябре 1941 года. Из всех участников ключевых работ Шпемана по «организационным» точкам, Вторую мировую пережил только его бывший аспирант, защитивший диссертацию в 1919 году и ставший ассистентом профессора, Отто Мангольд. Тот самый муж Хильды, примкнувший к НСДАП и подписавший в 1942 году знаменитое письмо в Рейхсканцелярию, которое отмечало «огромную остроту борьбы еврейства против немецкого народа» (и оправдывало «окончательное решение еврейского вопроса»), после чего стал президентом Немецкого зоологического общества. Увы, этот человек отделался только отстранением от преподавания в 1945, но уже в 1946 году получил целый Институт экспериментальной биологии в Хайлигенберге, где и умер в 1961 году.

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.

Нобелевская премия по физиологии и медицине, 1935 г.

Немецкий эмбриолог Ханс Шпеман родился в Штутгарте, в семье книгоиздателя Иоганна Вильгельма Шпемана и Лизинки Шпеман (Хофман). Ханс был самым старшим из четырех детей Шпеманов. Ш. 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, Ш. в 1891 г. поступил в Гейдельбергский университет.

Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия: Пер. с англ.– М.: Прогресс, 1992.
© The H.W. Wilson Company, 1987.
© Перевод на русский язык с дополнениями, издательство «Прогресс», 1992.

КАТЕГОРИИ