МЕХАНИЗМЫ КЛЕТОЧНОЙ ДИФФЕРЕНЦИРОВКИ

Дифференцировка – совокупность процессов, в результате которых между клетками общего происхождения возникают стойкие морфофизиологические и функциональные различия. Происходит не только в эмбриогенезе, но и во взрослом состоянии.

Проблема дифференцировки – одна из важнейших в биологии. В организмах высших позвоночных насчитывают на данный момент около 250 типов клеток (не считая клеток иммунной системы – их миллионы клонов со специфическими белками-антигенами). Более 60% из них возникают из эмбриональных эпителиев.

К настоящему времени установлено, что

• клеточная дифференцировка основана на синтезе специфических белков, т.е. клетки разных типов различаются хотя бы по одному белку (под специфичностью белка понимается специфичность первичной структуры).

Клеточные белки

Белки общего типа («домашнего хозяйства»): их большая часть. Обеспечивают собственную жизнедеятельность клетки. Даже по ним могут возникнуть различия: А) в количестве (уровни биохимических реакций); Б) у одного и того же белка могут существовать изомеры (например, изоферменты)

Узкоспециализированные белки («белки роскоши»): их меньшая часть. Они не только не нужны для жизнедеятельности клетки, но часто вредны, однако, позволяют клетке выполнять свою функцию. Примеры специфических белков у разных типов клеток: фибробласты – коллаген; покровный эпителий – кератин; миобласты – актин+миозин; фоторецепторы – опсин; эритроидные клетки – гемоглобин; эпителий пищеварительного трака – пепсин и трипсин; плазматоциты и др. клетки иммунной системы – иммуноглобулины и т.д.

Даже если дифференцировка клеток связана с углеводами (например, хондробласты), их синтез все равно зависит от белков-ферментов.

• Кроме белков дифференцировка клеток связана с клеточной мембраной и цитоскелетом. Клетку нельзя уподоблять мешку с белками, она часто имеет очень сложную надмолекулярную организацию.

Роль клеточной мембраны в дифференцировке

1. Основное свойство мембран – наличие специфических мембранных рецепторов (гликопротеины с углеводными хвостами, встроенные в липидный матрикс). Рецепторы меняют свою конформацию при контакте с соответствующими эффекторами (гормонами, витаминами, другими мембранами, вирусами и т.д.). Через мембрану эти изменения передаются в клетку, запуская каскады внутриклеточных реакций.

2. В состав мембран также входят ионные каналы (транспорт по градиенту) и ионные насосы (транспорт против градиента). Они очень подвижны: легко концентрируются, рассеиваются, деградируют, возникают заново. Таким образом, надмолекулярная организация мембран очень подвижна. В ней постоянно происходят встраивание элементов мембраны (экзоцитоз) и их деградация (эндоцитоз). Все эти процессы активно идут в дифференцирующихся клетках и обусловливают возникновение различий.

Роль цитоскелета в дифференцировке

Элементы цитоскелета: микротрубочки и микрофиламенты. Микротрубочки собираются и разбираются за несколько минут. Они поддерживают полярность клетки, способствуют определенному положению в клетке аппарата Гольджи, осуществляют транспорт некоторых белков. Микрофиламенты (актин, миозин и некоторые другие белки) осуществляют поддержание характерной формы клеток, передвижение внутри органных органелл и мембранных пузырьков. Например:

–дифференцировка всасывающих клеток эпителия кишечника и почек связана со сборкой мощных пучков актиновых микрофиламентов (образующих основу микроворсинок);

– у фоторецепторов под поверхностью каждой клетки упакованы сотни тысяч микроворсинок (взаимно перпендикулярных в соседних рядах).

Особо сложные типы клеточной дифференцировки, такие как образование стрекательной клетки – результат координированной активности мембраны, микротрубочек, клеточного центра, аппарата Гольджи, т.е. многих внутриклеточных структур.

Элементы цитоскелета связывают наружную мембрану клетки с ядерной мембраной и даже через поры проникают внутрь ядра.

Нити ДНК также прикреплены к внутренним участкам ядерной мембраны и «запоминают» свое положение в период митозов. Центромеры хромосом на протяжении всей интерфазы прикреплены к ядерной мембране и нередко ориентированы к одному из полюсов.

Группы генов в ДНК также расположены не случайно:

а) центроны (занимают центральные участки хромосом);

б) медоны (располагаются посередине между центром и краевыми участками);

в) телоны – находятся на краевых участках – теломерах. Например, гены р­РНК –телоны; других видов ДНК – центроны.

Таким образом, через рецепторы 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.

Первые научные гипотезы о механизме клеточной дифференцировки высказали в конце ХIХ в. Негели, В. Ру, А Вейсман.

1. Уровень соматических мутаций – непосредственные изменения в первичной структуре транскрибируемой ДНК. Действительно, были обнаружены примеры, когда различия в клеточных типах были обусловлены именно возникающими различиями в ДНК:

а) диминуция (открыта Т. Бовери) – отторжение части хроматина в соматических клетках у лошадиной аскариды (в половых этот хроматин сохраняется). Именно этот факт лег в основу теории зародышевой плазмы Вейсмана.

б) элиминация целых хромосом (например, у некоторых видов комаров у самцов в соматических клетках элиминируются три аутосомы и обе половые хромосомы, у самок – одна половая хромосома; у некоторых сумчатых в соматических клетках элиминируются половые хромосомы).

в) перестройка иммуноглобулиновых генов в связи с дифференцировкой В-лимфоцитов. Суть: разные участки генов кодирующих антитела, располагаются в разных участках ДНК. При дифференцировке лимфоцита промежутки между частями генов ДНК элиминируются, и они соединяются в целый ген, причем у разных типов лимфоцитов эти участки дают разные сочетания. Отсюда и многообразие антител.

г) инактивация одной из половых хромосом в соматических клетках (у мышей). Хромосома не элиминируется, но остаются неактивной.

д) инверсия (поворот) или перемещение определенных участков ДНК.

Таковы сравнительно немногочисленные примеры изменения первичной структуры ДНК, лежащие в основе возникновения различий между клетками. В целом же, геномы большинства соматических клеток эквивалентны (что доказано методом молекулярной гибридизации нуклеиновых кислот). Самым же ярким доказательством эквивалентности геномов дифференцированных клеток служат эксперименты по клонированию (пересадка ядер соматических клеток в энуклеированные яйцеклетки и получение организмов, идентичных донорскому).

Таким образом, разнообразие белков в разных клеточных типах определяется не изменениями ДНК.

2. Уровень транскрипции = дифференциальной активности генов.

При идентичной ДНК клетки могут различаться по набору i- (m-) РНК. Это происходит, если некоторые гены (различные в разных клетках) будут закрыты для транскрипции, а другие – открыты.

Известно, что количество активно работающих генов уменьшается по ходу развития. Например, у позвоночных в ооцитах проявляют хотя бы слабую активность от 70 до 100% генов, а в дифференцированных клетках не более 20%.

Доказано, что существуют строгие временные и пространственные правила экспрессии генов, тесно связанные с формирующимся планом строения зародыша. При этом действует общая закономерность: развитие идет от общего к частному. Обнаружены гены, экспрессия которых обеспечивает общий план строения эмбриона. Белки, которые они кодируют, располагаются в ядре и регулируют транскрипцию других генов в ходе онтогенеза. Это гены гомеобокса (=сегментации) и гены гомейозиса.