Биология развития
Покупка
Издательство:
Лаборатория знаний
Под ред.:
Васильев Андрей Валентинович
Год издания: 2022
Кол-во страниц: 830
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-00101-984-8
Артикул: 801666.01.99
Перевод нового, дополненного 12-го издания «Биологии развития» М. Дж. Ф. Барреси и С. Ф. Гилберта привлекает своей основательностью и возможностью эффективно узнавать о классических принципах и о передовых разработках в этой обширной междисциплинарной области. Книга очень любима, хорошо иллюстрирована и предельно понятно написана. Обновлены главы об оплодотворении, дроблении, гаструляции, раннем развитии позвоночных, клеточной дифференцировке и клеточных взаимодействиях в процессе развития. Включена информация о биологии растений в те из них, которые посвящены клеточной спецификации, регуляции генов, клеточной коммуникации, производству гамет, оплодотворению, определению осей, формированию органов и регенерации. Представлен новый материал о морфомеханике развития во время гаструляции у дрозофилы и формирования легких млекопитающих. Особое внимание уделено использованию полногеномных подходов, выводящих наше понимание дифференцировки клеток на новый уровень. Для студентов и аспирантов биологических и медицинских вузов, а также их преподавателей, будет полезна старшеклассникам для более глубокого изучения предмета.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 06.03.01: Биология
- 34.03.01: Сестринское дело
- ВО - Специалитет
- 30.05.01: Медицинская биохимия
- 30.05.02: Медицинская биофизика
- 31.05.01: Лечебное дело
- 31.05.02: Педиатрия
- 31.05.03: Стоматология
- 32.05.01: Медико-профилактическое дело
- 33.05.01: Фармация
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
БИОЛОГИЯ РАЗВИТИЯ
MICHAEL J. F. BARRESI SCOTT F. GILBERT DEVELOPMENTAL BIOLOGY INTERNATIONAL TWELFTH EDITION SINAUER ASSOCIATES NEW YORK OXFORD OXFORD UNIVERSITY PRESS
Перевод с английского Электронное издание под редакцией доктора биол. наук, профессора А. В. Васильева БИОЛОГИЯ РАЗВИТИЯ М. ДЖ. Ф. БАРРЕСИ С. Ф. ГИЛБЕРТ Москва Лаборатория знаний 2022
УДК 573 ББК 28.03 Б25 П е р е в о д ч и к и: Е. А. Радугина (гл. 1–4, 21, 22), Ю. В. Храмова (гл. 5–7, 12), Д. А. Никишин (гл. 8, 9, 10), И. Е. Борисенко (гл. 13, 15, 19), В. В. Козин (гл. 17, 18), Н. М. Алешина (гл. 11, 20), Е. Ю. Шмуклер (гл. 14, 16), Ю. Б. Шмуклер (гл. 23, 24) Барреси М. Дж. Ф. Б25 Биология развития / М. Дж. Ф. Барреси, С. Ф. Гилберт ; пер. с англ. под ред. д-ра биол. наук А. В. Васильева. — Электрон. изд. — М. : Лаборатория знаний, 2022. — 803 с. — Систем. требования: Adobe Reader XI ; экран 10". — Загл. с титул. экрана. — Текст : электронный. ISBN 978-5-00101-984-8 Перевод нового, дополненного 12-го издания «Биологии развития» М. Дж. Ф. Барреси и С. Ф. Гилберта привлекает своей основательностью и возможностью эффективно узнавать о классических принципах и о передовых разработках в этой обширной междисциплинарной области. Книга очень любима, хорошо иллюстрирована и предельно понятно написана. Обновлены главы об оплодотворении, дроблении, гаструляции, раннем развитии позвоночных, клеточной дифференцировке и клеточных взаимо- действиях в процессе развития. Включена информация о биологии растений в те из них, которые посвящены клеточной спецификации, регуляции генов, клеточной коммуникации, производству гамет, оплодотворению, определению осей, формированию органов и регенерации. Представлен новый материал о морфомеханике развития во время гаструляции у дрозофилы и формирования легких млекопитающих. Особое внимание уделено использованию полногеномных подходов, выводящих наше понимание дифференцировки клеток на новый уровень. Для студентов и аспирантов биологических и медицинских вузов, а также их преподавателей, будет полезна старшеклассникам для более глубокого изучения предмета. УДК 573 ББК 28.03 Деривативное издание на основе печатного аналога: Биология развития / М. Дж. Ф. Барреси, С. Ф. Гилберт ; пер. с англ. под ред. д-ра биол. наук А. В. Васильева. — М. : Лаборатория знаний, 2022. — 800 с. : ил. ISBN 978-5-00101-323-5 В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации ISBN 978-5-00101-984-8 Developmental Biology, International Twelfth Edition was originally published in English in 2020. This translation is published by arrangement with Oxford University Press. BKL Publishers is solely responsible for this translation from the original work and Oxford University Press shall have no liability for any errors, omissions or inaccuracies or ambiguities in such translation or for any losses caused by reliance thereon. Developmental Biology, International Twelfth Edition было впервые опубликовано на английском языке в 2020 г. Этот перевод опубликован по договоренности с Oxford University Press. ООО «Лаборатория знаний» несет полную ответственность за этот перевод оригинального произведения, и Oxford University Press не несет ответственности за любые ошибки, упущения, неточности или двусмысленности в этом переводе или за убытки, причиненные в связи с его использованием. © 2020 Oxford University Press © Лаборатория знаний, 2022
Посвящается всем, кто непосредственно участвовал в создании книги. Спасибо моим родителям, Джозефу и Джеральдин Барреси, что всегда ставите своих детей на первое место. Моей семье — Хизер, Самуилу, Ионе, Луке и Матео — эта книга была написана только благодаря вашему непоколебимому пониманию, любви и поддержке. —M. J. F. B. Энн, Даниэлю, Сарре, Дэвиду и Наталье, чья поддержка и юмор поддержали меня, и Алине, которая родилась с момента последнего издания. —S. F. G.
Предисловие к русскому изданию «Биология развития», написанная Скоттом Гил- бертом, давно стала настольной книгой российских биологов. Несмотря на наличие учебников россий- ских авторов, именно к ней обращаются студенты, аспиранты и молодые ученые самых различных биологических специальностей. Энциклопедиче- ская широта, умелое изложение фундаментальных основ классической биологии во взаимосвязи с до- стижениями современных дисциплин делают эту книгу уникальной для формирования научного мировоззрения. Сегодня биология развития — наиболее динамич- но развивающаяся область, открывающая все новые подходы и объекты. Впору говорить уже о вновь сформировавшихся направлениях биологии, кото- рые наряду с evo-devo становятся самостоятельными научными дисциплинами. Клеточная эмбриология, биология столовых клеток, в том числе и биология плюрипотентности, eco-evo-devo — вот не полный список дисциплин, в которых открываются завора- живающие перспективы. Казалось бы, что можно добавить в ставшее клас- сическим издание «кирпича» С. Гилберта? Тем не ме- нее новую книгу нельзя назвать несколько дополнен- ным переизданием хорошо известной предыдущей. В издании, подготовленном С. Гилбертом совместно с М. Барреси, читатель встретит новые объяснения уже известных процессов, новые данные о молеку- лярных и клеточных механизмах развития. По-иному сформированы многие главы, описаны дополнитель- ные объекты, несколько иначе расставлены акценты. Несмотря на привычную фундаментальность, в кни- ге уделено значительное внимание инновационным подходам в биологии, даны отсылки к механизмам заболеваний, наследственных нарушений или к эко- логическим и общественным проблемам. Вероятно, это справедливая дань времени, требующего большей прагматичности и технологичности даже от класси- ческих биологических дисциплин. Следует отметить, что читателю русскоязычного варианта книги придется встретиться с рядом рус- скоязычных терминов, которые не эквивалентны англоязычным определениям. Экспериментальная эмбриология и биология развития имеют в России многолетнюю самобытную историю, поэтому ряд терминов давно сформирован и занял свое место в лексиконе ученых. Надеюсь, что это не составит большой проблемы, поскольку в тексте все термины подробно раскрыты, кроме того, в книге впервые представлен глоссарий, где мы постарались использо- вать и русскоязычные и англоязычные определения для объяснения важных понятий. Среди авторов перевода — активно работаю- щие ученые Института биологии развития имени Н. К. Кольцова РАН и кафедры эмбриологии Биоло- гического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (благодарим И. Романову за участие в подготовке книги). Общим принципом перевода было уважительное отношение к исходному тексту, авторскому описанию и объясне- нию процессов и механизмов, даже если собственное мнение переводчика несколько отличалось от изло- женной. Нам приходилось помнить, что в этом случае мы, прежде всего, переводчики и редакторы. Итак, действительно новая книга «Биология развития» М. Барреси и С. Гилберта состоялась и на русском языке, а значит студенты, аспиранты, молодые и опытные исследователи и преподаватели получили источник актуальной информации о бурлящем океане под названием биология развития! А. В. Васильев, член-корреспондент РАН, доктор биологических наук
Содержание Предисловие к русскому изданию 6 Предисловие: широкий взгляд на биологию развития 17 Вспомним междисциплинарные основы области 17 Новое в международном двенадцатом издании 18 Развитие растений охватывает все 18 Модернизированная и расширенная глава по регенерации 18 Обновления во всех главах 18 Новый, ориентированный на студентов, подход 19 Благодарности 19 ЧАСТЬ I • Раннее развитие: дробление, гаструляция и формирование осей 21 1 Возникновение тела и области: введение в биологию развития 21 «Как ты? Кто ты?». Сравнительная эмбриология и вопросы биологии развития 23 Жизненный цикл 27 Жизненный цикл животного 27 Жизненный цикл цветкового растения 28 Пример 1: жизнь лягушки 28 Гаметогенез и оплодотворение 29 Дробление и гаструляция 29 Органогенез 31 Метаморфоз и гаметогенез 31 Пример 2: даже в жизни сорняков есть место цветам 32 Фазы репродукции и гаметофита 32 Эмбриогенез и созревание семени 32 Вегетативные фазы: от роста спорофита до определения соцветия 34 Обзор раннего развития животных 34 Способы дробления 34 Гаструляция: важнейшее событие в нашей жизни 36 Первичные зародышевые листки и первые органы 37 Постигая поведение клеток в эмбрионе 38 Принципиальный подход к наблюдению развития 40 Подход к проблеме: обнаружить, утратить, переместить 40 Прямое наблюдение за живыми эмбрионами 41 Мечение красителями 41 Генетические метки 41 Химеры с трансгенной ДНК 43 Эволюционная эмбриология 45 Понимание древа жизни позволяет увидеть взаимосвязи в развитии его представителей 47 История развития наземных растений 52 Медицинская эмбриология и тератология 56 Генетические аномалии и синдромы 56 Нарушения и тератогены 56 Послесловие 57
Содержание 2 Определение идентичности: механизмы разметки тела в развитии 59 Уровни коммитирования 59 Дифференцировка клеток 60 Созревание согласно траектории развития клетки 60 Автономная спецификация 61 Цитоплазматические детерминанты и автономная спецификация у оболочника 61 Условная спецификация 64 Синцитиальная спецификация 68 Положение определяют противонаправленные градиенты вдоль осей 68 3 Дифференциальная экспрессия генов: механизмы дифференцировки клеток 71 Определение дифференциальной экспрессии генов 71 Короткий курс по центральной догме 72 Доказательства геномной эквивалентности 73 Анатомия гена 75 Состав хроматина 75 Экзоны и интроны 76 Основные части гена эукариот 76 Продукт транскрипции и его процессинг 76 Некодирующие регуляторные элементы: включение, выключение, регулировка активности гена 77 Механизмы дифференциальной экспрессии генов: транскрипция 82 Эпигенетические модификации: настройка доступности генов 82 Транскрипционные факторы регулируют транскрипцию генов 85 Генная регуляторная сеть: определение отдельных клеток 90 Механизмы дифференциальной экспрессии генов: процессинг пре-мРНК 91 Создание семейств белков путем альтернативного сплайсинга пре-мРНК 91 Механизмы дифференциальной экспрессии генов: трансляция мРНК 93 Дифференциальная стабильность мРНК 93 мРНК, запасенные в ооцитах: избирательное ингибирование трансляции мРНК 93 Избирательность рибосом: избирательная активация трансляции мРНК 94 МикроРНК: специфическая регуляция трансляции и транскрипции мРНК 95 Контроль экспрессии РНК за счет локализации в цитоплазме 97 Механизмы дифференциальной экспрессии генов: посттрансляционные модификации белка 97 Послесловие 106 4 Межклеточная коммуникация: механизмы морфогенеза 109 Основы межклеточной коммуникации 110 Адгезия и сортировка: юкстакринные взаимодействия и физика морфогенеза 111 Дифференциальное сродство клеток 111 Термодинамическая модель взаимодействия клеток 113 Кадгерины и клеточная адгезия 114 Внеклеточный матрикс как источник сигналов для развития 116 Интегрины: рецепторы молекул внеклеточного матрикса 117 Эпителио-мезенхимный переход 118 Клеточная сигнализация 119 Индукция и компетенция 119 Паракринные факторы: молекулы- индукторы 123 Градиенты морфогенов 123 Каскады передачи сигнала: ответ на индукторы 125 Факторы роста фибробластов и тирозинкиназный сигнальный путь 125 FGF и сигнальный путь JAK-STAT 126 Семейство Hedgehog 127 Семейство Wnt 131
Содержание 9 Суперсемейство TGFβ 135 Другие паракринные факторы 137 Клеточная биология паракринной сигнализации 140 Локальные выросты мембраны как источник сигналов 140 Юкстакринная сигнализация в определении идентичности клеток 145 Сигнальный путь Notch: юкстапозиция лигандов и рецепторов в установлении разметки тела 145 Координация паракринной и юкстакринной сигнализации: индукция вульвы у C. elegans 146 5 Стволовые клетки: ниши стволовых клеток и их потенциал 151 Концепция стволовой клетки 152 Деление и самовоспроизведение 152 Потенции определяют типы стволовых клеток 152 Регуляция стволовых клеток 154 Плюрипотентные клетки в эмбрионе 155 Клетки меристемы у эмбриона Arabidopsis thaliana 156 Клетки внутренней клеточной массы в эмбрионе мыши 158 Ниши стволовых клеток у взрослых животных 159 Стволовые клетки стимулируют развитие половых клеток в яичнике Drosophila 159 Постнатальная ниша стволовых клеток в вентрикулярно-субвентрикулярной зоне 160 Нейронная ниша стволовых клеток в В-СВЗ 163 Постнатальная ниша стволовых клеток кишечника 166 Самообновление клеток в крипте 166 Стволовые клетки обеспечивают поддержание клеточного состава крови 168 Гемопоэтическая ниша стволовых клеток 168 Мезенхимные стволовые клетки: поддержание разнообразия тканей взрослого организма 171 Регуляция развития МСК 172 Модели систем человека для изучения развития и болезней 172 Плюрипотентные стволовые клетки в условиях лаборатории 173 Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки 176 Органоиды: изучение органогенеза человека в культуральной чашке 179 Стволовые клетки: надежда или шумиха? 182 ЧАСТЬ II • Гаметогенез и оплодотворение: определение пола 185 6 Определение пола и гаметогенез 185 Определение пола 185 Хромосомное определение пола 186 Способы определения пола у млекопитающих 186 Гонадное определение пола у млекопитающих 187 Вторичное определение пола у млекопитающих: гормональная регуляция полового фенотипа 193 Хромосомное определение пола у Drosophila 197 Определение пола путем дозировки Х-хромосомы 197 Ген Sex-lethal 197 Doublesex: ген переключения определения пола 199 Определение пола в зависимости от внешних факторов 200 Гаметогенез у животных 203
Содержание ППК млекопитающих: от половых валиков до гонад 203 Мейоз: переплетение жизненных циклов 204 Сперматогенез у млекопитающих 207 Оогенез у млекопитающих 211 Определение пола и гаметогенез у покрытосеменных растений 213 Определение пола 213 Гаметогенез 216 Пыльца 218 Семязачаток 218 7 Оплодотворение: начало нового организма 223 Структура гамет 224 Сперматозоид 224 Яйцеклетка 226 Узнавание сперматозоида яйцеклеткой 228 Наружное оплодотворение у морского ежа 230 Привлечение сперматозоидов: действие на расстоянии 230 Акросомная реакция 230 Распознавание оболочки яйцеклетки 231 Слияние мембран сперматозоида и яйцеклетки 231 Предотвращение полиспермии: одна яйцеклетка, один сперматозоид 232 Активация метаболизма яйцеклетки морского ежа 236 Объединение генетического материала морских ежей 242 Внутреннее оплодотворение млекопитающих 243 Проникновение гамет в яйцевод: перемещение и капацитация 243 Вблизи ооцита: гиперактивация, направленное движение сперматозоидов, акросомная реакция 245 Распознавание zona pellucida 246 Слияние гамет и предотвращение полиспермии 246 Активация яйцеклетки млекопитающих 249 Слияние генетического материала 249 Оплодотворение у покрытосеменных растений 250 Опыление и не только: прогамная фаза 250 Прорастание пыльцы и удлинение пыльцевой трубки 250 Ориентирование пыльцевой трубки 251 Двойное оплодотворение 252 Послесловие 253 ЧАСТЬ III • Раннее развитие: дробление, гаструляция и формирование осей 257 8 Улитки, цветы и нематоды: разные механизмы для схожих паттернов спецификации 257 Напоминание об эволюционном контексте, в котором возникли стратегии регуляции раннего развития 258 Двухслойные животные: стрекающие и гребневики 258 Трехслойные животные: первично- и вторичноротые 258 Что дальше? 260 Раннее развитие у улиток 260 Дробление эмбрионов улиток 260 Материнская регуляция дробления улиток 262 Детерминация осей эмбриона улиток 268 Гаструляция у улиток 272 Нематода C. elegans 272 Дробление и формирование осей у C. elegans 274 Ротационное дробление яйца 275 Формирование передне-задней оси 276 Формирование дорсально-вентральной и право-левой осей 277 Контроль идентичности бластомеров 277 Гаструляция 66 клеток у C. elegans 279
Содержание 11 9 Генетика спецификации осей у Drosophila 283 Раннее развитие Drosophila 285 Оплодотворение 285 Дробление 286 Переход на средней бластуле 287 Гаструляция 288 Генетические механизмы разметки тела Drosophila 290 Сегментация и передне-задняя разметка тела 291 Материнские градиенты: регуляция полярности цитоплазмой ооцита 291 Передний организующий центр: градиенты Bicoid и Hunchback 296 Группа концевых генов 297 Обобщение ранней спецификации передне- задней оси у Drosophila 297 Гены сегментации 297 Сегменты и парасегменты 297 Gap-гены 299 Гены pair rule 299 Гены сегментной полярности 302 Гомеозисные селекторные гены 304 Формирование дорсально-вентральной оси 306 Дорсально-вентральная разметка в ооците 306 Формирование дорсально-вентральной оси в эмбрионе 307 Оси и зачатки органов: модель в картезианских координатах 308 10 Морские ежи и асцидии: вторичноротые беспозвоночные 313 Раннее развитие морских ежей 313 Раннее дробление 314 Формирование бластулы 316 Карты презумптивных зачатков и детерминация бластомеров морского ежа 316 Генные регуляторные сети и спецификация скелетогенной мезенхимы 317 Спецификация вегетативных клеток 321 Гаструляция морского ежа 321 Ингрессия скелетогенной мезенхимы 322 Инвагинация архентерона 326 Раннее развитие оболочников 327 Дробление 328 Карта презумптивных зачатков асцидий 328 Автономная и зависимая спецификация бластомеров оболочников 329 11 Амфибии и рыбы 333 Раннее развитие амфибий 333 Оплодотворение, кортикальная ротация и дробление 334 Неравномерное радиальное голобластическое дробление 336 Переход к средней бластуле: подготовка к гаструляции 336 Гаструляция амфибий 337 Эпиболия проспективной эктодермы 338 Вегетативная ротация и инвагинация бутылковидных клеток 338 Инволюция на губе бластопора 339 Конвергентное удлинение дорсальной мезодермы 343 Прогрессивная детерминация осей тела амфибий 345 Спецификация зародышевых листков 345 Дорсально-вентральная и передне-задняя оси 346 Работа Ганса Шпемана и Хильды Мангольд: первичная эмбриональная индукция 346 Молекулярные механизмы формирования осей земноводных 348 Как образуется организатор? 348 Функции организатора 353 Индукция нейроэктодермы и дорсальной мезодермы: ингибиторы BMP 354 Сохранение передачи сигналов BMP в ходе дорсально-вентральной разметки 356
Содержание Региональная специфичность нейронной индукции вдоль антерио-постериорной оси 358 Спецификация лево-правой оси 361 Раннее развитие Danio rerio 362 Дробление яйцеклетки Danio rerio: изучение процесса 365 Гаструляция и формирование зародышевых листков 366 Развитие эпиболии 366 Интернализация гипобласта 368 Зародышевый щиток и нейральный киль 369 Процесс формирования дорcально- вентральной оси 371 Губа бластопора у рыб 371 Разделение сил Nodal и BMP во время детерминации оси 372 Формирование лево-правой оси 374 12 Птицы и млекопитающие 377 Раннее развитие птиц 379 Дробление у птиц 379 Гаструляция у птиц 379 Спецификация осей и роль организатора в эмбрионах птиц 386 Формирование лево-правой асимметрии 387 Раннее развитие млекопитающих 388 Дробление у млекопитающих 389 Трофобласт или ВКМ? Первое решение, определяющее всю дальнейшую жизнь 391 Гаструляция у млекопитающих 392 Формирование осей тела у млекопитающих 396 Близнецы 402 Послесловие 404 ЧАСТЬ IV • Строим из эктодермы: нервная система позвоночных и эпидермис 409 13 Формирование и разметка нервной трубки 409 Трансформация нервной пластинки в нервную трубку: рождение ЦНС 411 Первичная нейруляция 412 Вторичная нейруляция 421 Разметка центральной нервной системы 422 Передне-задняя ось 422 Дорсально-вентральная ось 422 Противостоящие морфогены 422 Все оси сходятся 426 14 Рост мозга 429 Нейроанатомия развивающейся центральной нервной системы 429 Клетки развивающейся центральной нервной системы 430 Ткани развивающейся центральной нервной системы 430 Механизмы развития, регулирующие рост мозга 435 Поведение нейральных стволовых клеток во время деления 435 Нейрогенез: стройка снизу вверх (или изнутри наружу) 437 Глия как матрикс для мозжечка и неокортекса 438 Сигнальные механизмы, регулирующие развитие неокортекса 438
Содержание 13 Развитие человеческого мозга 441 Фетальный рост нейронов после рождения 442 Холмы высятся на горизонте обучения 442 Гены роста мозга 444 Изменения в количестве транскриптов 445 Подростковый мозг: подключен и раскован 446 15 Клетки нервного гребня и специфичность аксонов 449 Нервный гребень 449 Регионализация нервного гребня 451 Нервный гребень: мультипотентные стволовые клетки? 452 Спецификация клеток нервного гребня 454 Миграция клеток нервного гребня: из эпителия в мезенхиму и не только 455 Деламинация 455 Движущая сила контактного ингибирования 458 Коллективная миграция 459 Пути миграции клеток туловищного нервного гребня 460 Вентральный путь 461 Дорсально-латеральный путь 464 Головной нервный гребень 465 Модель «преследуй и беги» 468 Тянитолкай: хитроумное сотрудничество 468 Скелет черепа, образующийся из нервного гребня 470 Сердечный нервный гребень 471 Установление аксональных путей в нервной системе 471 Конус роста: водитель и двигатель аксона в поиске мишени 473 Rho действует на актиновые филаменты под влиянием сигнальных каскадов 473 Наведение аксона 475 Внутреннее программирование навигации моторных нейронов 476 Клеточная адгезия: механизм, чтобы удержаться на пути 477 Местные и дальнодействующие направляющие молекулы: дорожные знаки для зародыша 478 Паттерн избегания: эфрины и семафорины 478 Как аксон пересекает дорогу? 480 …Нетрин 481 Slit и Robo 481 Путешествие аксонов ганглиозных клеток сетчатки 482 Рост аксонов ганглиозных клеток к зрительному нерву 482 Рост аксонов ганглиозных клеток сетчатки сквозь зрительную хиазму 483 Выбор мишени: «Мы уже на месте?» 484 Хемотактические белки 485 Выбор мишени аксонами сетчатки: видеть — значит верить 485 Формирование синапса 488 16 Эктодермальные плакоды и эпидермис 493 Черепные плакоды: чувства нашей головы 494 Индукция черепных плакод 495 Развитие слуховой и эпибранхиальной плакод: общий опыт 495 Морфогенез глаза позвоночных 501 Формирование глазного поля: образование сетчатки 502 Индукционный каскад хрусталик–сетчатка 504 Эпидермис и кожные придатки 505 Происхождение эпидермиса 507 Эктодермальные придатки 508 Сигнальные пути, в которые мы можем вонзить зубы 509 Стволовые клетки эктодермальных придатков 510
Содержание ЧАСТЬ V • Позднее развитие мезодермы и энтодермы: органогенез 515 17 Параксиальная мезодерма: сомиты и их производные 515 Клеточные типы сомита 518 Определение параксиальной мезодермы и клеточного развития вдоль передне-задней оси 519 Спецификация параксиальной мезодермы 519 Пространственно-временная колинеарность экспрессии Hox-генов определяет идентичность структур туловища 521 Сомитогенез 524 Удлинение оси: каудальная зона предшественников и межтканевая адгезия 525 Как формируется сомит: модель часов и волнового фронта 528 Связь часов и волнового фронта с Hox- опосредованной осевой идентичностью и завершением сомитогенеза 533 Развитие склеротома 535 Формирование позвонков 537 Формирование сухожилий: синдетом 540 Развитие дермомиотома 540 Детерминация центрального дермомиотома 542 Детерминация миотома 543 18 Промежуточная мезодерма и мезодерма боковой пластинки: сердце, кровь и почки 547 Промежуточная мезодерма: почка 548 Спецификация промежуточной мезодермы: Pax2, Pax8 и Lim1 550 Реципрокные взаимодействия тканей развивающейся почки 551 Механизмы реципрокной индукции 552 Мезодерма боковой пластинки: сердце и кровеносная система 557 Развитие сердца 558 Миниатюрное сердце 558 Формирование полей сердца 558 Спецификация кардиогенной мезодермы 560 Миграция клеток-предшественников сердца 560 Начало дифференцировки клеток сердца 563 Образование петли сердечной трубки 563 Формирование кровеносных сосудов 565 Васкулогенез: начало формирования кровеносных сосудов 565 Ангиогенез: ветвление кровеносных сосудов и перестройка сосудистого русла 568 Кроветворение: стволовые клетки и долгоживущие клетки-предшественники 568 Места кроветворения 568 Ниша ГСК в костном мозге 569 Послесловие 573 19 Развитие конечности тетрапод 575 Анатомия конечности 575 Почка конечности 576 Дифференцировка скелета конечности за счет Hox-генов 578 От проксимального к дистальному: Нох- гены в конечности 578 Как определить, какую конечность формировать и где ее расположить 580 Спецификация полей конечности 580 Индукция ранней почки конечности 582 Рост: формирование проксимально- дистальной оси конечности 587 Апикальный эктодермальный гребень 587 Спецификация мезодермы конечности: детерминация проксимально-дистальной полярности 588 Модель Тьюринга: реакционно- диффузионный механизм проксимально- дистального развития конечности 589 Спецификация передне-задней оси 593 Sonic hedgehog определяет зону поляризующей активности 593
Содержание 15 Спецификация идентичности пальцев под влиянием Sonic hedgehog 596 Sonic hedgehog и FGF: еще одна петля положительной обратной связи 597 Нох-гены как часть регуляторной сети, обеспечивающей спецификацию идентичности пальцев 597 Формирование дорсально-вентральной оси 600 Гибель клеток и формирование пальцев и суставов 602 Формирование аутоподия 602 Формирование суставов 602 Эволюция путем изменения сигнальных центров конечности 603 20 Энтодерма: трубки и органы для пищеварения и дыхания 607 Глотка 609 Кишечная трубка и ее производные 611 Спецификация кишечной ткани 613 Придаточные органы: печень, поджелудочная железа и желчный пузырь 614 Дыхательная трубка 617 Эпителио-мезенхимные взаимодействия и биомеханика ветвления в легких 618 ЧАСТЬ VI • Постэмбриональное развитие 623 21 Метаморфоз: гормональная реактивация развития 623 Метаморфоз у амфибий 624 Морфологические изменения, связанные с метаморфозом амфибий 624 Гормональный контроль метаморфоза амфибий 626 Программы развития с региональной специфичностью 628 Метаморфоз у насекомых 629 Имагинальные диски 630 Гормональный контроль метаморфоза у насекомых 633 Молекулярная биология активности 20-гидроэкдизона 635 Детерминация имагинального диска крыла 635 22 Регенерация: развитие на службе восстановления 639 Определение проблемы ргенерации 640 Регенерация: повторение эмбрионального развития? 641 Эволюционный взгляд на регенерацию 643 Механика регенерации 646 Регенерация у растений 647 Тотипотентный способ регенерации 647 Чудесные целительные силы меристемы растений 648 Регенерация всего тела у животных 652 Гидра: регенерация за счет стволовых клеток, морфаллаксис и эпиморфоз 652 Регенерация за счет стволовых клеток у плоских червей 655 Тканеспецифичная регенерация у животных 663 Саламандра: эпиморфная регенерация конечности 663 Определение клеток в регенерационной бластеме 664 Рыбка Danio: извлекая механизмы регенерации 667 Регенерация у млекопитающих 675 Компенсаторная регенерация печени млекопитающих 675 Иглистые мыши: грань между регенерацией и образованием рубца 677
Содержание 23 Нормальное развитие и патология: врожденные дефекты, вещества, нарушающие эндокринную систему, и онкологические заболевания 681 Роль случая 682 Генетические ошибки в развитии человека 682 Развитие и природа генетических синдромов у человека 682 Генетическая и фенотипическая гетерогенность 683 Тератогенез: атаки среды на развитие животного 684 Алкоголь как тератоген 685 Ретиноевая кислота как тератоген 690 Вещества, нарушающие эндокринную систему: эмбриональные истоки заболеваний 691 Диэтилстильбэстрол 692 Бисфенол А 694 Атразин: эндокринные нарушения, вызываемые нарушением синтеза гормона 696 Гидравлический разрыв пласта: новый потенциальный источник веществ, нарушающих эндокринную сферу 697 Наследование нарушений развития 698 Рак как заболевание, связанное с развитием 698 Онкотерапия, основанная на факторах развития 704 Послесловие 705 24 Развитие и эволюция: механизмы биологии развития в эволюционных изменениях 707 Модель генетики развития в эволюционных изменениях 708 Предпосылки эволюции 708 Структура развития в геноме 708 Модульность: дивергенция через диссоциацию 708 Молекулярная экономия: дупликация генов и дивергенция 710 Механизмы эволюционных изменений 714 Гетеротопия 714 Гетерохрония 715 Гетерометрия 716 Гетеротипия 718 Ограничения, накладываемые развитием на эволюцию 719 Физические ограничения 720 Морфогенетические ограничения 720 Плейотропные ограничения и избыточность 720 Экологическая эволюционная биология развития 720 Пластичность — первая эволюция 721 Генетическая ассимиляция в лабораторных условиях 722 Генетическая ассимиляция в природной среде 723 Отбираемые эпигенетические вариации 724 Эволюция и симбиоз развития 726 Эволюция многоклеточности 727 Эволюция плацентарных млекопитающих 727 Послесловие 727 Приложение 731 Краткое руководство по поиску и пониманию научных статей по биологии развития 731 Исследование для исследования 731 Поисковое исследование 731 Навигация по базе данных PubMed 733 Получение PDF-файла статьи 733 Определение анатомии исследовательской работы 733 Глоссарий 735 Указатель 791 Рецензенты 12-го издания 800
Предисловие: широкий взгляд на биологию развития Говоря о биологии, иногда полезно «сесть султа- ном среди лун Сатурна» (по выражению Германа Мелвилла) — уйти от деталей и широко взглянуть на вещи вокруг. Хорошо бы, например, получить представление о биологии развития извне, а не из- нутри дисциплины. Вспомним междисциплинарные основы области История говорит нам, что биология развития явля- ется междисциплинарной областью и лежит в основе биологии. Действительно, еще до того, как стали употреблять слово «биология», живой мир характе- ризовали как часть мира, которой свойственно раз- виваться. Организаторы первой встречи Общества роста в 1939 г., предшественника Общества биологии развития, утверждали, что развитие необходимо изу- чать путем объединения идей множества дисциплин, в том числе генетики, эндокринологии, биохимии, физиологии, эмбриологии, цитологии, биофизики, математики и даже философии. Биология развития должна была стать чем-то большим, чем эмбриоло- гия. Она тоже включала исследование стволовых клеток, которые, как было уже известно, произво- дят кровь во взрослом организме, и регенерацию, которая, как было установлено, является повторной активацией процессов развития и имеет решающее значение для заживления повреждений у позво- ночных и бесполого размножения гидры, плоских червей и многих других беспозвоночных. Первые статьи, опубликованные в журнале Developmental Biology, были посвящены эмбриологии, регенерации и стволовым клеткам, а также различным способам их изучения. В этом новом международном 12-м издании мы вернемся к некоторым из основополагающих идей междисциплинарной биологии развития, а именно к регенерации, морфомеханике, развитию растений и генетическому контролю развития. Действительно, регенерация исторически является важной частью биологии развития, поскольку ее лег- ко изучать. Экспериментальная биология родилась в попытках натуралистов XVIII в. описать и изучить этот феномен. Эксперименты по регенерации, вы- полненные Трамбле на гидрах, Реомюром на рако- образных и Спалланцани на саламандрах, установили стандарт для проведения исследований в экспери- ментальной биологии и обсуждения результатов. По прошествии более двух веков мы начинаем находить ответы на великие вопросы как эмбрио- логии, так и регенерации. Действительно, выводы одного поддерживают исследования другого. Скоро мы сможем изменить человеческое тело таким об- разом, чтобы позволить нашим собственным рукам, ногам, нервам и органам регенерировать. Отрезан- ные конечности смогут восстанавливаться, боль- ные органы можно будет удалить и воспроизвести, а нервные клетки, пострадавшие от возрастных из- менений, заболеваний или травм, снова смогут нор- мально функционировать. Эти изменения усугубят этические проблемы, которым все еще оказывают недостаточно внимания. Но если мы хотим приоб- рести такие способности, мы должны сначала понять, как происходит регенерация у тех видов, которым она свойственна. Наши новые знания о роли пара- кринных и физических факторов в формировании эмбриональных органов, а также новые исследования стволовых клеток и их ниш привели в движение то, что Сьюзен Брайант назвала «ренессансом регенера- ции». Ренессанс буквально означает «возрождение», а регенерацию можно рассматривать как возвраще- ние к эмбриональному состоянию. Обратите внимание, что одним из первых раз- делов биологии развития была биофизика. И эта об- ласть тоже переживает ренессанс. Контакты и проч- ность связей между клетками, а также сопротивление растяжению субстратов клеток, как представляется, являются критичными для нормального развития. Физические силы необходимы для связывания спер- матозоидов с яйцеклеткой, гаструляции, развития сердца, развития кишечника, разветвления эпителия почек и легких и даже развития опухолей. Физиче- ские силы могут определять развитие стволовых кле- ток в конкретном направлении и определять, какая часть тела будет левой, а какая — правой. Коленная чашечка нашего коленного сустава не формируется, пока мы не начнем оказывать на нее давление при
Предисловие: широкий взгляд на биологию развития ходьбе. Во многих случаях физические силы могут управлять экспрессией генов. Лев Белоусов, пионер в этой области, назвал данные процессы «морфоме- ханикой развития». Развитие растений — еще одна область, широко представленная в ранних программах биологии раз- вития. Она имела много общего с регенерацией, по- скольку «взрослые» растения могут восстанавливать целые части своего тела. Если в биологии живот- ных изучение развития проходило отдельно от фи- зиологии, то в биологии растений такое разделение не было очевидным. Более того, если в развитии многих животных зародышевая линия, дающая на- чало сперматозоидам или яйцеклеткам, обособляется рано, то у растений это не так. Такие сопоставления растений и животных присутствуют во всем тексте книги и служат для выделения фундаментальных процессов развития, общих у разных типов и даже царств жизни. Но центром внимания биологии развития остают- ся гены. И чем больше мы узнаем о них, тем инте- реснее и сложнее оказывается их устройство. Новые достижения в «транскриптомике отдельных клеток» дали нам поразительную привилегию — мы можем следить за паттернами экспрессии генов отдельных клеток по мере их развития. Клетки индивидуума могут иметь одни и те же гены, но их разное по- ложение в зародыше приводит к тому, что в разных клетках активны разные гены. Это некая симфония взаимоотношений, в которой каждая клетка обеспе- чивает контекст для других. Если развитие можно назвать представлением, то геном — это сценарий или партитура. Любой, кто ходил на концерты, зна- ет, что группы по-разному исполняют одно и то же произведение и даже одна и та же группа по-разному исполняет одну и ту же песню два вечера подряд. Окружающая среда тоже имеет решающее значе- ние — отсюда новый интерес к пластичности и сим- биозу в развитии. Биология развития приобрела новую роль в есте- ствознании. Больше, чем любая другая биологическая наука, она демонстрирует критическую важность процессов, а не сущностей. В разных организмах одни и те же процессы могут осуществлять разные молекулы. «Это песня, а не певец», — говорят Ду- литтл и Бут, и мы можем быть благодарны за то, что пути развития избыточны — если один механизм терпит неудачу, другой часто может взять на себя его функцию. Разделение сущности или процесса в биологии развития подобно дихотомии частиц или волн в физике. Это ситуация «и то и другое», а не «или / или». В 1908 г. шотландский физиолог Дж. С. Холдейн сказал: «В какой-то момент можно будет найти точку встречи между биологией и фи- зикой, в этом нет никаких сомнений. Но мы мо- жем с уверенностью предсказать, что если это место встречи будет найдено и одна из двух наук будет поглощена, то это будет не биология». Биология раз- вития вполне может решить давние загадки физики. Новое в международном двенадцатом издании В данном томе мы попытались отследить удивитель- но полное выполнение биологией развития своих ранних обещаний. С этой целью книга претерпела свой собственный морфогенез. Развитие растений охватывает все В это издание мы поместили материал, посвященный процессам развития растений, в соответствующие главы. Вместо того чтобы выделить биологию раз- вития растений в одну (и часто необязательную) главу, мы включили информацию о биологии расте- ний в главы, посвященные клеточной спецификации, регуляции генов, клеточной коммуникации, произ- водству гамет, оплодотворению, определению осей, формированию органов и регенерации. Модернизированная и расширенная глава по регенерации Мы расширили главу по регенерации и с гордо- стью можем сказать, что она не только уникально отражает захватывающие проблемы постэмбрио- нального развития, которые, по-видимому, решает регенерация, но и объясняет логическую основу для известных механизмов регенерации, обусловленных степенью регенеративной способности организма. Возможно, что эта глава станет отличным источни- ком знаний для тех, кто заинтересован в изучении данной области. Обновления во всех главах Все главы обновлены, начиная с более широкой эво- люционной перспективы вводной главы и заканчи- вая новым материалом о морфомеханике развития во время гаструляции у дрозофилы и формирования легких млекопитающих. Особое внимание было уделено все более широкому использованию полно- геномных, транскриптомных подходов, выводящих наше понимание дифференцировки клеток на новый уровень.
Предисловие: широкий взгляд на биологию развития 19 Новый, ориентированный на студентов, подход С педагогической точки зрения полезно знать, как студенты изучают биологию развития — точку зрения студентов. На протяжении десятилетий такие учебники, как наш, обязаны были быть наиболее всеобъемлющими источниками знаний в соответствующей области. Несмотря на то что такая ответственность все еще сохраняется, в реальности студенты завалены огромным количеством изданий, претендующих на их внимание. Если студенту, изучающему биологию развития, когда-либо и требовался путеводитель по этой густой и разнообразной экосистеме текстов, онлайн-ресурсов и бесконечно растущего объема научной литературы, то именно сейчас. И новый международный том Биологии развития — именно такой путеводитель. • Сфокусированное и структурированное изложение. С годами, по мере того как появлялись новые знания, рос и наш учебник. Он достиг такого размера, кото- рый сам по себе может не только вызвать перегруз- ку студентов, но и разрушить всякую возможность глубокого обучения. Информационная бомбардиров- ка студентов никуда не денется; поэтому им нужен не только доступ к информации, но и четкое руко- водство, которое способствует переходу от основных идей к сложным механизмам и, наконец, к приглаше- нию присоединиться к исследованиям в конкретной области. Мы сократили и реорганизовали содержа- ние каждой главы, создав четкую структуру изложе- ния, чтобы и преподавателю, и студенту было легче ориентироваться в растущем объеме и сложности биологии развития. • Инновационная педагогика: расширение возмож- ностей студентов для самостоятельного обучения. Первый материал, с которым студенты столкнутся в каждом разделе главы, представляет собой наибо- лее важную информацию. Мы ввели новый элемент под названием «РАЗВИВАЕМ ТЕМУ», который за- остряет внимание на некоторых наиболее сложных, по нашему мнению, идей в этой области. Особен- ности предыдущих выпусков — учебные материалы, информация для размышлений, перспективы иссле- дований и ссылки на литературу — остались и по- прежнему предоставляют студентам возможность сделать шаг для изучения литературы по биологии развития. Благодаря новой организации текста профессора и студенты теперь могут полностью контролировать, какой уровень материала наиболее им подходит. Мы с гордостью представляем 12-e международное изда- ние Биологии развития, поскольку оно по-прежнему обеспечивает прямой доступ ко всем уровням знаний, но без ущерба для качества обучения. Благодарности Во-первых, авторы благодарят друг друга за вза- имное уважение и удовольствие, полученное от со- вместной работы. Майкл хотел бы, чтобы общество знало, что Скотт крайне благосклонно приветствует новые идеи и что его энтузиазм по созданию лучше- го продукта не колебался ни разу. Скотт хотел бы, чтобы общество знало, что он в восторге от новых идей, которые Майкл привнес в книгу, и что привер- женность Майкла обучению в бакалавриате не имеет себе равных. Во-вторых, мы рады признать важность Мэри Стотт Тайлер для этой книги. Лауреат премии Вик- тора Гамбургера в области образования и автор Fly Cycle, Differential Expressions, The Developmental Biolo- gy Vade Mecum, и Inquiry Biology, Мэри была автором, редактором и куратором содержания международного 12-го издания, помогая нам решить «что включить, а что исключить». Поскольку мы добавили в книгу исследования растений и должны были удалить другие материалы, понимание Мэри и ее видение книги в целом были очень важны. Если наука подобна воздушному шару, расширяющемуся в неизвестное, — и чем больше воздушный шар, тем больше точек соприкасается с неизвестным, — то биология развития связывается с поразительным числом неизвестных. Точность и охват 12-го издания во многом обусловлены работой многих экспертов-рецензентов, которые нашли время для уважительного официального и неформального общения на протяжении всего процесса (см. список). Организацию такого взаимодействия последовательно проводили Лорен Кэхиллэйн, Нина Родригес- Марти и Кэти Тункавиге — спасибо за то, что сделали эту важную часть. Международное 12-е издание уникально, поскольку включает информацию о биологии развития растений. Было множество рецензентов, которые поделились своим опытом в отдельных главах, спасибо всем! Особую благодарность, однако, выражаем Анне Эдлунд и Марте Ласковски за их обзоры, касающиеся растений. Они были очень терпеливы с нами, и вина за любые недоразумения лежит только на авторах. Это издание связано также с радикальными изменениями, произошедшими во время публикации Биологии развития. С отставкой Энди Си- науэра, Sinauer Associates стало изданием Oxford University Press. Подготовка нашей книги проходила в оба периода и застала смену менеджеров, арт-директоров и нашего давнего редактора. Мы благодарим Sinauer Associates и Oxford University Press за их огромные усилия по поддержанию книги в период метаморфоза. Хотелось бы особенно поблагодарить Дина Скаддера за то, что он взял
Предисловие: широкий взгляд на биологию развития на себя управленческие задачи и позволил нам работать над новыми моделями научного образования в течение переходного периода. Более того, на полпути к выпуску этого издания Джейсон Ноу из Оксфорда стал нашим главным редактором. Такой переход и короткие сроки производства могут потрясти лучших редакторов, но Джейсон помог составить лучшие оптимальные планы, чтобы все было скорректировано. Искреннее спасибо за ваши усилия, Джейсон. Между тем в доме Синауэра выпускающие редакторы Лаура Грин и Кэтлин Эмерсон поделились своим опытом и совместными идеями, сделав нам ряд важных предложений. Спасибо, Лаура, за то, что делились с нами своим ценным опытом в области производства на протяжении всего процесса редактирования. Успех каждого издания в равной степени зависит от качества дизайна и внешнего вида книги, мы искренне ценим команду Синауэра за работу, проделанную в области искусства и средств массовой информации. Медиакоманду возглавляла Сюзанна Картер и творчески поддерживал Питер Лейси. Искренняя благодарность вам обоим. Кроме того, мы признательны всей группе Dragonfly Media, которая продолжает делать большую работу, стараясь представить многие из оригинальных рисунков Майкла с высочайшей точностью. Мы хотели бы также поблагодарить Джоан Джемм, Бет Робердж и Аннет Рапиер за их превосходный дизайн, макет и выпуск этого издания. Одной из особенностей Биологии развития было использование правовых научных данных и изображений. Отдельная благодарность коман- де по обеспечению разрешений на их публикацию, Марку Сиддаллу, Трейси Мартон и Мишель Бекта. И конечно, новая книга может попасть в руки чита- телей только с помощью надежной и стратегически действующей команды по продажам. Большое спаси- бо Сьюзен МакГлью и всем продавцам в Оксфорде, которые сейчас помогают поддержать распростране- ние этого учебника. Наконец, нужно признать, что, хотя Скотт счаст- ливо ушел в отставку, Майкл все еще отрабатывает «хвосты», занимаясь преподаванием, исследования- ми, назначениями в комитетах и т. д., в дополнение к своим семейным обязанностям. Он не смог бы вы- делить время и энергию для этого учебника, если бы не пользовался поддержкой своего учебного заведе- ния и студентов. Спасибо, Смит Колледж, за то что вы продолжаете позволять Майклу свободно созда- вать и распространять свои веб-конференции, доку- ментальные фильмы и учебные пособия по развитию. Выражаем искреннюю благодарность студентам-ис- следователям Майкла, вынужденным терпеть своего главного исследователя, слишком увлеченного разви- тием всего сущего! Знайте, что ваше терпение, под- держка и понимание действительно способствовали выходу этой книги. M. J. F. B. S. F. G. 24 мая 2019 г.