6. Фактори клітинної диференціації.

Хімічні фактори клітинної диференціації.

Морфологічно виявленій диференціації (формоутворенню) передує біохімічна диференціація, тобто зміна обміну речовин.

Формування відмінностей між однорідними клітинами починається з виникнення між ними біохімічних відмінностей - у клітинах починають синтезуватися органічні речовини різної природи, наприклад, типоспецифічнібілки (міозин, опсин, гемоглобін), а також речовини вуглеводної та іншої природи.

Біохімічні відмінності визначають надалі функціональну спеціалізацію клітин, особливості їхньої морфології - клітини, у яких синтезується переважно міозин, дають початок м'язовим волокнам; клітини, у яких накопичується опсин, стають фоторецепторними клітинами.

Фізичні фактори диференціації клітин. Більшість генів інактивується при температурі вище оптимальної для даного виду. Існують, однак, гени теплового шоку, які при нагріванні до сублетальных температур активуються, що приводить до синтезу специфічних білків.

Наприклад, короткочасне прогрівання зародків жаби на певній стадії розвитку (від ранньої гаструли до хвостової бруньки) щораз приводить до ушкодження строго певних сегментів осьової мезодерми.

У акразієвих грибів і вищих рослин геном може актироваться світлом.

Особливо докладно вивчені фотоефекти вищих рослин. Вони здійснюються за посередництвом особливо фоточутливого глікопротеїда - фітохрому, який змінює свою конформацію при опроміненні малими дозами червоного світла.

Виразний вплив на біосинтетичні процеси та клітинну диференціровку справляють механічні напруження. На багатьох видах ембріональних клітин і тканин показано, що їхня здатність до синтезу нуклеїнових кислот і білків швидко змінюється залежно від того, чи розтягнута клітина по субстрату або ж вона знаходиться у суспензії в релаксованому стані.

Встановлені також впливи на транскрипційну активність і диференціровку клітин інших фізичних факторів - електромагнітних випромінювань хвиль різної довжини (зокрема, міліметрового діапазону), механічних коливань ультра-, інфра- та звукового діапазону, електричних і магнітних полів.

Структурно-топологічні фактори клітинної диференціровки. На диференціровку зачатків впливають механічні фактори, тісно пов'язані із формою даних зачатків.

У нормі зачаток ока розтягнутий у задній камері ока під впливом сил внутрішньоочного тиску. Якщо цей тиск усунути, проколовши око тонким капіляром, то частина вже диференційованого пігментного епітелію, вийшовши з-під впливу сил натягання, перетвориться на сітківку.

Суттєвий, а в ряді випадків і вирішальний, вплив на диференціровку клітин на різних стадіях розвитку справляє наявність або відсутність контактів із сусідніми клітинами, а не сама кількість сусідів.

У ранньому розвитку молюсків і нематод доля бластоміра визначається кількістю його сусідів - бластомір, якому вдалося встановити найбільше число контактів зі своїми сусідами, стає родоначальником целомічної мезодерми (молюски) або ентодерми (нематоди) на противагу своїм сусідам, які мають контакти з меншою кількістю бластомерів.

У період гаструляції в амфібій навіть короткочасне порушення контактів між клітинами хордо-мезодерми змінює їх нормальні диференцірувальні потенції вбік утворення структур головного мозку.

Клітинні контакти можуть передавати гормональні впливи, які при цьому «модулюються» відповідно до природи клітин - якщо у клітинній культурі встановити контакти між клітинами яєчника та міокарда і додати в середовище фолікулостимулюючий гормон, то не тільки клітини яєчника прореагируют, як їм властиво, посиленням синтезу активатора білка плазміногена, але і клітини міокарда - прискоренням ритму скорочень, і навпаки.

У будь-якому реальному диференціювальному впливі завжди присутні контактно-мембранні та хімічні компоненти.

Разом із клітинними контактами на диференціровку, як і на підтримку диференційованого стану, великий вплив справляють структури позаклітинного матрикса. Особливо великим є їхнє значення у випадку епітеліально-мезенхимних взаємодій.

Стійкість клітинної диференціровки. Обраний клітинами напрямок диференціровки здебільшого непохитно зберігається, навіть якщо диференційована клітина деяку кількість разів ділиться.

Найбільш яскравий приклад такої стійкості клітинної диференціровки був отриманий у дослідах швейцарського біолога К. Хадорна на клітинах імагінальних дисків комах.

У цих дослідах імагінальний диск певного органа дисоціювали на окремі клітини, які культивували роками, переносячи з однієї дорослої особини в іншу. У таких умовах клітини багаторазово ділилися, але не диференціювалися, оскільки їх диференціровка вимагає наявності гормону екдізону, відсутнього у дорослих особин. Однак при трансплантації назад у лялечку, де клітини піддавалися дії екдізону, наступала диференціровка, причому клітини диференціювалися переважно у той орган, від імагінального диска якого вони були взяті.

В основі стійкості лежить стабільність конформаційної культури хроматину диференційованих клітин.

З іншого боку, у дослідах К. Хадорна було виявлене явище, назване ним трансдетермінацією - у деякому відсотку випадків клітини імагінального диска одного органа давали початок іншому органу.

Напрямок диференціровки може змінитися, але строго дискретно та за певним набором шляхів, кожний з яких має внутрішню стійкість.

Можливості та умови трансдиференціровки клітин. Переконливий факт трансдиференціровки був отриманий швейцарським біологом Шмидом на тканинах медуз. Виявилося, що із посмугованих м'язів медузи, за умови ферментативного руйнування прошарку позаклітинного матрикса (мезоглеї), можна одержати всі інші типи клітин тварини, включаючи такі високодиференційовані клітини, як стрекательні та нервові. При цьому:

- для перетворення посмугованих м'язових волокон у гладенькі м’язові клітини не були потрібні проміжні клітинні поділи та синтез ДНК;

- для трансдиференціровки м'язових волокон на нервові клітини необхідний всього один поділ,

- для трансдиференціровки на усі інші типи клітин - не більше 2 поділів.

В інших прикладах трансдиференціровки (при регенерації кришталика ока з пігментних клітин) потрібно не менш 6 проміжних поділів і відповідно циклів реплікації ДНК.

Неодмінною умовою трансдиференціровки у досвідах Шмида є деградація позаклітинного матрикса.

Інші варіанти трансдиференціровки, наприклад, перетворення краю райдужки ока хвостових амфібій на епітелій кришталика (явище вольфовської регенерації), також супроводжуються деградацією матрикса.

Отже, диференційована клітина утворює одне стійке ціле тільки у сукупності з матриксом, який, як ми вже згадували вище, регулює експресію генів у клітині.

Із прикладної точки зору впливи на позаклітинний матрикс можуть виявитися перспективними для спрямованих змін шляхів клітинної диференціровки в експерименті.