บทที่11 การสืบพันธ์และการเจริญเติบโต (1)

Early organogenesis ของไก่ archenteron หรือ gastocoel เกิดขนึ ้ โดยบางสว่ นของ endoderm นนู ขนึ ้ โดยเอมบริโอ ยงั คงมสี ่วนทีต่ ิดกบั yolk เรียก yolk stalk ทอ่ ระบบประสาท (neural tube) และ somites เกิดขนึ ้ เช่นเดยี วกบั เอมบริโอของกบ นอกจากนีใ้ นการเจริญตอ่ ไป บางสว่ นของเนือ้ 3 ช1นั ้ 51และ hypoblast เจริญเป็น extraembyonic membranes ห้มุ เอมบริโอไว้

การเจริญของอวยั วะต่างๆของเอมบริโอไก่ อายุ 56 ช่ัวโมง 152

การเจริญของ extraembryonic membranes ของไก่ 153

การเจริญของ extraembryonic membranes ของไก่ extraembryonic membranes ประกอบด้วย 4 ชนั้ ได้แก่ yolk sac, chorion, amnion และ allantois Yolk sac มีลกั ษณะเป็นถงุ ห้มุ ไข่แดง มีเซลล์ยอ่ ย สลายไข่แดง และเย่ือห้มุ เจริญเป็นเส้นเลือดทาหน้าที่ลาเลียงอาหาร ด้านข้างแผเ่ ข้า ไปคลมุ เอมบริโอและในที่สดุ เชื่อมติดกนั ทาให้เกิดเยื่ออกี 2 ชนั้ ได้แก่ amnion และ chorion เกิดเป็นชอ่ งวา่ งห้มุ เอมบริโอไว้ เพ่ือปอ้ งกนั อนั ตราย amnion เป็นถงุ ห้มุ เอมบริโอภายในมีนา้ คร่า (amniotic fluid) โดยมี chorion ห้มุ อยอู่ ีกชนั้ หนง่ึ นอกจากนีม้ ีถงุ ยื่นออกมาจากสว่ นทางเดินอาหาร ทาหน้าท่ีกาจดั ของเสีย เรียกวา่ allantois ซงึ่ จะแผไ่ ปถงึ และดนั ให้ chorion ติดกบั เย่ือชนั้ ในของเปลือกไข่ (vitelline membrane) allantois และ chorion รวมกนั เจริญเป็นอวยั วะชว่ ยในการหายใจ โดย มีเส้นเลอื ดท่ีเจริญมาจาก allantois ทาหน้าท่ีลาเลียงออกซเิ จน extraembryonic membranes ของนกและสตั ว์เลอื ้ ยคลานนีเ้ป็นการปรับตวั ของสตั ว์พวกนีท้ ่ีมี เอมบริโอเจริญอยบู่ นบก 154

การเจริญของเอมบริโอของคนและ extraembryonic membranes (1) หลงั จาก cleavage ได้ blastocyst ซง่ึ ประกอบด้วย trophoblast และ inner cell mass มีชอ่ ง blastocoel (2) blastocyst เป็นระยะท่ีจะฝัง ตวั เข้าไปในมดลกู และ gastrulation จะเกิดขนึ ้ ทนั ที trophoblast เป็นกลมุ่ เซลล์ที่เรียง อย่ดู ้านนอก ซงึ่ จะเจริญรวมกบั ผนงั มดลกู กลมุ่ เซลล์ inner cell mass แยกตวั เป็น epiblast ซงึ่ จะ เจริญเป็นเนือ้ 3 ชนั้ และ hypoblast ซง่ึ จะแผ่ตวั เป็นเยื่อ ชนั้ ในเป็น yolk sac 155

(3) ระยะนี ้trophoblast เริ่มเจริญ ร่วมกบั ผนงั มดลกู เป็น chorion สว่ น epiblast เจริญเป็น amnion ภายใน มีของเหลวเรียกวา่ นา้ คร่า (amniotic fluid) บางสว่ นของ epiblast แยกเป็น mesodermal cell เจริญรวมกบั chorion เป็นรก (placenta) (4) กลมุ่ เซลล์ epiblast มีการม้วน ตวั เข้าสแู่ นวกลางตวั เกิด primitive streak และมีการม้วนตวั เข้าไปข้าง ใน เกิดเป็นเนือ้ 3 ชนั้ อยภู่ ายใน extraembryonic membranes 156

Morphogenesis เมื่อกระบวนการ gastrulation เสร็จสิ้นลง เอมบริโอเข้าสู่ข้นั ทเ่ี ตรียมพร้อมทจ่ี ะเติบโตอย่าง อสิ ระ เนื้อเย่ือต่างๆจะเรียงตัวตามตาแหน่งทจ่ี ะปรากฏในข้นั เตม็ วยั จับกลุ่มกนั ขนึ้ เป็ นเนื้อเย่ือและ อวยั วะตามตาแหน่งทเี่ ฉพาะเจาะจง และเร่ิมอย่างมอี สิ ระแต่มกี ารประสานงานกนั มกี ารจบั กลุ่มกนั ของเซลล์ขนึ้ เป็ นรูปร่าง เรียกปรากฏการณ์นีว้ ่า morphogenesis ectoderm จะมกี ารเจริญเปลย่ี นแปลงไปเป็ นระบบประสาทและผวิ หนัง ระบบเครื่องปกคลุม mesoderm จะเปลย่ี นแปลงไปเป็ นระบบกล้ามเนื้อ ระบบสืบพนั ธ์ุ ระบบขบั ถ่าย ระบบเลือด และอื่นๆ endoderm มกี ารเปลย่ี นแปลงไปเป็ นระบบย่อยอาหาร ระบบหายใจ เป็ นต้น 157

Origin of an animal’s body parts 158

Human neurula (a); เอมบริโออายุ 21 วนั จะเหน็ neural tube เกดิ ขนึ้ บริเวณกลางลาตัว ซ่ึงต่อไปจะเจริญเป็ นสมองและไขสันหลงั บริเวณ pericardia area มหี วั ใจอยู่ และ somites เจริญไปเป็ นกล้ามเนื้อและกระดูกสันหลงั แทนที่ notochord (b); ภาพตดั ตามขวางของเอมบริโอของสัตว์มกี ระดูกสัน หลงั 159

สัตว์มกี ระดูกสันหลงั มภี าพตดั ตามขวางของเอมบริโอทมี่ ลี กั ษณะเฉพาะดงั นี้ 1. มไี ขสันหลงั เป็ นหลอดยาวกลวง อย่ดู ้านหลงั (neural tube) 2. มี notochord 3. ช่องว่างในลาตัว (coelom) บุด้วย mesoderm 160

ในระยะเอมบริโอของสัตว์มกี ระดูกสันหลงั มี pharyngeal pouches และ gill clefts gill clefts pharyngeal pouches 161

การเจริญหลงั ระยะเอมบริโอ •ในสัตว์บางชนิดเม่ือเอมบริโอเจริญมากขึน้ จนครบกาหนดแล้ว จะเจริญเป็ นตัวเตม็ วยั เลย •สัตว์บางชนิดจะผ่านระยะทเี่ รียกว่า larva ซึ่งเริ่มต้งั แต่เอมบริโอฝักเป็ นตวั จะกระทงั่ มี การเปลย่ี นแปลง metamorphosis เกดิ ขึน้ เช่น ลกู อ๊อดของกบ แล้วจึงเจริญเป็ นตวั เต็ม วยั •สาหรับในคน การเจริญระยะหลงั เอมบริโอส่วนใหญ่เป็ นการเตบิ โตทมี่ กี ารเพ่ิมขนาด ปริมาตรนา้ หนัก อตั ราการเติบโตของส่วนต่างๆของร่างกายจะไม่เท่ากนั 162

163

Human fetal development 164

Human fetal development 165

การเจริญระยะหลงั เอมบริโอของกบ 166

ปัจจัยทเ่ี กย่ี วข้องกบั การเจริญ ในขณะทเี่ อมบริโอมกี ารเจริญอยู่ในระยะแรกน้ัน เซลล์ทุกๆ เซลล์ต่างกม็ ีลกั ษณะทางกรรมพนั ธ์ุเหมือนกนั หมด การทกี่ ล่มุ เซลล์ เหล่านีม้ ีการเจริญเปลยี่ นแปลงไปเป็ นอวัยวะต่างกนั น้ัน เกย่ี วข้องกบั ปัจจัยหลายอย่าง ดงั จะเห็นได้จากการศึกษาดังต่อไปนี้ 167

1. From single cell to multicellular organism •ก••าcmcรeeoเllllจrpddรhiiิญfvofiesgขrieoeอnnnงetเi(saอกitsมiาoรบ(nกแรา(บิโกรอ่งาเเเกรซกเดิ ่ลียปรลวลูปข์)่ียร้อน่างงแกขปับอลงงเขออมงบเรซิโลอล)์) ทาให้ส่งิ มีชีวติ มีรูปร่างลักษณะเฉพาะตวั 168

การเจริญของเอมบริโอสัตว์และพืช 169

2. Differential Gene expresssion A. Different types of cell in an organism have the same DNA เซลล์ทุกเซลล์ในส่งิ มีชีวติ ท่โี ตเตม็ วัยมี genotypeท่ี เหมือนกัน โดยกลุ่มเซลล์ชนิดต่างๆมี differentiation แตกต่างกนั ออกไป การทดลองเร่ือง differentiation ระดบั เซลล์ เช่น 170

การเพาะเลีย้ งเนือ้ เย่อื พชื จาก somatic cell จนกระท่งั ได้ต้นใหม่ท่ี สมบรู ณ์ 171

Nuclear transplantation in animals ทาการทดลองถ่ายนิวเคลียสจากเซลล์เอมบริโอกบระยะต่างๆให้เซลล์ไข่ท่ีนิวเคลยี สถกู ทาลายด้วยรังสีอลุ ตราไวโอเลต พบวา่ ถ้าระยะของเอมบริโอเป็นระยะต้นๆของการเจริญ เซลล์ไข่ดงั กลา่ วเจริญเป็นลกู อ๊อดปกตไิ ด้ แตถ่ ้าเอมบริโอเป็นระยะท้ายๆของการเจริญ เชน่ เซลล์ของลกู อ๊อด เซลล์ไข่จะไม่เจริญตอ่ ไป แสดงว่าในช่วงต้น ของการเจริญยีนของเอมบริโอยงั คงสภาพการทางานเหมือนเดมิ แตเ่ มื่อเอมบริโอถึงตอนชว่ งท้ายแล1้ว72จะมีการ เปลี่ยนแปลงของกลมุ่ เซลล์ ยีนบางยีนอาจไม่ทาหน้าท่ีอีกตอ่ ไป

Cloning a mammal 173

Cloning a mammal (1) เพาะเลีย้ งเซลล์จากต่อมนา้ นมของแกะตวั หน่ึงในจานเพาะเลีย้ ง ด้วยอาหารเลีย้ งเซลล์ท่มี ีสารอาหารน้อย การท่เี ซลล์ขาดอาหารนี้ เซลล์จะหยุดอยู่ท่รี ะยะ G0 ของ cell cycle (2) ขณะเดยี วกัน นา นิวเคลียสของเซลล์ไข่จากแกะอกี ตวั หน่ึงออก (3) นาเซลล์ทัง้ สองมา รวมกนั โดยการกระต้นุ ด้วยกระแสไฟฟ้า ซ่งึ จะกระตุ้นให้เซลล์มีการ แบ่งตวั ต่อไปด้วย (4) เพาะเลีย้ งเซลล์ต่อไปอกี 6 วนั (5) หลังจากนัน้ ใส่เอมบริโอนีใ้ นมดลูกของแกะตวั ท่สี าม (6) ลูกแกะจะเจริญเตบิ โต ต่อไปและคลอดออกมา ลูกแกะท่ไี ด้จากการทดลอง cloning จากนิวเคลียสของเซลล์ท่ี เปล่ียนแปลงไปทาหน้าท่เี ฉพาะแล้วสาเร็จเป็ นครัง้ แรก มีช่ือว่า Dolly ซ่งึ มีโครโมโซมเหมือนกันกบั ของแกะท่ใี ห้เซลล์ต่อมนา้ นม แต่อย่างไร ก็ตาม Dolly กไ็ ด้ mitochondria จากแกะท่ใี ห้เซลล์ไข่ รูปข้างล่างคือ 174 Dolly เม่ือโตขึน้ แล้ว

B. Different cell types make different proteins, usually as a result of transcription regulation เซลล์ต่างชนิดกันสังเคราะห์โปรตนี ต่างชนิดกัน ซ่งึ ถูกควบคุมโดยกระบวนการควบคุมการสังเคราะห์ (transcription regulation) 175

Determination and differentiation of muscle cells 176

Determination and differentiation of muscle cells รูปแสดงให้เหน็ ว่าจากเซลล์เอมบริโอเจริญเป็ นเซลล์กล้ามเนือ้ ได้อย่างไร (1) Determination: เม่ือเซลล์เอมบริโอได้รับสัญญาณเฉพาะ จากเซลล์อ่นื ๆ ยนี ควบคุมท่มี ีเช่ือว่า myoD จะถูกกระตุ้น และเซลล์จะ สร้าง myoD protein ถึงแม้ว่าโครงสร้างของเซลล์เม่ือศกึ ษาภายใต้กล้อง จุลทรรศน์จะไม่เปล่ียนแปลง แต่เซลล์ก็ถกู กาหนดโดยแบบแผนเฉพาะ ทางของตนเอง (determination) เรียกเซลล์นีว้ ่า myoblast ซ่งึ จะเป็ นเซลล์ ท่จี ะกลายเป็ นเซลล์กล้ามเนือ้ ต่อไป (2) Differentiation: myoD protein มี บทบาทกระตุ้นยนี ท่ที าหน้าท่คี วบคุมการสังเคราะห์โปรตนี ท่ีจะมี บทบาทในการควบคุมการสังเคราะห์โปรตนี ในกล้ามเนือ้ เช่น actin และ myosin ต่อไป ขณะเดยี วกนั myoD กม็ ีบทบาทกระต้นุ ยนี p21 ท่จี ะไป หยดุ cell cycle และหยุดการแบ่งเซลล์ เซลล์ myoblast หลายๆเซลล์ รวมกันกลายเป็ น เซลล์กล้ามเนือ้ ซ่งึ มีลักษณะเฉพาะคือมีหลาย นิวเคลียส และเซลล์มีรูปร่างยาวอาจเรียกว่า muscle fiber 177

C. Transcription regulation is directed by maternal molecules in the cytoplasm and signal from other cells กระบวนการควบคุมการสังเคราะห์ถูกควบคุม โดยองค์ประกอบของโมเลกุลจากเซลล์ไข่ของ แม่ และสัญญาณจากเซลล์อ่นื ๆ 178

Nuclei in the early embryo are expose to different concentrations of cytoplasmic determinants ไข่ท่ียงั ไม่ได้ถกู ผสมมีโมเลกุล ของสารต่างๆเป็ นองค์ประกอบ กระจายอยู่ในไซโตพลาสซมึ ไม่ สม่าเสมอกันซ่งึ ถกู ควบคุมโดย ยีนของแม่ เม่ือไข่ได้รับการผสม และมีการแบ่งเซลล์ เซลล์ท่ีได้ จากการแบ่งจะมีองค์ประกอบ ของไซโตพลาสซมึ ต่างกัน ซ่งึ จะ มีอทิ ธพิ ลต่อการควบคุมการ ทางานของยีนต่างกัน 179

3. The cellular and molecular basis of morphogenesis and differentiation in animals A. Morphogenesis in animals involves specific changes in cell shape, position, and adhesion การเกดิ รูปร่างของสัตว์เก่ยี วข้องกับ รูปร่าง ตาแหน่ง และการเกาะตดิ ของเซลล์ 180

Change in cellular shape during morphogenesis การเรียงตัวกันใหม่ของโครงสร้าง cytoskeleton มีส่วนเก่ียวข้องกบั การเปล่ียนแปลงของเนือ้ เย่ือเอมบริโอ ในการเกดิ neutral tube ของสัตว์มีกระดกู สันหลัง microtubles ของเซลล์บริเวณ neutral plate จะเรียงตัวกัน ดงึ ให้เซลล์มีรูปร่างยาวขนึ้ microfilament ท่ีด้านบนของ เซลล์จะหดดงึ ให้เซลล์มีรูปร่างคล้ายรูปล่มิ และในท่สี ุดทา ให้ ectoderm มาเช่ือมตดิ กัน 181

B. Fate mapping can reveal cell genealogies in chordate embryos การทาเคร่ืองหมายสามารถตดิ ตามการเจริญและ เปล่ียนแปลงของเซลล์ในเอมบริโอได้ 182

Fate map for two chordates (a) การตดิ ตามการ เจริญของเซลล์เอมบริ โอกบ สามารถทาได้ โดยการทาเคร่ืองหมาย บริเวณต่างๆของ blastula ด้วยสีแตกต่าง กัน และตดิ ตามการ เจริญของเซลล์ เหล่านัน้ ได้ (b) ตวั อย่างเช่นศกึ ษา เปรียบเทียบการเจริญ ของเอมบริโอของทูนิ เขท 2 ตวั โดยการทา เคร่ืองหมายบริเวณ กลุ่มเซลล์ 2 กลุ่ม183

C. The eggs of most vertebrates have cytoplasmic determinants that help establish the body axes and different among cells of the early embryo เซลล์ไข่ของสัตว์มีกระดกู สันหลังส่วนมากมี องค์ประกอบของไซโตพลาสซึมซ่งึ จะเป็ นตัวกาหนด แกนของลาตัว และการเจริญของเซลล์ต่างๆในเอมบริ โอระยะแรก 184

การทดลองแสดงให้เหน็ ว่าการกระจายขององค์ประกอบของไซโตพลาสซมึ (cytoplasmic determination) มีผลต่อการเจริญของสัตว์สะเทนิ นา้ สะเทนิ บก185

การทดลองแสดงให้เหน็ ว่าการกระจายขององค์ประกอบของ ไซโตพลาสซมึ (cytoplasmic determination) มีผลต่อการเจริญ ของสัตว์สะเทนิ นา้ สะเทนิ บก แนวแรกของคลีเวจโดยปกติจะ แบ่งตรง gray crescent เม่ือแยก 2 เซลล์ออกจากกัน เซลล์ ทงั้ สองนีจ้ ะเจริญเป็ นเอมบริโอท่สี มบรู ณ์ได้ แต่ถ้าแบ่งโดย เซลล์หน่ึงได้ gray crescent อกี เซลล์หน่ึงไม่ได้ gray crescent เซลล์ท่มี ี gray crescent จะสามารถเจริญเป็ นเอมบริโอท่ี สมบรู ณ์ได้ ส่วนเซลล์ท่ไี ม่มี gray crescent จะไม่สามารถ เจริญต่อไปได้ 186

D. Inductive signals drive differentiation and pattern formation in vertebrates ในสัตว์มีกระดูกสันหลัง สัญญาณชักนากระตุ้นให้ เกิด differentiation และ pattern formation Pattern formation หมายถงึ การเจริญของอวยั วะและ เนือ้ เย่อื ต่างๆ ในแบบแผนและตาแหน่งเฉพาะทางของ ส่งิ มชี ีวติ แต่ละชนิด 187

The organizer of Spemann and Mangold 188

The organizer of Spemann and Mangold ในปี ค.ศ. 1924 Hans Spemann และ Hide Mangold ทาการ ทดลองปลูกถ่ายส่วน dorsal lip ของ blastopore ในระยะแรก ของ gastrula ของเอมบริโอกบตวั หน่ึงไปยงั ส่วนท้องของอีก ตวั หน่ึง ผลปรากฏว่าเอมบริโอตวั ท่สี องนีม้ ีระบบประสาท เกดิ ขนึ้ อกี ชุดหน่ึงทางด้านท้อง แสดงให้เหน็ ว่ากลุ่มเซลล์ บริเวณ dorsal lip สามารถชักนาให้ ectoderm มีการเจริญ เปล่ียนแปลงไปเป็ นระบบประสาท 189

Pattern formation in vertebrate limb Pattern formation ควบคุมโดย position information ซ่งึ เป็ นข้อมูลทางชีวโมเลกุล เป็ นตัวบ่งชี้ ตาแหน่งของเซลล์ต่างๆในเอมบริโอ และการ ตอบสนองของเซลล์ต่อ molecular signals ต่างๆ 190

Organizer regions in vertebrate limb development (a) แสดงบริเวณท่จี ะเป็ น ปี ก เรียก limb bud มีบริเวณท่เี ป็ น organizer สาคญั 2 แห่งคือ AER และ ZPA (b) เม่อื limb bud จะเจริญเป็ นปี ก บริเวณ AER และ ZPA และหล่ังชีว โมเลกุลบางชนิด (position information) (a) ซ่งึ เป็ นตัวบ่งชีใ้ ห้เซลล์มกี ารเจริญในแบบ แผนโครงสร้างและตาแหน่งท่คี วรจะเป็ น (b) 191

การทดลองแสดงบทบาทของ position information 192

193

194

195