- •Роль клеточной мембраны в дифференцировке
- •Роль цитоскелета в дифференцировке
- •3. Уровень посттранскрипции.
- •4. Уровень трансляции.
- •5. Уровень посттранскрипции.
- •Генетический контроль сегментации у дрозофилы
- •Дифференцировки
- •Внешние факторы дифференцировки а. Химические факторы
- •1. Гормоны
- •Физические факторы дифференцировки
- •Структурно-топологические факторы
- •2. Количество соседей, наличие или отсутствие контактов между ними. Примеры:
- •Устойчивость клеточной дифференцировки Трансдифференцировка
- •Дедифференцировка
- •Трансдифференцировка (опыты Шмидта)
- •Трансдетерминация
- •Малигнизация
МЕХАНИЗМЫ КЛЕТОЧНОЙ ДИФФЕРЕНЦИРОВКИ
Дифференцировка – совокупность процессов, в результате которых между клетками общего происхождения возникают стойкие морфофизиологические и функциональные различия. Происходит не только в эмбриогенезе, но и во взрослом состоянии.
Проблема дифференцировки – одна из важнейших в биологии. В организмах высших позвоночных насчитывают на данный момент около 250 типов клеток (не считая клеток иммунной системы – их миллионы клонов со специфическими белками-антигенами). Более 60% из них возникают из эмбриональных эпителиев.
К настоящему времени установлено, что
клеточная дифференцировка основана на синтезе специфических белков, т.е. клетки разных типов различаются хотя бы по одному белку (под специфичностью белка понимается специфичность первичной структуры).
Клеточные белки |
|
Белки общего типа («домашнего хозяйства»): их большая часть. Обеспечивают собственную жизнедеятельность клетки. Даже по ним могут возникнуть различия: А) в количестве (уровни биохимических реакций); Б) у одного и того же белка могут существовать изомеры (например, изоферменты) |
Узкоспециализированные белки («белки роскоши»): их меньшая часть. Они не только не нужны для жизнедеятельности клетки, но часто вредны, однако, позволяют клетке выполнять свою функцию. Примеры специфических белков у разных типов клеток: фибробласты – коллаген; покровный эпителий – кератин; миобласты – актин+миозин; фоторецепторы – опсин; эритроидные клетки – гемоглобин; эпителий пищеварительного трака – пепсин и трипсин; плазматоциты и др. клетки иммунной системы – иммуноглобулины и т.д. |
Даже если дифференцировка клеток связана с углеводами (например, хондробласты), их синтез все равно зависит от белков-ферментов.
Кроме белков дифференцировка клеток связана с клеточной мембраной и цитоскелетом. Клетку нельзя уподоблять мешку с белками, она часто имеет очень сложную надмолекулярную организацию.
Роль клеточной мембраны в дифференцировке
1. Основное свойство мембран – наличие специфических мембранных рецепторов (гликопротеины с углеводными хвостами, встроенные в липидный матрикс). Рецепторы меняют свою конформацию при контакте с соответствующими эффекторами (гормонами, витаминами, другими мембранами, вирусами и т.д.). Через мембрану эти изменения передаются в клетку, запуская каскады внутриклеточных реакций.
2. В состав мембран также входят ионные каналы (транспорт по градиенту) и ионные насосы (транспорт против градиента). Они очень подвижны: легко концентрируются, рассеиваются, деградируют, возникают заново. Таким образом, надмолекулярная организация мембран очень подвижна. В ней постоянно происходят встраивание элементов мембраны (экзоцитоз) и их деградация (эндоцитоз). Все эти процессы активно идут в дифференцирующихся клетках и обусловливают возникновение различий.
Роль цитоскелета в дифференцировке
Элементы цитоскелета: микротрубочки и микрофиламенты. Микротрубочки собираются и разбираются за несколько минут. Они поддерживают полярность клетки, способствуют определенному положению в клетке аппарата Гольджи, осуществляют транспорт некоторых белков. Микрофиламенты (актин, миозин и некоторые другие белки) осуществляют поддержание характерной формы клеток, передвижение внутри органных органелл и мембранных пузырьков. Например:
–дифференцировка всасывающих клеток эпителия кишечника и почек связана со сборкой мощных пучков актиновых микрофиламентов (образующих основу микроворсинок);
– у фоторецепторов под поверхностью каждой клетки упакованы сотни тысяч микроворсинок (взаимно перпендикулярных в соседних рядах).
Особо сложные типы клеточной дифференцировки, такие как образование стрекательной клетки – результат координированной активности мембраны, микротрубочек, клеточного центра, аппарата Гольджи, т.е. многих внутриклеточных структур.
Элементы цитоскелета связывают наружную мембрану клетки с ядерной мембраной и даже через поры проникают внутрь ядра.
Нити ДНК также прикреплены к внутренним участкам ядерной мембраны и «запоминают» свое положение в период митозов. Центромеры хромосом на протяжении всей интерфазы прикреплены к ядерной мембране и нередко ориентированы к одному из полюсов.
Группы генов в ДНК также расположены не случайно:
а) центроны (занимают центральные участки хромосом);
б) медоны (располагаются посередине между центром и краевыми участками);
в) телоны – находятся на краевых участках – теломерах. Например, гены рРНК –телоны; других видов ДНК – центроны.
Таким образом, через рецепторы информация с поверхности клетки может передаваться элементам цитоскелета, а через них – ДНК, которая реагирует активацией или репрессией определенных групп генов.
УРОВНИ РЕГУЛЯЦИИ КЛЕТОЧНОЙ ДИФФЕРЕНЦИРОВКИ
В основе – процессы транскрипции и трансляции в синтезе белка.
Первые научные гипотезы о механизме клеточной дифференцировки высказали в конце ХIХ в. Негели, В. Ру, А Вейсман.
1. Уровень соматических мутаций – непосредственные изменения в первичной структуре транскрибируемой ДНК. Действительно, были обнаружены примеры, когда различия в клеточных типах были обусловлены именно возникающими различиями в ДНК:
а) диминуция (открыта Т. Бовери) – отторжение части хроматина в соматических клетках у лошадиной аскариды (в половых этот хроматин сохраняется). Именно этот факт лег в основу теории зародышевой плазмы Вейсмана.
б) элиминация целых хромосом (например, у некоторых видов комаров у самцов в соматических клетках элиминируются три аутосомы и обе половые хромосомы, у самок – одна половая хромосома; у некоторых сумчатых в соматических клетках элиминируются половые хромосомы).
в) перестройка иммуноглобулиновых генов в связи с дифференцировкой В-лимфоцитов. Суть: разные участки генов кодирующих антитела, располагаются в разных участках ДНК. При дифференцировке лимфоцита промежутки между частями генов ДНК элиминируются, и они соединяются в целый ген, причем у разных типов лимфоцитов эти участки дают разные сочетания. Отсюда и многообразие антител.
г) инактивация одной из половых хромосом в соматических клетках (у мышей). Хромосома не элиминируется, но остаются неактивной.
д) инверсия (поворот) или перемещение определенных участков ДНК.
Таковы сравнительно немногочисленные примеры изменения первичной структуры ДНК, лежащие в основе возникновения различий между клетками. В целом же, геномы большинства соматических клеток эквивалентны (что доказано методом молекулярной гибридизации нуклеиновых кислот). Самым же ярким доказательством эквивалентности геномов дифференцированных клеток служат эксперименты по клонированию (пересадка ядер соматических клеток в энуклеированные яйцеклетки и получение организмов, идентичных донорскому).
Таким образом, разнообразие белков в разных клеточных типах определяется не изменениями ДНК.
2. Уровень транскрипции = дифференциальной активности генов.
При идентичной ДНК клетки могут различаться по набору i- (m-) РНК. Это происходит, если некоторые гены (различные в разных клетках) будут закрыты для транскрипции, а другие – открыты.
Известно, что количество активно работающих генов уменьшается по ходу развития. Например, у позвоночных в ооцитах проявляют хотя бы слабую активность от 70 до 100% генов, а в дифференцированных клетках не более 20%.
Доказано, что существуют строгие временные и пространственные правила экспрессии генов, тесно связанные с формирующимся планом строения зародыша. При этом действует общая закономерность: развитие идет от общего к частному. Обнаружены гены, экспрессия которых обеспечивает общий план строения эмбриона. Белки, которые они кодируют, располагаются в ядре и регулируют транскрипцию других генов в ходе онтогенеза. Это гены гомеобокса (=сегментации) и гены гомейозиса.