Тема 14 Дифференцировка клеток Регуляция численности клеточной популяции

Тема 14. Дифференцировка клеток. Регуляция численности клеточной популяции. Развитие четырех основных тканей животных 1

Тема 14. Дифференцировка клеток 1. Дифференцировка клеток и ее связь с эксперессией генов Потенции и дифференцировка • Потенция – возможность, которая не обязательно реализована. Применительно к клетке оно используется для обозначения той степени, в какой данная клетка может служить предковой для клеток разных типов (безотносительно к их количеству). • Оплодотворенное яйцо служит предковой клеткой для клеток всех типов, имеющихся в организме, его называют тотипотентной клеткой. Сколь долго эта тотипотентность сохраняется у «потомков» этой предковой клетки? • Первые две дочерние клетки, образующиеся в результате первого митотического деления яйца, прикреплены друг к другу и совместно участвуют в последующем развитии зародыша. • Иногда эти дочерние клетки отделяются одна от другой и из каждой развивается по зародышу, что приводит к рождению идентичных близнецов. • Это доказывает, что первые дочерние клетки сохраняют тотипотентность. Иногда отделяются друг от друга первые четыре клетки, и это заканчивается рождением идентичной четверни. В очень редких случаях развиваются пять идентичных близнецов – т. о. на протяжении трех первых митотических делений клетки, происходящие от оплодотворенного яйца, могут сохранять тотипотентность. Лекция 15(45) 2

Тема 14. Дифференцировка клеток Потенции и дифференцировка (продолжение) • Если дочерние клетки, образующиеся из яйцеклетки (рис. А) остаются вместе и продолжают делиться, то вскоре образуется скопление клеток, называемое морулой (от лат. morus- тутовая ягода; рис. Б). • Клетки морулы, из которых образуются соматические клетки, становятся отличными друг от друга и тем самым теряют свою тотипотентность; процесс этот протекает обычно более или менее внешне незаметно. (Хэм, Кармак, 1982) • Дифференцировка клетках – приобретение отличия от тех клеток, от которых они произошли, и вместе с тем утрата часть потенций последних. и приобретение некоторых новых свойств. Лекция 15(45) 3

Тема 14. Дифференцировка клеток Термины «дифференцировка» и «модуляция» • Когда клетки, кажущиеся дифференцированными, оказавшись в необычных условиях, как бы возвращаются на более раннюю стадию дифференцировки, происходит дедифференцировка (при этом восстанавливаются прежние потенции). • Дедифференцировка указывает на то, что клетки не утрачивают тотипотентность, просто клетки приняли некоторое состояние, отличное от того, в каком они были, прежде чем подвергнуться дифференцировке. • В случаях когда клетка становится дифференцированной не утрачивая свойственных ей потенций, принято говорить, что она подверглась модуляции (от лат. Modulation – соразмерность, гармоничность). • Дифференцировка в развивающемся зародыше обычно происходит постепенно и связана с образованием различных клеточных линий. Т. о. клетки данного зародыша находятся на разных уровнях дифференцировки и обладают разными потенциями. Лекция 15(45) 4

Тема 14. Дифференцировка клеток Зародышевые клетки • Клетки, происходящие от оплодотворенного яйца, которые подвергаются дифференцировке и поэтому утрачивающие некоторые из своих потенций представляют соматические клетки. • Клетки зародышевого пути сохраняют тотипотентность. Среди небольшого числа клеток, которые образуются на ранних стадиях развития зародыша женского пола, есть клетки, не подвергающиеся дифференцировке. • По мере развития зародыша эти клетки размножаются и в больших количествах мигрируют в развивающиеся яичники, где по достижении организмом зрелости они начинают дальнейшее развитие, превращаясь в зрелые женские половые клетки. • Эти клетки, находясь в яичниках, полностью сохраняют все свои потенции: после достижения индивидуумом половой зрелости они выделяются в виде гаплоидных половых клеток, из которых, если они будут оплодотворены, разовъется зародыш. • В очень редких случаях одна из таких клеток (подобно диплоидной клетке) может дать начало опухоли, еще находясь в яичнике. В такой опухоли можно обнаружить клетки разных тканей, имеющихся в развитом организме: клетки кожи, волосяных фолликулов, волос, кости и хряща, а также нервной ткани, фрагментов тканей глаза и т. п. Клетка, из которой возникает такая опухоль, тотипотентна, но происходящие из нее клетки не развиваются упорядоченным образом, характерным для развития нормального зародыша (все клетки таких опухолей, развивающиеся в яичниках, содержат тельца Барра). Лекция 15(45) 5

Тема 14. Дифференцировка клеток Развитие представлений относительно возможных механизмов дифференцировки • Одна из первых концепций объяснения возникновения различий между клетками организма в процессе его развития – результат упорядоченной последовательности мутаций, в том числе делеций. В клетке могут возникать генные мутации, не оказывающие летального действия и мутантные клетки могут продолжать делиться и передавать имеющийся у нее генетический дефект своим потомкам. • Разные клетки утрачивают при мутации разные гены, так что образующиеся из них клетки должны обладать различными физическими и функциональными особенностями. • Эта концепция была основана на представлении о том, что клетки каждого типа отличаются друг от друга по своим генам и хромосомам. Лекция 15(45) 6

Тема 14. Дифференцировка клеток Механизмы дифференцировки • После установления связи между генами и ДНК и разработки современных методов хромосомного анализа стало ясно, что мутационная теория дифференцировки не находит подтверждений. • Оказалось: а) содержание ДНК во всех соматических клетках одинаково и б) клетки разного типа содержат один и тот же набор хромосом. На основании этих и других данных сделан вывод: генетическое и хромосомное содержание всех клеток тела, возможно, идентично, несмотря на различия в структуре и функциях клеток. • Конценпция: отличия соматических клеток, принадлежащих к любому типу, обусловлены тем, что в разных клетках происходит экспрессия разных генов, остальные же гены репрессируются. • Вопрос: почему если в данной клетке произошла экспрессия какого-то набора генов, то в последующих поколениях этой клетки проявляется активность только этих же самых генов? Лекция 15(45) 7

Тема 14. Дифференцировка клеток Дифференцированные клетки сохраняют тотипотентность • Один из ключевых вопросов развития: сохраняют ли хромосомы специализированных клеток тотипотентность, присущую оплодотворенному яйцу, и могут ли они проявить ее при наличии соответствующих условий. • Экспериментальные доказательства: из оплодотворенной яйцеклетки удаляется ядро (энуклеация) и вместо него пересаживается ядро соматической клетки, уже претерпевшей некоторую дифференцировку и проводится наблюдение развитие модифицированной клетки. Первую успешную пересадку ядер в животных клетках удалось произвести в 1952 г. Бриггсу (Briggs) и Кингу (King). В 1962 г. Гёрдон (J. B. Gurdon), пересаживая ядра из клеток кишечного эпителия головастика в энуклеированные икринки лягушки, показал, что из таких икринок развиваются нормальные лягушки. Он показал также, что можно получить клетки кожи, пересаживая в энуклеированные лягушачьи икринки ядра из клеток кожных покровов взрослой лягушки, выращивавшихся в культуре ткани. Вывод: все соматические клетки как развивающегося зародыша, так и образующегося из него взрослого организма имеют совершенно одинаковый набор генов. Для оценки возможности реализации программы дифференцировки введено понятие потенции. • Термин потенция обозначает не генетические потенции, а потенции клетки. При дифференцировке, клетки теряют тотипотентность, но не потому что они утрачивают те или иные гены, а потому, что функции некоторых (быть может, даже большинства) генов в разного рода клетках, развивающихся в организме, остаются репрессированными. • Для того, чтобы клетки, обладающие полным набором генетических потенций, могли превратиться в соматические клетки с ограниченными потенциями, необходимо, чтобы в них в активном ( «включенном» ) состоянии находились лишь некоторые гены, а остальные гены (под влиянием которых эти клетки могли бы превратиться в клетки другого типа) была бы «выключена» (репрессирована). Лекция 15(45) 8

Тема 14. Дифференцировка клеток Детерминация • В процессе дифференцировки клетки участвует механизм обратной связи: при включении генов клетки, которые направляют ее развитие по данному пути дифференцировки другие гены удерживаются в выключенном состоянии, даже если клетка впоследствии попадет в условия, которые могли бы способствовать их включению. • Этот механизм в эмбриологии называется детерминацией; детерминированная клетка может превратиться только в клетку одного определенного типа, не поддаваясь влиянию факторов, которые иначе могли бы включить другие гены и обусловить развитие из нее клетки какого-либо иного типа. Лекция 15(45) 9

Тема 14. Дифференцировка клеток 2. Роль цитоплазмы в экспрессии и репрессировании генов В отличие от хромосом, которые при митозах клеток на ранних стадиях развития зародыша распределяются между дочерними клетками поровну, цитоплазма не всегда распределяется между дочерними клетками равномерно. • Установлено, что неравномерное распределение цитоплазмы оплодотворенного яйца между дочерними клетками влияет на дифференцировку последних в клетки разного типа. • При делении клеток, называемых нейробластами (они являются родоначальными для некоторых типов нервных клеток), одна из дочерних клеток всегда дифференцируется, превращаясь в нервную клетку, тогда как другая всегда остается на стадии нейробласта. • С помощью тонкой иглы можно повернуть метафазное веретено, образовавшееся в нейробласте так что s-хромосомы (хроматиды), которые в обычных условиях направились бы к одному полюсу делящейся клетки, направлялись к другому, и наоборот (опыты Карлсона, 1953). • В результате митоза в такой оперированной клетке оказалось, что дочерняя клетка, образовавшаяся на том полюсе клетки, где обычно (если бы веретено не было повернуто) образовался бы нейробласт, так и осталась нейробластом, а дочерняя клетка на другом полюсе развилась в нервную клетку, как в норме. • Вывод: на дифференцировку влияют различиями в цитоплазме на двух полюсах клетки: цитоплазма на одном полюсе обладает способностью активировать гены, вызывающие дифференцировку данной клетки в нервную клетку, тогда как цитоплазма на другом полюсе не оказывает такого действия. • Предполагается, что участие цитоплазмы в дифференцировке происходит не на стадии метафазы, а на стадии деконденсации хроматина анафазных хромосом при переходе в телофазу и подготовке к транскрипции, необходимой для синтеза белка. Лекция 15(45) 10

Тема 14. Дифференцировка клеток Компетенция и детерминация • На более поздних стадиях эмбриогенеза и на постнатальных стадиях цитоплазма, по-видимому, становится важным фактором, включающим и выключающим гены, находящиеся в ядре. • Чтобы микроокружение клетки могло влиять на гены, оно должно каким-то образом влиять на цитоплазму. • Это может достигаться разными путями. Например, цитоплазма может поглощать из среды какой -то новый фактор или же что в микроокружении возникают какие-то изменения его концентрации, вызывающие изменения метаболизма клетки. Для того, чтобы микроокружение могло эффективно вызывать экспрессию генов или репрессировать их, клетка должна обладать соответствующей компетенцией. • Клетка, способная реагировать на определенное воздействие среды, превращаясь в клетку какоголибо другого типа, называется компетентной. Клетка, не реагирующая на действие микроокружения называется детерминированной. • Пример: клетки наружного слоя кожи детерминированы – при пересадке лоскута кожи с одной части тела на другую трансплантат на новом месте проявляет те же особенности тканевого трансплантата, которыми он обладал на прежнем месте. • Однако, если бы на ранних стадиях эмбриогенеза взять клетку из которой обычно развилась бы кожа и пересадить в какой-либо другой участок эмбриона, где образуется покровная ткань другого типа, то пересаженная клетки будет дифференцироваться как окружающая покровная ткань. Т. о. клетки кожи эмбриона можно отнести к компетентным клеткам: экспрессия ее генов направляется факторами микроокружения. Лекция 15(45) 11

Тема 14. Дифференцировка клеток Компетенция и детерминация (продолжение) • Другой пример влияния микроокружения на дифференцировку, т. е. на экспрессию генов в компетентных клетках связан с развитием и регенерацией костей. • Все кости покрыты или выстланы со всех сторон стволовыми костными клетками, детерминированными на образование либо кости, либо хряща, способными реагировать (т. е. быть компетентными) на воздействие среды, направляющее их дифференцировку в ту или другую ткань. • При переломе кости клетки вблизи места перелома начинают быстро размножаться. В клеточной массе, которая образуется при заживлении перелома, те клетки, которые лежат вблизи капилляров, дифференцируются в костеобразующие клетки, а лежащие дистальнее от травмы – в хрящеобразующие. Как показали опыты in vitro, в данном случае одним из факторов, детерминирующих направление дифференцировки стволовых клеток, служит, возможно, концентрация кислорода. • Каждый этап дифференцировки клетки сопровождается некоторой утратой ее потенций. В результате степень детерминированности такой клетки при этом повышается. Следовательно, детерминация, подобно дифференцировке, происходит поэтапно, и хотя все конечные клетки детерминированы, не все детерминированные клетки непременно являются конечными. Например, на постнатальных стадиях стволовые клетки, даже принадлежащие к плюрипотентным типам, детерминированы, поскольку из них могут образоваться клетки только некоторых определенных типов. Лекция 15(45) 12

Тема 14. Дифференцировка клеток Как детерминированность клеток влияет на образование из них дочерних клеток, детерминированных подобным же образом? • Показано, что клетка, детерминированная в определенном направлении, производит клетки, детерминированные таким же образом: «подобное порождает подобное» . Каков механизм этого явления? Другими словами, почему гены, которые в детерминированной клетке избирательно включены или выключены, точно так же включены или выключены в происходящих от нее дочерних клетках? • Одно из предположений: «передача детерминированности» зависит не от репродукции генов в S-периоде, во «включенной» или «выключенной» форме, а на идентичности цитоплазматической среды обеих образующихся при митозе дочерних клеток среде материнской клетки. • Т. о. после S-периода эта среда включает или выключает те же самые гены, которые были включены или выключены в материнской клетке. Поэтому детерминированность в разных клеточных линиях, по-видимому, зависит от постоянства цитоплазмы на протяжении последовательных поколений клеток. Если бы цитоплазматические факторы не контролировали экспрессию генов, как могло бы дифференцированное ядро, пересаженное в энуклеированную яйцеклетку, дать начало вполне развитой лягушке? Лекция 15(45) 13

Тема 14. Дифференцировка клеток 3. Экспрессия генов и дифференцировка • Чтобы в результате дифференцировки образовались клетки различных типов, белки, синтезируемые в одних клетках, должны отличаться от белков, продуцируемых другими клетками. Однако есть белки, содержащиеся во всех клетках: это ферменты, необходимые для основных метаболических процессов, от которых зависит жизнь клетки. • Для выполнения особых специализированных функций, клетки должны синтезировать особые белки разного рода, в том числе ферменты, необходимые для осуществления этих функций. • Поскольку синтез белков диктуется экспрессией генов, то, очевидно, гены делятся на две категории. Гены первой категории, функционирующие во всех клетках организма, определяя их основной метаболизм, по-видимому, относительно нечувствительны к непосредственному воздействию факторов, вызывающих дифференцировку. Гены второй категории, управляющие синтезом тех белков, которыми определяются различия между клетками, должны в период развития реагировать на влияние этих факторов по разному, с тем чтобы могла происходить дифференцировка. • При включении в какой-либо компетентной клетке набора таких генов клетка становится детерминированной, а это, по-видимому, означает, что в дальнейшем такие гены остаются в состоянии избирательной экспрессии или репрессии как у самой клетки, так и у ее потомков (если таковые имеются). Лекция 15(45) 14

Тема 14. Дифференцировка клеток Дифференцировка и конденсированный хроматин • Хромосомы в разных клетках содержат огромный фонд генов, большая часть которых репрессирована и находится в конденсированном хроматине интерфазных клеток. Однако гены, находящиеся в клетках одного типа в конденсированном хроматине, не обязательно всегда бывают теми же самыми, которые репрессированы в клетках другого типа. • При прохождении клеток через разные стадии дифференцировки гены, находившиеся прежде в форме конденсированного хроматина, по-видимому, предстают в форме деконденсированного хроматина, тогда как некоторые из находившихся в составе деконденсированного хроматина теперь станут частью конденсированного. Лекция 15(45) 15

Тема 14. Дифференцировка клеток Термин «индукция» • Если какой-либо фактор, находящийся в среде, непосредственно окружающей клетку, приводит к дифференцировке, это явление называется индукцией дифференцировки, а факторы, вызывающие индкуцию называются индукторами дифференцировки. • Т. о. индукторы дифференцировки экспрессируют (включают) гены, направляющих синтез тех особых белков, которые продуцируются клетками специализированных линий и которыми в дальнейшем характеризуются эти клетки. Регуляция экспрессии генов у бактерий • Для понимания индукции и действия индукторов дифференцировки важное значение имеют работы, выполненные на прокариотических клетках (бактериях), хотя бактериальные клетки в отличие от эукариотических клеток не подвергаются дифференцировке. Рассмотрим некоторые данные об индукции синтеза ферментов у бактерии (обзор Jacob F. , Monod J. , 1961) Лекция 15(45) 16

Тема 14. Дифференцировка клеток Регуляция экспрессии генов у бактерий (продолжение) • Бактерии синтезируют ферменты двух типов: «конститутивные» и «индуцибельные» «Конститутивные» ферменты катализируют химические реакции, участвующие в основном обмене бактерий. Для экспрессии генов, кодирующих синтез этих ферментов, не требуется никаких факторов среды, за исключением определенных питательных веществ. «Индуцибельные» ферменты обычно синтезируются в следовых количествах. • Обычно Е. coli дикого типа использует для своего метаболизма глюкозу. В отсутствие глюкозы эти бактерии могут использовать лактозу, однако только после того, как она будет превращена в глюкозу. • Для такого превращения бактериям необходим фермент β-галактозидаза, который обычно содержится в их клетках в очень малых количествах. Если же в среде имеется лактоза, то этот фермент синтезируется в больших количествах. Как показало изучение этого явления, механизм, с помощью которого субстрат β-галактозидазы включает активность гена, кодирующего аминокислотную последовательность этого фермента, очень сложный. Лекция 15(45) 17

Тема 14. Дифференцировка клеток Регуляция экспрессии генов у бактерий (продолжение) • Работы, проводившиеся на разных мутантах Е. coli, показали, что галактозид не действует непосредственно на ген, кодирующий синтез β-галактозидазы. Были обнаружены мутанты, продуцирующие большие количества β-галактозидазы, хотя в их среде не содержалось галактозида, который мог бы индуцировать синтез этого фермента. • Было установлено, что это обусловлено отсутствием у этих мутантов репрессора - белка, кодируемого другим геном (такой ген называется геном-регулятором), который находится рядом с геном, кодирующим синтез β -галактозидазы (ген последнего типа, кодирующий синтез того или иного фермента, называют структурным геном). • На основании этих данных был сделан вывод, что причина образования у Е. coli лишь малых количеств β -галактозидазы в обычных условиях, т. е при наличии в среде глюкозы, состоит в том, что структурный ген, кодирующий этот фермент, обычно ингибирован, и притом не прямо, а косвенно белком-репрессором, который кодируется геном-регулятором. Лекция 15(45) 18

Тема 14. Дифференцировка клеток Регуляция экспрессии генов у бактерий (продолжение) • Дальнейшее изучение показало, что генетический дефект, вследствие которого в мутантных клетках продолжался синтез β-галактозидазы в отсутствие индуктора, связан с геном еще одного типа, названный геном-оператором, нормальная функция которого состоит в активации структурного гена, кодирующего синтез β-галактозидазы. • Причиной того, что некоторые мутанты продолжают синтезировать галактозидазу в отсутствие индуктора, была неспособность их гена-оператора связывать белок-репрессор. Вследствие этого репрессор не ингибировал ген-оператор а поэтому структурный ген регулировал непрерывный синтез β-галактозидазы. • Было установлено, что белок-репрессор обладает как бы двумя центрами связывания. Он может связываться либо с геном-оператором, либо с индуктором. Связываясь с индуктором, он образует комплекс репрессор-индуктор; в этой форме репрессор не может связываться с геномоператором и блокировать его активность. При наличии в среде лактозы и отсутствии глюкозы индуктор связывает белок-репрессор. Ген-оператор при этом не заблокирован, он активирует структурный ген, управляющий синтезом β-галактозидазы. • Когда весь субстрат использован или когда его недостаточно для того, чтобы связать белок -репрессор и блокировать действие последнего, этот белок блокирует ген-оператор, так что включается структурный ген, который кодирует β-галактозидазу. • Было выяснено, что лактоза индуцирует активность еще двух фермента, способствующих гидролизу лактозы: один из них облегчает проникновение лактозы в бактериальную клетку (механизм действия другого не вполне ясен). Полагают, что гены, кодирующие синтез этих ферментов, образуют в молекуле ДНК единую последовательность со структурным геном, который кодирует β-галактозидазу. Вся эта система получила название lac-оперона. Лекция 15(45) 19

Тема 14. Дифференцировка клеток Использование данных о lac-опероне применительно к дифференцировке эукариотических клеток • Концепция lac-оперона отражает общий принцип регуляции синтеза ферментов и поэтому важна для понимания процесса дифференцировки у эукариот. • Гены эукариотических клеток, так же как и гены бактерий, можно разделить на «конститутивные» и «индуцибельные» • Можно допустить, что конститутивные гены регулируют синтез тех белков, которые образуют физическую структуру клетки и участвуют в метаболических реакциях, необходимых для обеспечения ее основных жизненных процессов и размножения. • Многочисленные и разнообразные индуцибельные гены регулируют синтез различных специальных белков, необходимых дифференцированным клеткам для выполнения специальных функций. • Когда клетки сталкиваются с факторами микроокружения, оказывающими на них индивидуальные воздействия (в случае эукариотических клеток эти воздействия могут быть чрезвычайно сложными, но они всегда связаны с индукцией ферментов), то под влиянием этих воздействий происходит включение групп индуцибельных генов, вызывающих синтез особых белков, необходимых для выполнения специальных функций. Лекция 15(45) 20

Тема 14. Дифференцировка клеток Соотношение дифференцировки и размножения клеток (продолжение) • Одно из обобщений относительно дифференцировки: она сопровождается сокращением или даже полным прекращением деления клеток. • Можно представить, что включение индуцибельных генов (которые управляют синтезом особых белков, необходимых дифференцированным клеткам для выполнения их специализированных функций) приводит каким-то образом к запуску механизма отрицательной обратной связи, действующего на конститутивные гены, которые до того управляли белковым синтезом, необходимым для непрерывного клеточного деления и, соответственно, замедлять или прекращать дальнейший клеточный рост. • Пример дифференцировки, связанной с синтезом особого белка, обеспечивающего специфичные функции данной клетки, и, очевидно, с полным ингибированием дальнейшего деления, служит образование эритроцитов • Наименее дифференцированная клетка в ряду клеток, участвующих в эритропоэзе, называется проэритробластом. В ее цитоплазме есть рибосомы, осуществляющие трансляцию, которая необходима для функционирования конститутивных генов. • Проэритробласты дифференцируются в эритробласты. В цитоплазме эритробластов есть не только много свободных рибосом, но также имеются полирибосомы, на которых могут синтезироваться специализированные белки. Появление полирибосом связано с началом синтеза гемоглобина - специального белка эритроцитов. • По мере увеличения количества гемоглобина способность эритроцитов к пролиферации уменьшается, конститутивные гены перестают поддерживать жизнь клетки и ее ядро в конечном счете выталкивается наружу. • После этого эритроцит существует как безъядерная клетка, выполняя свою специальную функцию в течение примерно четырех месяцев, после чего он подвергается фагоцитозу. Лекция 15(45) 21

Тема 14. Дифференцировка клеток 4. Что происходит, когда механизм обратной связи не развивается или не функционирует • Если бы не было внутренних механизмов, регулирующих пролиферацию клеток, организм достиг бы размеров, несовместимых с жизнью. Что может произойти, если хотя бы одна клетка в организме выйдет из-под контроля регуляторных механизмов? Такая клетка может продолжать расти и размножаться, что приведет в конечном итоге организм к гибели. • Именно это происходит в случае раковой клетки, которая в большинстве случаев не достигает такого уровня дифференцировки, как нормальные клетки; степень дифференцированности клеток раковой опухоли играет важную роль в определении ее относительной злокачественности. • Активность конститутивных генов, обусловливающая клеточный рост, осуществляется при посредничестве свободных рибосом, а в раковых клетках последних довольно много. Однако гранулярный ЭР в раковых клетках представлен в меньшей степени, чем в нормальных, поскольку развитие этой органеллы отражает уровень синтеза в клетке особых белков; такими белками могут быть ферменты, а иногда - предшественники межклеточных веществ. • Поэтому можно допустить, что степень развития гранулярного ЭР в клетках, в которых он обычно хорошо развит, отражает активность индуцибельных генов в отношении регуляции специализированных функций клетки (в раковых клетках эта органелла менее развита, чем в соответствующих нормальных клетках). Лекция 15(45) 22

Тема 14. Дифференцировка клеток Измененный геном раковых клеток • Принято считать, что анаплазия (менее дифференцированные клетки, чем соответствующие нормальные клетки) обусловлена изменением генома клетки. Новообразование вызывается не просто изменением экспрессии генов нормального генома, а изменением самого генома (установлено при хромосомном анализе и измерении содержания ДНК в раковых клетках). • Об изменении генома свидетельствует также передача раковыми клетками анапластических свойств своим потомкам. Почему в организме возникают подобные генетические изменения? • Особенность экспрессии генов, характерная для измененного генома раковой клетки: в таких клетках синтез белков, ответственных за дифференцировку и функциональную специализацию, уменьшается, сопровождаясь соответствующим относительным усилением экспрессии генов, ответственных за синтез белков, необходимых для роста. • Вероятно, что канцерогены постепенно поражают индуцибельные гены, ответственные за синтез особых белков, характеризующих специализированные клетки, в результате чего нарушается механизм обратной связи, с помощью которого индуцибельные гены регулируют экспрессию конститутивных генов. Поэтому наиболее вероятно, что генетическое изменение, ответственное за новобразование, представляет собой изменение, возникающее в индуцибельных генах. • Другим фактором, способным индуцировать новообразования являются определенные вирусы. Лекция 15(45) 23

Тема 14. Дифференцировка клеток Вирусы • Размножение вирусов происходит в живых клетках. Вирус – частица генетического материала (ДНК или РНК), окруженная защитной белковой оболочкой, содержащей липиды или углеводы. В нуклеиновой кислоте вирусной частицы заключен код, необходимый для дупликации частицы, однако для того, чтобы могло произойти образование новых вирусных частиц, этот код должен быть транслирован при помощи трансляционного механизма, имеющегося в живых клетках • Клетки, в которых вирусные частицы продуцируются в таких количествах, что клетки разрушаются – в ткани образуются так называемые очаги некроза (от греч. некроз - смерть). Освобождающиеся в жидкости организма из убитых клеток вирусные частицы, встречаются с клетками, вырабатывающими антитела, которые связывают и инактивируют вирусы. Онкогенные вирусы • Некоторые вирусы могут вызывать развитие новообразований. Такие вирусы называют онкогенными вирусами. Сначала полагали, что онкогенные (опухолеродные) вирусы - это вирусы особого типа, которым не удалось быстро размножиться в инфицированных ими клетках. • Некоторые ДНК- содержащие вирусы разрушают инфицированные клетки (некроз, типичное вирусное поражение) • ДНК онкогенных вирусов включается в геном инфицированной клетки и изменяет его таким образом, что клетка становится раковой. Следовательно, вирусная ДНК воспроизводится уже не как геном вирусной частицы, а как составная часть генома клетки. Лекция 15(45) 24

Тема 14. Дифференцировка клеток Связано ли генетическое изменение, обусловливающее опухолевый рост, с изменением в конститутивных или в индуцибельных генах? • Показано, что некоторые РНК-вирусы также способны вызывать новообразования: под действием вирусного фермента, называемого обратной транскриптазой, синтезируется ДНК -копия вирусной РНК и эта копия может затем превратиться в составную часть генома раковых клеток. • Однако надо отметить, что поскольку в опухолях, возникающих в результате включения нуклеиновой кислоты вируса в геном клетки, вирусные частицы не распознаются, установить вирусное происхождение той или иной опухоли человека довольно трудно. • Предположение: поскольку в очагах некроза ДНК-вирусы размножаются с невероятной скоростью, ДНК онкогенного вируса, включившегося в геном клетки, может комбинироваться с конститутивными генами и усиливать их функции, обусловливающие клеточный рост. • Другое предположение: онкогенные ДНК-вирусы индуцируют злокачественный рост, действуя на клетки, еще не успевшие дифференцироваться, а это позволяет предполагать, что онковирусы действуют на индуцибельные гены, и притом таким образом, чтобы предотвратить дифференцировку, которая обычно ограничивает рост. Лекция 15(45) 25

Тема 14. Дифференцировка клеток 5. Внешние механизмы, регулирующие пролиферацию клеток • Термином гомеостаз обозначают поддержание внутренней среды организма в стабильном состоянии (например, число эритроцитов и лейкоцитов в крови поддерживается на более или менее постоянном уровне, несмотря на то что эти клетки отмирают и непрерывно должны пополняться; следовательно, скорость образования новых клеток должна регулироваться, с тем чтобы она соответствовала скорости их гибели. • Содержание в крови сахара также относительно постоянно, несмотря на то что сахар непрерывно подвергается метаболизму и поступает в организм лишь приеме пищи; существуют механизмы, поддерживающие на постоянном уровне р. Н всех жидкостей организма и др. • Относительные размеры разных органов в здоровом организме довольно постоянны на протяжении всей его жизни. • Для поддержания гомеостаза необходимо, чтобы число различных специализированных клеток в организме и те функции, которые они должны выполнять, находились под контролем различных регуляторных механизмов, поддерживающих все это в стабильном состоянии. Лекция 15(45) 26

Тема 14. Дифференцировка клеток Гормональные механизмы • Пример: клетки паращитовидных желез выделяют в кровоток гормон, повышающий уровень кальция в крови. Если содержание в крови кальция падает, клетки паращитовидньгх желез или усиливают секрецию гормона, или начинают делиться, с тем чтобы увеличение их числа привело к повышению продукции гормона. Т. о. контроль пониженной функции может привести к повышению функциональной активности клеток, выполняющих специальные регуляторные функции или к увеличению численности их популяции. . • Другой пример: поддержание нормального числа эритроцитов в крови. Клетки, «чувствующие» понижение содержания кислорода в крови (гипоксия), находятся в почках. Они реагируют на гипоксию усилением секреции гормона эритропоэтина, который действует на кроветворные клетки, повышая интенсивность образования эритроцитов. После образования достаточного количества дополнительных эритроцитов напряжение кислорода в крови повышается, достигая нормы, и клетки, вырабатывающие эритропоэтин, снижают его секрецию до обычного уровня. Лекция 15(45) 27

Тема 14. Дифференцировка клеток Реакция клеточных популяций разных категорий на потребность в повышении функциональной активности • У взрослых организмах нервные клетки и клетки поперечнополосатых мышц не делятся; поэтому необходимость в повышении функциональной активности этих клеток не может привести к их пролиферации. Однако, в результате упражнения объем мышц увеличиваются (увеличение размеров мышечных клеток, а не их числа). • Повышение активности нервных клеток приводит к увеличением числа их отростков, что позволяет умножить число соединений между ними. • Популяции полностью дифференцированных функционирующих клеток, не способных делиться, пополняются за счет увеличения активности стволовых клеток, от которых они происходят. Это приводит к увеличению числа клетокпредшественников, которые дифференцируются в конечные клетки, увеличивая их число и тем самым усиливая и их функцию. Лекция 15(45) 28

Тема 14. Дифференцировка клеток О регуляции популяций стволовых клеток • Увеличение популяции любых стволовых клеток обусловлено получением ими какой -то информации, которая непосредственно стимулирует их пролиферацию. • Стволовые клетки, хотя они и детерминированы, не являются высокодифференцированным, поэтому не способны к выполнению специализированных функций и гены, управляющие синтезом особых белков, имеющихся в развивающихся из них функционирующих конечных клетках, у стволовых клеток бездействуют. • Между стволовыми клетки и конечными клетками, происходящими из них должен существовать механизм отрицательной обратной связи, который мог бы подавлять активность конститутивных генов, определяющих рост стволовых клеток. • Когда популяция конечных клеток чрезмерно сокращается и их функциональная активность нарушается, то обратная связь временно перестает действовать, в результате чего их стволовые клетки пролиферируют и дифференцируются, превращаясь в конечные. Возникающая от этих последних обратная связь в свою очередь подавляет дальнейшую пролиферацию стволовых клеток. Лекция 15(45) 29

Тема 14. Дифференцировка клеток Регуляция величины органов • У нормальных взрослых особей соотношение общих размеров различных органов более или менее постоянно. При искусственном нарушении существующего соотношения размеров оно стремится вернуться к норме (например, что если удалить у экспериментального животного две трети печени, то она за несколько дней восстанавливается до своих нормальных размеров (но не более) в результате интенсивной пролиферации печеночных клеток; при удалении у экспериментального животного одной почки другая почка за короткое время увеличивается почти вдвое. • Одна из концепций, предложенных для объяснения этого явления, состоит в том, что пролиферация клеток регулируется особыми веществами, которые были названы кейлонами. Лекция 15(45) 30

Тема 14. Дифференцировка клеток Кейлоны • Считается, что специализированные клетки вырабатывают свои специфические кейлоны, которые находятся в клетках и подавляют ее деление. Кейлоны могут секретироваться из клетки и диффундировать к другим, соседним клеткам или проникать в кровоток. • В случаях потери организмом большого числа специализированных клеток, как, например, при удалении значительной части печени, общее количество вырабатываемых клетками кейлонов понижается и оказывается недостаточным для подавления пролиферации этих клеток. Результат: клетки начинают пролиферировать до тех пор, пока их численность не повысится настолько, что концентрация печеночного кейлона в крови достигает нормального уровня, после чего их пролиферация прекращается. • Показано, что кейлоны – белки или гликопротеиды с мол. массой 30000 -50000; возможно также, что некоторые из них представляют собой полипептиды с гораздо более низкой молекулярной массой. • Кейлоны обладают специфичностью в отношении клеток разных типов, разных тканей или разных органов. Это означает, что кейлон, регулирующий популяцию клеток печени, не оказывает действия на клетки почки и наоборот (кейлоны не видоспецифичными: кейлон, выделенный из одного вида, по всей вероятности, должен функционировать в организме другого вида). Лекция 15(45) 31

Тема 14. Дифференцировка клеток Эпидермальный кейлон • Большая часть данных относительно существования кейлонов и их функций была получена в результате изучения эпидермиса (многослойный эпителий, образующий наружную часть кожи). Поскольку наружные клетки эпидермиса постоянно изнашиваются и слущиваются, для сохранения клеточного состава эпидермиса должна происходить пролиферация клеток глубоких слоев; поэтому по крайней мере некоторые из этих клеток можно считать стволовыми. • Первые сведения об эпидермальном кейлоне были получены Буллау (Bullough) и Лоренсом (Lawrence) в 1960 г. • Действие эпидермального кейлона, однако, несколько сложнее, чем действие других кейлонов, так как для него, по-видимому, необходим гормон (вероятно, адреналин), с которым он образует достаточно стабильный комплекс, способный подавлять клеточное деление. Возможная роль кейлонов в регенерации • Если принять концепцию кейлонов, то можно предположить, что восстановление тканей при регенерации происходит в результате прекращения действия их специфических кейлонов, количество которых, естественно уменьшается, в неповрежденных клетках, примыкающих к поврежденному участку. Есть экспериментальные данные о том, что при нанесении эпидермальных кейлонов на поврежденный участок кожи заживление замедляется. Лекция 15(45) 32

Тема 14. Дифференцировка клеток 6. О четырех основных тканях и их происхождении в организме животных Деление – детерминация – дифференцировка • За исключением самых ранних стадий зародыша, когда цитоплазма оплодотворенного яйца распределяется неравномерно (как в количественном, так и в качественном отношении) между образующимися в результате его деления клетками, история развития четырех основных тканей и их подтипов - это история индуктивных воздействий, приводящих к детерминации, и разных этапов дифференцировки клеток в различных направлениях. • В процессе дифференцировки зародыша (и на постнатальных стадиях) очень многие клетки частично утрачивают свои потенции, становясь более детерминированными, но зато менее компетентными. • Многие внешние воздействия оказываются эффективными лишь в определенные сроки развития. Это особенно важно в тех случаях, когда дифференцировка клеток определенного типа должна происходить в определенное время, потому что эти клетки в свою очередь выступают в роли внешнего воздействия, влияющего на дифференцировку клеток другого типа, находящихся рядом с клетками первого типа именно в это время. Факторы индукции • Индуктивные воздействия: индукция ферментов, действие питательных веществ или кислорода, уровень р. Н, определенные концентрации солей и гормонов, а также другие химические медиаторы и т. д. • Особенно важное значение имеет влияние мезенхимы на развитие других тканей, расположенных рядом с нею. Лекция 15(45) 33

Тема 14. Дифференцировка клеток Образование трех зародышевых листков • Оплодотворенное яйцо амфибии (рис. : А) в результате ряда делений (дроблений) образует морулу (МОР)(рис. : Б). Клетки МОР различаются по величине, потому что при дроблении оплодотворенного яйца большие запасы желтка имеющиеся в цитоплазме, распределяются между клетками МОР неравномерно. Клетки, образующие нижнюю половину яйца, крупнее, чем клетки верхней его половины. Соответственно у МОР различают два полюса: анимальный с более мелкими клетками, и вегетативный, где клетки крупнее и богаты желтком. Схема образования трех зародышевых листков у лягушки. Г и Д – продольный план; Е – поперечный план (Хэм, Кармак, 1982) Лекция 15(45) 34

Тема 14. Дифференцировка клеток Образование трех зародышевых листков (продолжение) • В результате последующих митозов МОР увеличивается, приобретает вид полого шара за счет центральной полости ( полого шара (рис. : В). Эта стадия называется бластула. Имеющаяся в бластуле (БЛ) полость называется бластоцелем. На стадии БЛ клетки стенки, находящейся ближе к анимальному полюсу, становятся все мельче и мельче, потому что они делятся быстрее, чем клетки, лежащие ближе к вегетативному полюсу, так что эта часть БЛ сильно истончается (верхняя часть БЛ на рис. : Г). Эти клетки образуют один из трех зародышевых листков: эктодерму. • Стенка БЛ вблизи вегетативного полюса состоит из нескольких слоев клеток, содержащих желток (обозначена на рис. : Г черным цветом). Как видно на рис. : Г-Е, стенка бластулы в этом участке впячивается внутрь. Этот процесс, называемый инвагинацией продолжается (рис. : Д) и в результате инвагинировавший участок стенки бластулы, становится внутренней выстилкой трубки, которая позднее превратится в кишку (рис. : E). Схема образования трех зародышевых листков у лягушки. Г и Д – продольный план; Е – Лекция 15(45) 35 поперечный план (Хэм, Кармак, 1982)

Тема 14. Дифференцировка клеток Образование трех зародышевых листков (продолжение) • Таким образом область клетоки, отмеченные на рис. Г, Д, Е , превращается в энтодерму - второй из трех зародышевых листков. По мере усиления инвагинации бластоцель становится все меньше и в конце концов исчезает вовсе. Новая полость, образовавшаяся в результате инвагинации (рис. : Д), получила название архентерона и ее стенка образует выстилку будущего кишечника. • Часть мелких клеток анимального полюса дает начало третьему зародышевому листку –мезодерме (область, занятая этими клетками, обозначена на рис. : Г-Е пунктиром). Схема образования трех зародышевых листков у лягушки. Г и Д – продольный план; Е – поперечный план (Хэм, Кармак, 1982) Лекция 15(45) 36

Тема 14. Дифференцировка клеток Образование трех зародышевых листков (продолжение) • Клетки мезодермы перемещаются внутрь по краю отверстия, вворачиваясь в архентерон, и пролиферируют, образуя (вначале) часть стенки архентерона (рис. : Д). Но позднее некоторые из них мигрируют из этой стенки и пролиферируют таким образом, что создается клеточная прослойка (показана пунктиром на рис. : Е), отделяющая наружную стенку бластулы от архентерона, который, как уже говорилось, в дальнейшем образует трубку (на рис. : Е обозначена черным цветом). • В результате структура, стенка которой на стадии БЛ (рис. : Г) была однослойной становится трехслойной стенкой (рис. : Е). В ней имеются: 1) наружный слой (обозначен поперечной исчерченностью), состоящий из клеток анимального полюса – эктодерма; 2) самый внутренний слой клеток, образующих сначала стенку архентерона, а затем трубку – энтодерма (обозначен черным цветом); 3) средний слой, лежащий между эктодермой и энтодермой (обозначен пунктиром) – хордомезодерма (по мере роста здесь образуется хорда). Другие клетки этого среднего слоя, на дальнейших стадиях именуемого мезодермой, образуют большую часть мышечных тканей зародыша, а также его скелет и другие соединительнотканные структуры. Схема образования трех зародышевых листков у лягушки. Г и Д – продольный план; Е – 37 поперечный план (Хэм, Кармак, 1982) Лекция 15(45)

Тема 14. Дифференцировка клеток Развитие четырех основных типов тканей • Организм многоклеточных животных состоит из 4 -х основных тканей: 1) эпителиальной, 2) соединительной, 3) нервной и 4) мышечной. Принципы классификации тканей • Критерием для выделения этих четырех типов служило не происхождение тканей из трех зародышевых листков в процессе эмбриогенеза, а главным образом их микроскопическое строение и выполняемые ими функции. • Большинство покровных тканей развивается из эктодермы и энтодермы, хотя некоторые из них мезодермального происхождения. • Соединительная ткань образуется из мезодермы. Мышечная ткань почти целиком происходит из мезодермы, за исключением небольшой ее части, развивающейся из эктодермы (на самом деле состоит из смеси мышечных волокон и соединительной ткани). • Нервная ткань имеет эктодермальное происхождение. В некоторых участках нервной ткани к структурам эктодермального происхождения примешана соединительная ткань, происходящая из мезодермы. Лекция 15(45) 38

Тема 14. Дифференцировка клеток Покровная ткань (эпителий) • Эпителием называется любой непрерывный слой клеток, покрывающий части тела снаружи или выстилающий полости изнутри. • Эпителиальный (наружный) слой кожи развивается из эктодермы. Непрерывный слой клеток, выстилающих пищеварительный тракт, происходит из энтодермы, а слой клеток, выстилающих брюшную полость (полость тела), - из мезодермы (мезотелий). Подобным же образом эпителий, выстилающий кровеносные сосуды и сердце и также происходящий из мезодермы, обычно называют не эпителием, а эндотелием. • Все виды покровного и выстилающего эпителия состоят из клеток, соединенных между собой межклеточными связями. Под слоем эпителиальной ткани всегда лежит соединительная ткань, содержащая капилляры, которые обеспечивают питание эпителиальных клеток. • Межклеточные вещества соединительной ткани создают опору как для капилляров, так и для эпителия. Лекция 15(45) 39

Тема 14. Дифференцировка клеток Железы • Некоторые или все клетки многих видов эпителия вырабатывают секреты, выделяющиеся на его свободную поверхность. Это обеспечивает ограниченную потребность в секретируемых соединениях, вырабатываемых ограниченным числом секреторных клеток, расположенных в покровах или выстилках. • Дополнительное количество секрета поставляют специальные структуры, называемые железами; такие железы образуются в процессе эмбриогенеза из эпителиальных клеток, врастающих в соединительную ткань, находящуюся в этих участках под эпителием. Экзокринные и эндокринные железы Наиболее обычный тип желез - это экзокринные железы, выделяющие свой секрет на поверхность того эпителия, из которого произошла данная железа, следовательно, наружу. Для этого экзокринные железы имеют трубки, называемые протоками, которые выводят секрет, вырабатываемый более глубоко расположенными секреторными клетками, на поверхность (рис. ). Внутриэпителиальные (бокаловидные клетки) и внеэпителиальные (секреторный отдел) экзокринные железы (Улумбеков Э. Г. , Челышев Ю. А. , 1998) Лекция 15(45) 40

Тема 14. Дифференцировка клеток Экзокринные и эндокринные железы (продолжение) Развитие и строение экзокринных и эндокринных желез. А – В – разные стадии формирования экзокринных желез (связь с эпителием не утрачена; Г – Д – эндокринные железы (Д – сверху – островок; внизу – фолликул) • Клетки другого тип желез – эндокринных желез утрачивают связь с поверхностью эпителия (сначала такая связь у них имеется), т. е. они лишены протоков (рис. внизу справа). • Эндокринные железы состоят из островков эпителиальных секреторных клеток, окруженных соединительной тканью, а поэтому они могут выделять свои секреты непосредственно в толщу тканей организма. (Улумбеков Э. Г. , Челышев Ю. А. , 1998) • Большая часть секреторных клеток тесно связана с капиллярами (рис. внизу справа), куда поступает их секрет, который переносится с кровью по всему телу. • Секреты эндокринных желез представляют химические вещества, известные под общим названием гормонов (очень небольшие количества этих веществ способны как в период эмбрионального развития, так и на постнатальных стадиях оказывать важные физиологические воздействия в разных частях тела). Лекция 15(45) 41

Тема 14. Дифференцировка клеток Мезодерма и соединительная ткань Стадии эритропоэза. CFU-E – унипотентные предшественники, произошедшие из бластных стволовых клеток CFU-blast’ов (Улумбеков Э. Г. , Челышев Ю. А. , 1998) • Соединительная ткань развивается из мезенхимы - производного мезодермы. Форменные элементы крови, сердце и кровеносные сосуды различного диаметра образуются из клеток, развивающихся в мезенхиме (на рис. приведена схема образования эритроцитов – эритропоэз) • Эпителиальные клетки и соединительная ткань развиваются в тесной связи друг с другом и таким образом эпителиальные клетки всегда обеспечены питательными веществами. • Многие разновидности соединительной ткани состоят, главным образом, из неживых компонентов, называемых межклеточным веществом, которое вырабатывается некоторыми типами соединительнотканных клеток. • Хрящи и кости скелета, а также связки, фасции и сухожилия развиваются из мезенхимы и представляют собой те типы соединительной ткани, которые состоят в основном из межклеточного вещества. • Существуют другие типы соединительной ткани, состоящие главным образом из клеток не вырабатывающих межклеточное вещество, а выполняющие, например, функции защиты организма от чужеродных факторов. К таким клеткам относятся лейкоциты. Все форменные элементы крови, а также все кровеносные сосуды образуются также из мезенхимы. Лекция 15(45) 42

Тема 14. Дифференцировка клеток Эктодерма и нервная ткань Схема развития из эктодермы нервной ткани: 1 – нервная пластинка, 2, 3 – нервный желобок, 4 – нервная трубка, 5 – нервные валики, 6 – спинной мозг, 7 – передний конец, где развивается головной мозг (Хэм, Кармак, 1982) • На ранней стадии развития зародыша в эктодерме, покрывающей его спинную сторону, образуется впадина, тянущаяся по средней линии вдоль всего зародыша (рис. ) – будущая нервная пластинка. • Постепенно эктодермальные клетки, составляющие нервную пластинку, опускаются и образуют нервный желобок. Края его приподнимаются, образуя нервные валики, которые затем срастаются, так что желобок превращается в трубку, лежащую под поверхностью эктодермы (рис. ). • Эта трубка тянется от головы до хвоста развивающегося зародыша. На головном конце стенки трубки утолщаются и из них развивается головной мозг. Остальная часть трубки до самого хвостового конца превращается в спинной мозг. Лекция 15(45) 43

Тема 14. Дифференцировка клеток Эктодерма и нервная ткань (продолжение) • Эктодермальные клетки стенки трубки дают начало нервным клеткам (нейронам, рис. ) и поддерживающим их клеткам – нейроглии. • По всей длине нервной трубки от области слияния краев нервных валиков обособляются небольшие массы нервной ткани, которые располагаются вдоль нервной трубки по обе ее стороны, превращаясь впоследствии в спинномозговые ганглии. Дифференцировка нейронов после детерминации медуллярного эпителия в нейробласт (первичная нервная клетка) (Свенсон, Уэбстер, 1980) • Происходит также миграция нервных клеток к определенным частям организма. Нервные волокна, отходящие от клеток нервной трубки и ганглиев, проникают в мезодерму, которая превращается в соединительную ткань. Здесь каждое нервное волокно окружается оболочкой из нежной соединительной ткани. Нервные волокна обычно объединяются в группы, образуя нервные стволы также покрытые оболочками. Лекция 15(45) 44

Тема 14. Дифференцировка клеток Дополнительная литература 1. Свенсон К. , , Уэбстер П. . Клетка, М. , Мир, 1980 2. Ченцов Ю. С. , Общая цитология, Изд. МГУ, 1978 3. Де. Робертис Е. , Новинский В. , Саэс Ф. , Общая цитология, ИИЛ, М. , 1962 4. Хэм А. , Кормак Д. , Гистология, т. 1, М. , Мир, 1982 5. Гёрдон Дж. Регуляция функции генов в развитии животных. М. , Мир, 1977 45