Современные представления о гене и геноме. Клеточная специализация (дифференцировка)

1.2.1.5. Специализация и интеграция клеток многоклеточных организмов

Многоклеточные организмы состоят из клеток, имеют принципиально одинаковое строение. Однако форма, размеры и структура клеток зависят от функций, которые они выполняют (рис. 1.18). Например, мышечные клетки удлиненные, клетки эпителиальной ткани расположены на базальной мембране, плотно прилегают друг к другу, міжклітинна вещество почти отсутствует. Нервные клетки благодаря большому количества отростков приобрели звездчатой формы. Лейкоциты подвижны, округлой формы, могут приобретать амебоїдної формы и т.д. Причем функционально специализированные клетки разных типов и видов имеют сходные структуру, форму и размеры.

Рис. 1.18. Основные типы клеток человека:

а - клетки жировой ткани; б - клетки хрящевой ткани; в - клетки костной ткани; г - клетки крови (лейкоциты и эритроциты);

д - волокна (симпласти) мышечной ткани; - клетки нервной ткани; ж - цилиндрический эпителий; е - реснитчатый эпителий.

Таким образом, клетки животных очень разнообразные по размерам, структуре и функциям, которые они выполняют. Однако все клетки обязательно должны основные компоненты: цитоплазматическую мембрану, цитоплазму и ядро (за исключением эритроцитов и тромбоцитов, в которых ядро отсутствует).

Основные типы клеток человека. Клетки человека - микроскопических размеров. Диаметр клеток коливаєть ся от 0,01 до 0,1 мм (или от 10 до 100 мкм). Объем большинства клеток человека находится в пределах 20015000 мкм 3 . Диаметр мельчайших клеток человека (эритроциты, тромбоциты) равна 4-5 мкм (рис. 1.18 г). Однако известны и достаточно большие клетки, которые можно увидеть невооруженным глазом. Величина клеток зависит от функций, которые они выполняют. Так, яйцеклетки благодаря накоплению в них питательных веществ достигают размеров до 150-200 мкм.

Размеры клеток прямо не связанные с размером организма. Так, клетки печени и почек у человека, лошади, большой рогатого скота и мыши имеют примерно одинаковый размер. Размеры органов, как и размеры целого организма животных и растений, зависят от количества клеток. Количество клеток, составляющих организм, различна: от одной (у одноклеточных) или небольшого количества (у коловраток и круглых червей) до многих миллиардов, как у большинства многоклеточных. Новорожденный человек содержит примерно 2 триллионы клеток, взрослый - 60-100 триллионов. Донор, который сдает кровь, теряет 5-6 млрд. клеток. Ежедневно наш организм теряет и восстанавливает один процент своих клеток, то есть примерно 600 миллиардов.

В организме человека есть различные клетки, которые отличаются размерами, структурой и функциями. Подобные по структуре и функциями клетки, связанные единством происхождения, образуют ткани. Специализированные клетки образуют четыре типа тканей: эпителиальную, соединительную, м "язову, нервную. Клетки сохраняют характерные черты каждого типа ткани, могут в широких пределах изменяться как по структуре, так и за функциями. Причем характер различий меняется в процессе индивидуального развития организма. Важным фактором структурно- функциональных особенностей является взаимодействие клетки с другими клетками, тканями или удаленными клеточными системами через нервную систему или гуморальный связь. В каждой ткани есть клетки, которые сохраняют способность к делению. Часть из них после разделения начинает дифференцироваться и замещает клетки ткани, которые отмирают. Вторая часть клеток остается недифференцированной, способной к следующих разделов (стволовые клетки).

Стволовые клетки и их использование в медицине.

Изучение тонких механизмов эмбрионального развития организма млекопитающих из единственной клетки и процессов замещения поврежденных клеток здоровыми клетками во взрослом организме интенсивно развивалось за последние 20 лет прошлого столетия. В основе этого необходимого направлении исследования стволовых клеток.

Стволовыми клетками (СК) считают недифференцированные клетки, способные к самообновлению и продуцирования хотя бы одного типа высокодифференцированных потомков.

Различают два типа СК - плюрипотентные эмбриональные стволовые клетки (ЭСК), которые получают из бластоцисты, и взрослые стволовые клетки - ограничены ими (мультипотентные и уніпотентні), которые обнаружены в различных тканях. Эти группы СК отличаются друг от друга и от их потомков по многим морфологическим признакам, локализации, рецепторами поверхности, факторами транскрипции.

Все СК, независимо от их происхождения, имеют общие свойства: способны к делению и самообновлению на протяжении длительного времени, они не специализированные, могут давать начало специализированным типам клеток.

В отличие от нервных клеток, которые обычно не размножаются, СК могут восстанавливаться много раз. Процесс многократного восстановления клеток называют пролиферацией. Начальная популяция СК, пролиферируют в течение многих месяцев в лаборатории, может образовать миллионы клеток. Если конечные клетки продолжают быть неспециализированными, подобно родительских СК, то они считаются способными к длительному самовосстановлению.

Одно из основных свойств СК - то, что они не имеют никаких тканинноспецифічних структур, которые позволили бы им выполнять специализированные функции. СК не может, как клетка сердечной мышцы, взаимодействовать с другими клетками, чтобы поставлять кровь к сосудам; она не может переносить молекулы кислорода, как эритроциты; и она не проводит электрохимические сигналы других клеток (подобно нервных клеток).

Ученые ищут факторы, которые позволяют СК оставаться недиференційованими. Нужно было много лет и ошибок, чтобы научиться культивировать СК в условиях лаборатории, препятствовать их спонтанной дифференцировке в определенные клетки. Только через 20 лет после создания лабораторных условий для выращивания СК мыши, научились выращивать зародышевые СК человека. Важным участком научных исследований является изучение сигналов в тканях и органах взрослого организма, которые приводят к пролиферации популяции СК и оставляют их недиференційованими до тех пор, пока они не станут нужны для регенерации определенной ткани. Это необходимо для того, чтобы вырастить большое количество СК в неспециализированных лабораториях для проведения экспериментов.

Процессы, во время которых неспециализированные СК дают начало специальным клеткам, называются дифференциацией. Только сейчас начинается изучение сигналов, которые запускают этот процесс. Их разделяют на внутренние и внешние. Внутренние сигналы контролируются генами клетки, несущие закодированные инструкции для всех структур и функций клеток. Внешние сигналы включают химические вещества из других клеток, физический контакт с соседними клетками, некоторые молекулы внеклеточного среды. Исследование сигналов дифференцировки СК необходимо, поскольку с их помощью ученые могут вырастить клетки или ткани, которые можно использовать для лечения многих заболеваний.

Зрелые СК продуцируют клетки определенной ткани, в которых они находятся. Например, зрелые СК в костном мозга дают начало многим типам клеток крови. До недавнего времени считалось, что гемопоэтические СК не могут давать начало дифференцированным клеткам других тканей, например, нервных. За последние годы многочисленными экспериментами показано, что СК происходят из одной ткани, а дают начало клеткам совсем другой ткани. Такой феномен получил название пластичности. Так, кроветворные клетки дают начало нейронам или клеткам сердечной мышцы, клетки печени трансформируются в клетки, продуцирующие инсулин. Активно изучается возможность использование зрелых СК в клинической практике.

Существует большое разнообразие направлений, в которых СК человека могут использоваться в экспериментальном и клиническом исследованиях. Но есть много технических препятствий между потенциалом стволовых клеток и реализацией его использования, которые будут преодолены только длительным, интенсивным изучением.

Изучение СК человеческих зародышей может дать информацию о сложные процессы, происходящие на протяжении развития человека. Цель этой работы заключается в том, чтобы выяснить, как недифференцированные стволовые клетки становятся дифференцированными. Преобразования генов на активные и неактивные есть важным в этом процессе. Некоторые из наиболее серьезных медицинских состояний, таких, как рак и пороки развития, является следствием патологического деления и дифференцировки клеток. Понимание генетических и молекулярных регуляторов этих процессов может дать информацию о том, как возникают такие заболевания, и предложить новые стратегии для терапии. Существенным препятствием использования СК является то, что не до конца выяснено сигналы, которые способствуют переходу определенных генов в активный и неактивное состояние, а также те, что влияют на дифференцировку стволовых клеток.

СК также могут использоваться для проверки новых лекарственных препаратов. Например, новые медикаментозные препараты могли бы быть проверены на безопасность с помощью дифференцированных клеток, полученных от человеческих плюрипотентных линий клеток. Другие виды линий клеток уже применяются в клинике. Раковая клетка формирует, например, привыкание к лекарственным антиопухолевых препаратов. Но наличие плюрипотентных СК позволило бы осуществить проверку препаратов в более широком диапазоне типов клеток. Для эффективной проверки препаратов необходимо создать идентичные условия при сравнении различных лекарств. Несмотря на это, ученые должны будут точно уметь управлять дифференцировкой СК в определенный тип клеток, на которых будут проверены лекарства. Знание сигналов, контролирующих дифференцировку, недостаточно для того, чтобы суметь точно их сымитировать с целью получения последовательного идентичного дифференцировка клеток для каждого лекарственного средства, что проверяется.

Возможно, наиболее важным потенциальным применением человеческих СК является восстановление клеток и тканей, которые могли бы использоваться для терапии, основанной на клетках. На сегодня донорские органы и ткани часто используются, чтобы изменить больного или разрушенную ткань, но потребность в тканях и органах для трансплантации превышает их доступное поставки. СК, направленные к дифференцировке в определенные типы клеток, позволяют восстанавливать источники замены клеток и тканей с целью лечение заболеваний, в частности болезней Паркинсона и Альцгеймера, повреждения спинного мозга, синяков, ожогов, заболевания сердца, диабета, остеоартрита и ревматоидного артрита.

Например, возможно создание здоровых клеток сердечной мышцы в лаборатории с последующей трансплантацией их пациентам с хронической сердечной недостаточностью. Предыдущие исследования на мышах и других животных указывают на то, что СК костного мозга, которые были трансплантированы в поврежденное сердце, могут создавать клетки сердечной мышцы и успешно повторно заселять сердечную ткань. Другие недавние исследования в системах клеточных культур указывают на возможное направление дифференцированных зародышевых СК или зрелых клеток костного мозга к клеткам сердечной мышцы.

У людей, больных диабетом первого типа, клетки поджелудочной железы, которые обычно продуцируют инсулин, разрушены собственной иммунной системой пациента. Новые исследования указывают, что можно направлять дифференцировку человеческих зародышевых СК в клеточной структуре с целью формирования инсулин - продуцирующих клеток, которые могли бы использоваться в трансплантаційній терапии больных диабетом.

Для реализации многообещающих новых методов лечения, основанных на клетках, с целью лечения распространенных и истощающих заболеваний, специалисты должны обладать способностью легко и продуктивно управлять стволовыми клетками так, чтобы они имели необходимые характеристики для успешного дифференцирования, трансплантации и приживления. В дальнейшем нужны последовательные этапы успешного использование, основанные на клетках, чтобы контролировать введение такого лечение в клинике. Для трансплантации стволовые клетки должны иметь такие свойства:

Экстенсивно пролиферировать и продуцировать достаточное количество тканей;

Дифференцироваться в желаемые типы клеток;

Сохранять жизнеспособность после трансплантации;

Объединяться с окружающими тканями после трансплантации;

Функционировать для продолжения жизнь реципиента;

Не причинять вреда реципиенту любым образом.

Кроме того, чтобы избежать проблемы иммунного отторжения, экспериментируют с различными стратегиями создания тканей.

Таким образом, лечение стволовыми клетками перспективное. их применение ограничено техническими причинами и дороговизной, но накопленные результаты дают возможность считать, что эти ограничения будут преодолены.

Из яйцеклетки многоклеточного организма в процессе дифференцировки развиваются все специализированные клетки взрослого организма. В настоящее время считают, что дифференцировка начинается еще в яйце.

Задолго до того, как люди впервые услыхали о клетках, не говоря уже о молекулах, они столкнулись с одной из самых интригующих тайн природы: из яйца, такого простого на вид, появляется живой организм, вполне законченный, совершенный во всех отношениях и невероятно сложный. Каждый орган такого организма обычно имеет строго определенные размеры, расположен в предназначенном для него месте и содержит именно такие клетки, какие необходимы для осуществления его специфических функций. И сегодня мы заинтригованы не меньше. Каким образом недифференцированная клетка дробящегося яйца превращается в специализированную клетку сердца или печени, в нервную, мышечную или костную клетку?

Хотя сложный загадочный процесс дифференцировки весьма неохотно раскрывает свои секреты, в его исследовании сделаны большие успехи. Эти успехи достигнуты главным образом благодаря быстрому развитию биохимии, созданию новых методов исследования и подбору организмов, особенно подходящих для изучения проблемы дифференцировки. Однако наибольшую роль сыграло в этом, быть может, изменение общего подхода к проблеме. Прежде при исследовании дифференцировки делали основной упор на роль в этом процессе клеточного ядра, или цитоплазмы, или же среды, окружающей клетку. Теперь же нам стало гораздо больше известно относительно динамического взаимодействия между этими тремя переменными и мы научились одновременно наблюдать за всеми ими в процессе эмбрионального развития.

В своем изложении мы ограничимся примерами и экспериментами, которые показывают роль, исполняемую в процессе дифференцировки ядром и цитоплазмой, а также значение взаимодействия между ними. Природа ядра и цитоплазмы рассмотрена в статье Браше. Мы не считаем, что в рассматриваемых нами примерах ролью среды можно пренебречь; нам только кажется, что в этих случаях среда имеет второстепенное значение по сравнению с ядром или цитоплазмой. По крайней мере значение ее не столь велико, как, например, при развитии миксомицетов или же при дифференцировке клеток в культуре тканей.

Мы начнем с описания развития яйца, ибо мы теперь считаем, что основа будущего зародыша уже заложена в созревающем яйце, причем даже еще до того, как яйцо полностью созреет и будет оплодотворено.

Прежде чем будущая яйцеклетка начинает созревать, она выглядит, как любая другая недифференцированная клетка, т. е. не обладает никакими признаками, на основании которых ее можно было бы отнести к какому-нибудь определенному специализированному типу. Яйцеклетка лягушки (икринка) имеет около 17 микронов в диаметре, т. е. она примерно вдвое крупнее специализированных клеток. Диаметр зрелой икринки достигает 2000 микронов, т. е. 2 миллиметров. Это означает, что в процессе созревания объем икринки увеличивается в 1600000 раз. Такое колоссальное увеличение в объеме происходит за счет поглощения клеткой материалов из окружающей среды и использования их для синтеза своих собственных веществ. У некоторых животных яйцеклетка поглощает и включает в свой состав очень сложные молекулы, синтезируемые другими клетками (обычно питательными или фолликулярными клетками). Что касается лягушек и других земноводных, то их яйцеклетки, по-видимому, усваивают материал главным образом в форме простых молекул, из которых ядро и цитоплазма яйцеклетки активно синтезируют затем более сложные вещества.

Поскольку в процессе развития яйца масса его цитоплазмы, ядра, ядрышек и ядерной оболочки увеличивается, приходится сделать вывод, что все эти компоненты клетки поглощают из среды простые вещества (предшественники) и либо как-то их используют, либо по меньшей мере откладывают их про запас. Исследования с радиоактивными изотопами показали, что как в ядре, так и в цитоплазме происходит интенсивный синтез. Особенно активный синтез протекает во всех компонентах ядра- в хромосомах, в ядерном соке и в ядрышках.

Растущая яйцеклетка синтезирует главным образом гликоген, липиды, белки и нуклеопротеиды, которые представляют собой белки, соединенные с нуклеиновыми кислотами - ДНК и РНК. Белки представлены частью в виде прозрачной цитоплазмы, богатой РНК, частью же в виде комочков желтка, называемых желточными пластинками; эти пластинки имеют весьма различную величину, и роль их пока еще не ясна. Белковую природу имеют также присутствующие в большом количестве Митохондрии и различные ферменты. В яйцах некоторых видов в цитоплазме содержится также и ДНК. Возможно, что главные группы химических веществ, содержащихся в растущих яйцах, сами чрезвычайно неоднородны, поскольку многими сложными процессами синтеза ведают гены, число которых достигает 10-20 тысяч, а каждый ген может быть связан с синтезом какого-либо одного вещества. Поэтому мы прежде всего займемся более подробным рассмотрением хромосом, в которых располагаются гены.

Хромосомы яйцеклеток, вступивших в период роста, отнюдь не имеют вида плотных, свернутых в спираль палочковидных образований, какими мы привыкли их видеть во время митоза. Напротив, они сильно раскручены и поэтому имеют форму длинных и тонких нитей. На ранних стадиях роста яйца хромосомы представляют собой одиночные нити, а позднее - двойные нити, в которых на небольших расстояниях друг от друга располагаются толстые и плотные вздутия - хромомеры.

Хромомеры эти очень многочисленны; число их примерно соответствует предполагаемому числу генов, а возможно даже, что это и есть гены. По-видимому, хромомеры представляют собой те части хромосомной нити, которые особенно плотно закручены в спираль. От оси хромосомы отходят парные тонкие нити (возможно, что это деспирализованные части хромосомной оси), которые образуют петли по обе стороны хромосомы, а затем вновь подходят к хромосоме, входя во второй хромомер каждой пары. За свой характерный вид хромосомы на этой стадии роста яйца были названы хромосомами типа «ламповых щеток».

У большей части хромомеров имеются боковые петли, весьма разнообразные по величине и форме.

X. Каллан и Дж. Голл обнаружили, что для данного хромомера форма петли, а также характер матрикса, окружающего эту петлю, имеют вполне определенные особенности, причем на оси каждой данной хромосомы этот хромомер всегда занимает одно и то же положение. Хромосомная ось, хромомеры и боковые петли состоят из ДНК, т. е. из вещества, из которого, согласно современным представлениям, состоят гены. Матрикс же, окружающий боковые петли, состоит из РНК и белка. В боковых петлях на всем протяжении роста яйца синтезируются большие количества этих двух веществ, но синтеза ДНК в них не происходит.

Каллан и Голл показали, что РНК (а возможно, и белок), образовавшаяся в боковых петлях хромосом типа «ламповых щеток», отделяется от этих петель и сначала просто свободно плавает в ядерном соке, а затем проникает сквозь пористую ядерную оболочку в цитоплазму. На ранних и средних стадиях роста яйца количество РНК в цитоплазме увеличивается, и в местах расположения зерен РНК синтезируются большие количества белка. Поэтому возможно, что число различных типов молекул РНК и белка в яйцеклетке равно числу содержащихся в ней генов, участвующих в синтезе. До тех пор пока не будут усовершенствованы методы, позволяющие дифференцировать различные типы РНК и белков, вопрос о степени неоднородности содержимого яйца будет оставаться в области догадок.

Нетрудно убедиться в том, что зрелое яйцо обладает полярностью; это означает, что его содержимое распределено неравномерно, и притом так, что неравномерность эта носит упорядоченный и специфический характер. Ядро расположено близ точки, которую можно назвать верхним полюсом; прозрачная цитоплазма, зерна РНК и митохондрии сконцентрированы вокруг этого полюса, а по направлению к нижнему полюсу количество их уменьшается. Такой же характер носит и распределение пигмента, тогда как комочки желтка крупнее и расположены более густо у нижнего полюса, а по мере приближения к верхнему полюсу размеры их уменьшаются и они встречаются реже. Таким образом, мы можем говорить о существовании градиентов в распределении веществ в цитоплазме. Эти градиенты располагаются параллельно оси яйца и определяют радиальную симметрию цитоплазмы: во всех точках любой плоскости, параллельной «экватору» яйца, цитоплазма имеет одинаковый состав, однако состав ее в точках, лежащих в разных плоскостях, различен. Поэтому все меридиональные «ломтики» яйца, идущие (подобно долькам апельсина) от верхнего его полюса к нижнему, совершенно идентичны по содержанию и распределению веществ.

Эта радиальная симметрия, свойственная яйцам многих животных, впоследствии сменяется двусторонней симметрией. У разных видов смена типа симметрии наступает либо незадолго до оплодотворения, либо вскоре после него. Смена типа симметрии вызывается изменением в распределении компонентов цитоплазмы и часто бывает связана с изменением наружного (кортикального) слоя яйца. Некоторые вещества цитоплазмы иногда собираются в форме серпа на одной стороне яйца. Дальнейшее развитие этих яиц показывает, что плоскость, разделяющая тело развивающегося зародыша на правую и левую половинки, проходит через самую широкую часть этого серпа (расположенного примерно параллельно экватору) и через оба полюса. У земноводных самая широкая часть серпа всегда превращается в дорзальную (спинную), или верхнюю, часть тела, а область, в которой сходятся узкие концы серпа, - в вентральную (брюшную), или нижнюю часть. Голова развивается на вентральной стороне верхнего полюса, а хвост располагается в области между нижним полюсом и нижним краем серпа.

Таким образом, в еще недробившемся яйце будущий зародыш уже полностью предетерминирован расположением и особенностями цитоплазматических компонентов яйца. В яйцах многих животных эта предетерминированность выражена столь ясно, что в них до начала дробления можно легко различить участки, из которых впоследствии разовьется головной мозг, кишечник, мышцы или будущие зародышевые клетки. А у некоторых видов, как мы уже отмечали, предетерминированность ясно заметна даже до оплодотворения яйца. Конечно, в, норме, прежде чем может начаться дробление, необходимо, чтобы яйцо было оплодотворено.

В процессе развития, наступающего после оплодотворения, хромосомы яйцеклетки и сперматозоида объединяются в одном ядре, которое затем претерпевает митоз, ведущий к первому дроблению. Дочерние ядра, образующиеся в процессе дробления, получают различные по своему составу порции цитоплазмы благодаря пространственной неоднородности цитоплазмы яйца, которая стабилизируется в результате появления клеточных мембран.

Между тем все ядра, возникшие путем митоза из одного ядра оплодотворенного яйца, одинаковы, во всяком случае вначале. Будучи идентичными, все они должны функционировать одинаковым образом. Ядра могут функционировать по-разному лишь в том случае, если их побуждает к этому некий изменчивый фактор, а именно среда, и в частности цитоплазма, непосредственно окружающая ядро. Если только мы не решим, что вся дифференцировка целиком зависит от цитоплазмы, то нам придется допустить, что под влиянием цитоплазмы, состав и характер которой в разных участках яйца различны, одинаковые ядра функционируют по-разному. Такое допущение не только представляет собой логическую необходимость, но и подтверждается, как мы это сейчас увидим, многочисленными экспериментальными данными.

Слюнные железы личинок некоторых насекомых (главным образом личинок двукрылых) состоят из небольшого числа крупных клеток, содержащих огромные хромосомы. Это один из тех случаев, когда рост происходит в результате увеличения не числа клеток, а их размеров. Очень крупная клетка, очевидно, не может функционировать при обычном числе хромосом, и поэтому число хромосом в такой клетке увеличивается в соответствии с ее размером. Гигантская хромосома в клетках слюнных желез представляет собой на самом деле пучок из 500-1000 деспирализованных хромосом, склеенных вместе таким образом, что идентичные части - хромомеры - всех гомологичных хромосом лежат друг подле друга. В результате все хромомеры данного генного локуса образуют диск; такие же диски образуют хромомеры всех других генных локусов. Эти диски разделены межхромомерными или междисковыми участками, так что гигантская хромосома имеет такой вид, как будто она состоит из множества темных и светлых полос разной ширины.

Тщательные исследования, проведенные М. Брейером, а также У. Бирманом и его сотрудниками, показали, что хромомеры могут вздуваться, образуя так называемые кольца Бальбиани, или вздутия. Кроме того, эти ученые установили, что во вздутиях хромосом происходит интенсивный синтез РНК и белков. Особенный интерес вызывает то обстоятельство, что образование этих вздутий носит закономерный характер. Среди зрелых личинок какого-либо определенного вида у всех особей наблюдаются вздутия лишь на некоторых определенных хромомерах. Однако у молодых личинок вздутия образуются на других хромомерах. Естественно предположить, что различные генные локусы вздуваются и становятся активными на разных стадиях развития данного организма.

Специфичность, характеризующая активность хромомеров, проявляется в зависимости не только от возраста, но и от типа клеток. В слюнных железах (по крайней мере у хирономид) имеется два типа секреторных клеток, причем вздутие хромомеров происходит по-разному в клетках разных типов и на разных стадиях развития. Создается впечатление, что в цитоплазме имеются какие-то специфические факторы, вызывающие активность отдельных генов. Кроме того, вполне возможно, что клетки различных типов имеют различную цитоплазму и что в процессе развития цитоплазма подвергается изменениям (возможно, в результате деятельности специфичных генов).

Некоторые данные, подтверждающие подобные предположения, были получены недавно благодаря оригинальным экспериментам, поставленным Крёгером. Крёгер изменял среду хромосом слюнных желез, перенося ядра из желез развитых личинок в препараты, содержащие цитоплазму развивающихся яиц. При этом оказалось, что в новой среде вздутия некоторых хромомеров исчезали, а другие хромомеры, напротив, становились вздутыми. Удалось даже установить известную зависимость между образованием вздутий и стадией развития яиц, от которых была взята цитоплазма.

Изучение хромосом клеток слюнных желез имеет огромное значение для развития наших представлений о том, каким образом происходит специализация клеток. Оно позволяет проникнуть в сущность взаимоотношений между ядром и окружающей его цитоплазмой. Хотя исследования проводятся главным образом на относительно поздних стадиях развития, они дают возможность строить некоторые предположения и о том, каким образом происходит дифференцировка на ранних этапах.

Давайте посмотрим теперь, что же произойдет, если изменить постановку эксперимента, т. е. оставить неизменной цитоплазматическую среду, но зато сменить ядра. Долгое время считали, несмотря на немногочисленность прямых тому данных, что все клетки данного организма содержат идентичные хромосомы независимо от характера специализации клетки. Для проверки этого предположения можно при помощи весьма тонкой методики извлечь из неоплодотворенной икринки лягушки ядро (содержащее все хромосомы) и заменить его ядром, извлеченным из какой-либо частично специализированной клетки развивающегося лягушачьего зародыша. Цитоплазма яйца и внесенное в нее ядро развиваются и дают так называемый трансплантатный зародыш. В оплодотворении в данном случае нет нужды, так как внесенное ядро происходит от ядра, возникшего в результате слияния ядер яйцеклетки и сперматозоида.

Поскольку цитоплазма обладает всеми качествами, необходимыми для нормального развития, наблюдаемое при таком эксперименте развитие будет служить мерой качества или потенциала развития, которым обладает внесенное в яйцо ядро.

Р. Бриггс, Т. Кинг, а также авторы этой статьи в сотрудничестве с Дж. Гордоном провели подобные эксперименты на различных видах лягушек и получили в основном одинаковые результаты. Оказалось, что если ядра извлекали на ранних стадиях развития зародыша (бластула), то из трансплантатных зародышей в большинстве случаев развивались нормальные головастики. Если же ядра брали у зародышей, находившихся на более поздних стадиях развития, то число нормальных головастиков было значительно меньше. Большинство трансплантатных зародышей погибало в самом начале или же развитие их протекало ненормально и прекращалось на несколько более поздней стадии. Результаты этого эксперимента показывают, что в течение развития и дифференцировки ядра изменяются. Они, по-видимому, утрачивают свою тотипотентность, и их способность направлять нормальное развитие становится более ограниченной.

Одна из самых удивительных особенностей этих экспериментов состоит в том, что при переносе ядер, взятых из какого-нибудь определенного органа (например, кишки) данного зародыша, в яйца, из которых «было удалено ядро, трансплантатные зародыши, развивающиеся из этих яиц, оказываются не одинаковыми, а очень разнообразными. Развитие некоторых из них прекращается на стадии бластулы, другие дают различные отклонения, и лишь из нескольких яиц удается получить нормальных головастиков. Поэтому мы можем сделать вывод, что различны не только ядра клеток, принадлежащих разным органам, но даже и ядра, взятые из клеток одного и того же органа. Иными словами, развивающийся орган зародыша содержит весьма разнородную популяцию ядер. Если пересадить в цитоплазму описанным выше способом ядра, взятые от только что вылупившихся головастиков, то развивающиеся в этом случае зародыши окажутся гораздо более однородными. Такое уменьшение изменчивости трансплантатных зародышей может свидетельствовать о том, что на стадии головастика ядра становятся более сходными, поскольку большая их часть к этому времени уже успевает пройти ряд одинаковых изменений (тогда как в экспериментах, в которых ядра берут от зародышей, эти ядра находятся в разных фазах изменения). Однако, быть может, причина кроется и в другом, а именно в том, что потенциальные возможности, которыми обладают ядра головастиков, крайне ограничены, вследствие чего развитие трансплантатных зародышей, содержащих такие ядра, обычно задерживается на самых ранних стадиях.

Возникает и другой вопрос: носят ли наблюдаемые изменения ядра характер обратимых изменений или нее они стабильны, необратимы и передаются по наследству? На этот вопрос можно ответить, прибегнув к помощи «ядерных клонов». Для создания такого клона ядро зародыша-донора вводят в неоплодотворенное яйцо, из которого предварительно удаляют его собственное ядро. Это яйцо развивается в бластулу, причем дальнейшей дифференцировки ядер не происходит.

Затем клетки этой бластулы отделяют друг от друга и их ядра вводят по одному в неоплодотворенные яйца. Развивающиеся в результате этой вторичной пересадки зародыши образуют клон, в котором каждый зародыш содержит ядра, происходящие от общего для всех исходного ядра, использованного для первой пересадки; поэтому все зародыши данного клона имеют одинаковую генетическую конституцию. Всю эту процедуру повторяют несколько раз, чтобы получить ряд таких клонов.

Сходство в пределах одного клона ярко выявляется на фоне изменчивости, наблюдаемой среди разных клонов. Каждый клон отражает свойства одного-единственного исходного ядра, а различия между клонами - различия между отдельными исходными ядрами. Эти эксперименты показывают, что изменения, которым подвергаются ядра в процессе естественной дифференцировки, относительно стабильны и передаются по наследству. Кроме того, они подтверждают мнение о том, что изменчивость, наблюдаемая после первой пересадки, носит реальный характер, а не представляет собой результат повреждения ядер при пересадке.

Стабильность, наследственность и видимая необратимость этих ядерных изменений заставляют, естественно, поставить ряд новых вопросов. Хотелось бы, например, выяснить, какую именно часть ядра затрагивают изменения? Происходят ли они в ядерной оболочке, ядерном соке, ядрышке или хромосомах, заключающих в себе гены? Скорее всего изменения затрагивают хромосомы, так как, насколько нам известно, хромосомы-это единственная ядерная структура, сохраняющая непрерывность на протяжении митоза и при передаче из поколения в поколение. Однако мы не можем решить этот вопрос вполне определенно до тех пор, пока не будут закончены проводящиеся в настоящее время эксперименты.

Несколько лет назад казалось совершенно немыслимым, что в процессе дифференцировки генетические свойства ядер могут подвергаться изменениям. Однако за последнее время выявляются все новые и новые примеры необратимых изменений, вызываемых в ядре цитоплазматическими факторами. Такие примеры обнаружены у простейших, аскарид, лягушек и у некоторых насекомых. У последних подобные изменения затрагивают хромосомы, и их можно ясно наблюдать в обычный микроскоп.

Взрослые особи насекомого галлины необычны в том отношении, что у них имеется большое число хромосом в зародышевых клетках и очень немного - в соматических клетках, из которых состоит весь организм. Мы опишем, каким образом возникает это различие в числе хромосом у одного вида, а именно у Mayetiola destructor.

Как и у других насекомых, у этого вида на ранних стадиях развития не образуется клеточных мембран. Ядро зиготы, содержащее примерно 40 хромосом, делится сначала на два, затем на четыре и затем на восемь ядер. Вследствие отсутствия мембран эти ядра могут равномерно распределиться по цитоплазме яйца. На стадии восьми ядер одно из ядер проходит к заднему полюсу яйца и локализуется по соседству с особой цитоплазмой - зародышевой плазмой, которая всегда собирается у этого полюса.

В течение следующего митоза все 8 ядер снова делятся, так что возникает 16 ядер. В то же самое время цитоплазма, расположенная у заднего полюса, собирается в две клетки, в состав которых входят два ядра, лежащие ближе всего к заднему полюсу, и вся зародышевая плазма. При этом, четвертом, делении две вновь сформировавшиеся клетки отделяются от всего яйца. Эти две клетки становятся исходными зародышевыми клетками, из которых впоследствии получаются все будущие яйцеклетки или сперматозоиды, а также питательные клетки.

Начинается совершенно своеобразный, пятый, митоз, в процессе которого делятся все 14 ядер, лежащих в соматической части яйца, а две первичные зародышевые клетки в митозе не участвуют. Когда наступает время для расхождения удвоившихся хромосом в стороны (на стадии анафазы), становится ясно, что митоз протекает совершенно необычным способом. Из 40 хромосом, содержащихся в каждом ядре, лишь 8 продольно расщепляются на две половинки, которые расходятся к противоположным полюсам митотического веретена. У остальных 32 хромосом расщепление не завершается, сестринские хромосомы остаются соединенными своими концами и продолжают неподвижно лежать на экваториальной пластинке веретена. Тем временем восьмерки хромосом, отошедшие к полюсам веретена, образуют два маленьких дочерних ядра. Вскоре после этого 32 хромосомы, «оставшиеся не у дел», начинают растворяться и в конце концов сливаются с цитоплазмой, становясь совершенно неразличимыми. Таким образом, соматические клетки утрачивают 32 хромосомы.

Первичные зародышевые клетки не только не принимают участия в этом митозе, но в них не происходит также и элиминации хромосом: в течение последующих делений в зародышевых клетках сохраняется полное число хромосом и таким образом обособляются клетки, из которых впоследствии разовьются половые органы. Маленькие ядра (содержащие по 8 хромосом) продолжают делиться и дают начало ядрам всех соматических клеток.

Совершенно очевидно, что поведение ядер во время пятого митотического деления определяется наличием или отсутствием какого-то цитоплазматического фактора. Тщательные наблюдения над ядрами будущих зародышевых клеток показывают, что зародышевая плазма, богатая РНК и митохондриями, тесно обволакивает оболочки этих ядер после четвертого митоза. Создается впечатление, что зародышевая плазма как бы защищает ядра от влияния окружающей цитоплазмы - впечатление, усиливающееся образованием клеточных мембран, отсекающих две зародышевые клетки от всего остального яйца.

Пытаясь выяснить причины описанной утраты хромосом, К. Банток облучал ультрафиолетом самый кончик задней части яиц галлины, где находится зародышевая плазма, до того как в него мигрировали ядра будущих зародышевых клеток. Остальную часть яйца, содержащую все ядра, тщательно защищали от излучения. В обработанных таким образом яйцах два задних ядра мигрировали обычным путем в зародышевую плазму, однако на сей раз их постигала участь всех остальных ядер, т. е. число их хромосом сокращалось с 40 до 8. Исходные зародышевые клетки, несмотря на утрату 32 хромосом, тем не менее давали начало клеткам, из которых позднее развивались половые органы. Если зародышам предоставляли возможность развиваться, то из них получались взрослые самки и самцы, нормальные на вид, но на самом деле стерильные. Гистологическое исследование половых органов таких насекомых полученных из облученных ультрафиолетом яиц, показало, что половые клетки у них не развивались.

Создается впечатление, что обычно зародышевая плазма препятствует утрате хромосом. Это может быть связано с подавлением пятого деления у ядер будущих зародышевых клеток или с каким-либо другим защитным механизмом, действие которого совпадает по времени с этим подавлением. Отсутствие половых клеток у галлин, вылетевших из облученных яиц, свидетельствует о необходимости для развития этих клеток именно тех хромосом, которые были утрачены.

Кроме того, столь сильное действие облучения заставляет предполагать, что защитный фактор, содержащийся в зародышевой плазме, состоит из РНК, так как РНК особенно чувствительна к ультрафиолету.

Результаты работы Бантока на галлинах дают нам хороший пример ядерно-плазменного взаимодействия. Они показывают, что нормальное образование яйца возможно лишь в том случае, если в этом процессе участвует весь хромосомный набор данного вида; соматическая же дифференцировка может протекать нормально даже при резко сокращенном (до восьми) числе хромосом, при условии, что цитоплазма яйца содержит продукты деятельности генов, находившихся в активном состоянии в период образования яйца.

Возможно, что и у других, более сложных, организмов зародышевая плазма играет такую же защитную роль, давая возможность зародышевым клеткам избежать специализации и сохранить свою тотипотентность. У лягушек была обнаружена зародышевая плазма, сходная по своему химическому составу с аналогичной плазмой галлины; в этом случае также облучение ультрафиолетом приводило к частичной или полной стерильности лягушек, развивавшихся из яиц, подвергнутых облучению.

Подводя итоги, следует сказать, что дифференцировка скорее всего представляет собой результат ядерно-плазменного взаимодействия, которое вызывает постепенное обособление цитоплазмы и все возрастающую специализацию ядер отдельных клеток. Основной поставленный здесь вопрос о том, как клетки специализируются, остался без ответа; однако, как нам кажется, нам удалось показать, что сложность цитоплазмы зрелого яйца должна неизбежно привести к специализации.

Почему при одинаковых генах клетки одного организма отличаются порой друг от друга больше, чем клетки разных видов, - по цвету, форме, размерам и еще десяткам других признаков? Жизненное назначение разных клеток тоже разное: одни разносят кислород по крови, другие производят в печени желчь, а третьи выстилают поверхность тела и защищают организм от внешних воздействий. А между тем все эти клетки произошли от одной-единствен-ной, положившей начало всему организму. Процесс, в результате которого потомки одной клетки становятся отличными друг от друга, называется дифференцировкой (от латинского слова differentia - разность, различие). Благодаря ей вместо скопления одинаковых клеток возникает сложный организм с системой специализированных тканей и органов.

Как правило, дифференцировка наступает после того, как клетка перестает делиться. Но это не значит, что делящаяся, недифференцированная клетка еще не «знает», кем она станет. Наглядно это видно в опытах на клетках, растущих в культуре ткани (см. Культура клеток и тканей). Например, мышечные клетки в таких условиях быстро сливаются, образуя подобие мышц.

Однако можно задержать эту дифференцировку, заставив клетки размножаться. Подобные опыты ставили с хрящевыми и костными клетками.

Клетки, вставшие на путь дифференцировки, но внешне не проявившие еще своей специализации, называются детерминированными (от латинского слова determinans - определяющий).

Хотя специализированные органы и ткани появляются уже в эмбриональном развитии организма, процесс дифференцировки может продолжаться в течение всей его жизни. Так происходит, например, с клетками крови - эритроцитами и лейкоцитами. Новые дифференцированные клетки появляются в крови все время. Происходят они от постоянно присутствующих в организме недифференцированных стволовых клеток. После деления некоторые из их потомков дифференцируются, а другие - так и остаются стволовыми клетками.

Как происходит дифференцировка? Точного ответа на этот вопрос пока нет. Тем не менее мы знаем, что в различно дифференцированных клетках работают разные наборы генов, а поэтому синтезируются различные белки. Так, например, при образовании эритроцитов в клетках включаются гены, обеспечивающие синтез гемоглобина, в клетках поджелудочной железы эти гены не работают, но зато активны гены пищеварительных ферментов и т. д. Однако механизмы включения и выключения генов до конца пока неизвестны.

Когда нормальная клетка превращается в раковую, она обычно утрачивает свою специализацию и вновь начинает размножаться. Не исключено, что при этом нарушается регуляция деления стволовых клеток: все их потомки продолжают вместо дифференцировки делиться как стволовые. В этом случае важно иметь средство, заставляющее клетки дифференцироваться. Проблема клеточной дифференцировки ждет своего решения.

Гистология – наука, изучающая ткани.

Несмотря на то, что клетки многоклеточного организма имеют одинаковый набор хромосом и генов, они не только могут быть весьма разнообразными по форме, но и обладать различными особенностями строения.

Приобретение клетками индивидуальных различий в ходе развития (дифференцировка) приводит к формированию у большинства многоклеточных организмов систем тканей (гистогенез) и образованию органов (органогенез) . При этом не все клетки сохраняют способность делиться.

Совокупность структурно сходных клеток, а также связанных с ними межклеточных веществ, объединенных выполнением определенных функций, называется тканью.

Если ткань состоит из клеток одного типа, то говорят о простой ткани, а если из двух или нескольких - о сложной. Обычно клетки ткани имеют общее происхождение.

Типы тканей:

♦ эпителиальная,

♦ мышечная,

♦ нервную,

♦ ткани внутренней среды.

1) Эпителиальная ткань является пограничной и покрывает организм снаружи, а также выстилает многие полости и органы, входит в состав печени, легких, различных желез.

Основные функции, выполняемые эпителиальной тканью:

♦ защитная;

♦ трофическая (питательная);

♦ покровная;

♦ секреторная.

Клеточные элементы обычно располагаются в виде пласта и обладают высокой способностью к регенерации. В эпителиальной ткани нет кровеносных сосудов, и ее питание осуществляется диффузно через базальную пластину, состоящую из переплетения коллагеновых волокон, образуемых нижележащими тканями. Морфологическая классификация основана на форме клеток и особенности их расположения относительно друг друга.

кубический

цилиндрический (в зависимости от формы клеток).

Функционально эпителий делят на:

1. Покровный эпителий - сюда относится эпителий кожи.

2. Эпителий слизистых оболочек - выстилает полые органы, которые покрыты слизью (например, всасывающий кишечный эпителий).

3. Эпителий серозных оболочек - выстилает стенки трех крупных полостей - перикардиальной, брюшной и плевральной.

4. Эпителий паренхимы внутренних органов - представлен эпителием легкого, печени. К этому же типу относят железистый эпителий, основная функция которого - выделение различных веществ.

2) Нервная ткань . Выполняет функции получения, переработки, хранения и передачи информации, поступающей из внешней среды и от внутренних органов. Она обеспечивает регуляцию и согласование деятельности всех систем организма. Из нервной ткани состоят головной и спинной мозг, нервные ганглии и волокна. Клеточные элементы нервной ткани - нейроны и клетки глии.

Нейроны состоят из тела клетки и отростков двух типов - аксонов и дендритов.

Аксон (он всегда один) в длину может достигать 1,5 м, не ветвится, проводит нервный импульс от тела клетки к концевому отделу.

Дендриты - короткие, относительно толстые и сильно ветвящиеся отростки (у клетки их обычно несколько), проводят импульсы к телу клетки.

Вспомните!

Что такое ген и генотип?

Ген – это фрагмент (участок или отрезок) ДНК, содержащий информацию об одной молекуле белка. Генотип – это набор всех генов в организме.

Что вам известно о современных достижениях в области генетики?

– Перспективы генной терапии в лечении атеросклероза сосудов нижних конечностей.

– Использование молекулярно-генетических маркеров для диагностики ряда психических заболеваний

– Лечение редкой формы паралича при помощи генной терапии

– Генетика выходит на битву со старением

– Генетика в помощь антропологам

– Успехи стволовой терапии

– Открытие гена, ответственного за развитие синдрома Ашера первого типа

– Новый способ диагностировать рак любого вида по анализу крови

Вопросы для повторения и задания

1. Что такое геном? Выберите самостоятельно критерии сравнения и сравните понятия «геном» и «генотип».

Геном – совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом данного организма. Например, у человека геном 23 хромосомы. Генотип – это набор всех генов в организме в диплоидном состоянии, например, генотип человека 46 хромосом.

2. Чем определяется существующая специализация клеток?

Ведущую роль в дифференцировке клеток на первых стадиях развития зародыша играют цитоплазма и поверхностный слой яйцеклетки, которая неоднородна по строению. Все клетки зародыша на стадии бластулы сходны по составу генов (генотипу), но различия в составе цитоплазмы обеспечивают дифференцировку клеток, поэтому на стадии гаструлы клетки зародыша оказываются специализированными. Важно подчеркнуть, что механизм дальнейшей специализации, образования тканей и органов усложняется, определяется взаимодействием разных частей зародыша.

3. Какие обязательные элементы входят в состав гена эукариотической клетки?

Если ген – это отрезок ДНК, значит состоит из нуклеотидов, соединенных между собой.

В соответствии с современными научными представлениями ген эукариотических клеток, кодирующий определённый белок, всегда состоит из нескольких обязательных элементов. Как правило, в начале и в конце гена располагаются специальные регуляторные участки; они определяют, когда, при каких обстоятельствах и в каких тканях будет работать этот ген. Подобные регуляторные участки дополнительно могут находиться и вне гена, располагаясь достаточно далеко, но тем не менее активно участвуя в его управлении. Кроме регуляторных зон существует структурная часть гена, которая, собственно, и содержит информацию о первичной структуре соответствующего белка. У большинства генов эукариот она существенно короче регуляторной зоны.

4. Приведите примеры взаимодействия генов.

В качестве примера взаимодействия генов рассмотрим, как наследуется окраска цветка у некоторых растений. В клетках венчика душистого горошка синтезируется некое вещество, так называемый пропигмент, который под действием специального фермента может

превратиться в антоциановый пигмент, вызывающий пурпурную окраску цветка. Значит, наличие окраски зависит от нормального функционирования по крайней мере двух генов, один из которых отвечает за синтез пропигмента, а другой - за синтез фермента. Нарушение в работе любого из этих генов приведёт к нарушению синтеза пигмента и, как следствие, к отсутствию окраски; при этом венчик цветков будет белый. Иногда встречается и противоположная ситуация, когда один ген влияет на развитие нескольких признаков и свойств организма. Такое явление называют плейотропией или множественным действием гена. Как правило, такое действие вызывают гены, функционирование которых очень важно на ранних стадиях онтогенеза. У человека подобным примером может служить ген, участвующий в формировании соединительной ткани. Нарушение в его работе приводит к развитию сразу нескольких симптомов (синдром Марфана): длинные «паучьи» пальцы, очень высокий рост из-за сильного удлинения конечностей, высокая подвижность суставов, нарушение структуры хрусталика и аневризма (выпячивание стенки) аорты.

Подумайте! Вспомните!

1. Митохондрии содержат ДНК, гены которой кодируют синтез многих белков, необходимых для построения и функционирования этих органоидов. Подумайте, как будут наследоваться эти внеядерные гены.

У большинства изученных организмов митохондрии содержат только кольцевые молекулы ДНК, у некоторых растений одновременно присутствуют и кольцевые. Гены, закодированные в митохондриальной ДНК, относятся к группе плазмагенов, расположенных вне ядра (вне хромосомы). Совокупность этих факторов наследственности, сосредоточенных в цитоплазме клетки, составляет плазмон данного вида организмов (в отличие от генома). У большинства многоклеточных организмов митохондриальная ДНК наследуется по материнской линии. Яйцеклетка содержит на несколько порядков больше копий митохондриальной ДНК, чем сперматозоид. В сперматозоиде обычно не больше десятка митохондрий (у человека - одна спирально закрученная митохондрия), в небольших яйцеклетках морского ежа - несколько сотен тысяч, а в крупных ооцитах лягушки - десятки миллионов. Кроме того, обычно происходит деградация митохондрий сперматозоида после оплодотворения.

3. Создайте портфолио по теме «Исследования ДНК человека: надежды и опасения».

Первый в мире оцифрованный человеческий геном формировали в течении 15 лет, и это стоило $3 млрд. Сейчас получить генетический паспорт можно за 1 день и за 1 тысячу долларов. Однако, получив геном, вам нужно его где-то хранить (а он весит 1000 Гб) и как-то анализировать.

Генетический анализ ДНК - это исследование генома человека для диагностики и определения индивидуального риска развития заболеваний и переносимости лекарственных препаратов, а также для получения данных о генетических особенностях, склонностях и способностях человека. Каждый человек имеет уникальный набор генов (генотип), определяющий его индивидуальность и предрасположенность к тому или иному заболеванию.

Зачем мне нужен генетический анализ? Возможно, уже через пару лет этот вопрос покажется вам глупым. Вы же не удивляетесь сейчас, когда врач просит вас сдать анализ крови? А уже очень скоро генетический анализ будет делаться в обязательном порядке каждому ребенку в роддоме и каждому пациенту, который обратился в клинику. Потому что по вашему ДНК можно определить, к каким заболеваниям у вас есть предрасположенность и какие лекарства для вас более эффективны.

Опасения.

Учёные-генетики из США при помощи технологии точного редактирования генов предприняли очередную попытку видоизменить ДНК яйцеклетки человека. Данный эксперимент был проведён с целью избавления будущего потомства от наследственных заболеваний, передающихся эмбриону от родителей. Ряд экспертов-биологов выступили против подобных исследований. В Великобритании, как и во многих других странах, изменение хромосом в яйцеклетке или сперматозоидах человека с целью получения искусственно оплодотворённого эмбриона запрещено законом из-за опасений, что «конструирование младенцев» будет поставлено на поток.