Характеристики эмбриональных стволовых клеток

КЛЕТОЧНАЯ ДЕТЕРМИНАЦИЯ

Детерминация — это процесс определения пути, направления, программы развития материала эмбриональных зачатков с образованием специализированных тканей. Детерминация может быть оотипической (программирующей развитие из яйцеклетки и зиготы организма в целом), зачатковой (программирующей развитие органов или систем, возникающих из эмбриональных зачатков), тканевой (программирующей развитие данной специализированной ткани) и клеточной (программирующей дифференцировку конкретных клеток). Различают детерминацию: 1) лабильную, неустойчивую, обратимую и 2) стабильную, устойчивую и необратимую. При детерминации тканевых клеток происходит стойкое закрепление их свойств, вследствие чего ткани теряют способность к взаимному превращению (метаплазии). Механизм детерминации связан со стойкими изменениями процессов репрессии (блокирования) и экспрессии (деблокирования) различных генов клеточных основах детерминации известно, что она происходит не в отдельных клетках, а в их группах. Как правило, это группы рядом расположенных клеток, не обязательно связанных прямым клональными родством. Важным аргументом в пользу того, что детерминация происходит в группах клеток, является поликлональный генез тканей. В тех же химерах или у мозаичных по Х-хромосомам самок млекопитающих ни одна из тканей, как правило, не имеет моноклинального происхождения.
Детерминация клеток - геноконтролируемый процесс. Об этом свидетельствует наличие особого класса мутаций, пока известных у насекомых, которые обусловливают нарушения этого процесса, проявляющиеся в гетеротопических дупликациях определенных морфологических структур.У человека также известны случаи гетеротопических дупликаций иногда целых органов. Хотя этиология таких аномалий пока не известна, можно думать, что хотя бы часть из них связана с мутациями, нарушающими процесс детерминации. генов.

Клеточная миграция

Одним из часто встречающихся вариантов клеточной миграции является амебоидное движение. Оно сводится к формированию уплощенного отростка цитоплазмы, удлиняющегося в направлении движения клетки и “подтягивания” отставшей основной части клетки “вдогонку” за выдвигающейся псевдоподией. Механизм выдвижение псевдоподии включает формирование цитоскелетного элемента – пучка микротрубочек, направленных от центральной части клетки в сторону конца псевдоподии. Этот пучок служит транспортером, обеспечивающим доставку к вершине псевдоподии необходимых материалов для ее продвижения вперед, в частности, материала для достройки цитомембраны в форме везикул, образующихся в задних отделах клетки в процессе пиноцитоза. Доставленные везикулы вливаются путем процесса, сходного с экзоцитозом, в мембрану псевдоподии, обеспечивая возможность локального увеличения ее поверхности при вытягивании псевдоподии (Рис. 3). Напротив, в задней части клетки площадь мембраны сокращается, что, видимо, увязывается с перетеканием цитоплазмы вперед в направлении псевдоподии, а также с сокращением подстилающих мембрану элементов цитоскелета, связанных с помощью трансмембранных белков с внеклеточным субстратом (коллагеном и др.). Транспортная функция микротрубочек базируется на присутствии на их поверхности молекул белка динеина, способных сгибаться наподобие того, как сгибаются реснички эпителия трахеи, продвигая частички пыли к глотке. Сгибание молекулы динеина осуществляется за счет расходования молекул АТФ, в отсутствие которого транспортная функция микротрубочек замирает. В основе морфогенезов лежат изменения надмолекулярных структур цитоскелета и клеточной мембраны. Цитоскелет образован микротрубочками, микрофиламентами, промежуточными филаментами и т.н. микротрабекулярной сетью. Среди них наибольшее значение для морфогенеза имеют микротрубочки и микрофиламенты. фагоциты, в том числе нейтрофилы и моноциты, покинув костный мозг, мигрируют в те периферические ткани организма, где имеются очаги воспаления; для нейтрофилов это путешествие в одном направлении, но моноциты, превратившись в макрофаги, могут вернуться во вторичные лимфоидные ткани и функционировать там в качестве антигенпрезентирующих клеток.Особой формой клеточной миграции можно считать фантастический рост аксонов и дендритов нейронов, кода длина этих отростков может у крупных животных достигать метров (от позвоночника до кончиков пальцев).

КЛЕТОЧНАЯ ИНДУКЦИЯ

ИНДУКЦИЯ (от латинского inductio — побуждение, наведение) в физиологии, термин, используемый для обозначения возбуждающих и тормозящих взаимовлияний нервных центров. Явление индукции характерно для всех отделов нервной системы.В эмбриологии индукция — взаимодействие между частями развивающегося организма у многих беспозвоночных и всех хордовых, в процессе которого одна часть — индуктор, приходя в контакт с другой частью — реагирующей системой, определяет направление развития последней.Явление индукции открыто в 1901 году X. Шпеманом при изучении образования зачатка хрусталика глаза из эктодермального эпителия у зародышей земноводных. Позже он показал, что и для образования у этих животных нервной пластинки из эктодермы гаструлы необходим контакт эктодермы с хордомезодермой (см. Экзогаструляция). Это взаимодействие называется первичной эмбриональной индукцией, а индуктор — материал спинной губы бластопора — организатором. В эксперименте было показано, что реагирующая система, дифференцируясь под влиянием индуктора, часто сама становится индуктором для возникающих позже зачатков органов и тканей и всё развитие зародыша представляет собой как бы цепь следующих друг за другом индукционных взаимодействий. В ряде случаев установлено не только воздействие индуктора на реагирующую систему, но и влияние последней на дальнейшую дифференцировку индуктора.Для осуществления индукции необходимо, чтобы клетки, подвергающиеся действию индуктора, обладали соответствующей компетенцией. Действие индукторов, как правило, лишено видовой специфичности. Органоспецифическое действие собственных индукторов может быть в эксперименте заменено действием ряда органов и тканей зародышей старшего возраста и взрослых животных (чужеродные, или гетерогенные, индукторы) или выделенными из них химическими веществами индуцирующими факторами (например, из туловищных отделов 9—11-дневных куриных зародышей выделен так называемый вегетализующий фактор — белок с молекулярной массой около 30 000, вызывающий в компетентной эктодерме гаструлы земноводных образование энтодермы и вторично — хорды, мышц и других производных мезодермы). Действие индукторов может быть имитировано обработкой клеток компетентной ткани более простыми химическими соединениями, например солями натрия и лития, сахарозой, а также некоторыми повреждающими клетки воздействиями; по-видимому, при этом в клетках высвобождаются собственные индуцирующие факторы, находившиеся в них в связанном состоянии. Такую индукцию иногда называют эвокацией, а индуцирующие стимулы — эвокаторами. Часто термины «индукция» и «индукторы» используют для обозначения более широкого круга явлений и говорят об индукции дифференцировки органов и тканей животных и растений гормонами, факторами внешней среды (свет, температура и др.), называя эти внутренние и внешние факторы индукторами.

КЛЕТОЧНАЯ ИНТЕГРАЦИЯ

ИНТЕГРАЦИЯ (латинское integratio — восстановление, восполнение, от integer — целый), целесообразное объединение и координация действий разных частей целостной системы. Интеграция живых систем осуществляется на разных уровнях их организации — молекулярном, клеточном, организменном, а также в различных биологических системах надорганизменного уровня — популяциях, видах, биоценозах и т. д., причём механизмы интеграции разных уровней специфичны. В биологических системах с жёсткими внутренними связями обычно имеются специальные компоненты, обеспечивающие интеграцию, например, во взрослом организме высших многоклеточных животных — нервная, сосудистая и эндокринная системы. Наиболее известная форма интеграции процессов онтогенеза—эмбриональная индукция. Интеграция популяций, видов, лишённых жёстких внутренних связей между составляющими их элементами (особями), обусловлена половым процессом и (у животных) наследственно закреплёнными особенностями поведения, определяющими взаимоотношения особей друг с другом. Интеграция экосистем осуществляется через посредство потоков органического вещества, энергии и информации. В целом степень интеграции — результат приспособительной эволюции, она отражает уровень развития регуляторных механизмов биологической системы и может рассматриваться как один из критериев морфофизиологического прогресса.Интеграция в физиологии — функциональное объединение отдельных физиологических механизмов в сложно координированную приспособительную деятельность целостного организма. Структурно-анатомической основой интеграции всех процессов в животном организме является нервная система, более сложное строение которой в эволюционном ряду соответствует более совершенному уровню интеграции. На уровне одной нервной клетки интеграция сводится к объединению всех конвергирующих к ней влияний для формирования последовательности потенциалов действия в начальном сегменте аксона.Высшее проявление интеграции — целенаправленный поведенческий акт, строящийся на основе физиологических и психических факторов.

КЛЕТОЧНАЯ ДИФФЕРЕНЦИРОВКА

Дифференцировка клеток — процесс реализации генетически обусловленной программы формирования специализированного фенотипа клеток, отражающего их способность к тем или иным профильным функциям. Иными словами, фенотип клеток есть результат координированной экспрессии (то есть согласованной функциональной активности) определённого набора генов.В процессе дифференцировки менее специализированная клетка становится более специализированной. Например, эмбриональная стволовая клетка «превращается» в клетку эктодермы. Деление и дифференцировка — основные процессы, путем которых одиночная клетка (зигота) развивается в многоклеточный организм, содержащий самые разнообразные виды клеток. Дифференцировка меняет функцию клетки, ее размер, форму и метаболическую активность. Достигается это изменениями в экспрессии генов, в то время как ДНК остается неизменной. Один из способов регулирования экспрессии генов — метилирование ДНК. Дифференцировка также случается и во взрослом организме, когда поврежденные клетки тканей замещаются новыми, полученными путем деления и дальнейшей дифференцировки взрослых стволовых клеток. Самая первая дифференцировка в процессе развития эмбриона происходит когда из 32 тотипотентных клеток, на которые поделилась зигота, формируются два разных слоя: внутренний эмбриобласт и внешний трофобласт. Эмбриобласт дает начало плюрипотентным эмбриональным стволовым клеткам, из которых потом формируется весь организм. Трофобласт становится плацентой. По мере развития эмбриона клетки становятся все более специализированными (мультипотентные, унипотентные) пока не станут окончательно дифференцировавшими клетками, обладающими конечной функцией, как например мышечные клетки. В организме человека насчитывается порядка 220 различных типов клеток.Небольшое количество клеток во взрослом организме сохраняют мультипотентность. Они используются в процессе естественного обновления клеток крови, кожи и др., а также для замещения поврежденных тканей. Так как эти клетки обладают двумя основными функциями стволовых клеток — способность обновляться, поддерживая мультипотентность, и способность дифференцироваться — их называют взрослыми стволовыми клетками.

СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ

Стволовы́е кле́тки — иерархия особых клеток живых организмов, каждая из которых способна впоследствии изменяться (дифференцироваться) особым образом (то есть получать специализацию и далее развиваться как обычная клетка). Стволовые клетки способны асимметрично делиться, из-за чего при делении образуется клетка, подобная материнской (самовоспроизведение), а также новая клетка, которая способна дифференцироваться. Корнем иерархии стволовых клеток является тотипотентная зигота. В ходе первых нескольких делений зиготы млекопитающих бластомеры сохраняют тотипотентность, и при потере целостности зародыша это может приводить к появлению монозиготных близнецов.Нишами стволовых клеток называются места в ткани, где постоянно залегают стволовые клетки, делящиеся по мере надобности для дальнейшей дифференциации.Стволовые клетки размножаются путём деления, как и все остальные клетки. Отличие стволовых клеток состоит в том, что они могут делиться неограниченно, а зрелые клетки обычно имеют ограниченное количество циклов деления .Вторая характерная особенность стволовых клеток заключается в том, что при их делении одна из дочерних клеток дифференцируется, а вторая остается стволовой. За счет этого стволовые клетки образуют самоподдерживающуюся популяцию.Когда происходит созревание стволовых клеток, то они проходят несколько стадий. В результате в организме имеется ряд популяций стволовых клеток различной степени зрелости. В норме, чем более зрелой является клетка, тем меньше вероятность того, что она сможет превратиться в клетку другого типа. Но всё же это возможно благодаря феномену трансдифференцировки клеток (Трансдифференцировки в биологии имеет место, когда без стволовых клеток превращается в различные типы клеток, или когда уже дифференцированных стволовых клеток создает клеток вне его уже установили дифференциации пути.)

ДНК в большинстве клеток одного организма (кроме половых), в том числе и стволовых, одинакова. Клетки различных органов и тканей, например, клетки кости и нервные клетки, различаются только тем, какие гены у них включены, а какие выключены, то есть регулированием экспрессии генов, например, путём метилирования ДНК.. Геном у всех клеток идентичен, но режим работы, в котором он находится — различен.В различных органах и тканях взрослого организма существуют частично созревшие стволовые клетки, готовые быстро дозреть и превратиться в клетки нужного типа. Они называются бластными клетками. Например, частично созревшие клетки мозга — это нейробласты, кости — остеобласты, в скелетных мышцах — миосателлитоциты и так далее. Дифференцировку могут запускать как внутренние причины, так и внешние. Любая клетка реагирует на внешние раздражители, в том числе и на специальные сигналы цитокины. Например, есть сигнал (вещество), служащий признаком перенаселённости. Если клеток становится очень много, то этот сигнал сдерживает деление. В ответ на сигналы клетка может регулировать экспрессию генов.

Характеристики эмбриональных стволовых клеток

1. Тотипотентность — способность образовывать любую из примерно 350 типов клеток организма (у млекопитающих)^{[источник не указан 246 дней]};

2. Хоуминг — способность стволовых клеток, при введении их в организм, находить зону повреждения и фиксироваться там, исполняя утраченную функцию;

3. Факторы, которые определяют уникальность стволовых клеток, находятся не в ядре, а в цитоплазме. Это избыток мРНК всех 3 тысяч генов^{[источник не указан 337 дней]}, которые отвечают за раннее развитие зародыша;

4. Теломеразная активность. При каждой репликации часть теломер утрачивается (см. Предел Хейфлика). В стволовых, половых и опухолевых клетках есть теломеразная активность, концы их хромосом надстраиваются, то есть эти клетки способны проходить потенциально бесконечное количество клеточных делений, они бессмертны.

Стволовые клетки растений также называют камбиальными (от лат. cambium — обмен, смена).