2.3 Дифференцировка

Одной из характеристик роста и деления клеток является их дифференцировка, под которой понимают изменение их физических и функциональных свойств в ходе эмбриогенеза с целью образования специализированных клеток, органов и тканей организма. Рассмотрим интересный эксперимент, помогающий объяснить этот процесс.

Если из яйцеклетки лягушки с помощью специальной методики вынуть ядро и вместо него поместить ядро клетки слизистой кишечника, то из такой яйцеклетки может вырасти нормальная лягушка. Этот эксперимент показывает, что даже такие высокодифференцированные клетки, как клетки слизистой кишечника, содержат всю необходимую генетическую информацию для развития нормального организма лягушки.

Эксперименты на эмбрионах показывают, что некоторые клетки способны осуществлять контроль над дифференцировкой соседних клеток. Так, хордомезодерму называют первичным организатором эмбриона, поскольку вокруг нее начинают дифференцироваться все остальные ткани эмбриона. Превращаясь в ходе дифференцировки в сегментированную, состоящую из сомитов дорсальную мезодерму, хордомезодерма становится индуктором для окружающих тканей, запускающим формирование из них практически всех органов.

Таким образом, дифференцировка лежит в основе индивидуального развития многоклеточных организмов от оплодотворения яйцеклетки до формирования взрослой особи. У животных дифференцировка интенсивно происходит при зародышевом развитии, а также в постэмбриональный период, пока организм растёт и развивается

Клеточные процессы дифференцировки определяются заключёнными в генах программами. Так как все соматические клетки развивающегося зародыша содержат одну и ту же генетическую информацию, возникновение из генетически однотипных клеток таких различно специализированных клеток, как, напр., клетки мозга, мышц, кожи у животных или клетки листьев и корней у растений, можно объяснить только работой в них различных генов или т.н. дифференциальной экспрессией (активностью) генов. Сложные молекулярные и клеточные механизмы, регулирующие включение и выключение разных генов и направляющие клетки по различным путям дифференцировки, изучены недостаточно.

Дифференцировка меняет функцию клетки, ее размер, форму и метаболическую активность. Достигается это изменениями в экспрессии генов, в то время как ДНК остается неизменной. Один из способов регулирования экспрессии генов — метилирование ДНК. Дифференцировка также случается и во взрослом организме, когда поврежденные клетки тканей замещаются новыми, полученными путем деления и дальнейшей дифференцировки взрослых стволовых клеток. Запускать дифференцировку могут как внутренние причины так и внешние сигналы.

Дифференцировка в процессе развития эмбриона

Общее название для всех клеток, еще не достигших окончательного уровня специализации (то есть способных дифференцироваться) — стволовые клетки. Степень дифференцированости клетки (ее «потенция к развитию») называется потентностью. Клетки, способные дифференцироваться в любую клетку взрослого организма, называются плюрипотентными. Для обозначения плюрипотентных клеток в организме животных чаще используется термин Эмбриональные стволовые клетки. Зигота и последуюшие бластомеры являются тотипотентными так как они могут дифференцироваться в любую клетку, в том числе и во внешние эмбриональные ткани.

Дифференцировка на клеточном или тканевом уровне изучена довольно подробно. Мы знаем, например, что иногда она протекает автономно, т.е. один тип клетки может превращаться в другой независимо от того, к какому типу клеток относятся соседние. Однако часто наблюдается т.н. эмбриональная индукция – явление, при котором один тип ткани стимулирует клетки другого типа дифференцироваться в заданном направлении.

В общем случае дифференцировка необратима, т.е. высокодифференцированные клетки не могут превращаться в клетки другого типа. Тем не менее это не всегда так, в особенности у растительных клеток. Различия в структуре и функциях в конечном счете определяются тем, какие типы белков синтезируются в клетке. Поскольку синтезом белков управляют гены, а набор генов во всех клетках тела одинаков, дифференцировка должна зависеть от активации или инактивации тех или иных генов в различных типах клеток. Регуляция активности генов происходит на уровне транскрипции, т.е. образования информационной РНК с использованием ДНК в качестве матрицы. Только транскрибированные гены производят белки. Синтезируемые белки могут блокировать транскрипцию, но иногда и активируют ее. Кроме того, поскольку белки являются продуктами генов, одни гены могут контролировать транскрипцию других генов. В регуляции транскрипции участвуют также гормоны, в частности стероидные. Очень активные гены могут многократно дуплицироваться (удваиваться) для производства большего количества информационной РНК.

Главные факторы дифференцировки являются различия цитоплазмы ранних эмбриональных клеток, обусловленные неоднородностью цитоплазмы яйца, и специфические влияния соседних клеток — индукция. Так же на ход дифференцировки оказывают влияние гормоны. Многие факторы, определяющие этот процесс ещё не известны.

Под действием какого-либо фактора сначала происходит детерминация, когда внешние признаки ещё не проявляются, но дальнейшее развитие ткани уже может происходить независимо от фактора, вызывающего дифференцировку, которая обычно необратима. Однако в условиях повреждения ткани, способной к регенерации, а также при злокачественном перерождении клетки происходит частичная дифференцировка. при этом возможны случаи приобретения не дифференцированными. клетками способности к данному процессу в ином направлении (метаплазия). Молекулярно-генетической основой является активность специфических для каждой ткани генов. Хотя все соматические клетки организма обладают одинаковым набором генов, в каждой ткани активна лишь часть генов, ответственных за данную Дифференцировку.

Роль факторов Дифференцировки сводится, таким образом, к избирательной активации (включению) этих генов. Активность определенных генов приводит к синтезу соответствующих белков, определяющих дифференцировку. Полагают, что решающую роль в определении формы клеток, пх способности к соединению друг с другом, их движениях в ходе дифференцировки играют цитоскелет и гликопротеидный комплекс клеточной мембраны — гликокаликс.

.