Биология развития – это изучение процесса роста и развития животных и растений . Биология развития также охватывает биологию регенерации , бесполого размножения , метаморфоза , а также роста и дифференциации стволовых клеток во взрослом организме.
Основными процессами, участвующими в эмбриональном развитии животных, являются: формирование паттерна ткани (посредством региональной спецификации и дифференцировки клеток по паттерну ); рост тканей ; и морфогенез тканей .
В развитии растений происходят те же процессы, что и у животных. Однако растительные клетки в основном неподвижны, поэтому морфогенез достигается за счет дифференциального роста без движений клеток. Кроме того, индуктивные сигналы и задействованные гены отличаются от тех, которые контролируют развитие животных.
Дифференциация клеток — это процесс, в результате которого в развитии возникают различные функциональные типы клеток. Например, нейроны, мышечные волокна и гепатоциты (клетки печени) являются хорошо известными типами дифференцированных клеток. Дифференцированные клетки обычно производят большое количество нескольких белков, необходимых для выполнения их специфической функции, и это придает им характерный внешний вид, позволяющий распознавать их под световым микроскопом. Гены, кодирующие эти белки, высокоактивны. Обычно их структура хроматина очень открыта, что обеспечивает доступ ферментам транскрипции, а специфические факторы транскрипции связываются с регуляторными последовательностями ДНК, чтобы активировать экспрессию генов. [1] [2] Например, NeuroDявляется ключевым фактором транскрипции для дифференцировки нейронов, миогенин для дифференцировки мышц и HNF4 для дифференцировки гепатоцитов. Дифференциация клеток обычно является заключительной стадией развития, которой предшествуют несколько состояний детерминации, которые визуально не дифференцируются. Одна ткань, образованная из одного типа клеток-предшественников или стволовых клеток, часто состоит из нескольких дифференцированных типов клеток. Контроль их образования включает процесс латерального ингибирования [3] , основанный на свойствах сигнального пути Notch . [4] Например, в нервной пластинке эмбриона эта система генерирует популяцию нейрональных клеток-предшественников, в которых высок уровень экспрессии NeuroD.
Регенерация указывает на способность восстановить недостающую часть. [5] Это очень распространено среди растений, которые демонстрируют непрерывный рост, а также среди колониальных животных, таких как гидроиды и асцидии. Но наибольший интерес биологи развития проявляют к регенерации частей свободноживущих животных. В частности, четыре модели стали предметом многочисленных исследований. Двое из них обладают способностью регенерировать целые тела: гидра , которая может регенерировать любую часть полипа из небольшого фрагмента, [6] и планарийные черви, которые обычно могут регенерировать как голову, так и хвост. [7] Оба этих примера имеют непрерывный клеточный оборот, питаемый стволовыми клетками.и, по крайней мере, у планарий, по крайней мере, некоторые из стволовых клеток оказались плюрипотентными . [8] Две другие модели показывают только дистальную регенерацию придатков. Это придатки насекомых, обычно ноги полуметаболических насекомых, таких как сверчок [9] и конечности хвостатых амфибий . [10]В настоящее время имеется значительная информация о регенерации конечностей амфибий, и известно, что каждый тип клеток регенерирует сам, за исключением соединительных тканей, где происходит значительная взаимоконверсия между хрящом, дермой и сухожилиями. Что касается структуры структур, то это контролируется повторной активацией сигналов, активных в эмбрионе. До сих пор ведутся споры по поводу старого вопроса о том, является ли регенерация «первозданным» или «адаптивным» свойством. [11] Если это так, то с улучшением знаний мы могли бы ожидать, что сможем улучшить регенеративные способности у людей. Если последнее, то предполагается, что каждый случай регенерации возник в результате естественного отбора в обстоятельствах, специфичных для данного вида, поэтому не следует ожидать каких-либо общих правил.