Эмбриональная диапауза

1.

(др.-греч. ἔμβρυον — зародыш и διάπαυσις — перерыв)
любой механизм вре́менной задержки развития эмбриона,
может происходить на различных стадиях онтогенеза
У плацентарных этот процесс преимущественно носит название
задержанная имплантация
Обнаружена среди несвязанных таксономических групп —
от растений и насекомых и до хищных: у коловраток, низших
ракообразных, саранчовых, тутового шелкопряда, у птиц и рыб,
у около сотни видов млекопитающих, относящихся к 7 отрядам из 21

2.

Гибернация у американского суслика Arctic ground squirrel
Spermophilus parryii

3.

Летняя спячка (эстивация) у двоякодышащих рыб

4.

Диапауза
Жизненный цикл нотобранхиуса Гюнтера Notobranchius guentheri
1. нерест в течение нескольких
месяцев
2 икра отложенная в ил на дне
небольшого водоема
3 пересыхание водоема и
гибель взрослых особей
4 начало сезона дождей,
вылупление мальков
5 быстрый рост мальков
6 достижение половозрелости
через 4-8 недель после
вылупления малька

5.

История изучения диапаузы
Уильям Гарвей (1578-1657)
1854 - первое научное описание задержанной
имплантации дал Бишофф (Bischoff),
изучая европейских косуль

6.

История изучения диапаузы
Bombyx mori
1893 Уилер (Wheeler) ввел термин
«диапауза» - стадия покоя между
разнонаправленными движениями
эмбриона длинноусых прямокрылых в
желтке
1904 Хеннегуй (Henneguy)
«диапауза» - остановка развития как
эмбриона, так и взрослого насекомого
1936 Стейнбергом (Steinberg) и
Каменски (Kamensky)
два типа диапаузы — факультативная и
облигатная
1924 Ватанабе (Watanabe)
диапауза у яиц шелкопряда из-за
«ингибирующего» вещества от
материнского мотылька
1951 Фукуда (Fukuda), Кинсаку
Хасегава (Kinsaku Hasegawa)
выводы о нейрогормональном
механизме
управления
диапаузой у шелкопряда
1991 выделен гормон диапаузы (М=
2645 а. е. м.) из 24 аминокислот

7.

История изучения диапаузы
австралийский зоолог Сесиль Хью Тиндэйл-Бриско
(Cecil Hugh Tyndale-Briscoe) (1929 года рождения)
предложил термин
«эмбриональная диапауза» (embryonic diapause)
Tyndale-Biscoe, C. H. The role of the corpus luteum in the delayed implantation of marsupials/
Enders, А. С. // Delayed Implantation. — University of Chicago Press, 1963. — P. 15—28.

8.

История изучения диапаузы
1980-ые
Микаэль Санделл (Mikael Sandell)
и Кэролин Кинг (Carolyn M. King)
малая ласка
(Mustela nivalis)
горностай (Mustela erminea)
1 — соболь
2 — лесная куница
3 — харза
4 — перевязка
5 — горностай
6 — ласка
7 — черный хорек
8 — медоед
Семейство куньи
9 — барсук
10 — росомаха
11 — европейская норка
12 — выдра
13 — калан
Обобщающий анализ
2000-ые
Майкл Том (Michael Thom)

9.

Рекордная
продолжительность диапаузы
У бабочки Yucca moth (Lepidoptera: сем. Prodoxidae)
зафиксирована самая долгая диапауза
Взрослых насекомых бабочки Yucca baccata (Agavaceae)
вывели из личинок через 19 лет диапаузы

10.

Диапауза у насекомых
Раннеэмбриональная (на ранних стадиях развития эмбриона).
Среднембриональная (после формирования нейроэндокринной системы).
Позднеэмбриональная (развившаяся личинка, до выхода из яйцевой оболочки)
1991 Имаи выделил гормон диапаузы
(М= 2645 а. е. м.) из 24 аминокислот
Bombyx mori
Синтез гормона в подглоточном ганглии
куколки увеличивает содержание в яйцах
гликогена и пигмента
Диапауза у ракообразных
Artemia franciscana
влияют:
фотопериод
изменения температуры
концентрация кислорода
циста

11.

эмбриону в состоянии покоя дожидаться, пока внешние
условия не станут более благоприятными для его выживания
увеличить промежуток времени между оплодотворением и
рождением без изменения скорости конкретных процессов
развития
• карпозубые
• черепахи
• сумчатые
• высшие звери

12.

Распространенность эмбриональной диапаузы у млекопитающих
Встречаемость
диапаузы
Таксон
У большинства
родов в
семействах
СУМЧАТЫЕ (MARSUPIALS)
Отряд двурезцовые (Diprotodonta)
Кенгуровые (Macropodidae)
Поссумы медоеды (Tarsipedidae)
ПЛАЦЕНТАРНЫЕ
Отряд хищные (Carnivora)
Куньи (Mustelidae)
Медвежьи (Ursidae)
Ушастые тюлени (Otariidae)
Настоящие тюлени (Phocidae)
У отдельных
родов в
семействах
СУМЧАТЫЕ
Перохвостые летяги (Acrobatidae)
Сумчатые сони (Burramyidae)
ПЛАЦЕНТАРНЫЕ
Отряд грызуны (Rodentia)
Хомяковые (Cricetidae)
Мышиные (Muridae)
Шиншилловые (Chinchillidae)
Кол-во
видов
22
1
15
6
7
13
2
3
12
5
1

13.

Распространенность эмбриональной диапаузы у млекопитающих
Встречаемость
диапаузы
Таксон
У несколько
родов
семейства
ПЛАЦЕНТАРНЫЕ
Отряд насекомоядные (Insectivora)
Землеройковые (Soricidae)
Кротовые (Talpidae)
Отряд рукокрылые (Chiroptera)
Крыланы (Pteropidae)
Гладконосые летучие мыши
(Vespertilionidae)
Отряд Неполнозубые (Edentata)
Броненосцы (Dasypodidae)
Отряд Парнокопытные (Artiodactyla)
Оленевые (Cervidae)
Кол-во
видов
3
1
1
2
2
1

14.

обязательная (облигатная, сезонная)
по меньшей мере у 53 видов в 7 отрядах, 10 семействах;
у 34 % куньих, а в целом по млекопитающим менее чем 0,05 %
факультативная (необязательная, лактационная)
есть
канадская
речная выдра
(Lontra canadensis )
западный
пятнистый скунс
(Spilogale putorius)
горностай
(Mustela erminea)
нет
выдра обыкновенная
(Lutra lutra )
малая ласка
(Mustela nivalis)
восточный
пятнистый скунс
(Spilogale putorius gracilis)

15.

Имплантация у мыши
В ответ на эстрогены в матке
секреция
EGF (TGFβ, HB EGF) и LIF
betacellulin, epiregulin

16.

Основные гены, участвующие в имплантации

17.

Рост бластоцисты мыши в диапаузе обратимо остановлен до
имплантации в матку
диапауза
имплантация

18.

Задержанная имплантация у приматов
Введение макакам
диклофенака (ингибитор синтеза
простагландина)
вместе с мисопростолом (аналог
простогландина Е1)
приводят к задержке имплантации до 6 суток
В 1996 года описан случай задержки имплантации на 5
недель после ЭКО.
Пациентка ранее родила четырёх детей, причём
основываясь на дате последней менструации, третий ребёнок
родился на пять недель, а четвёртый — на две недели позже
обычного срока человеческой беременности.

19.

Эмбриональная диапауза у млекопитающих
Задержанная имплантация
Состояние
бластоцисты
Факультативная
Облигатная
(сезонная)
Состояние
желтого тела
Нет роста,
однослойная
бластоциста, есть
zona pellucida
Кенгуру и
валлаби
Таммар и
валлаби
Беннетта
Не активно
Нет роста,
однослойная
бластоциста, нет
zona pellucida
Лабораторная
мышь,
лабораторная
крыса
-
Активно
Небольшой рост,
однослойная
бластоциста, есть
zona pellucida
-
Куницы,
медведи,
тюлени,
хоботноголовый
кускус,
карликовые
кускусы
Не активно

20.

Эмбриональная диапауза у млекопитающих
Задержанная имплантация
Состояние
бластоцисты
Факультативная
Облигатная
(сезонная)
Состояние
желтого тела
Небольшой рост,
однослойная
бластоциста, нет
zona pellucida
-
косули,
броненосец (?)
Не активно
Бластоциста
имплантировалась,
но не дифференцировалась
-
Летучие мыши
?

21.

Факультативная vs облигатная диапауза у млекопитающих
Факультативная
Облигатная
Грызуны, сумчатые
Куньи, тюлени, косуля,
некоторые летучие мыши,
броненосцы
Состояние бластоцисты
В оболочке у сумчаиых,
прошел хэтчинг у
грызунов
В оболочке у хищных,
прошел хэтчинг у косули и
броненосцев
Митозы в эмбрионе
Нет
У некоторых немного в
трофобласте
Инициация диапаузы
Лактация или
метаболический стресс
Есть при любой
беременности
Экзогенный стимул выхода Окончание грудного
из диапаузы
вскармливания
(фотопериодизм у
некоторых сумчатых)
Фотопериодизм
Эндогенный стимул
выхода из диапаузы
Секреция пролактина,
неизвестные факторы
яичника
Эстроген яичников
(грызуны), снижение
пролактина (сумчатые)
Lopes F.L., Desmarais J.A., Murphy B.D. / Reproduction, 2004, 128:669-678

22.

Фазы эмбриональной диапаузы
Наступление диапаузы и прекращение деления клеток
the entry into diapause
Поддержка диапаузы
the maintenance of diapause
Выход из диапаузы, реактивация развития
reactivation after diapause

23.

Гены, экспрессия которых различна в активных и
покоящихся бластоцистах
Кодируют молекулы, участвующие в:
контроль клеточного цикла и пролиферации клеток
контроль энергетический обмена и обмена углеводов
сигнальные каскады
транспорт в ядро
перестройка хроматина
адгезия

24.

Остановка и возобновление развития бластоцисты грызунов
→
←
4-OH-E2
(ПГE2)
(цАМФ)
Развивающаяся бластоциста
EGFR ↑ ; COX-2 ↑ ;
H2-R ↑; CB1 ↓
Диапазирующая бластоциста
EGFR ↓ ; COX-2 ↓ ;
H2-R ↓; CB1 ↑
EGFR — рецептор эпидермального фактора роста
COX-2 — циклооксигеназа-2
H2-R — гистаминовый рецептор 2-го типа
CB1 — каннабиноидный рецептор мозгового типа
4-OH-E2 — 4-гидроксиэстрадиол
ПГE2 — простагландин Е2

25.

Диапауза у карликового летающего кускуса (Acrobates pygmaeus)
feathertail glider – «перьехвостый планер»

26.

Бластоцисты в диапаузе
Карликовый летучий
кускус
Западный пятнистый
скунс
Renfree, Shaw / Annu Rev Physiol, 2000, 62:353-375

27.

Диапазирующие бластоцисты, три варианта диапазузы
мышь
норка
валлаби

28.

Контроль лактационной и сезонной диапаузы у Macropus eugenii
suprachiasmatic nucleus
superior cervical ganglion
prolactin-inhibiting factor
с января по май - лактационная
Renfree, Shaw / Annu Rev Physiol, 2000, 62:353-375

29.

Развитие эмбрионов Macropus eugenii
нет сосунка
есть сосунок
Renfree, Shaw / Annu Rev Physiol, 2000, 62:353-375

30.

Macropus eugenii
время от инъекции экзогенного прогестерона, удаления
сосунка (RPY) и эструса до лактационной диапаузы, пика
эндогенного прогестерона, реактивации и родов
Renfree, Shaw / Annu Rev Physiol, 2000, 62:353-375

31.

Гормональные и метаболические изменения при реактивации
эмбрионального развития у Macropus eugenii
Rising progesterone stimulates uterine changes that result in embryonic
reactivation. The role of the peak of estradiol on day 5 is unclear.
Progesterone alone will induce reactivation and support pregnancy.
Renfree, Shaw / Annu Rev Physiol, 2000, 62:353-375

32.

Гормональные изменения при
эмбриональном развитии у поссумамедоеда или хоботноголового кускуса
(Tarsipes rostratus)

33.

Выход из диапаузы - реактивация развития у тюленей
Ramsdell, Zabka / Mar. Drugs, 2008, 6: 262-290

34.

Strategies for photoperiodic modulation of diapause employ melatonin and prolactin for
contrasting purposes
Copyright ©2010 Society for Reproduction and Fertility
Reproduction. 2004 Dec;128(6):669-678

35.

Summary of uterine influences that could be acting on the dormant embryo in the rodent model
to terminate the mitotic arrest of diapause
Copyright ©2010 Society for Reproduction and Fertility
Reproduction. 2004 Dec;128(6):669-678

36.

Регуляция и роль LIF
Регуляция: Прогестерон желтого тела (кролики, люди)
Эстрадиол желез яйцеводов (коровы)
Эстроген яичников (мыши)
Эстроген эмбриона (свиньи)
Влияние на пролиферацию и дифференцировку ЭСК
24 часа
после пассажа
1000 U/ml LIF
48 часов
после пассажа
1000 U/ml LIF
24 часа
после пассажа
48 часов
после пассажа

37.

Some of the potential cell cycle regulatory mechanisms controlling the entry of the
mammalian embryo into diapause by mitotic arrest and consequent developmental
recrudescence by re-initiation of mitotic activity
Reproduction. 2004 Dec;128(6):669-678
Copyright ©2010 Society for Reproduction and Fertility

38.

Сравнение экспрессии активной и диапазирующей бластоцист
Hamatani et al. / PNAS, 2004, 101, 28:10326-10331

39.

Бластоциста мыши в состоянии покоя
В бластоцисте примерно 120 клеток
Ядерно-плазменное отношение
примерно как в соматических клетках
Остановка на 8-ом клеточном цикле деления дробления

40.

Модели задержанной имплантации у мыши
1) Пересадка эмбрионов в яйцеводы неполовозрелых самок
2) Экспериментальная диапауза
Овариоэктомия на четвертый день беременности
Ежедневная инъекция прогестерона в течение 5-7 дней
Имплантацию индуцирует инъекция эстрадиола-17β
Применение моделей задержанной имплантации
Оценка выживаемости бластоцист и потребностей эмбрионов в
период диапаузы
Получение монозиготных двоен
Изучение «окна» имплантации
Анализ экспрессии гена рецептора эпидермального фактора роста
Изучение экспресии антигенов на поверхности
доимплантационных эмбрионов мыши

41.

Факультативная диапауза у мыши возникает, когда
самка не способна обеспечить состояние матки для
непрерывного эмбрионального развития
имплантация и развитие
бластоциста
с задержанной имплантацией
подготовленная
самка-реципиент
культивирование in vitro
повышение уровня метаболизма,
на него не влияет прогестерон
и/или эстроген в среде
диапауза
активная
бластоциста
самка после овариоэктомии
и инъекции прогестерона

42.

Экспериментальная диапауза у овцы
Ptak G.E. et al. / Plos ONE, 2013, 3:e33027

43.

Обратимость экспериментальной диапаузы у овцы
Ptak G.E. et al. / Plos ONE, 2013, 3:e33027

44.

Механизмы диапаузы разнятся
гибель бластоцист (сумчатые)
Овариоэктомия
Секреция
пролактина
эпифизом
Работа
желтого тела,
оценка по секреции
прогестерона
возобновление развития
и имплантация (броненосец)
блок имплантации (валлаби)
стимуляция развития
и ускорение имплантации
(норка, пятнистый скунс)
неизменна (косули, броненосец)
низкий уровень (хищные)

45.

Происхождение диапаузы. Конвергентная эволюция vs
однократное эволюционное событие
Однократное возникновение
диапаузы
Диапауза возникла несколько раз в
эволюции
Можно вызвать факультативную
диапаузу искусственно
Диапауза есть у многих видов
животных с разными механизмами
имплантации и плацентации
Наличие/отсутствие у
близкородственных видов
Различные варианты механизмов
эндокринной регуляции диапаузы
Индукция диапаузы у
недиапазирующих видов переносом
эмбрионов в покоящуюся
(диапазирующую) матку
Сильные отличия диапазирующих
эмбрионов у разных видов
Сходство механизмов регуляции со
стороны матки
Всегда происходит на стадии
бластоцисты
Fenelon J.C. et al. // Int. J. Dev. Biol.l, 2014, 58:163-174