Гибель и дифференцировка клеток

В развитии зародышей наряду с размножением клеток важную роль играют процессы гибели клеток. В настоящее время различают два принципиально различных типа клеточной гибели: апоптоз (в переводе с греческого «отпадающий») и некроз.

Апоптоз широко распространен и типичен для физиологических условий. Он способствует достижению характерных для определенного биологического вида черт его морфофункциональной организации. Следовательно, апоптоз является эволюционно обусловленным и генетически контролируемым механизмом морфогенеза.

Некроз клеток возникает в нефизиологических условиях, например, в связи с действием неблагоприятных факторов, таких, как стойкое кислородное голодание, разного рода токсины и другие. Некроз обычно сопровождается воспалением и является патологическим процессом.

Наиболее яркие примеры разрушения клеток и органов относятся к постэмбриональным стадиям метаморфоза земноводных и насекомых. У головастиков рассасываются хвост, кишечник и жаберные крышки, у личинок насекомых разрушается большинство внутренних органов. В ходе эмбрионального развития высших позвоночных и человека также имеют место процессы дегенерации органов, которые вначале закладываются, а затем исчезают. У особей женского пола дегенерируют вольфовы протоки, у особей мужского пола – мюллеровы протоки, что является, по-видимому, результатом влияния половых гормонов. У эмбриона человека вначале закладываются ребра у 7-го шейного позвонка и 9-10 хвостовых позвонков, затем они обычно исчезают, так что шейные позвонки, как правило, ребер не несут, а в копчике остается 4-5 позвонков. В центральной нервной системе сначала образуется больше нервных клеток, чем затем сохраняется, так как часть нейронов, не установивших связи со своими мишенями, погибает.

Апоптоз определенных клеток генетически запрограммирован и иногда его называют «внутренними часами смерти». Кроме того, гибель клеток контролируется на уровне клеточных взаимодействий.

Таким образом, избирательная гибель клеток не менее важна для морфогенеза. Различные опыты позволяют установить, что гибель клеток имеет три уровня регуляции: генетический контроль, межклеточные взаимодействия и организменный уровень.

Дифференцировка – это процесс, в результате которого клетка становится специализированной, т. е. приобретает химические, морфологические и функциональные особенности. При этом изменяются форма клеток, строение клеточных мембран и набор органоидов. Примеров можно привести множество, так как в организме человека насчитывают порядка 220 различных типов клеток.

В широком смысле под дифференцировкой понимают постепенное возникновение все больших различий и направлений специализации между клетками, происшедшими из одного исходного зачатка. Этот процесс сопровождают морфогенетические преобразования, т. е. возникновение и дальнейшее развитие зачатков определенных органов в дефинитивные органы. Первые химические и морфогенетические различия между клетками, обусловливаемые самим ходом эмбриогенеза, обнаруживаются в период гаструляции. Зародышевые листки и их производные являются примером ранней дифференцировки, приводящей к ограничению потенций клеток зародыша.

Можно выделить целый ряд признаков, которые характеризуют степень дифференцированности клеток. Так, для недифференцированного состояния характерны относительно крупное ядро и высокое ядерно-цитоплазматическое отношение, диспергированный хроматин и хорошо выраженное ядрышко, многочисленные рибосомы и интенсивный синтез РНК, высокая митотическая активность и неспецифический метаболизм. Все эти признаки изменяются в процессе дифференцировки, характеризуя приобретение клеткой специализации.

Процесс, в результате которого отдельные ткани в ходе дифференцировки приобретают характерный для них вид, называют гистогенезом. Дифференцировка клеток, гистогенез и органогенез совершаются в совокупности, причем в определенных участках зародыша и в определенное время. Это очень важно, потому что указывает на координированность и интегрированность эмбрионального развития.

С момента одноклеточной стадии (зиготы) развитие из нее организма определенного вида уже жестко предопределено. Всем известно, что из яйца птицы развивается птица, а из яйца лягушки – лягушка. Однако, фенотипы организмов всегда различаются и могут быть нарушены до степени гибели или возникновения порока развития, а нередко могут быть даже как бы искусственно сконструированы, например у химерных животных.

В.Вейсман выдвинул гипотезу о том, что только линия половых клеток несет в себе и передает потомкам всю информацию своего генома, а соматические клетки могут отличаться от зиготы и друг от друга количеством наследственного материала и поэтому дифференцироваться в разных направлениях. Он опирался на данные о том, что в ходе первых делений дробления яиц лошадиной аскариды происходит отбрасывание части хромосом в соматических клетках эмбриона. В дальнейшем было показано, что отбрасываемая ДНК содержит главным образом часто повторяющиеся последовательности, т. е. фактически не несущие информации.

В настоящее время общепризнанной является точка зрения, ведущая начало от Т.Моргана, который, опираясь на хромосомную теорию наследственности, предположил, что дифференцировка клеток в процессе онтогенеза является результатом последовательных реципрокных (взаимных) влияний цитоплазмы и меняющихся продуктов активности ядерных генов. Таким образом, впервые прозвучала идея о дифферециальной экспрессии генов как основном механизме цитодифференцировки. Собрано много доказательств того, что в большинстве случаев соматические клетки организмов несут полный диплоидный набор хромосом, а генетические потенции ядер соматических клеток могут сохраняться, т. е. гены не утрачивают потенциальной функциональной активности.

Сохранение полного хромосомного набора развивающегося организма обеспечивается, прежде всего, механизмом митоза. Проведенные цитогенетическим методом исследования кариотипов различных соматических клеток показали почти полную их идентичность.

Помимо установленной количественной полноценности ДНК большинства соматических клеток большой интерес представляет вопрос о сохранении функциональных свойств содержащегося в них наследственного материала. О сохранении генетических потенций ядер можно судить по результатам опытов. У животных отдельные соматические клетки после стадии бластулы, как правило, не способны развиваться в целый нормальный организм, но их ядра, будучи пересажены в цитоплазму овоцита или яйцеклетки, начинают развиваться, т. е. вести себя соответственно той цитоплазме, в которой они оказались.

Опыты по пересадке ядер соматических клеток в яйцеклетку впервые были успешно осуществлены в 50-х гг. в США, а в 60-70-х гг. получили широкую известность опыты английского ученого Дж. Гёрдона. Используя африканскую шпорцевую лягушку,он в небольшом проценте случаев получил развитие взрослой лягушки из энуклеированной яйцеклетки, в которую пересаживал ядро из эпителиальной клетки кожи лягушки или кишечника головастика, т. е. из дифференцированной клетки. Энуклеацию яйцеклетки проводили большими дозами ультрафиолетового облучения, что приводило к функциональному удалению ее ядра. Для доказательства того, что в развитии зародыша участвует пересаженное ядро соматической клетки, применили генетическое маркирование. Яйцеклетку брали из линии лягушек с двумя ядрышками в ядре, а ядро клетки донора – из линии, имеющей в ядрах только одно ядрышко вследствие гетерозиготности по делеции ядрышкового организатора. Все ядра в клетках особи, полученной в результате трансплантации ядра, имели только одно ядрышко.

Опыты Гёрдона обнаружили и другие закономерности:

1. они подтвердили предположение Т.Моргана о решающем значении взаимодействия цитоплазмы и ядра в жизнедеятельности клеток и развитии организма.

2. было показано, что чем старше стадия зародыша-донора, из клеток которого брали ядро для пересадки, тем в меньшем проценте случаев развитие оказывалось полностью завершенным, т. е. достигало стадий головастика, а затем лягушки. В большинстве случаев развитие останавливалось на более ранних стадиях. Анализ зародышей, останавливающихся в развитии после пересадки ядра, показал множество хромосомных аномалий в их ядрах.

3. наследственный материал соматических клеток способен сохраняться полноценным не только в количественном, но и в функциональном отношении.

Самым последним достижением в этой области является получение овечки Долли. Ученые не исключают возможности воспроизведения подобным же образом, т. е. путем пересадки ядер, генетических двойников человека. Но клонирование человека кроме научно-технологического имеет также этический и психологический аспекты.

В качестве основного механизма цитодифференцировки в настоящее время принимается гипотеза дифференциальной экспрессии генов в признак.

Экспрессия гена в признак – это сложный этапный процесс, который можно изучать разными методами: электронной и световой микроскопией, биохимически и другими.

Визуальное наблюдение в электронный микроскоп, как наиболее прямой подход к изучению уровня транскрипции, проведено в отношении только отдельных генов. На электронограммах видно, что одни гены транскрибируются активнее других. Хорошо различимы и неактивные гены.

Особое место занимает изучение политенных хромосом. Политенные хромосомы – это гигантские хромосомы, обнаруживаемые в интерфазных клетках некоторых тканей у мух и других двукрылых. Они содержат сотни нитей ДНК, которые редуплицировались, но не подверглись расхождению. При окраске в них выявляются четко выраженные поперечные полосы или диски, соответствующие местоположению отдельных генов. Ограниченное число определенных полос в некоторых дифференцированных клетках образует вздутия, или пуфы. Они находятся там, где гены наиболее активны в отношении транскрипции. Клетки разного типа содержат разные пуфы. Изменения в клетках, происходящие в ходе развития, коррелируют с изменениями в характере пуфов и синтезом определенного белка. Все остальные этапы экспрессии генов являются результатом сложных видоизменений продуктов первичной генной активности. Под сложными изменениями подразумевают посттранскрипционные преобразования РНК, трансляцию и посттрансляционные процессы.

Таким образом, дифференцировка клеток не сводится только к синтезу специфических белков. Она всегда затрагивает группу клеток и соответствует задачам обеспечения целостности многоклеточного организма.