Роль цитоплазми у процесі диференціації

На відміну від хромосом, цитоплазма не завжди розподіляється між дочірніми клітинами рівномірно ні за кількістю, ні за якістю. Відомо, що дочірні клітини, які утворюються в результаті мітозу на ранньому етапі ембріонального розвитку, можуть мати неоднакову кількість цитоплазми. Крім того, встановлено, що нерівномірний розподіл різних ділянок цитоплазми заплідненого яйця між дочірніми клітинами пов’язаний з диференціацією їх на клітини різного типу.

Якщо зовнішнє середовище здатне впливати на диференціацію певної клітини, то воно може здійснювати свій вплив тільки додаючи щось до цитоплазми, або викликаючи в ній зміни опосередковано. При цьому в цитоплазмі починає діяти якийсь механізм, що впливає на ядро, щоб зумовити експресію певних генів, які до цього не виявляли активності. Однак з правила, згідно з яким утворені дочірні клітини мають бути ідентичними, є винятки.

У минулому існувала концепція, згідно з якою інколи відбувається диференційний поділ , який приводить до утворення дочірних клітин, що різняться між собою. Вважають, що це зумовлюється нерівномірним розподілом генетичного матеріалу. Насправді в цих випадках здійснюється нерівномірний розподіл цитоплазми. Отже, те, що можна було б пояснити за допомогою диференціального поділу, насправді зумовлено відмінностями в цитоплазмі на двох полюсах клітини. Цитоплазма на одному полюсі клітини здатна активізувати ген, які спричиняють диференціацію певної клітини, тоді як цитоплазма на другому полюсі не чинить такої дії. Це доведено на дослідах при вивченні поділу нейробластів у прямокрилих. У цих комах одна з дочірніх клітин завжди диференціюється, перетворюючись на дозрілу нервову клітину, а інша завжди залишається на стадії нейробласта. За допомогою тоненької голки вдалось повернути метафазне веретено поділу, яке утворилось в нейробласті коника зеленого, так, що хроматиди, які б за звичайних умов спрямувалися до одного з полюсів клітин що ділиться спрямувалися до іншого, і навпаки. Коли процес мітозу наблизився до кінця, то з’ясувалося, що дочірня клітина, яка утворилася на тому полюсі клітини, на якому за звичайних умов утворився нейробласт, так і залишилася нейробластом, а дочірня клітина на другому полюсі розвинулася у нервову клітину, так як це було б і без втручання.

Цей експеримент довів що, цитоплазма здатна впливати на експресію генів. Отже, встановлено, в якому саме періоді клітинного циклу це відбувається. Тому вплив цитоплазми, очевидно, відбувається після того, як веретено поділу повернули. Інакше результати були б протилежними. Оскільки на жодному з двох наборів метафазних хромосом, повернутих до різних кінців клітини, цей вплив не виявився доти, доки веретено поділу не було повернуте, малоймовірно, щоб цитоплазма діяла на метафазні хромосоми. Очевидно, вона діє тоді, коли ділянки конденсованого хроматину анафаз них хромосом починають деконденсуватися, переходячи в телофазу, і готуються до транскрипції, потрібної для синтезу білка. Можливо, тому між двома дочірніми клітинами під час мітозу є деякі відмінності щодо того, які ділянки хроматид перебувають у неконденсованому стані.

На пізніших стадіях ембріогенезу та на постнатальних стадіях цитоплазма стає більш важливим фактором, який вмикає і вимикає гени, що знаходяться в ядрі.

Вплив мікрооточення клітини на гени може здійснюватися кількома способами. Можливо, цитоплазма починає поглинати з середовища будь-який новий фактор або в самому мікрооточенні виникають зміни концентрацій, які зумовлюють зміни метаболізму клітини.

Для того щоб будь-який зовнішній вплив міг ефективно зумовлювати експресію генів чи їх репресію, клітина повинна мати відповідну інформацію. Клітина, яка здатна реагувати на дію середовища, перетворюючись на клітину будь-якого іншого типу, називається компетентною щодо реакції на конкретну дію. Клітина, яка не реагує на дії мікрооточення і не стає відмінною від клітин типу, до якого вона належить, називається детермінованою. Детермінація клітин – процес, який програмує напрямок розвитку клітин, характерний для даного виду тканин. У результаті детермінації компетентна клітинна система обирає один з багатьох можливих шляхів розвитку. Отже, детермінація клітин – це процес визначення шляху її дальшого розвитку, виникнення якісної своєрідності клітин.

Клітина, детермінована в одному напрямку, продукує клітини,

детерміновані таким же чином: «подібне породжує подібне». Немає єдиної теорії механізму детермінації. Вважають, що детермінація відбувається внаслідок дії низки факторів. Оскільки в процесі детермінації не має значення блокування генів, бо під час реплікації ДНК всі гени повинні бути деблоковані, то виникає думка, що детермінованість у різних клітинних лініях мабуть залежить від постійності цитоплазми протягом послідовних поколінь. Цитоплазма впливає певним чином на активацію або гальмування генів, що приводить до синтезу певних молекул РНК, а тим самим і синтезу білків відповідних даному типові клітин.

Клітини зовнішнього шару шкіри детерміновані. Це інколи створює труднощі при пластичних операціях. Так, під час пересаджування цілісного клаптика шкіри з однієї частини тіла на іншу трансплантат на новому місці виявляє ті самі особливості, які він мав на попередньому місці, наприклад покривається волоссям. Однак, тканина, з якої, якби вона на ранніх стадіях ембріонального розвитку залишалася на своєму звичному місці, розвинулася шкіра певного типу, при пересаджуванні на іншу ділянку дає покривну тканину того типу, який виникає в нормі на цій ділянці. Таку тканину, наприклад шкіру ембріона, називають компетентною , оскільки вона реагує на дії на неї середовища, а отже, експресія її генів відрізняється від тієї, якою вона була б, якби тканина залишалася на своєму звичному місці.

Слід зазначити, що до цього розглядали лише передавання генетичної інформації з ядра в цитоплазму. Однак інформація, що є в цитоплазмі, має як-небудь спричинити реакцію ядра. Встановлено, що під час пересаджування ядер яйця амфібій цитоплазматичні білки дійсно локалізуються в ядрах, що утворюються у процесі поділу цих яєць. Подібна міграція білків з цитоплазми в ядро виявлена в амеби. Пересаджуванням ядра з клітин, які постачалися міченими амінокислотами і немічені клітини, показано, шо деякі ядерні білки швидко переходять у цитоплазму, а потім нагромаджуються в ядрі клітини-господаря. Природу цих білків поки що не з’ясовано, але не виключено, що такі переміщення пов’язані з диференціальною генною активністю.

Прикладом активації певного гена внаслідок переміщення молекул з цитоплазми в ядро може бути реакція клітин яйцепроводу курки на введення одного зі стероїдних гормонів – прогестерону. Обробка прогестероном стимулює синтез білка авідину келихоподібними клітинами яйцепроводу. Встановлено, що цей гормон проникає в клітину, де утворює комплекс з одним із білків цитоплазми. Цей комплекс потім надходить в ядро, безпосередньо досягаючи хромосом, і дає початок синтезу авідинспецифічної РНК.

У цьому процесі беруть участь негістонові білки, які пов’язані зі специфічністю, що характеризує транскрипцію генів.

Кожний етап диференціації клітин супроводжується певно. Втратою їх потенцій і ступінь детермінованості такої клітини підвищується . Отже, детермінація, як і диференціація відбувається поетапно.