Институт биологии развития имени Н.К.Кольцова РАН

Истории создания Института биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН началась в 1917 г., когда был создан Институт экспериментальной биологии. Идея создания такого института, его организация и структура, а также руководство им на протяжении более 20 лет связаны с именем Николая Константиновича Кольцова – выдающегося отечественного биолога, основателя многих научных направлений, определивших облик экспериментальной биологии в первой половине XX века.

Николаем Константиновичем был задуман уникальный по тем временам план организации первого научно-исследовательского института, не входящего, как это было принято в дореволюционной России, в состав высшего учебного заведения. Основная организационная идея Н.К. Кольцова состояла в создании многодисциплинарного института, изучающего явления жизни при помощи экспериментальных подходов. Этот подход позволил объединить специалистов, работающих в различных областях биологии - генетике, цитологии, механике развития и физиологии, и использующих многообразные методы и объекты исследования, для обеспечения максимальной эффективности исследований. В 30-е годы Институт экспериментальной биологии не только становится признанным научным центром, но и получает мировую известность.

К тому моменту, многие из пришедших в Институт молодых исследователей выросли в крупных ученых, которые оказали большое влияние на развитие различных актуальных областей экспериментальной биологии. В частности, отделом механики (физиологии) развития руководил Д.П. Филатов, а отделом культуры тканей — первоначально А.В. Румянцев, затем Г.К. Хрущов, а после преобразования в отдел физиологии клетки — Б.В. Кедровский. Отдел физико-химической биологии возглавлял С.Н. Скадовский, отдел кариологии – П.В. Живаго, отдел генетики протистов – Г.В. Эпштейн.

Популярность научной школы Института определялась, не только объемом производмых в иснституте исследований, и публикаций на их основе, но и огромным авторитетом его директора, его провидческими идеями в разных областях биологии.

Предсказание существования наследственных молекул — далеко не единственное пророчество Кольцова. Он был щедр на идеи и охотно делился ими со своими учениками. В 1916 г. Кольцов предположил возможность получения мутаций с помощью рентгеновского излучения. Следует отметить, что идея получения мутаций при помощи рентгеновских лучей была высказана Николаем Константиновичем более чем за 10 лет до открытия радиационного мутагенеза. Идея химического мутагенеза также принадлежит Кольцову. В 30-е годы он предложил В.В. Сахарову проверить влияние различных химических соединений на растения и животных. Вскоре Сахаров в Кольцовском институте и М.Е. Лобашов в Ленинградском университете открыли явление химического мутагенеза. Несколько позднее к этой работе подключился аспирант института И.А. Рапопорт, который продемонстрировал мутагенную активность ряда соединений и установил специфичность их действия.

Успешно реализована и другая идея Н.К. Кольцова «…найти способ удваивать число хромосом в гаметах, чтобы получать тетраплоидные мутации». В замечательных исследованиях В.В. Сахарова экспериментальным путем были получены полиплоидные формы ряда сельскохозяйственных культур, из которых удалось вывести стабильные сорта.

Еще один пример прозорливости Николая Константиновича – это возобновление изучение партеногенеза на тутовом шелкопряде, впервые начатого русским зоологом А.А. Тихомировым в конце 19-го века. Эти исследования были продолжены и развиты Б.Л. Астауровым – учеником Н.К. Кольцова. Блестящие успехи, достигнутые Б.Л. Астауровым и его сотрудниками в разработке методов искусственного партеногенеза, позволили подойти вплотную к решению ряда актуальных задач биологии развития, а также были использованы в промышленном шелководстве.

Нельзя хотя бы коротко не упомянуть о знаменитых Кольцовских «Исследованиях о форме клеток», в которых впервые сформулирован «принцип Кольцова» - концепция о существовании внутреннего твердого скелета клетки и о том, что движение клетки определяется взаимодействием жидкого содержимого клетки с твердым скелетом. Эти принципы были широко использованы в работах его последователей и предвосхитили современные представлений о цитоскелете.

Однако, несмотря на впечатляющие научные достижения Института экспериментальной биологии и на его авторитет в стране и за рубежом, история Кольцовского Института была сложной и драматичной. В 1938 г. Институт был переведен из системы Наркомздрава РСФСР в Академию наук СССР, реорганизован и переименован в Институт цитологии, гистологии и эмбриологии. В 1939 г. Н.К. Кольцов был освобожден от должности директора и в декабре 1940 г. скоропостижно скончался. Спустя 10 лет в судьбе Кольцовского института произошел еще один поворот - в результате объединения Института цитологии, гистологии и эмбриологии АН СССР с Институтом эволюционной морфологии АН СССР был образован Институт морфологии животных им. А.Н. Северцова.

Вопреки многочисленным трудностям среди экспериментальных биологов жила идея воссоздания Кольцовского Института. И в 1967 г. Президиумом АН СССР по инициативе Б.Л. Астаурова было принято решение о разделении Института морфологии животных на Институт экспериментальной морфологии и экологии животных и Институт биологии развития, который и возглавил Б.Л. Астауров.

Можно считать, что при образовании Института биологии развития произошло воссоздание Кольцовского Института, поскольку удалось сохранить не только основные направления его исследований, но и значительную часть его научных кадров. Несомненно, что при создании Института биологии развития Б.Л. Астауров опирался на опыт Н.К. Кольцова и на заложенные им организационные принципы. Основными задачами нового Института его директор определил «познание причинных связей и закономерностей индивидуального развития организма животных на молекулярном, клеточном, тканевом и организменном уровнях, разработку методов управления процессами репродукции, роста и формообразования».

Борис Львович смог возродить характерную для Кольцовского Института творческую атмосферу, сплотив вокруг себя учеников Кольцова. В 1967-69 гг. 13 из 17 лабораторий Института возглавлялись либо непосредственными учениками Н.К. Кольцова, либо учениками его учеников. С 1970 года начал выходить журнал «Онтогенез», первым главным редактором которого был Б.Л. Астауров. В этот же период начали проводиться Школы по биологии развития, ставшие вскоре очень популярными среди биологов всей страны.

В число приоритетных направлений исследований вновь создаваемого Института Б.Л. Астауровым были включены «уже знакомые, но еще нерешенные или недорешенные проблемы индивидуального развития, которые теперь можно решать на новом уровне и для решения которых создались теперь большие научные предпосылки» (Астауров, 1968). К ним, в первую очередь, могут быть отнесены исследования основных этапов реализации генетической информации – путь от гена к признаку; исследования взаимодействия ядра и цитоплазмы (влияние цитоплазматических факторов на экспрессию генов во время развития); изучение искусственного партеногенеза и регуляции пола у животных; экспериментальная полиплоидия; исследования по экспериментальной эмбриологии и дифференцировке клеток и др. Вместе с тем, в ИБР появились и новые направления, связанные с анализом молекулярных механизмов онтогенеза и механизмов генетического контроля процессов развития, новые подходы, и к проблемам клеточной биологии и к анализу физиологических процессов.

Говоря о важнейших достижениях Института биологии развития, следует отметить выдающиеся результаты в изучении искусственного партеногенеза и регуляции пола у тутового шелкопряда, полученные Б.Л. Астауровым и его учениками. В решение данной проблемы огромный вклад внес В.А. Струнников и сотрудники его лаборатории, которая была создана по инициативе Б.Л. Астаурова в 1968 г. Главным направлением работы лаборатории было изучение генетики и цитогенетики механизмов размножения на примере тутового шелкопряда. Удалось решить ряд трудных теоретических и практических задач, таких как регуляция пола, массовая репродукция генетически точных копий выдающихся по продуктивности самок и самцов, определение относительной роли каждой хромосомы в развитии полезных признаков и методы очищения популяций от вредных генов, а также экспресс-методы определения частоты мутаций различных типов. Эти работы завоевали мировое признание. В.А. Струнниковым успешно завершены многолетние исследования по закреплению гетерозиса в последовательном ряду поколений без гибридизации.

Сотрудниками Института были сделаны принципиально важные для биологии развития открытия. Впервые И.Б. Збарским была охарактеризована новая внутриядерная структура — ядерный матрикс. Т.А. Детлаф были разработаны безразмерные критерии продолжительности развития, которые позволили ввести время в качестве характеристики ранних стадий онтогенеза. В работах Г.А. Бузникова было показано, что обнаруженные им в зародышах ранних стадий эмбрионального развития нейромедиаторы выполняют на этом этапе необычную для них регуляторную функцию. А.А. Нейфахом установлена периодичность морфогенетической функции ядер на ранних стадиях развития животных, связанная с особенностями синтеза матричной РНК и белка. Л.И. Корочкиным было открыто новое семейство нейрогенов. Значительные успехи были достигнуты Н.Г. Хрущовым с сотрудниками в изучении биологии стволовых клеток. Результаты этих работ позволяют с новых позиций анализировать процессы дифференцировки и механизмы поддержания клеточного гомеостаза в тканях и органах, а также понять особенности многих патологических процессов.

Преемником Б.Л. Астаурова на посту директора Института биологии развития им. Н.К. Кольцова стал академик Т.М. Турпаев, который возглавлял Институт с 1974 по 1989 г. Академик Н.Г. Хрущов руководил Институтом с 1989 по 2004 г.

Сейчас в Институте 20 лабораторий, которые, в соответствии с давно сложившейся традицией, объединяются по нескольким направлениям: эмбриологическое, цитологическое, молекулярно-биологическое, генетическое и физиологическое.

Эмбриологическое направление исследований Института продолжает традиции, заложенные Д.П. Филатовым – основателем отечественной школы экспериментальной биологии еще в Кольцовском Институте. Данное направление представляют лаборатории экспериментальной эмбриологии им. Д.П. Филатова, биофизики развития и биохимической эмбриологии. В этих лабораториях проводятся биохимические и биофизические исследования особенностей предзародышевого и зародышевого развития, а также изучение влияния факторов среды на процессы гаметогенеза и эмбриогенеза.

Цитологическое направление – одно из основных в Институте экспериментальной биологии, возглавляемое в разное время А.В. Румянцевым, Г.К. Хрущовым, В.В. Кедровским, в настоящее время объединяет лаборатории: гистогенеза, цитологии, проблем клеточной пролиферации, экспериментальной нейробиологии, проблем регенерации. Исследования проблем клеточной биологии, проводимые в этих лабораториях, направлены на изучение процессов пролиферации, происхождения (кроветворных, нейральных, эпидермальных, печеночных, сперматогенных, тканей глаза, клеток иммунной системы), регенерации тканей и органов, а также особенностей биологии тканеспецифических и эмбриональных стволовых клеток.

Молекулярно-биологическое и молекулярно-генетическое направление, основанное И.Б. Збарским и Л.И. Корочкиным, представлено лабораториями биохимии, молекулярной биологии развития, молекулярно-генетических механизмов онтогенеза, генетических механизмов органогенеза и группой регуляторных белков. Основные задачи этих лабораторий - анализ генетического контроля процессов развития различных органов и тканей; исследование механизмов регуляции синтеза и деградации белков на разных стадиях онтогенеза; изучение регуляторных функций белков и пептидов межклеточного матрикса.

Генетическое направление исследований ведет свое начало из Кольцовского Института, сотрудники которого В.В. Сахаров, Н.Н. Соколов, Б.Н. Сидоров были приглашены Б.Л. Астауровым во вновь созданный Институт биологии развития и возглавили его генетические лаборатории. В настоящее время генетические лаборатории представлены лабораториями генетики, цитогенетики и структурно-функциональной организации эукариотических хромосом. В работах сотрудников этих лабораторий исследуются генетические механизмы видообразования, в том числе хромосомного видообразования; изучается эволюционная роль отдаленной гибридизации; а также анализируются особенности структуры хромосом эукариот.

Физиологическое направлениеисследований было создано Х.С. Коштоянцем и Т.М. Турпаевым. Сейчас это направление представлено лабораториями общей физиологии, сравнительной физиологии, гормональных регуляций. Исследования, проводимые в этих лабораториях, связаны с анализом развития нервной системы, формирования нейрогуморальной регуляции в онтогенезе; роли нейротрансмиттеров в регуляции самых ранних этапов эмбрионального развития; клеточных и молекулярных механизмов формирования поведения в ходе развития и перестройки поведенческих программ у взрослых организмов; молекулярных основ функционирования сигнальных путей; особенностей экспрессии рецепторов.

Изучение экологических и эволюционных проблем онтогенеза проводится в лаборатории постнатального онтогенеза. Здесь исследуется фенотипическая изменчивость, нарушения стабильности процессов развития; особенности роста и гетерохроний в постнатальном онтогенезе как факторов, определяющих микроэволюционные изменения в популяциях животных; регистрирующие структуры (ткани зуба и кости) как характеристика состояния популяций наземных позвоночных.

Одно из старейших подразделений Института - Кропотовская биологическая станция, история которой опять возвращает нас к Н.К. Кольцову. Организовали ее в 1927 г. на юге Подмосковья в района города Каширы, в бывшей барской усадьбе близ деревни Кропотово по инициативе кафедры общей биологии Второго МГУ, где профессор Н.К. Кольцов читал лекции. С 1932 по 1937 г. биостанция принадлежала Институту экспериментального морфогенеза. Затем ее передали Кольцовскому институту; а в 1967 г. она вошла в состав Института биологии развития. Во времена Н.К. Кольцова здесь работали многие выдающиеся биологи: сам Н.К. Кольцов, Д.П. Филатов, Б.В. Кедровский, Б.Л. Астауров, Л.Я. Бляхер, А.Г. Лапчинский, М.С. Навашин, Н.П. Дубинин, В.В. Сахаров, Б.Н. Сидоров, Н.Н. Соколов, В.А. Струнников и др. Именно здесь Б.Л. Астауров в 30-е годы начал изучать регуляцию пола у тутового шелкопряда, а потом В.А. Струнников разрабатывал подходы к управлению размножением и регуляцией пола.

Сейчас здесь активно работают физиологи, изучая особенности формирования поведения и механизмы регуляции физиологических функций в онтогенезе. Эти исследования проводятся на насекомых, моллюсках, амфибиях, с использованием методов электрофизиологии, цитохимии и молекулярной биологии. Биофизики изучают особенности энергетического метаболизма у моллюсков, насекомых и других беспозвоночных. Продолжаются работы по полиплоидии гречихи, успешно начатые В.В. Сахаровым; идет направленный отбор и селекция для получения семян гречихи и календулы. Генетики проводят в Каширском р-не мониторинг видового разнообразия дрозофил вдоль бассейна р. Оки. Кропотово уже на протяжении 80 лет остается экспериментальной базой фундаментальных и прикладных работ по многим проблемам биологии развития и генетике не только сотрудников Института, но и Биологического факультета МГУ и других научных учреждений.

Трудности, характерные для современного этапа развития отечественной науки, коснулись, естественно, и нашего Института. Выход из данной ситуации видится в привлечении молодежи в Институт, концентрации усилий вокруг самых важных проблем биологии развития, а также в формировании более тесных связей с вузами, прежде всего с Биологическим факультетом МГУ. В ИБР создан Центр клеточных технологий, в котором сосредоточены исследования по различным проблемам клеточной биологии, в том числе биологии стволовых клеток; совместно с Биологическим факультетом МГУ организован Учебно-научный центр по биологии развития; возобновлено регулярное проведение Школ по биологии развития (I школа состоялась в 1971 г., а XIV школа в 2005 г.), значительно возрос приток аспирантов и молодых исследователей.

• Директор Института доктор биологических наук профессор Озернюк Николай Дмитриевич (499) 135-33-22
• Заместитель директора по науке доктор биологических наук профессор Захаров Игорь Сергеевич
• Заместитель директора по науке доктор биологических наук Васильев Андрей Валентинович (499) 135-76-74
• Советник РАН член-корр. РАН, профессор Яблоков Алексей Владимирович (495) 952-24-23
• Ученый секретарь кандидат биологических наук, Абрамова Елена Борисовна (499) 135-63-37
• Ученый секретарь Научного совета по биологии развития РАН, кандидат биологических наук, Маршак Татьяна Леонидовна (499) 135-63-37

Лаборатории и группы

Гистологическое направление

Лаборатория гистогенеза

Лаборатория была создана в 1971 году на основе группы, руководимой Н.Г.Хрущовым и выделившейся из лабораторий цитологии (зав. проф. В.Я.Бродский). В нее вошли также некоторые сотрудники из лаборатории, руководимой проф. А.Н. Студитским.

Традиционно лаборатория занималась изучением происхождения клеток рыхлой соединительной ткани, в частности, фибробластов, тучных клеток и гигантских клеток инородного тела, а также свойств стволовых кроветворных клеток в пре- и постнатальном развитии и их взаимоотношений с кроветворным микроокружением.

В последнее десятилетие лаборатория сконцентрировала свое внимание на изучение проблемы закономерностей функционирования стволовых тканеспецифических и эмбриональных клеток. Проводимые исследования включают в себя следующие основные направления:

• источники, механизмы и пути дифференцировки тканеспецифических (кроветворных и мезенхимных) и эмбриональных стволовых клеток в пре- и постнатальном онтогенезе;
• действие неблагоприятных факторов, в том числе и факторов космического полета (невесомости, облучения и др.) на кроветворную и соединительную ткани;
• механизмы, регулирующих развитие и функциональную активность иммунной системы в раннем онтогенезе.

Установлено, что мезенхима печени в период ее активного кроветворения обладает широкими дифференцировочными потенциями и содержит предшественники хрящевых, остеогенных и ретикулярных клеток. Начато сравнительное изучение экспрессии генов стволовых мезенхимных клеток, участвующих в реализации дифференцировки по остео- и адипогенному направлениям.

На основании изучения чувствительности стволовых кроветворных и стромальных клеток к цитотоксическим агентам показано, что популяция кроветворных стволовых клеток гетерогенна и их дифференцировка осуществляется на основе так называемой клональной сукцессии, предложена также гипотетическая модель гистогенетического ряда стромальных (мезенхимных) клеток. В лаборатории на протяжении многих лет выполняется комплексная программа по изучению влияния факторов космического полета на живые системы, экспонированных на борту биоспутников серии «Космос», «Бион» и «Фотон». Эти работы послужили основанием для нового цикла исследований - влияния сверхмалых доз гамма-излучения, сравнимых с космическими, на кроветворную систему млекопитающих. Впервые обнаружен феномен стимулирующего действия сверхмалых доз γ-облучения на стромальные клетки, который выражается в повышении пролиферативной активности и увеличении численности КОЕ-Ф в костном мозге, а также в усилении регенераторных потенций стромы.

Исследования нейроэндокрино-иммунных механизмов в перинатальном онтогенезе млекопитающих выявили взаимные регуляторные влияния нейромедиаторов и гормонов гипоталамо-гипофизарной системы, с одной стороны, и пептидов тимуса, с другой.

Исследован характер экспрессии генов, ответственных за дифференцировку и самоподдержание эмбриональных стволовых клеток.

Лаборатория клеточной пролиферации

В 1992 г. в Лабораторию гистогенеза, возглавляемую академиком Н.Г. Хрущовым, перешла группа сотрудников из Научно-производственного центра медицинской биотехнологии Минздрава СССР, а в 1995 г. группа получила статус лаборатории. Основные направления научно-исследовательских работ коллектива лаборатории находятся в области проблем клеточной пролиферации, регенерации тканевых дефектов и их медицинского применения. В связи с этим в лаборатории разрабатываются новые технологии в области регенеративной биологии и медицины. Клеточные механизмы регенерации изучаются in vitro и in vivo с использованием культур клеток кожи: эпидермальных кератиноцитов и фибробластов. Центральная задача исследований заключается в использовании выращенных in vitro клеток для реконструкции пораженных тканей и органов, поскольку в ряде случаев для регенерации in vivo оказывается недостаточно клеточного материала. Этот метод восстановления тканевых дефектов, получивший название тканевая инженерия, основан на создании трехмерных тканевых эквивалентов, образованных из выращенных клеток и биоматрикса. Применение тканевых эквивалентов для восстановления эпителиальных тканей основано на нескольких принципах. Во-первых, клетки, выращенные in vitro, сохраняют способность к дифференциации и морфогенезу и в условиях культуры образуют гистотипические структуры (многослойные эпителиальные пласты). Во-вторых, в процессе культивирования клетки кожи не малигнизируются и остаются диплоидными. В-третьих, тканевые эквиваленты, после трансплантации, устанавливают тесный контакт с подлежащими тканями реципиента и функционально встраиваются в нарушенные структуры.

Разработаны методы пересадки многослойных пластов аутологичных и аллогенных кератиноцитов при восстановлении послеоперационных дефектов гортани у онкологических больных. Разработан и используется в клинике метод лечения ожогов роговицы и восстановления врожденных дефектов уретры. Для восстановления дефектов пародонта разработана оригинальная конструкция, состоящая из культивированных клеток и коллаген-хитозанового биоматериала. Для лечения различных патологий мезенхимных тканей в косметологии, стоматологии и урологии разработаны методики с использованием фибробластов, выращенных на микроносителях. Оригинальные технологии, созданные в лаборатории, защищены патентами.

Ведутся поиски маркеров эпидермальных стволовых клеток. С помощью инкубации культур кератиноцитов в среде без кальция был разработан метод обогащения популяции мало дифференцированными прогениторными клетками. Методом иммуногистохимии с использованием конфокальной микроскопии показана экспрессия в эпидермисе человека маркеров, позволяющих предполагать пластичность эпидермальных стволовых клеток в процессе культивирования. С помощью метки BudR было показано, что при выращивании in vitro эпидермальные стволовые клетки сохраняются в культуре, в частности в составе живых тканевых эквивалентов. Показано, что при культивировании эпидермальные клетки сохраняют морфогенетический потенциал и способны к формированию трехмерных структур.

Лаборатория цитологии

В работах лаборатории сохранились научные направления ее организаторов 1930х годов Г.К.Хрущова и Б.В.Кедровского: изучение цитологическими методами проблем биологии развития и гистофизиологии - роста, связей пролиферации и дифференцировки, регенерации, клеточных основ тканевых функций.

Сотрудники лаборатории В.Я. Бродский, Н.В. Нечаева, И.В. Урываева, Т.Б. Айзенштадт, М.П. Горбунова, Т.Л. Маршак, В.М. Фактор, А.М. Арефьева, В.И. Фатеева, Т.Е. Новикова, Г.В. Делоне (1960-е – 2000-е годы) разработали и усовершенствовали методы количественного цитохимического анализа, фундаментально исследовали клеточную полиплоидию, открыли и исследовали ранее неизвестные околочасовые биоритмы, классифицировали типы оогенеза у разных животных. Получены первые данные о широком распространении полиплоидных клеток в тканях животных, обосновано значение полиплоидии в росте и регенерации тканей и дифференцировке клеток.

Выяснены механизмы полиплоидизации как формы клеточной пролиферации с включением в митотический процесс особых типов полиплоидизирующих митозов. Показано широкое распространение околочасовых ритмов в клетках in vivo и in vitro, выяснена их значимость в метаболизме клеток. Определены разные механизмы роста ооцитов и функций вспомогательных клеток гонады.

В работах последних лет получены данные о стволовом резерве дефинитивной печени. Изучение повреждений генома гепатоцитов и, особенно, числа и формы микроядер позволило предложить простой метод экологического мониторинга по накоплению интерфазных клеток с микроядрами, что в настоящее время используется при изучении разных тканей. В проекте, совместном с каф. эмбриологии МГУ, у ускоренно стареющих мышей линии SAM выявлена чрезвычайно высокая нестабильность генома в соматических и генеративных клетках. Впервые для дефинитивных тканей млекопитающих описан переход популяции гепатоцитов на эндоредупликационный цикл с формированием диплохромосом в митозе. В совместном проекте с лаб. эмбриофизиологии ИБР на примере околочасового ритма синтеза белка в культурах гепатоцитов впервые выявлен механизм прямых межклеточных взаимодействий, приводящих к регуляции сложной тканевой функции. Выявлены аналогии модели с поведением клеток in situ, что обосновывает значимость самоорганизации клеток в регуляции органных функций дополнительно к нервным и гормональным сигналам. Определены нарушения кооперации клеток при старении и получены первые данные о возможности компенсации старческих изменений. Учитывая фундаментальные данные лаборатории о ключевой роли кальция в прямых межклеточных взаимодействиях, с осени 2006 г начат проект, совместный с кафедрой эмбриологии МГУ, о влиянии агониста кальция мелатонина, уже использующегося в клинике.

Механизм прямых межклеточных взаимодействий, приводящий к самоорганизации гепатоцитов в ритме синтеза белка.

Непосредственное отношение к решению фундаментальных вопросов современной гистологии имеют также такие лаборатории как: Проблем регенерации и Проблем клеточной пролиферации.