Трансдетерминация

Клетки, занявшие определенное положение в системе развивающегося зародыша, получают некую, как принято говорить, позиционную информацию. Как выяснилось в последнее время, это есть не что иное, как соотношение различных белковых продуктов, неравномерно распределенных вдоль развивающегося зародыша и как бы «обозначавших судьбу» соответствующих его частей. Специфические градиенты распределения этих продуктов активируют в разных клетках различные наборы генов, так что эти клетки под влиянием поступающих в них сигналов приступают к «выполнению программы» детерминации и дифференцировки.

Детерминация - возникновение качественных различий между частями развивающегося организма на стадиях, предшествующих появлению морфологически различимых закладок органов и тканей. Внешним выражением детерминации является тканевая и клеточная дифференцировка, которая проявляется в синтезе специфических РНК, белков, формировании морфологических признаков специализации клеток. Обычно клетки детерминированы к определенному типу дифференцировки. Однако это бывает не всегда.

Трансдетерминация – изменение детерминации клетки, которая еще не имеет признаков дифференцировки.

Трансдетерминация имагинальных дисков у дрозофилы

Личинка дрозофилы после вылупления имеет две четко различающиеся популяции клеток. Ее ткани образованы примерно 10 000 клеток. У большей части клеток имеются политенные хромосомы; эти клетки интенсивно растут, увеличиваясь в объеме примерно в 150 раз. Помимо этого, еще около 1000 клеток с диплоидными (неполитенными) ядрами образуют скопления в различных областях личинки. Такие скопления недифференцированных клеток называются имагинальными дисками (от латинского слова «имаго», означающего «взрослый»). Эти клетки делятся в течение всего периода роста личинки. Во время метаморфоза гормон экдистерон вызывает огромные изменения во всем организме. Личиночные клетки дегенерируют, тогда как имагинальные диски получают сигналы к дифференцировке в органы взрослой мухи. Клетки имагинальных дисков личинки детерминированы. Так, например, глазной диск можно удалить у одной личинки и имплантировать его в брюшко другой. После метаморфоза муха, развившаяся из этой второй личинки, будет иметь лишний глаз на брюшке.

Однако когда диски трансплантируют взрослым мухам, они не дифференцируются, а их клетки продолжают пролиферировать. Эти пролиферирующие клетки можно непрерывно культивировать, пересаживая их от одной взрослой мухи к другой. Вместе с тем можно вновь тестировать состояние детерминации клеток диска путем удаления у мухи фрагментов растущих дисков и помещения их в личинку, претерпевающую метаморфоз. Эрнст Хадорн с коллегами (1968) использовали методику пересадки дисков, чтобы показать, что клетка может изменять свое коммитированное состояние. Обычно фрагменты диска, детерминированного к образованию антенн, продолжали образовывать антеннальные структуры каждый раз, когда их тестировали, даже после нескольких серийных трансплантаций таких фрагментов взрослым мухам. Однако результат одного опыта удивил исследователей: вместо монотонного образования антеннальных структур участки антеннального диска формировали части ног, ротового аппарата или крыла. Это явление было названо трансдетерминацией. Вместо развития в «собственный» орган имагинальные клетки развивались в другую часть взрослой мухи. Например, из диска, в норме детерминированного к развитию антенны, могла возникнуть структура, свойственная ноге взрослой мухи. Кроме того, подобно исходному состоянию детерминации, трансдетерминированное состояние оказалось относительно стабильным и наследовалось клетками диска на протяжении многих поколений. Трансдетерминация чаще наблюдается после нескольких пассажей через взрослых мух и происходит преимущественно в определенных направлениях. Из диска крыла, например, могут возникнуть структуры груди, но грудные диски никогда не дифференцируются в части крыла. Генитальные диски могут дать начало антеннам или ногам, но никогда не наблюдается образования генитальных структур из дисков других типов. Причина такой направленности остается неизвестной, однако ясно, что детерминированные клетки могут дать начало иным типам клеток, чем те, которые образуются из них в норме.

ДИФФЕРЕНЦИРОВКА

Дифференцировка клетки является реализацией той программы, которая была намечена в ходе детерминации.

1 стадия. Преддифференцировка. Перекрывается с последней стадией детерминации В этот период клетка еще сохраняет способность к митотическому делению, специфических синтезов не обнаруживается, но зато активно строится неспецифическая система синтезов белков – эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, митохондрии.

2 стадия. Протодифференцировка. Способности клетки к делению ограничиваются, в ней обнаруживаются следовые количества специфического продукта. Т.е. эта фаза знаменует начало специфических синтезов, химически характеризующих принадлежность данной клетки к определенному типу.

3 стадия. Собственно дифференцировка. Полностью утрачивается способность к пролиферации и резко возрастает концентрация специфического продукта. Завершается весь процесс

4 стадия. Терминальная дифференцировка. Характеризуется выходом на пик синтеза специфического продукта и «обретением» всех признаков, свойственных фенотипу данной клетки.

Поскольку дифференцированные клетки утрачивают способность к размножению, в каждой ткани существует так называемый камбиальный резерв, состоящий из клеток, сохранивших способность к делению. Благодаря этому резерву пополняется фонд дифференцированных клеток в случае гибели какой-либо его части. К данному резерву принадлежат недавно открытые стволовые клетки. Они появляются уже на ранних (стадия бластоцисты) эмбрионов (эмбриональные стволовые клетки). В этот период ЭСК тотипотентны, т.е. способны давать любые производные – экто-, энто-, мезодермальные. В тканях взрослого организма (региональные стволовые клетки) они мультипотентны, т.е. способны давать много разных клеточных типов, но не все.