Эндодерма

Эндодерма — это внутренний зародышевый листок (первичный слой) у многоклеточных животных, образующийся в процессе гаструляции. Эндодерма является одним из трёх зародышевых листков наряду с эктодермой (наружным слоем) и мезодермой (средним слоем). Из эндодермы в ходе эмбрионального развития формируются эпителиальная выстилка пищеварительной системы, дыхательных путей, а также паренхима ряда внутренних органов (печени, поджелудочной железы, лёгких, щитовидной и паращитовидных желёз). У позвоночных животных эндодерма также участвует в образовании желточного мешка, аллантоиса и других внезародышевых структур.

История изучения

Понятие зародышевых листков было введено в эмбриологию в XIX веке. В 1817 году немецкий естествоиспытатель Христиан Генрих Пандер впервые описал два слоя в курином эмбрионе. В 1828 году Карл Эрнст фон Бэр уточнил классификацию, выделив три первичных листка. Термин «эндодерма» (от греч. ἔνδον — «внутри» и δέρμα — «кожа») был предложен в 1853 году российским эмбриологом Карлом Максимовичем Бэром. В 1870-х годах немецкий зоолог Эрнст Геккель разработал теорию гастреи, согласно которой эндодерма является филогенетически древнейшим слоем, соответствующим внутренней выстилке кишечной полости предковых многоклеточных организмов. Современные представления об эндодерме сформировались благодаря работам Ганса Шпемана, Уолтера Фогта и других исследователей, изучавших индукционные взаимодействия между зародышевыми листками.

Образование в эмбриогенезе

Гаструляция

Эндодерма образуется на стадии гаструляции, когда клетки бластулы мигрируют внутрь зародыша. У разных типов животных этот процесс протекает по-разному:

• У ланцетника и иглокожих — путём инвагинации (впячивания) вегетативного полюса бластулы, что приводит к формированию двухслойного зародыша с первичной кишкой (архентероном).
• У амфибий — через образование дорсальной губы бластопора, где клетки вегетативной области вворачиваются внутрь, образуя эндодерму.
• У птиц и млекопитающих — путём деляминации (расслоения) эпибласта, при которой часть клеток мигрирует вниз и формирует внутренний слой, называемый гипобластом; впоследствии гипобласт даёт начало эндодерме.

Дифференцировка

После гаструляции эндодерма претерпевает сложную дифференцировку, которая регулируется сигнальными путями (Nodal, BMP, FGF). У позвоночных выделяют три основных отдела эндодермы:

• Передняя (презумптивная) — даёт начало эпителию глотки, щитовидной и паращитовидным железам, тимусу, лёгким, печени и поджелудочной железе.
• Средняя — формирует эпителий тонкой и толстой кишки, а также желчного пузыря.
• Задняя — образует эпителий прямой кишки и клоаки.

Строение и функции

Ткани, производные эндодермы

У взрослых организмов из эндодермы развиваются:

• Эпителий пищеварительного тракта (от ротовой полости до ануса), включая слизистую оболочку желудка, тонкой и толстой кишки.
• Паренхиматозные органы пищеварительной системы: печень (гепатоциты и желчные протоки), поджелудочная железа (экзокринные и эндокринные клетки).
• Дыхательная система: эпителий трахеи, бронхов и лёгочных альвеол.
• Эндокринные железы: фолликулярные клетки щитовидной железы, парафолликулярные клетки, клетки паращитовидных желёз, а также островки Лангерганса поджелудочной железы.
• Тимус (вилочковая железа) — эпителиальные клетки, участвующие в созревании Т-лимфоцитов.
• Мочеполовая система (частично): эпителий мочевого пузыря и уретры (у некоторых позвоночных).

Клеточные типы

Эндодермальные клетки обладают полярностью и образуют однослойные или многослойные эпителии. Для них характерно наличие плотных контактов, микроворсинок (на апикальной поверхности) и базальной мембраны. В процессе дифференцировки клетки эндодермы приобретают специфические функции: секрецию пищеварительных ферментов (поджелудочная железа), синтез желчи (печень), газообмен (альвеолы), продукцию гормонов (щитовидная железа).

Регуляция развития

Развитие эндодермы контролируется сложной сетью транскрипционных факторов и сигнальных молекул. Ключевые факторы, необходимые для спецификации эндодермы у позвоночных:

• Nodal — сигнальный белок, активирующий каскад Smad2/3; его градиент определяет дорсовентральную полярность зародыша.
• BMP (костные морфогенетические белки) — участвуют в индукции эндодермы у амфибий и рыб.
• FGF (факторы роста фибробластов) — поддерживают пролиферацию и миграцию клеток эндодермы.
• Транскрипционные факторы: Sox17, FoxA2, Gata4, Gata6, Hhex — необходимы для поддержания идентичности эндодермы и её последующей дифференцировки.

Нарушения в работе этих генов приводят к порокам развития, таким как агенезия поджелудочной железы, дефекты печени или аномалии лёгких.

Эволюционное значение

Эндодерма является филогенетически древним зародышевым листком. У всех многоклеточных животных, за исключением губок (Porifera) и пластинчатых (Placozoa), эндодерма присутствует на стадии гаструлы. У кишечнополостных (Cnidaria) эндодерма образует гастральную полость и выполняет как пищеварительные, так и транспортные функции. У билатеральных животных (Bilateria) эндодерма усложняется, давая начало специализированным органам. Считается, что эндодерма возникла в эволюции раньше мезодермы: у первичноротых (Protostomia) и вторичноротых (Deuterostomia) эндодерма формируется на ранних стадиях, а мезодерма появляется позже как производное эндодермы или эктодермы.

Патологии, связанные с эндодермой

Нарушения развития эндодермы могут приводить к врождённым аномалиям:

• Атрезия пищевода — отсутствие или заращение части пищевода, связанное с нарушением септации передней кишки.
• Агенезия поджелудочной железы — полное отсутствие органа, вызванное мутациями в гене PDX1.
• Гипоплазия лёгких — недоразвитие лёгочной ткани, часто сочетающееся с диафрагмальной грыжей.
• Кистозный фиброз — наследственное заболевание, поражающее эпителий дыхательных путей и поджелудочной железы (хотя мутация в гене CFTR затрагивает не только эндодермальные производные).

Кроме того, из эндодермальных тканей возникают злокачественные опухоли — карциномы, в том числе аденокарциномы желудка, поджелудочной железы, лёгких, печени (гепатоцеллюлярная карцинома) и колоректальный рак.

Современные исследования

В настоящее время эндодерма является объектом интенсивных исследований в области регенеративной медицины и биологии развития. Учёные изучают возможность получения функциональных клеток эндодермы из плюрипотентных стволовых клеток (эмбриональных и индуцированных) для трансплантации при заболеваниях печени, поджелудочной железы и лёгких. Разрабатываются протоколы дифференцировки, имитирующие эмбриональные сигнальные пути (Nodal, Wnt, FGF), что позволяет получать гепатоциты, β-клетки островков Лангерганса и альвеолярные клетки in vitro. Также ведутся работы по изучению механизмов регенерации эндодермальных органов (например, регенерация печени после частичной гепатэктомии), что имеет значение для лечения хронических заболеваний.

Источники

1. Гилберт С. Ф. Биология развития. — М.: Мир, 1995. — Т. 1—2.
2. Белоусов Л. В. Основы общей эмбриологии. — М.: Изд-во МГУ, 2005.
3. Wolpert L. et al. Principles of Development. — 5th ed. — Oxford University Press, 2015.
4. Zorn A. M., Wells J. M. Vertebrate endoderm development and organ formation // Annual Review of Cell and Developmental Biology. — 2009. — Vol. 25. — P. 221–251.
5. Grapin-Botton A., Melton D. A. Endoderm development: from patterning to organogenesis // Trends in Genetics. — 2000. — Vol. 16, № 3. — P. 124–130.