Цитология

Ключевые понятия цитологии: дифференцировка, стволовые клетки, тотипотентность клеток и ядер

Дифференцировка клеток. В организме человека сегодня выделяют более 200 разнообразных клеточных типов, различающихся по выполняемым функциям и особенностям организации. Вспомним простые примеры дифференцированных клеток: клетки эпителия, нервной, мышечной и соединительной ткани (рис. 1.3). Среди них есть и безъядерные клетки – эритроциты млекопитающих, в том числе и человека. Эти эукариотические клетки в процессе созревания утратили ядро, а с ним и способность к делению. Разнообразие клеток многоклеточных организмов связано с тем разнообразием специфических функций, которые выполняют клетки. Процесс, который приводит к образованию узкоспециализированных клеток со специфическими структурами, называется дифференцировкой.

Рис. 1.3. Морфологическое разнообразие дифференцированных клеток животных. 1 – клетка печени аксолотля; 2 – нейрон спинного мозга собаки; 3 – эритроциты лягушки; 4 – эритроциты человека; 5 – многоядерная поперечно-полосатая мышечная клетка языка кролика в продольном сечении; 6 – фибробласт соединительной ткани.

Дифференцировка – это сложный и часто длительный процесс. Клетка постепенно меняет форму, в ней изменяется состав органоидов, некоторые из которых могут размножаться, например митохондрии. Другие органоиды в процессе дифференцировки могут утрачиваться. Например, в цитоплазме зрелого эритроцита млекопитающих остаются только рибосомы, поэтому на препаратах под световым микроскопом в цитоплазме этих клеток отсутствует зернистость. В мышечных клетках постепенно исчезает кажущаяся хаотичность расположения клеточных структур, органоиды ориентируются правильными рядами. В процессе дифференцировки возможно изменение поверхности клеток. Плазматические мембраны соседних клеток могут образовывать специализированные клеточные контакты, например синаптические контакты между нейронами.

Как же возникают разнообразные клеточные типы в многоклеточном организме? За редким исключением все клетки многоклеточного организма содержат одинаковый набор генов, однотипную генетическую информацию. Например, у человека в каждой клетке присутствуют около 30 000 генов. На современном этапе развития клеточной и молекулярной биологии, генетики, эмбриологии считается, что индивидуальное развитие от одной оплодотворенной яйцеклетки до многоклеточного организма с большим разнообразием клеток – результат сложного взаимодействия клеток и регуляции работы генов. Обычно в дифференцированной клетке работает 15–20 % генов, характерных для клеток с конкретной специализацией. Остальные гены находятся в неактивном состоянии. В организме присутствуют механизмы, регулирующие работу генов. Если научиться управлять ими, можно регулировать процесс дифференцировки. Современная наука близка к этому.

Стволовые клетки. Очень часто процесс дифференцировки приводит к тому, что клетки утрачивают способность делиться. Дифференцированные клетки функционируют какое-то время, потом погибают, причем их гибель происходит по заданной программе, которая тоже регулируется генетически. Например, продолжительность жизни эритроцитов человека около 120 суток, а эпителиальных клеток тонкого кишечника – не более нескольких дней. Есть клетки, продолжительность жизни которых соответствует жизни индивидуума, например нейроны. Но, как теперь стало известно, при травмах и патологических состояниях состав нейронов тоже может пополняться, хотя бы частично. Таким образом, в каждом органе, в каждом типе ткани присутствуют недифференцированные или мало дифференцированные клетки, которые способны к делению. За счет таких клеток ткани и органы обновляются в течение всей жизни. Исходные клетки в обновляющихся тканях животных называются стволовыми. Стволовые клетки индивидуальны для каждого типа ткани. Их особенность не только в том, что они не дифференцированы, но и в том, что они самоподдерживаются. После деления стволовой клетки митозом образуются две идентичные клетки, одна из которых остается в популяции стволовых клеток, а другая начинает дифференцироваться. Благодаря такому механизму популяция стволовых клеток в каждом типе ткани сохраняется в течение всей жизни.

Название «стволовые (родоначальные) клетки» было предложено русским ученым А. А. Максимовым в 1909 г. Большую роль в исследовании стволовых клеток сыграли работы российских ученых – А. Я. Фриденштейна, Н. Г. Хрущева и сотрудников.

Принято разделять стволовые клетки на эмбриональные (выделяют из эмбрионов на ранней стадии развития, когда еще нет ни тканей, ни закладок органов) и региональные стволовые клетки, которые выделяют из органов взрослых особей или органов эмбрионов более поздних стадий.

У растений обновление тканей и органов происходит иначе – за счет меристемы, которая закладывается на эмбриональной стадии развития и сохраняется в различных частях растения в течение его жизни. Кроме того, у растений способность к делению сохраняют малодифференцированные клетки большинства живых зрелых тканей.

Полипотентность и тотипотентность клеток. Обычно в составе ткани или органа функционируют несколько клеточных типов. Вспомним хотя бы клеточный состав крови: эритроциты, лимфоциты, лейкоциты, тромбоциты. Все эти разнообразные клетки образуются в процессе дифференцировки из одной стволовой кроветворной клетки, которая находится в красном костном мозге плоских и трубчатых костей. Таким образом, стволовая клетка – родоначальница клеток крови – может дифференцироваться в разных направлениях. В таких случаях говорят, что стволовые клетки полипотентны, то есть они могут дифференцироваться в нескольких направлениях. Другой пример полипотентности – нейрональные стволовые клетки, обнаруженные недавно в некоторых отделах головного мозга, они могут превращаться в клетки, входящие в состав ткани головного мозга: нейроны, астроциты и олигодендроциты. Не все стволовые клетки обладают таким свойством. Клетки – предшественники поперечно-полосатых мышечных клеток проходят дифференцировку только в одном направлении, они сливаются и преобразуются в гигантские сократительные мышечные волокна.

Существуют стволовые клетки, которые могут дифференцироваться в любом направлении. Из них могут получиться и нейроны, и эпителиальные, и мышечные, и любые другие типы клеток. О таких стволовых клетках говорят, что они тотипотенты. Тотипотентные стволовые клетки называются эмбриональными стволовыми клетками и находятся в определенных участках развивающегося эмбриона. Ученые разработали методы получения таких клеток и выращивания их в перевиваемой клеточной культуре. Клеточные культуры тотипотентных эмбриональных стволовых клеток служат прекрасной моделью для изучения процесса дифференцировки. Предполагается, что в перспективе эмбриональные стволовые клетки можно будет использовать для лечения больных, получивших тяжелые травмы головного и спинного мозга, перенесших инфаркты и другие тяжелые заболевания, связанные с поражением тканей, которые при обычном лечении очень плохо восстанавливаются.

Во всех ядрах клеток, даже дифференцированных, хранится генетическая информация, которая должна обеспечить специализацию клеток в любом направлении. Но ядро находится под воздействием цитоплазмы, гормонов, разнообразных сигнальных молекул и определенного клеточного окружения. Это приводит к тому, что большая часть генетической информации присутствует, но не функционирует, находится в неактивном состоянии. Ученые исследуют, каким образом можно активировать гены, находящиеся в ядре, создавая определенные искусственные условия. Такие работы начали проводить со второй половины XX в. Широко известным примером успешных шагов в этом направлении может служить клонированная овца по кличке Долли. Ее вырастили из неоплодотворенной яйцеклетки, у которой ее собственное ядро заменили на ядро высокодифференцированной клетки эпителиального происхождения из молочной железы другой овцы. Подобных экспериментов было проведено много с разнообразными представителями домашних животных. Все эти исследования показывают, что ядра дифференцированных клеток животных и растений обладают свойством тотипотентности, и проявляться это свойство может в искусственно созданных экспериментальных условиях.

Репродуктивное клонирование встречается с множеством этических, религиозных, юридических проблем, которые в настоящее время еще не имеют решения. В некоторых государствах работы по репродуктивному клонированию запрещены на законодательном уровне.

Вопросы

1. Что такое дифференцировка?

2. Приведите примеры дифференцированных клеток. Почему вы считаете, что это дифференцированные клетки?

3. Что такое стволовые клетки? В чем их особенность?

4. Объясните понятия: полипотентность и тотипотентность клеток. Приведите примеры.