Скачать презентацию МЕХАНИЗМЫ КЛЕТОЧНОЙ ДИФФЕРЕНЦИРОВКИ КЛЕТОЧНАЯ ДИФФЕРЕНЦИРОВКА — совокупность Скачать презентацию МЕХАНИЗМЫ КЛЕТОЧНОЙ ДИФФЕРЕНЦИРОВКИ КЛЕТОЧНАЯ ДИФФЕРЕНЦИРОВКА — совокупность

МЕХ-МЫ ДИФ-КИ.pptx

  • Количество слайдов: 76

МЕХАНИЗМЫ КЛЕТОЧНОЙ ДИФФЕРЕНЦИРОВКИ МЕХАНИЗМЫ КЛЕТОЧНОЙ ДИФФЕРЕНЦИРОВКИ

КЛЕТОЧНАЯ ДИФФЕРЕНЦИРОВКА - совокупность процессов, в результате которой между клетками общего происхождения возникают стойкие КЛЕТОЧНАЯ ДИФФЕРЕНЦИРОВКА - совокупность процессов, в результате которой между клетками общего происхождения возникают стойкие морфофизиологические и функциональные различия. Происходит не только в эмбриогенезе, но и во взрослом состоянии.

Клеточная дифференцировка • Основана на синтезе специфических белков; • Связана с клеточной мембраной и Клеточная дифференцировка • Основана на синтезе специфических белков; • Связана с клеточной мембраной и цитоскелетом.

Клеточные белки: Белки общего типа (белки «домашнего хозяйства» ) Их бόльшая часть. Обеспечивают собственную Клеточные белки: Белки общего типа (белки «домашнего хозяйства» ) Их бόльшая часть. Обеспечивают собственную жизнедеятельность клетки. Узкоспециализированные белки ( «белки роскоши» ) Их меньшая часть. Они часто вредны для жизнедеятельности клетки, но позволяют ей выполнять свою функцию в организме. Даже по ним могут возникнуть различия: а) в количестве (уровни биохимических реакций; б) у одного и того же белка могут существовать изомеры. Примеры белков роскоши: Фибробласты – коллаген; Покровный эпителий – кератин; Миобласты – актин + миозин; Фоторецепторы – опсин; Эритроидные клетки – гемоглобин; Эпителий пищеварительного тракта - пепсин + трипсин; Клетки иммунной системы – иммуноглобулины и т. д.

NB! Клетка не может быть уподоблена мешку с белками, она, как правило, имеет сложную NB! Клетка не может быть уподоблена мешку с белками, она, как правило, имеет сложную надмолекулярную организацию.

Роль клеточной мембраны в дифференцировке Роль клеточной мембраны в дифференцировке

Основное свойство мембран – наличие специфических мембранных рецепторов. Основное свойство мембран – наличие специфических мембранных рецепторов.

А. Б. В состав мембраны также входят: А) ионные каналы (транспорт по градиенту) и А. Б. В состав мембраны также входят: А) ионные каналы (транспорт по градиенту) и Б) ионные насосы (транспорт против градиента).

Надмолекулярная организация мембран очень подвижна. В ней постоянно происходит встраивание элементов мембраны (экзоцитоз) и Надмолекулярная организация мембран очень подвижна. В ней постоянно происходит встраивание элементов мембраны (экзоцитоз) и их деградация (эндоцитоз). Все эти процессы обеспечивают возникновение различий между клетками в ходе дифференцировки.

Роль цитоскелета в дифференцировке Роль цитоскелета в дифференцировке

микрофиламенты микротрубочки Элементы цитоскелета - микротрубочки и микрофиламенты микрофиламенты микротрубочки Элементы цитоскелета - микротрубочки и микрофиламенты

Элементы цитоскелета - микротрубочки и микрофиламенты Элементы цитоскелета - микротрубочки и микрофиламенты

Микротрубочки собираются и разбираются за несколько минут. Микротрубочки собираются и разбираются за несколько минут.

Микрофиламенты ползущего фибробласта Микрофиламенты ползущего фибробласта

Микрофиламенты в ворсинках кишечного эпителия Микрофиламенты в ворсинках кишечного эпителия

У фоторецепторов под поверхностью каждой клетки упакованы сотни тысяч микроворсинок У фоторецепторов под поверхностью каждой клетки упакованы сотни тысяч микроворсинок

Образование стрекательной клетки – результат координированной активности многих внутриклеточных структур: мембраны, микротрубочек, клеточного центра, Образование стрекательной клетки – результат координированной активности многих внутриклеточных структур: мембраны, микротрубочек, клеточного центра, аппарата Гольджи.

Элементы цитоскелета связывают наружную мембрану клетки с ядерной мембраной, и даже через поры проникают Элементы цитоскелета связывают наружную мембрану клетки с ядерной мембраной, и даже через поры проникают вглубь ядра

Нити ДНК прикреплены к внутренним участкам ядерной мембраны и «запоминают» свое положение в период Нити ДНК прикреплены к внутренним участкам ядерной мембраны и «запоминают» свое положение в период митозов. Группы генов в ДНК также расположены не случайно: А) центроны (в центральных участках хромосом); Б) медоны (посередине между центром и краевыми участками); В) телоны (на краевых участках - теломерах). NB! Гены р. РНК – телоны, других видов РНК – центроны.

Таким образом, через рецепторы мембраны информация с поверхности клетки может передаваться элементам цитоскелета, а Таким образом, через рецепторы мембраны информация с поверхности клетки может передаваться элементам цитоскелета, а через них - ДНК, которая реагирует активацией или репрессией определенных групп генов.

Уровни регуляции клеточной дифференцировки (в основе – процессы транскрипции и трансляции в синтезе белка) Уровни регуляции клеточной дифференцировки (в основе – процессы транскрипции и трансляции в синтезе белка)

1. Уровень соматических мутаций Непосредственные изменения в первичной структуре транскрибируемой ДНК. 1. Уровень соматических мутаций Непосредственные изменения в первичной структуре транскрибируемой ДНК.

Теодор Бόвери 1862 -1915 а) диминуция – отторжение части хроматина в соматических клетках у Теодор Бόвери 1862 -1915 а) диминуция – отторжение части хроматина в соматических клетках у лошадиной аскариды (в половых он сохраняется);

б) элиминация целых хромосом (у циклопов, некоторых комаров и некоторых сумчатых); б) элиминация целых хромосом (у циклопов, некоторых комаров и некоторых сумчатых);

в) перестройка иммуноглобулиновых генов в связи с дифференцировкой В-лимфоцитов; г) инактивация одной из половых в) перестройка иммуноглобулиновых генов в связи с дифференцировкой В-лимфоцитов; г) инактивация одной из половых хромосом в соматических клетках (у мышей); д) инверсия (поворот) или перемещение определенных участков ДНК. В целом геномы большинства соматических клеток эквивалентны.

2. Уровень транскрипции = дифференциальной активности генов При идентичной ДНК клетки могут различаться по 2. Уровень транскрипции = дифференциальной активности генов При идентичной ДНК клетки могут различаться по набору i (m)РНК. Так происходит, если некоторые гены (различные в разных клетках) будут открыты для транскрипции, а другие - закрыты.

Количество активно работающих генов уменьшается по ходу развития. Существуют строгие пространственные и временны е Количество активно работающих генов уменьшается по ходу развития. Существуют строгие пространственные и временны е правила экспрессии генов, тесно связанные с формирующимся планом строения зародыша. При этом развитие идет от общего к частному. Обнаружены гены, экспрессия которых обеспечивает общий план строения эмбриона. Их белки располагаются в ядрах и регулируют транскрипцию других генов в ходе онтогенеза. Это гены сегментации и гены гомейозиса.

3. Уровень посттранскрипции При идентичности ДНК и i-РНК сразу после ее транскрипции (ядерная пре- 3. Уровень посттранскрипции При идентичности ДНК и i-РНК сразу после ее транскрипции (ядерная пре- i-РНК) возможно возникновение различий при выходе ее в цитоплазму.

3. Уровень посттранскрипции ДНК транскрипция сплайсинг ядерная пре-i-РНК (Различия 30 -50%) полирибосомная i-РНК выход 3. Уровень посттранскрипции ДНК транскрипция сплайсинг ядерная пре-i-РНК (Различия 30 -50%) полирибосомная i-РНК выход в цитоплазму Кроме того между различными клетками могут быть различия в стабильности и «темпах оборота» молекул i-РНК.

4. Уровень трансляции Даже при одинаковом наборе полирибосомных i-РНК, готовых к трансляции, клетки могут 4. Уровень трансляции Даже при одинаковом наборе полирибосомных i-РНК, готовых к трансляции, клетки могут различаться между собой по времени начала и темпам трансляции.

5. Уровень посттрансляции При одинаковом наборе транслируемых белков и соответствии их первичной структуры возможно 5. Уровень посттрансляции При одинаковом наборе транслируемых белков и соответствии их первичной структуры возможно возникновение различий на уровне дальнейших изменений структуры белков (вторичной и др. ) или на уровне их адресации.

Генетический контроль реализации плана строения зародыша (роль генов сегментации и генов гомейозиса) Генетический контроль реализации плана строения зародыша (роль генов сегментации и генов гомейозиса)

• Гены сегментации = гомеобокссодержащие = гомеотические – это гены , мутации которых • Гены сегментации = гомеобокссодержащие = гомеотические – это гены , мутации которых нарушают метамерию и вызывают аномалии развития, не совместимые с жизнью. • Гомеозисные гены (исторически описаны первыми) – это гены, мутации которых вызывают заметные уродства, но совместимы с жизнью и даже позволяют достичь стадии имаго.

• Обнаружены у всех животных с метамерным планом строения, у ряда несегментированных (кишечнополостные, • Обнаружены у всех животных с метамерным планом строения, у ряда несегментированных (кишечнополостные, круглые черви) и у высших растений. • Все они имеют общую высоко гомологичную последовательность ДНК размером в 180 -183 пары оснований – гомеобокс, поэтому называются сокращенно Нох-гены (у вторичноротых) и иногда Hom-гены (у первичноротых).

Нох-гены кодируют небольшие белковые молекулы со следующими общими признаками: А) имеют стандартный участок из Нох-гены кодируют небольшие белковые молекулы со следующими общими признаками: А) имеют стандартный участок из 60 -61 аминокислот - гомеодомен; Б) содержат цепи, богатые отдельными аминокислотами или вовсе состоящие из однойдвух аминокислот; В) локализуются в ядре; Г) их роль – регуляция транскрипции других генов в ходе онтогенеза.

Нох-гены собраны в кластеры(группы). Порядок расположения генов в кластере и время их экспрессии определяют Нох-гены собраны в кластеры(группы). Порядок расположения генов в кластере и время их экспрессии определяют появление в некотором месте зародыша в определенное время специфических белков – морфогенов, т. е. эти гены участвуют в передаче позиционной информации. Все Нох-гены активны только в местах будущих сегментов и далее в самих сегментах только в период раннего эмбриогенеза, т. е. ограничены во времени и пространстве.

Генетический контроль сегментации дрозофилы Генетический контроль сегментации дрозофилы

Синцитиальная бластодерма Клеточная бластодерма Этапы развития дрозофилы Синцитиальная бластодерма Клеточная бластодерма Этапы развития дрозофилы

В реализации плана строения организма ключевое значение имеет его сегментация, разделение на головной, туловищный, В реализации плана строения организма ключевое значение имеет его сегментация, разделение на головной, туловищный, брюшной отделы и их производные. Этот процесс универсален и характеризуется количеством сегментов и их качеством. Соответственно, различают две группы генов, ответственных за развитие этих признаков: сегрегационные (гены сегментации) и гомеозисные.

Гены- регуляторы развития дрозофилы Гены- регуляторы развития дрозофилы

Сегрегационные гены ( Э. Льюис (1918 -2004) К. Нюсляйн. Фольгардт (род. в 1942 г. Сегрегационные гены ( Э. Льюис (1918 -2004) К. Нюсляйн. Фольгардт (род. в 1942 г. ) Э. Вишаус (род. В 1947 г. ) Нобелевская премия за 2005 г.

Еще до оплодотворения в яйце включаются гены материнского эффекта, определяющие переднезаднюю полярность яйца (градиент Еще до оплодотворения в яйце включаются гены материнского эффекта, определяющие переднезаднюю полярность яйца (градиент цитоплазмы). Мутации по этим генам приводят к появлению эмбрионов без головы или брюшка. Bicoid определяет диф-ку передних (головных) структур) Hunchback - ротовых структур и груди Caudal и nanos – задних брюшных сегментов

На стадии синцитиальной бластодермы различия в цитоплазме запускают группу GAP-генов (генов пробела). Каждый ген На стадии синцитиальной бластодермы различия в цитоплазме запускают группу GAP-генов (генов пробела). Каждый ген контролирует полосу в дватри сегмента. Деятельность этих генов определяет четыре широких области эмбриона. Их мутации вызывают исчезновение соответствующих частей зародыша.

На той же стадии синцитиальной бластодермы активируются гены pair-rule (правила парности). Экспрессируются в виде На той же стадии синцитиальной бластодермы активируются гены pair-rule (правила парности). Экспрессируются в виде семи более узких полос. Каждая полоса приходится на переднюю область одного и заднюю область другого соседних будущих сегментов. Мутации этих генов нарушают формирование половины сегментов - либо четных, либо нечетных.

На стадии клеточной бластодермы экспрессируются гены segment polarity (сегментарной полярности) в виде 14 узких На стадии клеточной бластодермы экспрессируются гены segment polarity (сегментарной полярности) в виде 14 узких ( в один диаметр клетки) полос. Они определяют передне-задний градиент и границы сегментов. Мутации по этим генам нарушают полярность отдельных сегментов. Все эти гены являются кардинальными: их мутации ведут к гибели зародыша.

Последними начинают работать гены гомеозиса. Они определяют качественные различия сегментов, прежде всего, их придатков. Последними начинают работать гены гомеозиса. Они определяют качественные различия сегментов, прежде всего, их придатков. Мутации по этим генам изменяют структуру придатков, но не затрагивают полярность или количество сегментов. Совместимы с жизнью. Гоме(й)озис – трансформация одного сегмента в другой или в более широком смысле трансформация одной части зародыша в другую (У. Бэйтсон, 1894).

У дрозофилы гомеозисные гены подразделены на два комплекса: Antennapedia (контроль развития головных и переднегрудного У дрозофилы гомеозисные гены подразделены на два комплекса: Antennapedia (контроль развития головных и переднегрудного сегментов) и Bithorax (контроль развития грудных и брюшных сегментов

Обнаружение четырехкрылых особей, а также особей с «неправильными» органами в популяциях дрозофилы и привело Обнаружение четырехкрылых особей, а также особей с «неправильными» органами в популяциях дрозофилы и привело к открытию Нох-генов.

У млекопитающих пока обнаружено 38 Нох-генов, собранных в четыре кластера. У млекопитающих пока обнаружено 38 Нох-генов, собранных в четыре кластера.

Нох-гены –группа генов раннего эмбрионального развития, организованных в иерархическую систему. Активность генов предыдущего уровня Нох-гены –группа генов раннего эмбрионального развития, организованных в иерархическую систему. Активность генов предыдущего уровня определяет работу последующего. Их эволюция прослеживается от прокариот. Их функция – обеспечение клеточных ядер зародыша позиционной информацией. В ходе эволюции их функции меняются. Степень гомологии генов, занимающих сходное положение в кластере у филогенетически отдаленных видов выше, чем у генов из одного и того же кластера данного вида. Механизмы развития отдаленных групп животных более универсальны, чем это представлялось ранее.

Гены гомеозиса – звено, которое связывает биологию развития, генетику и эволюцию. Эволюционные планы строения Гены гомеозиса – звено, которое связывает биологию развития, генетику и эволюцию. Эволюционные планы строения могут возникать путем соответствующих мутаций этих генов (Р. Гольдшмит, 1938). Примеры: 1. Усоногие раки, полностью лишенные брюшка, утратили один из Нох-генов (Mouchel-Vielh et. al. , 1998).

2. Отряд Веерокрылые является результатом гомейотической мутации, поменявшей местами второй и третий брюшные сегменты 2. Отряд Веерокрылые является результатом гомейотической мутации, поменявшей местами второй и третий брюшные сегменты (Whiting, 1998).

ЭПИГЕНЕТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ КЛЕТОЧНОЙ ДИФФЕРЕНЦИРОВКИ ЭПИГЕНЕТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ КЛЕТОЧНОЙ ДИФФЕРЕНЦИРОВКИ

«Выключение» генов осуществляется при помощи метилирования - прикрепления к цитозиновому основанию метильной группы. «Выключение» генов осуществляется при помощи метилирования - прикрепления к цитозиновому основанию метильной группы.

«Включение» генов происходит за счет ацетилирования гистонов (белков в составе хроматина, необходимых для «Включение» генов происходит за счет ацетилирования гистонов (белков в составе хроматина, необходимых для сборки и упаковки ДНК).

Для сканирования наследственной информации специфическим ферментам необходим доступ к соответствующему фрагменту ДНК. Он возможен Для сканирования наследственной информации специфическим ферментам необходим доступ к соответствующему фрагменту ДНК. Он возможен лишь в случае неплотного контакта ДНК и гистонов. Ослабление связи между ними обеспечивается химической модификацией их концевых участков - «хвостов» . Без нее ДНК остается плотно упакованной, и ген не активируется. При ацетилировании происходит конформация ДНК.

Дифференцировки: Автономные (по «внутреннему расписанию» ). В ходе таких дифференцировок происходят т. н. дифференцирующие Дифференцировки: Автономные (по «внутреннему расписанию» ). В ходе таких дифференцировок происходят т. н. дифференцирующие (квантальные) клеточные деления. Зависящие от внешних факторов

Дифференцирующие (квантальные) клеточные деления Это такие деления, после которых клетка необратимо встает на путь Дифференцирующие (квантальные) клеточные деления Это такие деления, после которых клетка необратимо встает на путь формирования того или иного клеточного типа. Перед квантальным делением должно пройти некоторое количество обычных. При каждом обычном делении происходит деметилирование одной связи. После прохождения определенного числа циклов деметилирования происходит конформация ДНК.

Внешние факторы дифференцировки Химические Физические Гормоны Температура Регуляторные пептиды Свет Нейромедиаторы и их аналоги Внешние факторы дифференцировки Химические Физические Гормоны Температура Регуляторные пептиды Свет Нейромедиаторы и их аналоги Простые вещества и ионы Механические напряжения Структурнотопологические

Таблица 1. Способность к синтезу белков у некоторых типов клеток Клеточный тип фибробласты хондробласты Таблица 1. Способность к синтезу белков у некоторых типов клеток Клеточный тип фибробласты хондробласты Эритроидные клетки Состояние клеток Растянуты по В суспензии субстрату Синтез коллагена нет Синтез фибронектина Нет Синтез протеогликанов Синтез гемоглобина

Структурно-топологические факторы дифференцировки Структурно-топологические факторы дифференцировки

Структурно-топологические факторы дифференцировки 1. Сгущение-разрежение = сжатие-растяжение клеток Глазной бокал Структурно-топологические факторы дифференцировки 1. Сгущение-разрежение = сжатие-растяжение клеток Глазной бокал

Структурно-топологические факторы дифференцировки 2. Количество соседей, наличие или отсутствие контактов между ними. 3. Контактная Структурно-топологические факторы дифференцировки 2. Количество соседей, наличие или отсутствие контактов между ними. 3. Контактная поляризация – увеличение площади боковых контактов между клетками. перераспределение органелл и контактных зон преобразование мембран и цитоскелета экспрессия генов

Структурно-топологические факторы дифференцировки 4. Контактная ингибиция – влияние на двигательную или митотическую активность других Структурно-топологические факторы дифференцировки 4. Контактная ингибиция – влияние на двигательную или митотическую активность других клеток.

Структурно-топологические факторы дифференцировки 5. Структура внеклеточного матрикса Внеклеточный матрикс цитоскелет ядро Волокна коллагена мембрана Структурно-топологические факторы дифференцировки 5. Структура внеклеточного матрикса Внеклеточный матрикс цитоскелет ядро Волокна коллагена мембрана экспрессия генов

Дедифференцировка - утрата дифференцированного состояния. Происходит при длительном культивировании дифференцированных тканей in vitro. . Дедифференцировка - утрата дифференцированного состояния. Происходит при длительном культивировании дифференцированных тканей in vitro. . В культуре начинают преобладать два клеточных типа: фибробластоподобный эпителиоподобный Изменяя состав среды, этими процессами можно управлять.

Трансдифференцировка - переход в иное дифференцированное состояние. Дифференцировка дедифференцировка трансдифференцировка Трансдифференцировка - переход в иное дифференцированное состояние. Дифференцировка дедифференцировка трансдифференцировка

Опыты Шмидта на тканях гидроидных медуз: Из поперечнополосатых мышц медузы могут получиться все другие Опыты Шмидта на тканях гидроидных медуз: Из поперечнополосатых мышц медузы могут получиться все другие типы клеток, в том числе нервные и стрекательные. Обязательное условие трансдифференцировки деградация внеклеточного матрикса (в случае с медузами - мезоглеи).

Трансдетерминация -Переключение детерминации с одного пути на другой. При этом дифференцировка еще не произошла. Трансдетерминация -Переключение детерминации с одного пути на другой. При этом дифференцировка еще не произошла. При трансдифференцировке клетки меняют уже достигнутое состояние дифференцировки.

Опыты Э. Хадорна на имагинальных дисках насекомых Опыты Э. Хадорна на имагинальных дисках насекомых

Опыты Э. Хадорна на имагинальных дисках насекомых Крыловой диск Мезоторакс (среднегрудь) Нога Антеннальный диск Опыты Э. Хадорна на имагинальных дисках насекомых Крыловой диск Мезоторакс (среднегрудь) Нога Антеннальный диск Крыло Глазной диск Крыло

Опыты Э. Хадорна на имагинальных дисках насекомых NB! При длительном культивировании все диски постепенно Опыты Э. Хадорна на имагинальных дисках насекомых NB! При длительном культивировании все диски постепенно трансдетерминируются в мезоторакс, а он – только сам в себя.

Малигнизация - процесс, при котором уже дифференцированные клетки in vivo утрачивают многие (но не Малигнизация - процесс, при котором уже дифференцированные клетки in vivo утрачивают многие (но не все) признаки и свойства, выходят из-под контроля регулирующих систем организма и начинают усиленно размножаться.

Эпигенетическая концепция онтогенеза • Онтогенез –процесс в котором происходит непрерывное взаимодействие информации, считываемой из Эпигенетическая концепция онтогенеза • Онтогенез –процесс в котором происходит непрерывное взаимодействие информации, считываемой из генома и сигналов, поступающих из внешней среды. • Стадии развития зародыша можно представить в виде следующей схемы: Р –фенотип; G - продукты экспрессии определенных генов; E – эпигенетические факторы (внешние по отношению к геному, клетке и самому зародышу).

Эпигенетическая концепция онтогенеза • Успех каждой стадии развития обеспечивается совокупным действием всех этих компонентов. Эпигенетическая концепция онтогенеза • Успех каждой стадии развития обеспечивается совокупным действием всех этих компонентов. • если Р 1 – фенотип зиготы, то: Р 1+ G 1+Е 1= Р 2(бластула) Р 2+ G 2+Е 2=Р 3(гаструла) Р 3+ G 3+Е 3=Р 4(нейрула) и т. д. Развитие – результат взаимодействия генома и эпигенетических факторов.

Спасибо за внимание! Спасибо за внимание!