Клетки не дифференцированы. Дифференцировка клеток

Роль ядра и цитоплазмы в клеточной дифференциации Как возникают разнообразные типы клеток в многоклеточном организме Известно что организм человека развившийся всего из 1 исходной клетки – зиготы содержит более 100 различных типов клеток. Современная биология на базе представлений эмбриологии молекулярной биологии и генетики считает что индивидуальное развитие от одной клетки до многоклеточного зрелого организма – результат последовательного избирательного включения в работу разных генных участков хромосом в различных клетках....

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

Лекция №8

ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ КЛЕТОК

Дифференциация клеток.

Роль ядра и цитоплазмы в клеточной дифференциации

Как возникают разнообразные типы клеток в многоклеточном организме? Известно, что организм человека, развившийся всего из 1 исходной клетки – зиготы, содержит более 100 различных типов клеток. Каким образом возникает это разнообразие, сегодня до конца не ясно, так как еще мало конкретных данных, касающихся анализа путей появления тех или иных клеточных типов.

Современная биология на базе представлений эмбриологии, молекулярной биологии и генетики считает, что индивидуальное развитие от одной клетки до многоклеточного зрелого организма – результат последовательного, избирательного включения в работу разных генных участков хромосом в различных клетках. Это приводит к появлению клеток со специфическими для них структурами и особыми функциями, то есть к процессу, называемому дифференциацией .

Дифференциация – это возникновение из однородных клеток в течение индивидуального развития большого разнообразия клеточных форм, отличающихся по строению и функциям. Проявляющиеся в процессе дифференциации различия сохраняются клетками при размножении, то есть оказываются наследственно закрепленными (например, клетки печени при размножении дают только клетки печени, а мышечные клетки – только мышечные и т.д.).

Наиболее отчетливым признаком цитодифференциации является развитие цитоплазматических структур, связанных с функцией клеток и обусловливающих их специализацию (то есть органоидов специального назначения). Например, в клетках мышечной ткани образуются миофибриллы, которые и обеспечивают функцию сокращения. В клетках кожного эпителия – тонофибриллы, а затем поверхностные слои клеток ороговевают (белок кератогиалин превращается кератин) и отмирают. В эритроцитах синтезируется гемоглобин, затем клетки утрачивают ядра, а зрелые эритроциты после длительного периода функционирования погибают и заменяются новыми.

Все эти примеры указывают на конечные признаки дифференциации. Начальные же этапы проявления этих признаков удается обнаружить далеко не всегда, и состоят они в синтезе новых, ранее отсутствовавших в клетке белков. Например, специфические мышечные белки (актин и миозин) синтезируются в одноядерных клетках, которые затем сливаются, образуя симпласт, и уже в нем обнаруживаются миофибриллы. Даже используя электронный микроскоп, выявить момент начала синтеза новых белков удается не всегда.

В настоящее время доказано, что никогда в ядре не функционирует весь геном. Дифференцировка – это результат избирательной активности разных генов в клетках по мере развития многоклеточного организма.

Следовательно, можно утверждать, что любая клетка многоклеточного организма обладает одинаковым полным фондом генетического материала, всеми возможностями для проявления этого материала, но в разных клетках одни и те же гены могут находиться или в активном, или в репрессированном состоянии.

Это представление базируется на большом экспериментальном материале. Доказано, что целостное растение может быть получено из одной его соматической клетки. Этот метод получил название клонирование организмов . Опыты по клонированию животных первоначально проводились на примере земноводных: ядро зиготы у лягушек разрушали ультра-фиолетовыми лучами, на его место внедряли ядро из клетки кишечника, и в результате получали новый организм, абсолютно идентичный материнскому. Чем выше уровень организации организмов, тем труднее осуществить их клонирование. У млекопитающих этот процесс находится в стадии активного изучения, проводятся успешные опыты на мышах, на некоторых сельскохозяйственных животных.

Из этого вытекает, что клетки многоклеточных организмов обладают полным набором генетической информации, свойственной для данного организма, и в этом отношении они равнозначны. В этом состоит правило генетической тождественности клеток в пределах организма .

Но, как и в любом правиле, в нем имеются исключения: иногда при дифференцировке происходит количественное изменение генетического материала. Так, при дроблении яиц аскариды клетки, дающие начало соматическим тканям, теряют часть хромосомного материала, т.е. происходит деминуция: вместо 40 хромосом остается всего 8 хромосом. Сходный процесс описан у насекомых-галлиц (отр. Двукрылые), у которых число хромосом при деминуции уменьшается вдвое (с 32-х до 16-ти).

Эти примеры наглядно иллюстрируют роль цитоплазмы при дифференциации клеток. Если в случае с аскаридой предварительно отцентрифугировать яйцеклетки, то все компоненты цитоплазмы перемешиваются и при первом делении попадают в оба бластомера. При этом деминуции хромосом не происходит, то есть исчезает ядерная дифференциация.

У насекомых-галлиц деминуция происходит во всех ядрах, кроме одного, которое попадает в собранную у нижнего полюса зиготы плазму, богатую РНК. При облучении зародышевой плазмы ультрафиолетовыми лучами происходит разрушение РНК, при этом ядро претерпевает деминуцию вместе с другими ядрами зародыша, и развивается нормальное насекомое, но только стерильное, так как половые клетки не формируются.

Однако, первостепенную роль в дифференциации играет ядро. Роль ядра в дифференциации клеток можно показать на двух примерах.

I . Гигантская морская одноклеточная водоросль ацетабулярия имеет сложное строение. Она состоит из ризоида, в котором помещается ядро, стебелька до 5 см длиной и шапочки. Есть два вида ацетабулярии, которые отличаются формой шапочки: у первого вида длинный стебелек и шапочка в виде блюдца; у другого вида короткий стебелек и розетковидная шапочка.

На ризоид второго вида был пересажен стебелек с шапочкой первого вида. Через некоторое время шапочка удалялась и регенерировала шапочка розетковидной формы, т.е. признаки ее определялись ядром.

II . Опыты Б.Л. Астаурова над тутовым шелкопрядом.

Облучая яйцеклетки большими дозами рентгеновских лучей и активируя их после оплодотворения температурным воздействием, удалось не только разрушить ядро яйцеклетки, но и индуцировать андрогенез, то есть развитие особей за счет слияния 2-х ядер сперматозоидов (для тутового шелкопряда характерна полиспермия). В результате развивались личинки, обладавшие только отцовскими признаками.

Из этих опытов, поставленных на совершенно различных организмах, следует, что общие признаки организма, в том числе и видовые, определяются ядром, и ядро содержит всю необходимую информацию, обеспечивающую развитие организма.

В общей форме, вероятно, наиболее приемлема теория Т. Моргана, согласно которой сначала ядро воздействует на цитоплазму и программирует белковый синтез, а затем цитоплазма влияет на ядро, избирательно блокируя ряд генов, которые до этого функционировали. Цитоплазма, получившая определенную информацию, репрессирует все гены, которые не должны работать в данный момент.

Эмбриональная индукция

Второй системой (помимо генов), обеспечивающей правильное развитие организма и дифференциацию его клеток, являются индуцирующие механизмы (воздействие внешних факторов) и, прежде всего, эмбриональная индукция.

Эмбриональная индукция – это взаимодействие между частями развивающегося организма у многоклеточных беспозвоночных и всех хордовых, в процессе которого одна часть – индуктор, приходя в контакт с другой частью – реагирующей системой , определяет направление развития последней.

Эмбриональная индукция открыта в 1901 г. Х. Шпеманом на примере развития зародыша земноводных. Он установил, что для образования у этих животных нервной пластинки из эктодермы гаструлы необходим контакт эктодермы с хордомезодермальным зачатком. Клетки этого зачатка выделяют химические вещества, которые диффундируют в клетки эктодермы и заставляют их превращаться в нервные клетки. Вопрос о химической природе индуктора окончательно не решен до сих пор. Скорее всего, это могут быть белки, РНК, рибонуклеопротеиды и т.п.

Для осуществления эмбриональной индукции необходимо:

1) чтобы клетки реагирующей системы обладали компетенцией, то есть способностью реагировать на индуктор; она сохраняется только на некоторое время;

2) индуктор должен выделяться в определенное время и распространяться на определенный участок реагирующей системы;

3) действие индуктора должно продолжаться какое-то минимальное время, чтобы реагирующая система успела отреагировать.

Действие индукторов лишено видовой специфичности, т.е. действие собственных индукторов может быть заменено в эксперименте чужеродными, при этом результат будет тот же. Например, один из индукторов белкового характера, выделенный из куриных зародышей, вызывает аналогичные изменения и в зародыше земноводных.

Старение и смерть клетки

Наиболее подходящим объектом для изучения процессов старения на клеточном уровне являются клетки, утратившие способность к делению еще в эмбриональном периоде развития организма. К такому типу клеток относятся клетки нервной системы, скелетных мышц, миокарда. Продолжительность жизни этих клеток равна продолжительности жизни организма.

При сравнении клеток молодого организма с гомологичными клетками организмов более старшего возраста обнаруживается ряд изменений, которые с основанием могут считаться признаками старения. Для удобства изучения эти признаки можно разделить на несколько групп.

I . Морфологические признаки:

1) кариопикноз , то есть уменьшение ядра в объеме и его уплотнение;

2) стирание границ между клетками;

3) вакуолизация цитоплазмы;

4) увеличение количества амитозов.

II . Физико-химические признаки:

1) уменьшение степени дисперсности коллоидов цитоплазмы и ядра;

2) увеличение вязкости цитоплазмы и кариоплазмы;

3) более легкая коагуляция внутриклеточных белков при действии на них спирта, растворов солей.

III . Биохимические признаки:

1) накопление в цитоплазме оранжево-желтого пигмента липофу-сцина (это продукт окисления ненасыщенных липидов);

2) уменьшение содержания воды в клетке;

3) снижение активности ферментов;

4) увеличение содержания холестерина;

5) уменьшение содержания белка лецитина.

IV . Функциональные признаки:

1) понижается интенсивность внутриклеточного дыхания;

2) угнетается биосинтез белка;

3) увеличивается устойчивость клеток к действию различных пов-реждающих агентов.

Смерть клетки наступает в результате действия повреждающих факторов, при старении, а также в результате накопления в цитоплазме специализированных продуктов синтеза, как это наблюдается у клеток голокриновых желез.

В некоторых случаях переход клетки от жизни к смерти происходит очень быстро, (например, при действии повреждающих факторов высокой интенсивности). Тогда структурные и метаболические изменения клетки произойти не успевают, и клетка сохраняет почти в неизменном виде свою структуру. Если же процесс умирания затягивается, наблюдается ряд изменений, которые называются некротическими:

1) происходит угнетение функций митохондрий, нарушение окислительного фосфорилирования и активация гликолиза;

2) наблюдается нарушение гомеостатических свойств клетки, т.е. рН сдвигается в кислую сторону, соли, метаболиты освобождаются и переходят из клетки в окружающую среду;

3) в результате подкисления и изменения электролитного состава клетки происходит денатурация внутриклеточных белков;

4) вследствие выше перечисленных процессов разрушаются мембраны лизосом, освобождаются гидролитические ферменты, которые начинают свою разрушительную работу; они вызывают гидролиз белков, углеводов, жиров, ДНК и разрушают внутриклеточные структуры;

5) ядро умирающей клетки распадается на отдельные фрагменты (кариорексис ), которые затем растворяются (кариолизис ).

Гибель организма, как правило, происходит в результате смерти некоторой небольшой группы жизненно важных клеток, и после смерти организма многие его клетки остаются еще живыми и функционально полноценными.

Нарушения дифференциации клеток, ведущие

к патологическим изменениям. Злокачественный рост

Как отдельные клетки, так и целые многоклеточные организмы могут подвергаться различным воздействиям, которые приводят к их структурно-функциональным изменениям, к нарушениям их жизненных функций, т.е. к патологии.

Изучение различных патологических изменений клетки имеет большое прикладное значение, так как прямо связано с задачами медицины. Кроме того, изучение типов клеточного поражения, процессов их развития, способности клеток к репаративным процессам имеет большое общебиологическое значение, раскрывая пути взаимосвязи и регуляции между отдельными клеточными компонентами. Современная биология рассматривает клетку как единую, комплексную интегрированную систему, где отдельные функции взаимосвязаны и сбалансированы друг с другом.

Таким образом, первичное нарушение любой общеклеточной функции непременно вызовет цепь взаимосвязанных внутриклеточных событий. Это можно показать на следующем примере. Под действием алкоголя происходит набухание митохондрий и нарушение их функций, вследствие этого наблюдается недостаток АТФ и затухание синтеза белков. Из-за недостатка ферментов и структурных белков происходит падение синтеза РНК и ДНК, нарушение проницаемости мембран. Это влечет за собой набухание клетки, а затем гибель органоидов и клетки в целом.

В зависимости от интенсивности поражения, его длительности и характера, судьба клетки может быть различна. Такие измененные клетки:

1) или адаптируются, приспосабливаются к повреждающему фактору;

2) или могут репарировать повреждения и реактивироваться после снятия повреждающего воздействия;

3) или могут измениться необратимо и погибнуть.

Но к патологическим процессам на клеточном уровне относятся не только явления, связанные с деструкцией, разрушением клеток. Другой, не менее важный, уровень клеточной патологии – изменение регуляторных процессов. Это могут быть нарушения регуляции обменных процессов, приводящие к отложению различных веществ (например, «жировое перерождение тканей», патологическое отложение и накопление гликогена). Или же это могут быть нарушения дифференцировки, одним из которых является опухолевый рост.

Опухолевые клетки характеризуются следующими свойствами:

1. Безудержность, неограниченность размножения. У них практически отсутствует ограничение числа делений, в то время как нормальные клетки ограничены в своих делениях. Скорость самого процесса деления опухолевых клеток равна скорости митоза нормальных клеток, сокращается продолжительность интерфазы.

2. Нарушение уровня дифференцированости, изменение морфологии клеток. Это значит, что опухолевые клетки характеризуются более низким уровнем специализации, дифференцировки, чем исходные нормальные. Это размножающиеся клетки, остановившиеся на определенной стадии развития, как бы «недозрелые». Степень такой «недозрелости» опухолевых клеток может быть очень различной в одной и той же опухоли, что создает многообразие, полиморфность ее клеточного состава. Такой полиморфизм связан, кроме того, с тем, что в составе опухоли находятся как размножающиеся, так и дегенерирующие клетки.

3. Относительная автономность от регуляторных влияний со стороны организма. Эта особенность заключается в том, что опухолевые клетки не подчиняются регуляторным влияниям всего организма. В здоровом организме это влияние осуществляется на разных уровнях: межклеточном, межтканевом, гормональном, нервном. Степень опухолевой автономности может быть различна для разных опухолей. Так, рост некоторых опухолей может контролироваться со стороны эндокринной системы организма, другие опухоли растут вне зависимости от нее.

4. Способность к метастазированию. Вышеописанная автономизация опухолевых клеток позволяет им жить практически в любых участках организма. Отдельные опухолевые клетки могут с помощью тока крови или лимфы быть перенесены на новые места, там начать размножаться, давать новую колонию клеток, то есть метастазы. В этом отношении опухолевые клетки используют организм как какой-то субстрат, необходимый им для размножения и роста.

Таким образом, в отношении различных синтетических процессов, размножения, то есть по основным клеточным функциям, опухолевые клетки нельзя назвать «больными»; их патологичность – в неуправляемости и в ограничении способности к специализации. Это как бы клетки-«идиоты», вполне способные к размножению, но остановившиеся на «детских» стадиях развития.

Все эти свойства клетки сохраняют из поколения к поколению, то есть свойства злокачественности являются наследственной особенностью таких клеток. Поэтому раковые клетки часто сравнивают с мутантами – клетками, обладающими измененной генетической структурой. Возникновение раковой мутации объясняют по-разному.

Одни исследователи считают, что в результате мутации клетка утрачивает какие-то факторы (например, гены-регуляторы), необходимые для дифференцировки.

По другим представлениям, эти факторы не потеряны, а блокированы либо какими-то веществами, либо вирусами, материал которых остается в клетках в скрытом виде в течение многих клеточных поколений.

В любом случае для клетки результат будет один и тот же, независимо от того, утратит ли она те или иные гены-регуляторы, будут ли эти гены блокированы или клетка приобретает дополнительную генетическую информацию вирусной природы, в ней происходит изменение генома, соматическая мутация, выражающаяся в нарушении дифференцировки клетки и приобретении ею свойств злокачественности.

Дифференциация - это стойкое структурно-функциональное преобразование клеток в различные специализированные клетки. Дифференцировка клеток биохимически связана с синтезом специфических белков, а цитологически - с образованием специальных органелл и включений. При дифференцировке клеток происходит избирательная активация генов. Важным показателем клеточной дифференцировки является сдвиг ядерно-цитоплазменного отношения в сторону преобладания размеров цитоплазмы над размером ядра. Дифференцировка происходит на всех этапах онтогенеза. Особенно отчетливо выражены процессы дифференциации клеток на этапе развития тканей из материала эмбриональных зачатков. Специализация клеток обусловлена их детерминацией.

Детерминация - это процесс определения пути, направления, программы развития материала эмбриональных зачатков с образованием специализированных тканей. Детерминация может быть оотипической (программирующей развитие из яйцеклетки и зиготы организма в целом), зачатковой (программирующей развитие органов или систем, возникающих из эмбриональных зачатков), тканевой (программирующей развитие данной специализированной ткани) и клеточной (программирующей дифференцировку конкретных клеток). Различают детерминацию: 1) лабильную, неустойчивую, обратимую и 2) стабильную, устойчивую и необратимую. При детерминации тканевых клеток происходит стойкое закрепление их свойств, вследствие чего ткани теряют способность к взаимному превращению (метаплазии). Механизм детерминации связан со стойкими изменениями процессов репрессии (блокирования) и экспрессии (деблокирования) различных генов.

Клеточная гибель - широко распространенное явление как в эмбриогенезе, так и в эмбриональном гистогенезе. Как правило, в развитии зародыша и тканей гибель клеток протекает по типу апоптоза. Примерами программированной гибели являются гибель эпителиоцитов в межпальцевых промежутках, гибель клеток по краю срастающихся небных перегородок. Программированная гибель клеток хвоста происходит при метаморфозе личинки лягушки. Это примеры морфогенетической гибели. В эмбриональном гистогенезе также наблюдается гибель клеток, например при развитии нервной ткани, скелетной мышечной ткани и др. Это примеры гистогенетической гибели. В дефинитивном организме путем апоптоза погибают лимфоциты при их селекции в тимусе, клетки оболочек фолликулов яичников в процессе их отбора для овуляции и др.

Понятие о диффероне . По мере развития тканей из материала эмбриональных зачатков возникает клеточное сообщество, в котором выделяются клетки различной степени зрелости. Совокупность клеточных форм, составляющих линию дифференцировки, называют диффероном, или гистогенетическим рядом. Дифферон составляют несколько групп клеток: 1) стволовые клетки, 2) клетки-предшественники, 3) зрелые дифференцированные клетки, 4) стареющие и отмирающие клетки. Стволовые клетки - исходные клетки гистогенетического ряда - это самоподдерживающаяся популяция клеток, способных дифференцироваться в различных направлениях. Обладая высокими пролиферативными потенциями, сами они (тем не менее) делятся очень редко.

Клетки-предшественники (полустволовые, камбиальные) составляют следующую часть гистогенетического ряда. Эти клетки претерпевают несколько циклов деления, пополняя клеточную совокупность новыми элементами, и часть из них затем начинают специфическую дифференцировку (под влиянием факторов микроокружения). Это популяция коммитированных клеток, способная дифференцироваться в определенном направлении.

Зрелые функционирующие и стареющие клетки завершают гистогенетический ряд, или дифферон. Соотношение клеток различной степени зрелости в дифферонах зрелых тканей организма неодинаково и зависит от основных закономерных процессов физиологической регенерации, присущих конкретному виду ткани. Так, в обновляющихся тканях обнаруживаются все части клеточного дифферона - от стволовой до высокодифференцированной и гибнущей. В типе растущих тканей преобладают процессы роста. Одновременно в ткани присутствуют клетки средней и конечной частей дифферона. В гистогенезе митотическая активность клеток постепенно снижается до низкой или крайне низкой, наличие стволовых клеток подразумевается только в составе эмбриональных зачатков. Потомки стволовых клеток некоторое время существуют как пролиферативный пул ткани, но их популяция быстро расходуется в постнатальном онтогенезе. В стабильном типе тканей имеются лишь клетки высокодифференцированной и гибнущей частей дифферона, стволовые клетки обнаруживаются лишь в составе эмбриональных зачатков и полностью расходуются в эмбриогенезе.

Изучение тканей с позиций их клеточно-дифферонного состава позволяет различать монодифферонные - (например, хрящевая, плотная оформленная соединительная и др.) и полидифферонные (например, эпидермис, кровь, рыхлая волокнистая соединительная, костная) ткани. Следовательно, несмотря на то, что в эмбриональном гистогенезе ткани закладываются как монодифферонные, в дальнейшем большинство дефинитивных тканей формируются как системы взаимодействующих клеток (клеточных дифферонов), источником развития которых являются стволовые клетки разных эмбриональных зачатков.

Ткань - это фило- и онтогенетически сложившаяся система клеточных дифферонов и их неклеточных производных, функции и регенераторная способность которой определяется гистогенетическими свойствами ведущего клеточного дифферона.

Ткань является структурным компонентом органа и в то же время частью одной из четырех тканевых систем - покровных, тканей внутренней среды, мышечных и невральных.

Дифференцировка - это процесс, в результате которого клетка становится специализированной, т.е. приобретает химические, морфологические и функциональные особенности. В самом узком смысле - это изменения, происходящие в клетке на протяжении одного, нередко терминального, клеточного цикла, когда начинается синтез главных, специфических для данного клеточного типа, функциональных белков (схема 8.1). Примером может служить дифференцировка клеток эпидермиса кожи человека, при которой в клетках, перемещающихся из базального в шиповатый и затем последовательно в другие, более поверхностные слои, происходит накопление кера- тогиалина, превращающегося в клетках блестящего слоя в элеидин, а затем в роговом слое - в кератин. При этом изменяются форма клеток, строение клеточных мембран и набор органоидов. На самом деле дифференцируется не одна клетка, а группа сходных клеток. Примеров можно привести множество, так как в организме человека насчитывают порядка 220 различных типов клеток. Фибробласты синтезируют коллаген, миобласты - миозин, клетки эпителия пищеварительного тракта - пепсин и трипсин.

В более широком смысле под дифференцировкой понимают постепенное (на протяжении нескольких клеточных циклов) возникновение все больших различий и направлений специализации между клетками, происшедшими из более или менее однородных клеток одного исходного зачатка. Этот процесс непременно сопровождают морфогенетические преобразования, т.е. возникновение и дальнейшее развитие зачатков определенных органов в дефинитивные органы. Первые химические и морфогенетические различия между клетками, обусловливаемые самим ходом эмбриогенеза, обнаруживаются в период гаструляции.

Процесс, в результате которого отдельные ткани в ходе дифферен- цировки приобретают характерный для них вид, называют гистогенезом. Дифференцировка клеток, гистогенез и органогенез совершаются в совокупности, причем в определенных участках зародыша и в определенное время. Это очень важно, потому что указывает на координированность и интегрированность эмбрионального развития.

Необходимо понять, каким образом клетки, обладающие чаще всего одинаковыми кариотипом и генотипом, дифференцируются и участвуют в гисто- и органогенезе в необходимых местах и в определенные сроки соответственно целостному «образу» данного вида организмов. Осторожность при выдвижении положения о том, что

Глава 8. Закономерности индивидуального развития организмов Схема 8.1. Дифференцировка мезодермы

наследственный материал всех соматических клеток абсолютно идентичен, отражает объективную реальность и историческую неоднозначность в трактовке причин клеточной дифференцировки. Развитие представлений о механизмах цитодифференцировки изображено на схеме 8.2.

В. Вейсман выдвинул гипотезу (конец XIX в.) о том, что только линия половых клеток несет в себе и передает потомкам всю информацию своего генома. Соматические клетки, по его мнению, могут отличаться от зиготы и друг от друга количеством наследственного материала и поэтому дифференцироваться в разных направлениях.

Позже были обнаружены примеры изменения количества наследственного материала в соматических клетках как на геномном, так и на хромосомном и генном уровнях. Описаны случаи элиминации целых хромосом у циклопа, комара и у одного из представителей сумчатых. У последних из соматических клеток самки элиминируется Х-хромосома, а из клеток самца - Y-хромосома. В результате соматические клетки у них содержат только по одной Х-хромосоме, а в линии половых клеток сохраняются нормальные кариотипы: XX или XY.

Схема 8.2. Развитие представлений о механизмах цитодифференцировки

В политенных хромосомах слюнных желез двукрылых ДНК может синтезироваться несинхронно, например при политенизации гетерохроматиновые участки реплицируются меньшее число раз, чем эухроматиновые. Сам процесс политенизации, напротив, приводит к значительному увеличению количества ДНК в дифференцированных клетках по сравнению с родоначальными клетками.

Такой механизм репликации ДНК, как амплификация, также приводит к многократному увеличению количества некоторых генов в одних клетках по сравнению с другими. В овогенезе многократно увеличивается число рибосомальных генов, могут амплифициро- ваться и некоторые другие гены. Имеются данные о том, что в некоторых клетках в процессе дифференцировки происходит перестройка генов, например иммуноглобулиновых генов в лимфоцитах.

Однако в настоящее время общепризнанной является точка зрения, ведущая начало от Т. Моргана, который, опираясь на хромосомную теорию наследственности, предположил, что диффе- ренцировка клеток в процессе онтогенеза является результатом последовательных реципрокных (взаимных) влияний цитоплазмы и меняющихся продуктов активности ядерных генов. Таким образом, впервые прозвучала идея о дифференциальной экспрессии генов

как основном механизме цитодифференцировки. В настоящее время собрано много доказательств того, что в большинстве случаев соматические клетки организмов несут полный диплоидный набор хромосом, а генетические потенции ядер соматических клеток могут сохраняться, т.е. гены не утрачивают потенциальной функциональной активности.

Рис. 8.6.

1 - срез корня в питательной среде, 2 - профилирующие клетки в культуре, 3 - клетка, изолированная из культуры, 4 - ранний зародыш, 5 - более поздний зародыш, 6 - молодое растение, 7-взрослое растение

Сохранение полного хромосомного набора развивающегося организма обеспечивается, прежде всего, механизмом митоза. О сохранении генетических потенций ядер соматических клеток можно судить по результатам опытов, проведенных над растениями и животными. Прошедшая длительный путь дифференцировки соматическая клетка моркови способна развиваться в полноценный организм (рис. 8.6). У животных отдельные соматические клетки после стадии бластулы, как правило, не способны развиваться в целый нормальный организм, но их ядра, будучи пересажены в цитоплазму овоцита или яйцеклетки, начинают вести себя соответственно той цитоплазме, в которой они оказались.

Опыты по пересадке ядер соматических клеток в яйцеклетку впервые были успешно осуществлены в 1950-х гг. в США, а в 1960- 1970-х гг. получили широкую известность опыты английского ученого Дж. Гёрдона. Используя африканскую шпорцевую лягушку Xenopus laevis , он в небольшом проценте случаев получил развитие взрослой лягушки из энуклеированной яйцеклетки, в которую пересаживал ядро из эпителиальной клетки кожи лягушки или кишечника головастика, т.е. из дифференцированной клетки (см. рис. 5.3). Энуклеацию яйцеклетки проводили большими дозами ультрафиолетового облучения, что приводило к инактивации ее ядра. Для доказательства того, что в развитии зародыша участвует пересаженное ядро соматической клетки, применили генетическое маркирование. Яйцеклетку брали из линии лягушек с двумя ядрышками в ядре, а ядро клетки донора - из линии, имеющей в ядрах только одно ядрышко вследствие гетерозиготности по делеции ядрышкового организатора. Все ядра в клетках особи, полученной в результате трансплантации ядра, имели только одно ядрышко.

Вместе с тем опыты Гёрдона обнаружили многие другие важнейшие закономерности. Во-первых, они еще раз подтвердили предположение Т. Моргана о решающем значении взаимодействия цитоплазмы и ядра в жизнедеятельности клеток и развитии организма. Во-вторых, в многочисленных экспериментах было показано, что чем старше стадия зародыша-донора, из клеток которого брали ядро для пересадки, тем в меньшем проценте случаев развитие оказывалось полностью завершенным, т.е. достигало стадий головастика, а затем лягушки.

Рис. 8.7. Зависимость успеха пересадки ядер из дифференцированной клетки в яйцеклетку от возраста донора (I - VI) ядра.

Стадия развития, достигаемая клеткой-реципиентом ядра

• 1 - бластула, II - гаструла, III - нейрула, IV - появление мышечной реакции, V - начало сердечной деятельности и вылупления, VI - активное плавание; 1 - ранняя гаструла,
• 2 - нейрула, 3 - плавающий головастик, 4 - питающийся головастик; вверху изображена схема опыта

В большинстве случаев развитие останавливалось на более ранних стадиях. Зависимость результатов пересадки от стадии зародыша-донора ядер представлена на рис. 8.7. Анализ зародышей, останавливающихся в развитии после пересадки ядра, показал множество хромосомных аномалий в их ядрах. Другой причиной остановки развития считают неспособность ядер дифференцированных клеток к восстановлению синхронной репликации ДНК.

Главный вывод, который вытекает из этого опыта, заключается в том, что наследственный материал соматических клеток способен сохраняться полноценным не только в количественном, но и в функциональном отношении, цитодиффе- ренцировка не является следствием недостаточности наследственного материала.

Эксперименты по клонированию растений и животных - доказательство полноценности материала соматической клетки. Ученые не исключают возможности воспроизведения подобным овце Долли образом, т.е. путем пересадки ядер, генетических двойников человека. Следует, однако, отдавать себе отчет, что клонирование человека кроме научно-технологического имеет также этический и психологический аспекты.

Гипотеза дифференциальной экспрессии генов в признак принимается в настоящее время в качестве основного механизма цитодиф- ференцировки.

Уровни регуляции дифференциальной экспрессии генов соответствуют этапам реализации информации в направлении ген -> полипептид -э признак и включают не только внутриклеточные процессы, но тканевые и организменные.

Экспрессия гена в признак - это сложный этапный процесс, который можно изучать разными методами: электронной и световой микроскопией, биохимически и другими. На схеме 8.3 приведены основные этапы экспрессии генов и методы, с помощью которых их можно изучать.

Визуальное наблюдение в электронный микроскоп проведено в отношении только отдельных генов - рибосомных, генов хромосом типа ламповых щеток и некоторых других (см. рис. 3.66). На электронограммах отчетливо видно, что одни гены транскрибируются активнее других. Хорошо различимы и неактивные гены.

Особое место занимает изучение политенных хромосом. Политенные хромосомы - это гигантские хромосомы, обнаруживаемые в интерфазных клетках некоторых тканей у мух и других двукрылых. Такие хромосомы есть у них в клетках слюнных желез, мальпигиевых сосудов и средней кишки. Они содержат сотни нитей ДНК, которые редуплицировались, но не подверглись расхождению. При окраске в них выявляются четко выраженные поперечные полосы или диски (см. рис. 3.56). Многие отдельные полосы соответствуют местоположению отдельных генов. Ограниченное число определенных полос в некоторых дифференцированных клетках образует вздутия, или пуфы, выступающие за пределы хромосомы. Эти вздутые участки находятся там, где гены наиболее активны в отношении

транскрипции. Было показано, что клетки разного типа содержат разные пуфы (см. рис. 3.65). Изменения в клетках, происходящие в ходе развития, коррелируют с изменениями в характере пуфов и синтезом определенного белка. Других примеров визуального наблюдения генной активности пока нет.

Все остальные этапы экспрессии генов являются результатом сложных видоизменений продуктов первичной генной активности. Под сложными изменениями подразумевают посттранскрипционные преобразования РНК, трансляцию и посттрансляционные процессы.

Имеются данные по изучению количества и качества РНК в ядре и цитоплазме клеток организмов, находящихся на разных стадиях эмбрионального развития, а также в клетках различных типов у взрослых особей. Обнаружено, что сложность и число различных видов ядерной РНК в 5-10 раз выше, чем мРНК. Ядерные РНК, которые представляют собой первичные продукты транскрипции, всегда длиннее, чем мРНК. Кроме того, ядерная РНК, изученная на морском еже, по количеству и качественному разнообразию идентична на различных стадиях развития особи, а мРНК цитоплазмы отличается в клетках разных тканей. Это наблюдение приводит к мысли о том, что посттранскрипционные механизмы влияют на дифференциальную экспрессию генов.

Примеры посттранскрипционной регуляции экспрессии генов на уровне процессинга известны. Мембранно-связанная форма иммуноглобулина IgM у мышей отличается от растворимой формы дополнительной аминокислотной последовательностью, позволяющей мембранно-связанной форме «заякориваться» в клеточной мембране. Оба белка кодируются одним локусом, но процессинг первичного транскрипта протекает по-разному. Пептидный гормон кальцитонин у крыс представлен двумя разными белками, детерминированными одним геном. У них одинаковые первые 78 аминокислот (при общей длине 128 аминокислот), а различия обусловлены процессингом, т.е. опять наблюдается дифференциальная экспрессия одного и того же гена в различных тканях. Есть и другие примеры. Вероятно, альтернативный процессинг первичных транскрип- тов играет очень важную роль в дифференцировке, однако остается неясным его механизм.

Большая часть мРНК цитоплазмы одинакова по качественному составу в клетках, относящихся к различным стадиям онтогенеза; мРНК необходимы для обеспечения жизнедеятельности клеток и детерминируются генами «домашнего хозяйства», представленными в геноме в виде нескольких нуклеотидных последовательностей со средней частотой повторяемости. Продуктами их активности являются белки, необходимые для сборки клеточных мембран, различных субклеточных структур и т.д. Количество этих мРНК составляет примерно 9/10 от всех мРНК цитоплазмы. Остальные мРНК являются необходимыми для определенных стадий развития, а также различных типов клеток.

При изучении разнообразия мРНК в почках, печени и головном мозге мышей, в яйцеводах и печени кур было обнаружено около 12 000 различных мРНК. Лишь 10-15% были специфичны для какой-либо одной ткани. Они считываются с уникальных нуклеотидных последовательностей тех структурных генов, действие которых специфично в данном месте и в данный момент и которые называются генами «роскоши». Количество их соответствует примерно 1000-2000 генов, ответственных за дифференцировку клеток.

Не все гены, имеющиеся в клетке, вообще реализуются до этапа образования мРНК цитоплазмы, но и эти образовавшиеся мРНК не все и не во всяких условиях реализуются в полипептиды и тем более в сложные признаки. Известно, что некоторые мРНК блокируются на уровне трансляции, будучи в составе рибонуклеопротеиновых частиц - информосом, вследствие чего происходит задержка трансляции. Это имеет место в овогенезе, в клетках хрусталика глаза.

В ряде случаев окончательная дифференцировка связана с «достройкой» молекул ферментов или гормонов или четвертичной структуры белка. Это уже посттрансляционные события. Например, фермент тирозиназа появляется у зародышей амфибий еще в раннем эмбриогенезе, но переходит в активную форму лишь после их вылупления.

Дифференцировка клеток не сводится только к синтезу специфических белков, поэтому применительно к многоклеточному организму эта проблема неотрывна от пространственно-временных аспектов и, следовательно, от еще более высоких уровней ее регуляции, нежели уровни регуляций биосинтеза белка на клеточном уровне. Дифференцировка всегда затрагивает группу клеток и соответствует задачам обеспечения целостности многоклеточного организма.

Возникновение целого растительного организма определяется не только размножением и растяжением клеток, но и их дифференциацией.

Дифференциация связана со специализацией клеток для выполнения различных функций в организме. Наиболее ранняя дифференциация клеток происходит во время эмбриогенеза, когда образуются ризогенные и каулогенные зачатки. Хотя дальнейшая судьба клеток, составляющих эти зачатки, различна, они внешне не отличаются друг от друга.

В результате дальнейшего развития происходит дифференциация клеток, связанная с выполнением следующих функций: защитных (эпидермис и субэпидермис), фотосинтетических (губчатая и палисадная паренхима листа), поглотительной (клетки корневой системы), проводящих (проводящие ткани) и механических (механические ткани стебля и проводящих пучков). Кроме того, меристематические ткани, которые в наименьшей степени отличаются от эмбриональных клеток, специализированы для размножения клеток и первоначальной их дифференциации. Эти ткани выполняют также функции генеративного размножения. Клетки разных типов дифференциации скреплены между собой массой паренхимных клеток, подвергшихся наименьшей дифференциации, состоящей главным образом в их растяжении.

В настоящее время считается, что каждое дифференцированное состояние живых клеток характеризуется определенным сочетанием активных и неактивных участков генома и, следовательно, определенным соотношением синтезов различных белков. При этом то или иное дифференцированное состояние достигается не произвольно, а закономерно, путем смены различных состояний. Именно поэтому не наблюдается прямой передифференцировки клеток одного типа в клетки другого типа. Между ними обязательно имеется этап дедифференциации, который включает в себя активацию деления клеток в дифференцированных тканях.

Дифференциация клеток в организме возникает в результате межклеточного взаимодействия и, наиболее вероятно, в результате воздействия метаболитов, вырабатываемых одними клетками, на другие. В качестве примеров роли межтканевых взаимодействий можно привести детерминирующую роль верхушечной меристемы в образовании листового зачатка, развивающегося листа или стеблевой почки в формировании камбиальных тяжей и проводящих пучков. Показано, что теми метаболитами, которые определяют дифференциацию клеток в проводящую ткань, являются ауксин и сахароза. Если зачаток листа (Osmunda cinnamomea) изолировали на ранних этапах развития, то он превращался в стеблевое образование, а при сохранении физиологического контакта с более развитыми детерминированными листьями - в лист. Так же влиял гомогенат детерминированных листьев, причем стимул проходил через миллипоровый фильтр, но не проникал через пластинку слюды.

В некоторых случаях авторы предполагают наличие специальных веществ, необходимых для того или иного типа дифференциации: антезины, флориген - как факторы образования цветов, индукторы образования клубеньков у бобовых, фактор роста клеток листа, гормон образования колленхимы, фактор, активирующий ризогенез. Но в большинстве случаев возникновение клеток разных типов дифференциации объясняется с помощью известных групп фитогормонов.

Возможны два типа регулирующего действия фитогормонов на дифференциацию. В одних случаях гормон необходим на каком-то одном этапе, а дальнейший ход процесса может осуществляться и без него. Здесь гормон выступает в роли фактора, влияющего на выбор клетками того или иного пути дифференциации, но после того как выбор сделан, гормон больше не нужен. Такой характер действия фитогормонов можно видеть, например, во время индукции корнеобразования с помощью ауксина и кинетина: после того как произошло заложение корневых зачатков, дальнейшее присутствие ауксина и кинетина оказывается уже не нужным и даже ингибирующим. Возможно, это связано с тем, что в развивающемся корне возникает собственная система образования этих фитогормонов.

Другой способ, которым осуществляется действие фитогормонов на дифференциацию, состоит в том, что присутствие фитогормона необходимо для поддержания клеток в определенном дифференцированном состоянии. В этом случае уменьшение концентрации или полное исчезновение фитогормона приводит к утрате клетками данного состояния. Например, состояние «недифференцированного» каллусного роста ткани риса, овса, спаржи поддерживается лишь в присутствии ауксина, а при его отсутствии происходит органогенез листьев, корней и стеблей.

Примером, показывающим, что между этими крайними случаями могут быть переходы, является образование тяжа проводящих тканей в месте присоединения листа к стеблю. Клетки коровой паренхимы под влиянием ауксина, поступающего из листа, делятся и образуют вначале прокамбиальный тяж, который затем формирует ксилемные и флоэмные клетки. Если лист удалить на стадии прокамбиального тяжа, то клетки возвращаются вновь в паренхимное состояние; но если вместо листа нанести на черешок агаровый кубик или ланолиновую пасту с ауксином, то начавшийся процесс дифференциации завершится образованием проводящего пучка. Этот пример показывает, что имеется определенный период во время дифференциации, характеризующийся тем, что изменения, происходящие в нем, являются обратимыми. Различие между двумя крайними случаями, приведенными выше, по-видимому, состоит в разной продолжительности этого периода обратимости вызванных фитогормоном изменений.

В большинстве случаев переход клеток к дифференциации связан с прекращением их размножения. Это послужило причиной возникновения гипотезы о том, что дифференциация клеток наступает вследствие физиологического блокирования их деления, в результате чего метаболизм клетки направляется не на замыкание митотического цикла, а в сторону от него. При дедифференциации происходит возвращение клеток в митотический цикл. Эта гипотеза подтверждается данными по индукции органогенеза и дифференциации в культуре ткани при удалении из среды факторов, необходимых для размножения каллусных клеток.

В этом смысле можно интерпретировать и наши данные о том, что устранение из среды ауксина - фактора, необходимого для размножения клеток, приводило к их растяжению, а добавление кинетина при этом вызывало возникновение меристемоподобных и дифференцированных клеток. Однако следует признать, что имеющихся данных еще недостаточно, чтобы считать одноактное блокирование митотического цикла одной из причин перехода к дифференциации клеток.

В нашей работе были приведены литературные и собственные экспериментальные данные, которые позволяют считать, что при переходе к растяжению и дифференциации клеток деление их прекращается не одноактно, а за счет постепенного увеличения длительности митотического цикла на протяжении нескольких циклов. Кроме того, существуют типы дифференциации клеток, которые не связаны с прекращением деления. Особенно часто такие случаи наблюдаются у животных клеток, но имеются и у растительных. Например, дифференцированное состояние, характерное для камбиальных клеток, не связано с прекращением их деления, с прерыванием митотического цикла.

Влияние фитогормонов на дифференциацию клеток наиболее часто изучается на примерах индукции образования элементов проводящей ткани из недифференцированных клеток, а также по влиянию на активность камбия и на образование его дериватов - ксилемы и флоэмы. В опытах Ветмора и Рира каллусную ткань высаживали на так называемую поддерживающую среду, в которой была уменьшена концентрация сахарозы (1% вместо 4%) и давалось минимальное количество ауксина 0,05 мг/л ИУК вместо 1 мг/л 2,4-Д по сравнению со средой для активной пролиферации каллуса (морковь). При нанесении на поверхность каллуса, находящегося на поддерживающей среде ауксина (0,05-1 мг/л) и сахарозы (1,5-4%) в недифференцированной каллусной массе возникали клубочки проводящей ткани, расположенные по окружности от места введения. Диаметр этой окружности зависел от концентрации ауксина (чем выше концентрация, тем больше диаметр).

Это говорит о том, что существует определенная концентрация ауксина, при которой возможна дифференциация клеток. Состав возникших клубочков регулировался соотношением сахарозы и ауксина: сахароза способствовала преобладанию флоэмных элементов, а ИУК - ксилемных. Особенно интересно, что индукция дифференциации происходила при создании градиента концентраций ауксина и сахарозы, тогда как в его отсутствие клетки при этих же концентрациях ауксина и сахарозы могли делиться, но дифференциации не наступало.

Можно предположить, что для индукции дифференциации клеток необходимо возникновение локальных очагов делящихся клеток, окруженных неделящимися клетками. При размножении клетки, оказавшиеся в центре очага, превращались в ксилемные, а снаружи - во флоэмные. Это совпадает с распределением первичной ксилемы и флоэмы в верхушках стеблей и кончиках корней.

Подобного рода опыты, в которых были получены такие же результаты, проводились с каллусной тканью фасоли. В этих опытах было показано, что сахароза несет специфические регулирующие функции помимо роли источника углерода. Ее действие воспроизводилось только мальтозой и трегалозой. В месте образования клубочков концентрация ИУК составляла 25 γ/л, а сахарозы - 0,75%. Было показано, что если сначала давать ИУК, а затем сахарозу, то дифференциация клеток наступала; если же сначала вносить сахарозу, а затем ИУК, то дифференциации не: происходило. Это дало возможность авторам предположить, что роль ИУК состоит лишь в индукции деления клеток, а дальнейшая дифференциация молодых клеток определяется сахарозой.

Индукция возникновения трахеидных элементов под влиянием ИУК наблюдалась также в изолированной сердцевинной паренхиме стебля табака, колеуса, под влиянием НУК и ГК в эксплантантах из клубня топинамбура, под влиянием ИУК и кинетина в паренхиме стебля капусты, при этом большую роль в судьбе клеток играло соотношение ИУК и кинетина. В других работах кинетин также выступал как фактор, усиливающий дифференциацию ксилемных элементов и образование лигнина. В опытах со срезами междоузлий колеуса было показано, что возникновение проводящих тканей под влиянием ИУК угнеталось рентгеновским облучением и актиномицином D, причем актиномицин D действовал только в течение первых двух дней индукции.

Таким образом, сам феномен индуцирующего влияния сахарозы и ИУК на дифференциацию клеток в элементы проводящей ткани установлен достаточно основательно. Однако физиологический и биохимический анализ этого действия только начинается.

Следует обратить внимание на то, что в кусочках паренхимной ткани под влиянием ауксина индуцируются элементы проводящей ткани, но сама проводящая ткань в виде тяжей не образуется. Ранее мы уже приводили факт индуцирующего действия ауксина на дифференциацию паренхимных клеток стебля в проводящие ткани листового тяжа. В этом случае в результате индукции возникает тяж проводящей ткани, а не клубочек дифференцированных клеток. Вероятно, это связано с тем, что ауксин поступает не в результате простой диффузии, а с помощью полярного транспорта. Значение полярного транспорта ауксина в регенерации проводящих тканей колеуса показано в работах Джэкобса и Томпсона. Опыты этих авторов свидетельствуют о том, что, по-видимому, и в целом растении возникновение проводящей ткани контролируется фитогормонами, в частности ауксином.

В опытах Торри с изолированными корнями гороха было показано, что активация камбия и образование вторичных проводящих тканей в них контролируется ауксином. В изолированных корнях редиса ауксин и кинетин индуцировали эти процессы, а мезоинозит значительно усиливал их. Дигби и Уоринг показали, что ИУК и ГК в отдельности слабо стимулировали деятельность камбия и образование ксилемы в побегах тополя и винограда с удаленными почками. Значительная активация наблюдалась лишь при их совместном применении. При этом преобладание ГК в смеси приводило к сдвигу в сторону более активного образования флоэмы, а преобладание ИУК - в сторону ксилемы.

Взаимодействие ГК с ИУК и самостоятельное действие ГК на образование проводящих тканей наблюдалось и в других работах с целыми растениями. У покоящихся сеянцев яблони НУК вызывала активацию камбия, но при этом образовывались только паренхимные клетки, появление трахеид происходило лишь при совместном действии НУК и бензиладенина.

Таким образом, можно предположить, что в целом растении контроль активности образования проводящих тканей осуществляется с помощью регулирования концентрации фитогормонов (ауксинов, цитокининов и гиббереллинов).

Дифференциация клеток в трахеиды, членики сосудов и в ситовидные трубки связана с их дегенерацией вплоть до отмирания. При возникновении органогенных структур в недифференцированном каллусе индуцируется образование меристематических клеток, значительно более энергичных в смысле интенсивности метаболизма и способности к дальнейшей дифференциации, чем клетки исходной каллусной ткани.

Существует два способа индукции возникновения организованных структур в недифференцированном каллусе: адвентивный эмбриогенез и органогенез.

Адвентивный эмбриогенез состоит в том, что при соответствующих условиях некоторые клетки каллуса многократно делятся с образованием плотного глобулярного скопления мелких меристематических клеток, которые затем дают начало эмбриоиду. Условия, способствующие возникновению эмбриоидов, различны, но во всех случаях необходимо уменьшение концентрации или полное исключение из состава среды ауксина. Хальперин и Ветерел связывают это с тем, что концентрации ауксина, применяемые для массового размножения клеток, слишком высоки для того, чтобы в возникшей предэмбриоидной глобуле мог произойти процесс поляризации на каулогенную и ризогенную часть.

Однако каковы факторы, необходимые для возникновения предэмбриоидной глобулы, пока неизвестно. В некоторых случаях этому способствует кокосовое молоко, кинетин, соли аммония, однако в других они либо не нужны, либо не играют решающей роли.

Следует отметить, что эмбриоиды, по-видимому, не возникают из свободной одиночной клетки, а всегда н какой-нибудь величины каллусной массе. В этой каллусной массе дать начало эмбриоиду может и одна клетка. Поэтому важная роль в образовании эмбриоидов принадлежит, вероятно, факторам межклеточного взаимодействия, действующим на коротких дистанциях, в пределах небольших каллусных комочков.

Органогенез также начинается с образования скоплений мелких, богатых цитоплазмой клеток - меристематических очагов. Эти очаги дают начало либо стеблевым почкам, либо корневым зачаткам, т. е. они имеют начальную поляризованность. В некоторых случаях в массе каллусной ткани образуются одновременно стеблевые почки и корневые зачатки, между которыми затем устанавливается связь с помощью проводящих пучков. Факторами, определяющими характер возникающих зачатков и индуцирующими их возникновение, являются ауксин и кинетин. Индукция стеблевых почек вызывается повышением концентрации кинетина и уменьшением концентрации ауксина в среде, индукция корнеобразования больше зависит от ауксина, чем от кинетина, при этом благоприятно сказывается замена 2,4-Д на ИУК или НУК. Гиббереллин чаще всего подавляет образование стеблевых почек, но может усилить рост стебля после его возникновения. В некоторых случаях ткань не способна к образованию корней, и поэтому возникшие стеблевые почки помещают в условия, способствующие возникновению у них адвентивных корней. Здесь обнаруживается зависимость тех или иных этапов органогенеза от последовательности применения фитогормонов, на что обращают внимание Стюард с сотрудниками.

Работы по индукции органогенеза и эмбриогенеза и по индукции образования элементов проводящей ткани имеют общее в том, что первоначально при этих процессах возникает неоднородность в однородной недифференцированной ткани, так как процессу преобразования в новые типы клеток подвергается лишь часть обрабатываемых клеток.

Вероятно, при возникновении этой неоднородности в системе необходимо, чтобы концентрация ауксина в ткани была значительно ниже оптимальной для размножения клеток. Тогда в ткани может установиться определенный градиент концентрации и возникнуть лишь локальные очаги размножения клеток. Эти очаги сами становятся источниками ауксина, вследствие чего воссоздается система полярного его транспорта и появляются условия для построения упорядоченной системы.

Другие фитогормоны, по-видимому, либо способствуют либо мешают этому процессу в значительной степени, но могут оказывать и самостоятельное, независимое действие. Следует отметить, что условия, необходимые для возникновения первоначальной неоднородности, и условия, необходимые для последующего развития возникающих структур, могут значительно различаться, в том числе и по отношению к экзогенным фитогормонам. Так, например, кинетин очень важен для возникновения меристематических очагов и начальной их специализации у ткани табака, а гиббереллины в это время действуют отрицательно. Но в последующем рост и развитие возникших зачатков, напротив, тормозится кинетином, но стимулируется гиббереллином.

Неоднородный характер реакции клеток во время индукции различных типов дифференциации затрудняет изучение роли фитогормонов, особенно на первоначальных фазах реакции, обычными физиологическими и биохимическими методами. В этом случае большое значение приобретают цитологические и цитохимические методы, с помощью которых получены первые успехи в идентификации первоначальных изменений в индуцируемых клетках. Показано, что те клетки, которые в будущем превратятся в органогенный зачаток, первоначально приобретают отличие от окружающих клеток, состоящее в повышенном содержании крахмала. Гиббереллин вызывает гидролиз крахмала (вероятно, за счет активации амилазы) и одновременно подавляет органогенез.

Имеются многочисленные примеры влияния фитогормонов на образование генеративных органов, определение пола у растений с раздельнополыми цветами, изменение формы листа и характера дифференциации клеток в листьях, полученные при обработке целого растения. Во всех этих случаях фитогормоны также выступают в роли факторов, регулирующих дифференциацию клеток. Однако при обработке фитогормонами целых растений наблюдаемый эффект может быть связан не только с их непосредственным действием на дифференцирующиеся клетки, но и с влиянием на всю гормональную систему. Поэтому такие работы нуждаются в тщательной проверке с применением методов анализа фитогормонов в растениях, прежде чем их можно будет использовать как примеры влияния фитогормонов на тот или иной тип дифференциации.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

Каждая из которых имеет одинаковый наследственный код. Все они развивались сначала из одноклеточного, а затем многоклеточного зародыша, который чуть позже разделился на три зародышевых листка. Из каждого его участка развились ткани организма, где располагаются примерно однотипные клетки. При этом практически все они развивались из одной группы предшественников. Такой процесс называется дифференцировкой клеток. Это локальная адаптация клетки к реальным потребностям организма, реализация запрограммированных в ее наследственном коде функций.

Характеристика клеток и тканей

Соматические клетки организма имеют одинаковый хромосомальный набор независимо от функционального предназначения. Однако по фенотипу они различны, что объясняется их подготовкой к выполнению различных локальных задач в биологических тканях. Фенотипом называется результат экспрессии определенного генетического набора в определенной среде обитания. И в различных условиях клетки с одинаковым генетическим материалом развиваются по-разному, имеют другие морфологические характеристики, выполняют специфические функции.

Высокоразвитому организму это необходимо для образования множества тканей, из которых состоят его органы. При этом ткани создаются из однородной группы стволовых предшественников. Такой процесс называется дифференцировкой клеток. Это цепочка событий, направленная на популяции по заранее заданным критериям для роста и развития биологических тканей организма. Она лежит в основе роста организма и его многоклеточной организации.

Сущность дифференцировки

В плане молекулярной биологии, дифференцировка клеток - это процесс активации одних участков хромосом и дезактивации других. То есть, компактная упаковка или раскручивание участков хромосом, что делает их доступными для считывания наследственной информации. В конъюгированном состоянии, когда гены упакованы в гетерохроматин, считывание невозможно, а в расправленном виде нужные участки генетического кода становятся доступными для информационной РНК и последующей экспрессии. Значит, дифференцировка клеток - это нестрогая регулируемая типизация однотипной упаковки хроматина.

Цитокины и мессенджеры

В результате у группы клеток, дифференцированных в одинаковых условиях и имеющих аналогичные морфологические особенности, наблюдается десприрализация одинаковых участков хромосом. И в ходе воздействия межклеточных мессенджеров, локальных регуляторов клеточной дифференцировки, нужные участки генов активируются, происходит их экспрессия. И потому клетки биологических тканей производят одинаковые вещества и выполняют аналогичные функции, для чего и предусмотрен этот процесс. С этой точки зрения дифференциация клеток - это направленное воздействие молекулярными факторами (цитокинами) на экспрессию генетической информации.

Мембранные рецепторы

Клетки одной ткани имеют аналогичный набор мембранных рецепторов, наличие которых контролируется Т-киллерами иммунной системы. Потеря клеточного рецептора нужного типа или экспрессия другого, не предусмотренного для данной локализации из-за риска онкогенеза, вызывает направленную клеточную агрессию против «нарушителя». Результатом будет уничтожение клетки, дифференциация которой прошла не по правилам, предусмотренным воздействием межклеточных мессенджеров от специализированных регуляторов.

Иммунная дифференцировка

Иммунные клетки имеют специальные рецепторные молекулы, которые называются кластерами дифференцировки. Это так называемые маркеры, по которым можно понять, в каких условиях развивались иммуноциты, и для каких целей они предназначены. Они проходят длительный и сложный процесс дифференцировки, на каждой ступени которого отсеиваются и уничтожаются группы лимфоцитов, у которых развилось недостаточное количество рецепторов, либо в их взаимодействии с антителами замечены «несоответствия требованиям».

Клеточные группы и ткани

Большинство клеток организма делится надвое в ходе митотического размножения. На его подготовительном этапе происходит удвоение генетической информации, после чего образуются две дочерние клетки с аналогичным набором генов. Копированию подлежат не только активные участки хромосом, но и конъюгированные. Потому в тканях дифференцированные клетки после деления дают две новые дочерние клетки, имеющие генетический материал, аналогичный полному соматическому набору хромосом. Однако дифференцироваться в другие клетки они неспособны, так как не могут мигрировать естественным путем в другие условия обитания, то есть к другим мессенджерам дифференцировки.

Рост клеточной популяции

Сразу после деления две дочерние клетки они получают специальный набор органелл, доставшихся им «в наследство» от материнской. Эти мельчайшие функциональные элементы уже подготовлены к выполнению нужных задач в данной биологической ткани. А потому дочерней клетке нужно лишь нарастить объем полостей эндоплазматической сети и увеличиться в размерах.

Также целью развития клетки является получения адекватного уровня снабжения питательными веществами и связанным кислородом. Для этого в случае кислородного или энергетического голодания она выбрасывает в межклеточное пространство факторы ангиогенеза. По этим якорям прорастают новые капиллярные сосуды, которые и будут осуществлять питание группы клеток.

Процесс увеличения в размере, получения адекватного снабжения кислородом и энергетическими субстратами, а также расширения внутриклеточных органелл с увеличением скорости продукции белка называется ростом клетки. Он лежит в основе роста многоклеточного организма и регулируется многочисленными факторами пролиферации. В некоторый момент по достижению предельных размеров по сигналу извне или по стечению обстоятельств выросшая клетка снова разделится пополам, дальше увеличивая размер биологической ткани и организма в целом.

Мезодермальная дифференцировка

В качестве наглядной демонстрации дифференцировки стволовых клеток и более развитых их "потомков" следует рассмотреть трансформацию мезодермального зародышевого листка человеческого организма. От мезодермы - группы стволовых клеток с одинаковым строением и развивающихся в условиях наличия факторов дифференцировки, берут свое начало такие клеточные популяции как нефротом, сомит, спланхнотом, спланхнотомальная мезенхима и парамезонефральный канал.

От каждой такой популяции будут брать свое начало промежуточные формы дифференциации, которые позже дадут начало клеткам взрослого организма. В частности, от сомита развивается три клеточные группы: миотом, дерматом и склеротом. Клетки миотома дадут начало мышечным клеткам, склеротома - хрящевым и костным, а дерматома - соединительной ткани кожи.

Нефротом дает начало эпителию почек и семевыносящих путей, а от парамезонефрального канала будет дифференцироваться эпителий маточной трубы и матки. Фенотип клеток спланхнотома будет подготовлен факторами дифференцировки для их трансформации в мезотелий (плевру, перикард и брюшину), миокард, корковое вещество надпочечников. Мезенхима спланхнотома - это исходный материал для развития клеточных популяций крови, соединительной и гладкой мышечной ткани, сосудов и микроглиальных клеток.

Рост клеток данных популяций, их многократное деление и дифференциация - основа поддержки жизнеспособности многоклеточного организма. Такой процесс также носит название гистогенеза - развитие тканей из клеточных предшественников в результате их дифференциации и трансформации фенотипа в соответствии с влиянием внеклеточных факторов, регулирующих их развитие.

Дифференциация растительных клеток

Функции растительной клетки зависят от места их нахождения, а также наличия модуляторов и супрессоров роста. Зародыш растения в составе семян не имеет вегетативных и герминативных участков, а потому после прорастания он должен их развить, что необходимо для размножения и роста. И пока не наступит благоприятное время для его прорастания, он будет находиться в состоянии покоя.

С момента получения сигнала на рост, функции растительных клеток начнут реализовываться вместе с увеличением в размерах. Клеточные популяции, заложенные в зародыше, пройдут фазу дифференциации и трансформируются в транспортные пути, вегетативные части, герминативные структуры.