2.3.2. Дифференцированные клетки

Дифференцированные клетки – это тканеспецифичные, специализированные, различающиеся по внешнему виду и по выполняемыми ими функциями. Дифференцированные клетки могут делиться только ограниченное число раз или не делиться вообще. Темп деления дифференцированных клеток определяется, с одной стороны, условиями, в которых они функционируют, то есть временем жизни клеток, а с другой стороны, необходимостью поддерживать постоянное число клеток в органах, замещая погибшие клетки.

Время обновления дифференцированных клеток варьируется в широких пределах: от суток у клеток эпителия тонкого кишечника, клеток поверхности желудка (эти клетки находятся в особенно неблагоприятных условиях и быстро разрушаются) и клеток крови эпидермального слоя кожи до года и более, например, у клеток поджелудочной железы. А клетки нервной ткани и мозга (нейроны), клетки сердечной мышцы и волокна хрусталика глаза не делятся и не обновляются на протяжении всей жизни. В этом заключается глубокий смысл. Человеческий мозг – необычайно сложное образование (см. ниже). На протяжении человеческой жизни в нем устанавливаются определенные связи между клетками, которые обеспечивают его функционирование, в частности, накопление и хранение информации. Деление нейронов неизбежно привело бы к нарушению этих связей, сделало бы работу мозга, в том виде, в котором он функционирует, невозможной.

2.3.3. Основные механизмы обновления клеток Два пути обновления клеток

Существует два пути обновления клеток: во-первых, за счет деления стволовых клеток, во-вторых, за счет деления дифференцированных клеток.

В первом случае при делении каждой стволовой клетки образуются две стволовые клетки, одна из которых остается стволовой (процесс самоподдержания), а вторая вступает на путь дифференциации (от лат. differentia – разность) или дифференцировки (рис. 1–2).

Дифференциация — одно из важнейших свойств клеток – способность к развитию и видоизменению. Дифференциация означает запрограммированный ряд делений клетки, приводящий к последовательным изменениям клеток после каждого деления и, в конечном итоге, их специализации. Дифференциация выражается в изменении строения и функциональных свойств. Одни клетки (например, нервные) приобретают способность передавать нервные импульсы, другие (например, железистые) – секретировать соответствующие вещества и т.д.

Во втором случае, при делении дифференцированных клеток появляются идентичные пары дифференцированных клеток, замещающие погибшие клетки и таким образом поддерживающие постоянство числа клеток в тканях различных органов.

С помощью стволовых клеток обновляются, как правило, коротко живущие клетки. Например, стволовые клетки эпидермиса располагаются в базальном слое, контактирующем с базальной мембраной, и непрерывно делятся. Дочерние клетки дифференцируются, уходя из этого слоя и перемещаясь к поверхности кожи. По мере движения, ядра в клетках дегенерируют, в результате чего образуется наружный слой мертвых ороговевших клеток. Бессмертные унипотентные стволовые клетки все время остаются в базальном слое.

Точно также происходит обновление клеток на поверхности эпителия желудка и тонких кишок. Стволовые клетки находятся в глубине слоя, выстилающего желудок, и защищены от вредных воздействий активной желудочной жидкости. Они непрерывно производят клетки, которые дифференцируются при движении к поверхности и заменяют разрушенные на ней клетки. Тем самым исключается возможность нарушения наследственной информации и мутаций клеток, которые могли бы иметь место при простом делении дифференцированных клеток на поверхности, в контакте с активной средой.

Для поддержания постоянного количества коротко живущих эритроцитов крови нужно, чтобы их синтез проходил с огромной скоростью: для человека – более двух миллионов клеток в секунду! У млекопитающих эритроциты и другие клетки крови образуются, главным образом, в костном мозге из одних и тех же плюрипотентных стволовых клеток. Превращение одной стволовой клетки в эритроцит требует 11 делений. В результате появляются высокоспециализированных клеток эритроцитов. Развитие стволовых клеток в этом направлении называется эритропоэзом.

Костный мозг – это обиталище кроветворных стволовых клеток взрослого организма. При определенных условиях стволовые клетки костного мозга могут дифференцироваться в клетки практически любого типа. Имеются данные, что под воздействием химических сигналов стволовые клетки направляются к тем местам, где возникли повреждения. Плюрипотентные стволовые клетки оседают в костном мозге, селезенке и печени, создавая там колонии клеток, в период эмбрионального развития, когда они свободно циркулируют в крови.

Второй путь обновления клеток путем деления сформировавшихся дифференцированных клеток используется в тех тканях, клетки которых живут достаточно долго (например, в поджелудочной железе).

Выбор направления дифференцирования клеток

Изначально дифференцируются стволовые клетки. При этом дочернее поколение унипотентных стволовых клеток дифференцируется, как правило, в одном направлении; у плюрипотентных – в разных направлениях. Чем определяется направление дифференцирования клеток?

Генотип, то есть наследственная генетическая конституция организма определяется его геномом (см. с. 454). Однако, реально сформировавшиеся свойства и признаки организма (его фенотип) являются результатом реализации генотипа в определенных условиях окружающей среды. Поэтому обычно рассматривается следующая общая схема дифференциации (тканевой специализации) клеток.

Структура эмбриона – зародыша животных и человека – определяется геномом оплодотворенной яйцеклетки. Развитие клеток на ранних стадиях эмбриогенеза направляется и регулируется их микроокружением и положением в эмбрионе, которые формируют клеточную «память». Клеточная «память» играет важную роль в процессе дифференцировки, детерминируя направление дифференцирования. Механизм действия клеточной «памяти» неизвестен. Можно предположить, что он связан с функционированием во внутриклеточной системе определенных связей, контролирующих активность генов.

Клетки, в которых произошли стойкие внутренние изменения, предопределяющие характер их специализации, называются детерминированными клетками. Возникающие при детерминации изменения наследуются в ряду клеточных поколений. Однако, судьба детерминированных дочерних клеток, образующихся при делении стволовых клеток, зависит, в значительной степени, от внешних факторов и, в первую очередь, от их окружения и положения в организме. Поэтому на протяжении многих циклов деления клетки остаются детерминированными, но не дифференцированными. Процесс дифференциации происходит постепенно, по мере получения клеткой дополнительной информации об ее положении внутри организма.

Многие органы состоят из различных клеток, которые первоначально возникли независимо, а после объединения стали взаимодействовать друг с другом. В таких органах на дифференцирование клеток одной ткани могут влиять тесно контактирующие с ними клетки другой ткани. Такое явление называется индукцией. Например, дифференцирование клеток в различных эпителиальных структурах контролируется подстилающей соединительной тканью – мезенхимой.