Что такое специализация клетки

Биология клетки/Часть 1. Клетка как она есть/1/7

Многоклеточный организм отличаются от одноклеточных и колониальных четко выраженной дифференциацией функций отдельных групп клеток. Специализация клеток повышает их эффективность в выполнении определённых функций, а их упорядоченность и согласованность действий позволяют целому многоклеточному организму приобретать свойства, недоступные одноклеточным и колониальным организмам.

Клетка в многоклеточном организме во многом действует так же, как и в одноклеточном организме при взаимодействии с внешней средой и клетками окружения. Однако усиление специализации клеток увеличивает и их взаимозависимость от клеток другой специализации.

Важную роль в строении многоклеточного организма играют стволовые клетки. Эти клетки способны делиться асимметрично, порождая клетку, подобную материнской, а также новую клетку, способную дифференцироваться, т.е. приобретать специализированные функции. Стволовые клетки разделяют по способности порождать другие виды клеток. Самыми широкими возможностями обладают т.н. тотипотентные стволовые клетки, такие как зигота и бластомеры, способные дать начало любым типам клеток. Далее, по мере сужения диапазона возможной дифференцировки, различают плюрипотентные, мультипотентные и унипотентные стволовые клетки. В органах и тканях взрослого организма присутствуют стволовые клетки разной степени зрелости и потентности, способные при необходимости превратиться в клетки нужного типа.

Число типов клеток в многоклеточном организме может достигать нескольких сотен. Например, во взрослом организме млекопитающего насчитывается около 350 различных видов клеток. Клетки различаются по размеру, форме, числу ядер, степени развитости органоидов, химическому составу и функциям:

Эритроциты высших позвоночных имеют диаметр 4–7 микрон, а клетки мышц — это крупные синцитии длиной до нескольких сантиметров. Ещё более крупные линейные размеры имеют нейроны с их гигантскими аксонами, достигающими в длину около метра.

Клетки могут иметь разнообразную форму: близкую к шарообразной (клетка крови — лимфоцит), напоминающую многогранник (клетка печени — гепатоцит), звездчатую (клетка костной ткани — остеобласт), цилиндрическую (клетка мерцательного эпителия). У млекопитающих зрелые эритроциты лишены ядер и имеют форму двояковогнутого диска. Монополярные нервные клетки, нейроны, имеют тело размером в несколько десятков микрон и отростки, аксоны, длиной до нескольких десятков сантиметров.

В большинстве клеток имеется одно ядро, и такие клетки называют одноядерными. Существуют также клетки с двумя, тремя, несколькими десятками и даже сотнями ядер. Это — многоядерные клетки. Клетки мышц, например, являются многоядерными клетками (синцитиями), появившимися из одноядерных в процессе эмбриогенеза. А эритроциты в зрелом состоянии не имеют ядра вовсе (это безъядерные клетки).

Органоиды различных клеток многоклеточного организма различаются по степени развитости. Например, в клетках кишечного эпителия лизосомы и аппарат Гольджи развиты лучше, чем в нейронах. А в клетках надпочечника цитоскелет развит слабее, чем в клетках мышечной ткани. Зато клетки надпочечника обладают сильно развитой эндоплазматической сетью; это связано с их секреторной активностью.

В ходе эволюции сходные клетки многоклеточного организма специализировались на выполнении определенных функций, что привело к формированию тканей. Разные ткани объединились в органы, а органы — в системы органов. Функции клеток различных тканей и органов, выполняющих специализированные функции, также существенно различаются. Так, эритроциты выполняют функцию переноса кислорода и углекислого газа, клетки различных эпителиев — защитную, выделительную, всасывающую и разграничительную функции, а нейроны, клетки нервной ткани — функцию восприятия раздражителей, генерации и передачи нервных импульсов.

Специализация клеток происходит вследствие дифференцированной работы генома. Репрессия и дерепрессия конкретных участков генома, а также биохимическая и анатомо-морфологическая дифференциация происходят из-за разной концентрации действующих на клетки сигнальных веществ, питательных веществ и ионов.

Источник

Что такое специализация клетки

Клеточная специализация, также известная как дифференцировка клеток, представляет собой процесс, посредством которого родовые клетки превращаются в специфические клетки, предназначенные для выполнения определенных задач в организме. Клеточная специализация является наиболее важной в развитии эмбрионов. У взрослых стволовые клетки специализируются на замене клеток, которые изнашиваются в костном мозге, мозге, сердце и крови.

Механика дифференцировки клеток

Точный механизм дифференцировки клеток неизвестен по состоянию на апрель 2010 г., хотя ученые знают, что определенные гены в ДНК клетки должны быть активированы или деактивированы, чтобы произвести определенный тип клеток. Строковский Ярослав выдвигает гипотезу, что соседние клетки вводят в клетку агент, который заставляет ее дифференцироваться. Было доказано, что клетки костного мозга специализируются, когда количество лейкоцитов в организме становится слишком низким.

Клеточная специализация и развитие эмбрионов

При зачатии образуется зигота, состоящая всего из одной клетки. Зигота превращается в зародыш, который является многоклеточным организмом. Специализация клеток жизненно важна для правильного развития эмбрионов. Эмбрион нуждается в клетках для развития каждого из его жизненно важных органов, таких как мозг, сердце и кожа.

Клеточная специализация у взрослых

Взрослые состоят в основном из клеток, называемых соматическими клетками, которые не изменяются. Тело взрослого человека также содержит стволовые клетки, которые могут быть специализированы для замены изношенных клеток в организме. Взрослые стволовые клетки можно найти во многих областях тела, включая мозг, кости и костный мозг, сердце, кровь, кожу и репродуктивные органы. Кроветворные стволовые клетки называются кроветворными клетками, а клетки, которые образуют кости или ткани, называются стромальными клетками.

Дедифференцировка

Использование специализации клеток в медицине

В настоящее время ученые изучают возможности использования взрослых стволовых клеток в лечении таких заболеваний, как диабет и болезни сердца; они предполагают, что стволовые клетки могут быть запущены, чтобы специализироваться на замене больных клеток в сердце или поджелудочной железе. Пересадки костного мозга уже используются для генерации большего количества лейкоцитов у больных лейкемией и для лечения определенных типов рака молочной железы или яичников.

Источник

Как клетки становятся специализированными

Содержание:

Ключевые области покрыты

1. Что такое клеточная специализация
— определение, особенности, функции
2. Как клетки становятся специализированными
— эмбриональное развитие, развитие взрослых

Ключевые слова: стволовые клетки взрослых, клеточная специализация, цитоплазматические детерминанты, эмбриональные стволовые клетки, эпигенетический контроль, сигнальные каскады

Что такое сотовая специализация

Клеточная специализация относится к дифференцировке клеток на основе их расположения в ткани во время их развития. Внутри многоклеточного организма клеточная специализация встречается много раз во время восстановления тканей и во время нормального оборота клеток. Кроме того, внутри эмбриона клетки специализируются на различных типах для развития многоклеточного организма. Специализация ячейки показана в Рисунок 1.

Рисунок 1: Специализация соты

Специализация клетки изменяет размер клетки, ее форму, метаболическую активность, мембранный потенциал и чувствительность к сигналам.

Как клетки становятся специализированными

Различные типы клеточной специализации могут наблюдаться на разных этапах развития жизни.

Специализация клеток во время эмбрионального развития

Рисунок 1: Эмбриональное развитие

Деление клеток, которое происходит во время эмбрионального развития, является типом асимметричного деления клеток. Асимметричное деление клеток рождает дочерние клетки с отчетливыми судьбами развития. Двумя основными причинами асимметричного деления клеток являются цитоплазматические детерминанты и различные клеточные сигнальные каскады. Цитоплазматические детерминанты являются регуляторными молекулами родительской клетки. В сигнальные каскадыконкретная клетка побуждает соседние клетки развиваться в своем типе путем передачи в них сигнальных молекул.

Специализация клеток во время развития взрослых

Многоклеточные организмы имеют различные типы клеток, которые специализируются на выполнении определенной функции в организме. Клетки, выполняющие определенную функцию, располагаются в тканях. Следовательно, конкретная ткань состоит из клеток с определенной функцией. Неспециализированные клетки в организме взрослого человека известны как взрослые стволовые клетки, Дифференцировка гемопоэтических стволовых клеток в специализированные типы клеток в крови показана в рисунок 3.

Рисунок 3: дифференцировка кроветворных стволовых клеток

Основным механизмом получения специализированных клеток из стволовых клеток является регуляция экспрессии генов посредством эпигенетических механизмов. Следовательно, тип клетки определяется на уровне экспрессии гена. Более того, паттерн экспрессии генов должен сохраняться на протяжении поколений. Дифференциальная экспрессия генов достигается модификациями гистонов и различными уровнями метилирования ДНК.Как правило, паттерны метилирования ДНК в эмбриональных стволовых клетках и плюрипотентных взрослых стволовых клетках одинаковы. Но это отличается в специализированных соматических клетках. Взрослые стволовые клетки являются плюрипотентными, и их плюрипотентность поддерживается факторами транскрипции, известными как OCT4, SOX2 и NANGO.

Заключение

Ссылка:

1. «Клеточная дифференциация». Википедия, Фонд Викимедиа, 17 марта 2018 г.,

Источник

Как клетки специализируются

Из яйцеклетки многоклеточного организма в процессе дифференцировки развиваются все специализированные клетки взрослого организма. В настоящее время считают, что дифференцировка начинается еще в яйце.

Задолго до того, как люди впервые услыхали о клетках, не говоря уже о молекулах, они столкнулись с одной из самых интригующих тайн природы: из яйца, такого простого на вид, появляется живой организм, вполне законченный, совершенный во всех отношениях и невероятно сложный. Каждый орган такого организма обычно имеет строго определенные размеры, расположен в предназначенном для него месте и содержит именно такие клетки, какие необходимы для осуществления его специфических функций. И сегодня мы заинтригованы не меньше. Каким образом недифференцированная клетка дробящегося яйца превращается в специализированную клетку сердца или печени, в нервную, мышечную или костную клетку?

Хотя сложный загадочный процесс дифференцировки весьма неохотно раскрывает свои секреты, в его исследовании сделаны большие успехи. Эти успехи достигнуты главным образом благодаря быстрому развитию биохимии, созданию новых методов исследования и подбору организмов, особенно подходящих для изучения проблемы дифференцировки. Однако наибольшую роль сыграло в этом, быть может, изменение общего подхода к проблеме. Прежде при исследовании дифференцировки делали основной упор на роль в этом процессе клеточного ядра, или цитоплазмы, или же среды, окружающей клетку. Теперь же нам стало гораздо больше известно относительно динамического взаимодействия между этими тремя переменными и мы научились одновременно наблюдать за всеми ими в процессе эмбрионального развития.

В своем изложении мы ограничимся примерами и экспериментами, которые показывают роль, исполняемую в процессе дифференцировки ядром и цитоплазмой, а также значение взаимодействия между ними. Природа ядра и цитоплазмы рассмотрена в статье Браше. Мы не считаем, что в рассматриваемых нами примерах ролью среды можно пренебречь; нам только кажется, что в этих случаях среда имеет второстепенное значение по сравнению с ядром или цитоплазмой. По крайней мере значение ее не столь велико, как, например, при развитии миксомицетов или же при дифференцировке клеток в культуре тканей.

Мы начнем с описания развития яйца, ибо мы теперь считаем, что основа будущего зародыша уже заложена в созревающем яйце, причем даже еще до того, как яйцо полностью созреет и будет оплодотворено.

Прежде чем будущая яйцеклетка начинает созревать, она выглядит, как любая другая недифференцированная клетка, т. е. не обладает никакими признаками, на основании которых ее можно было бы отнести к какому-нибудь определенному специализированному типу. Яйцеклетка лягушки (икринка) имеет около 17 микронов в диаметре, т. е. она примерно вдвое крупнее специализированных клеток. Диаметр зрелой икринки достигает 2000 микронов, т. е. 2 миллиметров. Это означает, что в процессе созревания объем икринки увеличивается в 1600000 раз. Такое колоссальное увеличение в объеме происходит за счет поглощения клеткой материалов из окружающей среды и использования их для синтеза своих собственных веществ. У некоторых животных яйцеклетка поглощает и включает в свой состав очень сложные молекулы, синтезируемые другими клетками (обычно питательными или фолликулярными клетками). Что касается лягушек и других земноводных, то их яйцеклетки, по-видимому, усваивают материал главным образом в форме простых молекул, из которых ядро и цитоплазма яйцеклетки активно синтезируют затем более сложные вещества.

Поскольку в процессе развития яйца масса его цитоплазмы, ядра, ядрышек и ядерной оболочки увеличивается, приходится сделать вывод, что все эти компоненты клетки поглощают из среды простые вещества (предшественники) и либо как-то их используют, либо по меньшей мере откладывают их про запас. Исследования с радиоактивными изотопами показали, что как в ядре, так и в цитоплазме происходит интенсивный синтез. Особенно активный синтез протекает во всех компонентах ядра— в хромосомах, в ядерном соке и в ядрышках.

Растущая яйцеклетка синтезирует главным образом гликоген, липиды, белки и нуклеопротеиды, которые представляют собой белки, соединенные с нуклеиновыми кислотами — ДНК и РНК. Белки представлены частью в виде прозрачной цитоплазмы, богатой РНК, частью же в виде комочков желтка, называемых желточными пластинками; эти пластинки имеют весьма различную величину, и роль их пока еще не ясна. Белковую природу имеют также присутствующие в большом количестве Митохондрии и различные ферменты. В яйцах некоторых видов в цитоплазме содержится также и ДНК. Возможно, что главные группы химических веществ, содержащихся в растущих яйцах, сами чрезвычайно неоднородны, поскольку многими сложными процессами синтеза ведают гены, число которых достигает 10—20 тысяч, а каждый ген может быть связан с синтезом какого-либо одного вещества. Поэтому мы прежде всего займемся более подробным рассмотрением хромосом, в которых располагаются гены.

Хромосомы яйцеклеток, вступивших в период роста, отнюдь не имеют вида плотных, свернутых в спираль палочковидных образований, какими мы привыкли их видеть во время митоза. Напротив, они сильно раскручены и поэтому имеют форму длинных и тонких нитей. На ранних стадиях роста яйца хромосомы представляют собой одиночные нити, а позднее — двойные нити, в которых на небольших расстояниях друг от друга располагаются толстые и плотные вздутия — хромомеры.

Хромомеры эти очень многочисленны; число их примерно соответствует предполагаемому числу генов, а возможно даже, что это и есть гены. По-видимому, хромомеры представляют собой те части хромосомной нити, которые особенно плотно закручены в спираль. От оси хромосомы отходят парные тонкие нити (возможно, что это деспирализованные части хромосомной оси), которые образуют петли по обе стороны хромосомы, а затем вновь подходят к хромосоме, входя во второй хромомер каждой пары. За свой характерный вид хромосомы на этой стадии роста яйца были названы хромосомами типа «ламповых щеток».

У большей части хромомеров имеются боковые петли, весьма разнообразные по величине и форме.

X. Каллан и Дж. Голл обнаружили, что для данного хромомера форма петли, а также характер матрикса, окружающего эту петлю, имеют вполне определенные особенности, причем на оси каждой данной хромосомы этот хромомер всегда занимает одно и то же положение. Хромосомная ось, хромомеры и боковые петли состоят из ДНК, т. е. из вещества, из которого, согласно современным представлениям, состоят гены. Матрикс же, окружающий боковые петли, состоит из РНК и белка. В боковых петлях на всем протяжении роста яйца синтезируются большие количества этих двух веществ, но синтеза ДНК в них не происходит.

Каллан и Голл показали, что РНК (а возможно, и белок), образовавшаяся в боковых петлях хромосом типа «ламповых щеток», отделяется от этих петель и сначала просто свободно плавает в ядерном соке, а затем проникает сквозь пористую ядерную оболочку в цитоплазму. На ранних и средних стадиях роста яйца количество РНК в цитоплазме увеличивается, и в местах расположения зерен РНК синтезируются большие количества белка. Поэтому возможно, что число различных типов молекул РНК и белка в яйцеклетке равно числу содержащихся в ней генов, участвующих в синтезе. До тех пор пока не будут усовершенствованы методы, позволяющие дифференцировать различные типы РНК и белков, вопрос о степени неоднородности содержимого яйца будет оставаться в области догадок.

Нетрудно убедиться в том, что зрелое яйцо обладает полярностью; это означает, что его содержимое распределено неравномерно, и притом так, что неравномерность эта носит упорядоченный и специфический характер. Ядро расположено близ точки, которую можно назвать верхним полюсом; прозрачная цитоплазма, зерна РНК и митохондрии сконцентрированы вокруг этого полюса, а по направлению к нижнему полюсу количество их уменьшается. Такой же характер носит и распределение пигмента, тогда как комочки желтка крупнее и расположены более густо у нижнего полюса, а по мере приближения к верхнему полюсу размеры их уменьшаются и они встречаются реже. Таким образом, мы можем говорить о существовании градиентов в распределении веществ в цитоплазме. Эти градиенты располагаются параллельно оси яйца и определяют радиальную симметрию цитоплазмы: во всех точках любой плоскости, параллельной «экватору» яйца, цитоплазма имеет одинаковый состав, однако состав ее в точках, лежащих в разных плоскостях, различен. Поэтому все меридиональные «ломтики» яйца, идущие (подобно долькам апельсина) от верхнего его полюса к нижнему, совершенно идентичны по содержанию и распределению веществ.

Эта радиальная симметрия, свойственная яйцам многих животных, впоследствии сменяется двусторонней симметрией. У разных видов смена типа симметрии наступает либо незадолго до оплодотворения, либо вскоре после него. Смена типа симметрии вызывается изменением в распределении компонентов цитоплазмы и часто бывает связана с изменением наружного (кортикального) слоя яйца. Некоторые вещества цитоплазмы иногда собираются в форме серпа на одной стороне яйца. Дальнейшее развитие этих яиц показывает, что плоскость, разделяющая тело развивающегося зародыша на правую и левую половинки, проходит через самую широкую часть этого серпа (расположенного примерно параллельно экватору) и через оба полюса. У земноводных самая широкая часть серпа всегда превращается в дорзальную (спинную), или верхнюю, часть тела, а область, в которой сходятся узкие концы серпа, — в вентральную (брюшную), или нижнюю часть. Голова развивается на вентральной стороне верхнего полюса, а хвост располагается в области между нижним полюсом и нижним краем серпа.

Таким образом, в еще недробившемся яйце будущий зародыш уже полностью предетерминирован расположением и особенностями цитоплазматических компонентов яйца. В яйцах многих животных эта предетерминированность выражена столь ясно, что в них до начала дробления можно легко различить участки, из которых впоследствии разовьется головной мозг, кишечник, мышцы или будущие зародышевые клетки. А у некоторых видов, как мы уже отмечали, предетерминированность ясно заметна даже до оплодотворения яйца. Конечно, в, норме, прежде чем может начаться дробление, необходимо, чтобы яйцо было оплодотворено.

В процессе развития, наступающего после оплодотворения, хромосомы яйцеклетки и сперматозоида объединяются в одном ядре, которое затем претерпевает митоз, ведущий к первому дроблению. Дочерние ядра, образующиеся в процессе дробления, получают различные по своему составу порции цитоплазмы благодаря пространственной неоднородности цитоплазмы яйца, которая стабилизируется в результате появления клеточных мембран.

Между тем все ядра, возникшие путем митоза из одного ядра оплодотворенного яйца, одинаковы, во всяком случае вначале. Будучи идентичными, все они должны функционировать одинаковым образом. Ядра могут функционировать по-разному лишь в том случае, если их побуждает к этому некий изменчивый фактор, а именно среда, и в частности цитоплазма, непосредственно окружающая ядро. Если только мы не решим, что вся дифференцировка целиком зависит от цитоплазмы, то нам придется допустить, что под влиянием цитоплазмы, состав и характер которой в разных участках яйца различны, одинаковые ядра функционируют по-разному. Такое допущение не только представляет собой логическую необходимость, но и подтверждается, как мы это сейчас увидим, многочисленными экспериментальными данными.

Слюнные железы личинок некоторых насекомых (главным образом личинок двукрылых) состоят из небольшого числа крупных клеток, содержащих огромные хромосомы. Это один из тех случаев, когда рост происходит в результате увеличения не числа клеток, а их размеров. Очень крупная клетка, очевидно, не может функционировать при обычном числе хромосом, и поэтому число хромосом в такой клетке увеличивается в соответствии с ее размером. Гигантская хромосома в клетках слюнных желез представляет собой на самом деле пучок из 500—1000 деспирализованных хромосом, склеенных вместе таким образом, что идентичные части — хромомеры — всех гомологичных хромосом лежат друг подле друга. В результате все хромомеры данного генного локуса образуют диск; такие же диски образуют хромомеры всех других генных локусов. Эти диски разделены межхромомерными или междисковыми участками, так что гигантская хромосома имеет такой вид, как будто она состоит из множества темных и светлых полос разной ширины.

Тщательные исследования, проведенные М. Брейером, а также У. Бирманом и его сотрудниками, показали, что хромомеры могут вздуваться, образуя так называемые кольца Бальбиани, или вздутия. Кроме того, эти ученые установили, что во вздутиях хромосом происходит интенсивный синтез РНК и белков. Особенный интерес вызывает то обстоятельство, что образование этих вздутий носит закономерный характер. Среди зрелых личинок какого-либо определенного вида у всех особей наблюдаются вздутия лишь на некоторых определенных хромомерах. Однако у молодых личинок вздутия образуются на других хромомерах. Естественно предположить, что различные генные локусы вздуваются и становятся активными на разных стадиях развития данного организма.

Специфичность, характеризующая активность хромомеров, проявляется в зависимости не только от возраста, но и от типа клеток. В слюнных железах (по крайней мере у хирономид) имеется два типа секреторных клеток, причем вздутие хромомеров происходит по-разному в клетках разных типов и на разных стадиях развития. Создается впечатление, что в цитоплазме имеются какие-то специфические факторы, вызывающие активность отдельных генов. Кроме того, вполне возможно, что клетки различных типов имеют различную цитоплазму и что в процессе развития цитоплазма подвергается изменениям (возможно, в результате деятельности специфичных генов).

Некоторые данные, подтверждающие подобные предположения, были получены недавно благодаря оригинальным экспериментам, поставленным Крёгером. Крёгер изменял среду хромосом слюнных желез, перенося ядра из желез развитых личинок в препараты, содержащие цитоплазму развивающихся яиц. При этом оказалось, что в новой среде вздутия некоторых хромомеров исчезали, а другие хромомеры, напротив, становились вздутыми. Удалось даже установить известную зависимость между образованием вздутий и стадией развития яиц, от которых была взята цитоплазма.

Изучение хромосом клеток слюнных желез имеет огромное значение для развития наших представлений о том, каким образом происходит специализация клеток. Оно позволяет проникнуть в сущность взаимоотношений между ядром и окружающей его цитоплазмой. Хотя исследования проводятся главным образом на относительно поздних стадиях развития, они дают возможность строить некоторые предположения и о том, каким образом происходит дифференцировка на ранних этапах.

Давайте посмотрим теперь, что же произойдет, если изменить постановку эксперимента, т. е. оставить неизменной цитоплазматическую среду, но зато сменить ядра. Долгое время считали, несмотря на немногочисленность прямых тому данных, что все клетки данного организма содержат идентичные хромосомы независимо от характера специализации клетки. Для проверки этого предположения можно при помощи весьма тонкой методики извлечь из неоплодотворенной икринки лягушки ядро (содержащее все хромосомы) и заменить его ядром, извлеченным из какой-либо частично специализированной клетки развивающегося лягушачьего зародыша. Цитоплазма яйца и внесенное в нее ядро развиваются и дают так называемый трансплантатный зародыш. В оплодотворении в данном случае нет нужды, так как внесенное ядро происходит от ядра, возникшего в результате слияния ядер яйцеклетки и сперматозоида.

Поскольку цитоплазма обладает всеми качествами, необходимыми для нормального развития, наблюдаемое при таком эксперименте развитие будет служить мерой качества или потенциала развития, которым обладает внесенное в яйцо ядро.

Р. Бриггс, Т. Кинг, а также авторы этой статьи в сотрудничестве с Дж. Гордоном провели подобные эксперименты на различных видах лягушек и получили в основном одинаковые результаты. Оказалось, что если ядра извлекали на ранних стадиях развития зародыша (бластула), то из трансплантатных зародышей в большинстве случаев развивались нормальные головастики. Если же ядра брали у зародышей, находившихся на более поздних стадиях развития, то число нормальных головастиков было значительно меньше. Большинство трансплантатных зародышей погибало в самом начале или же развитие их протекало ненормально и прекращалось на несколько более поздней стадии. Результаты этого эксперимента показывают, что в течение развития и дифференцировки ядра изменяются. Они, по-видимому, утрачивают свою тотипотентность, и их способность направлять нормальное развитие становится более ограниченной.

Одна из самых удивительных особенностей этих экспериментов состоит в том, что при переносе ядер, взятых из какого-нибудь определенного органа (например, кишки) данного зародыша, в яйца, из которых «было удалено ядро, трансплантатные зародыши, развивающиеся из этих яиц, оказываются не одинаковыми, а очень разнообразными. Развитие некоторых из них прекращается на стадии бластулы, другие дают различные отклонения, и лишь из нескольких яиц удается получить нормальных головастиков. Поэтому мы можем сделать вывод, что различны не только ядра клеток, принадлежащих разным органам, но даже и ядра, взятые из клеток одного и того же органа. Иными словами, развивающийся орган зародыша содержит весьма разнородную популяцию ядер. Если пересадить в цитоплазму описанным выше способом ядра, взятые от только что вылупившихся головастиков, то развивающиеся в этом случае зародыши окажутся гораздо более однородными. Такое уменьшение изменчивости трансплантатных зародышей может свидетельствовать о том, что на стадии головастика ядра становятся более сходными, поскольку большая их часть к этому времени уже успевает пройти ряд одинаковых изменений (тогда как в экспериментах, в которых ядра берут от зародышей, эти ядра находятся в разных фазах изменения). Однако, быть может, причина кроется и в другом, а именно в том, что потенциальные возможности, которыми обладают ядра головастиков, крайне ограничены, вследствие чего развитие трансплантатных зародышей, содержащих такие ядра, обычно задерживается на самых ранних стадиях.

Возникает и другой вопрос: носят ли наблюдаемые изменения ядра характер обратимых изменений или нее они стабильны, необратимы и передаются по наследству? На этот вопрос можно ответить, прибегнув к помощи «ядерных клонов». Для создания такого клона ядро зародыша-донора вводят в неоплодотворенное яйцо, из которого предварительно удаляют его собственное ядро. Это яйцо развивается в бластулу, причем дальнейшей дифференцировки ядер не происходит.

Затем клетки этой бластулы отделяют друг от друга и их ядра вводят по одному в неоплодотворенные яйца. Развивающиеся в результате этой вторичной пересадки зародыши образуют клон, в котором каждый зародыш содержит ядра, происходящие от общего для всех исходного ядра, использованного для первой пересадки; поэтому все зародыши данного клона имеют одинаковую генетическую конституцию. Всю эту процедуру повторяют несколько раз, чтобы получить ряд таких клонов.

Сходство в пределах одного клона ярко выявляется на фоне изменчивости, наблюдаемой среди разных клонов. Каждый клон отражает свойства одного-единственного исходного ядра, а различия между клонами — различия между отдельными исходными ядрами. Эти эксперименты показывают, что изменения, которым подвергаются ядра в процессе естественной дифференцировки, относительно стабильны и передаются по наследству. Кроме того, они подтверждают мнение о том, что изменчивость, наблюдаемая после первой пересадки, носит реальный характер, а не представляет собой результат повреждения ядер при пересадке.

Несколько лет назад казалось совершенно немыслимым, что в процессе дифференцировки генетические свойства ядер могут подвергаться изменениям. Однако за последнее время выявляются все новые и новые примеры необратимых изменений, вызываемых в ядре цитоплазматическими факторами. Такие примеры обнаружены у простейших, аскарид, лягушек и у некоторых насекомых. У последних подобные изменения затрагивают хромосомы, и их можно ясно наблюдать в обычный микроскоп.

Взрослые особи насекомого галлины необычны в том отношении, что у них имеется большое число хромосом в зародышевых клетках и очень немного — в соматических клетках, из которых состоит весь организм. Мы опишем, каким образом возникает это различие в числе хромосом у одного вида, а именно у Mayetiola destructor.

Как и у других насекомых, у этого вида на ранних стадиях развития не образуется клеточных мембран. Ядро зиготы, содержащее примерно 40 хромосом, делится сначала на два, затем на четыре и затем на восемь ядер. Вследствие отсутствия мембран эти ядра могут равномерно распределиться по цитоплазме яйца. На стадии восьми ядер одно из ядер проходит к заднему полюсу яйца и локализуется по соседству с особой цитоплазмой — зародышевой плазмой, которая всегда собирается у этого полюса.

В течение следующего митоза все 8 ядер снова делятся, так что возникает 16 ядер. В то же самое время цитоплазма, расположенная у заднего полюса, собирается в две клетки, в состав которых входят два ядра, лежащие ближе всего к заднему полюсу, и вся зародышевая плазма. При этом, четвертом, делении две вновь сформировавшиеся клетки отделяются от всего яйца. Эти две клетки становятся исходными зародышевыми клетками, из которых впоследствии получаются все будущие яйцеклетки или сперматозоиды, а также питательные клетки.

Начинается совершенно своеобразный, пятый, митоз, в процессе которого делятся все 14 ядер, лежащих в соматической части яйца, а две первичные зародышевые клетки в митозе не участвуют. Когда наступает время для расхождения удвоившихся хромосом в стороны (на стадии анафазы), становится ясно, что митоз протекает совершенно необычным способом. Из 40 хромосом, содержащихся в каждом ядре, лишь 8 продольно расщепляются на две половинки, которые расходятся к противоположным полюсам митотического веретена. У остальных 32 хромосом расщепление не завершается, сестринские хромосомы остаются соединенными своими концами и продолжают неподвижно лежать на экваториальной пластинке веретена. Тем временем восьмерки хромосом, отошедшие к полюсам веретена, образуют два маленьких дочерних ядра. Вскоре после этого 32 хромосомы, «оставшиеся не у дел», начинают растворяться и в конце концов сливаются с цитоплазмой, становясь совершенно неразличимыми. Таким образом, соматические клетки утрачивают 32 хромосомы.

Первичные зародышевые клетки не только не принимают участия в этом митозе, но в них не происходит также и элиминации хромосом: в течение последующих делений в зародышевых клетках сохраняется полное число хромосом и таким образом обособляются клетки, из которых впоследствии разовьются половые органы. Маленькие ядра (содержащие по 8 хромосом) продолжают делиться и дают начало ядрам всех соматических клеток.

Совершенно очевидно, что поведение ядер во время пятого митотического деления определяется наличием или отсутствием какого-то цитоплазматического фактора. Тщательные наблюдения над ядрами будущих зародышевых клеток показывают, что зародышевая плазма, богатая РНК и митохондриями, тесно обволакивает оболочки этих ядер после четвертого митоза. Создается впечатление, что зародышевая плазма как бы защищает ядра от влияния окружающей цитоплазмы — впечатление, усиливающееся образованием клеточных мембран, отсекающих две зародышевые клетки от всего остального яйца.

Пытаясь выяснить причины описанной утраты хромосом, К. Банток облучал ультрафиолетом самый кончик задней части яиц галлины, где находится зародышевая плазма, до того как в него мигрировали ядра будущих зародышевых клеток. Остальную часть яйца, содержащую все ядра, тщательно защищали от излучения. В обработанных таким образом яйцах два задних ядра мигрировали обычным путем в зародышевую плазму, однако на сей раз их постигала участь всех остальных ядер, т. е. число их хромосом сокращалось с 40 до 8. Исходные зародышевые клетки, несмотря на утрату 32 хромосом, тем не менее давали начало клеткам, из которых позднее развивались половые органы. Если зародышам предоставляли возможность развиваться, то из них получались взрослые самки и самцы, нормальные на вид, но на самом деле стерильные. Гистологическое исследование половых органов таких насекомых полученных из облученных ультрафиолетом яиц, показало, что половые клетки у них не развивались.

Создается впечатление, что обычно зародышевая плазма препятствует утрате хромосом. Это может быть связано с подавлением пятого деления у ядер будущих зародышевых клеток или с каким-либо другим защитным механизмом, действие которого совпадает по времени с этим подавлением. Отсутствие половых клеток у галлин, вылетевших из облученных яиц, свидетельствует о необходимости для развития этих клеток именно тех хромосом, которые были утрачены.

Кроме того, столь сильное действие облучения заставляет предполагать, что защитный фактор, содержащийся в зародышевой плазме, состоит из РНК, так как РНК особенно чувствительна к ультрафиолету.

Результаты работы Бантока на галлинах дают нам хороший пример ядерно-плазменного взаимодействия. Они показывают, что нормальное образование яйца возможно лишь в том случае, если в этом процессе участвует весь хромосомный набор данного вида; соматическая же дифференцировка может протекать нормально даже при резко сокращенном (до восьми) числе хромосом, при условии, что цитоплазма яйца содержит продукты деятельности генов, находившихся в активном состоянии в период образования яйца.

Возможно, что и у других, более сложных, организмов зародышевая плазма играет такую же защитную роль, давая возможность зародышевым клеткам избежать специализации и сохранить свою тотипотентность. У лягушек была обнаружена зародышевая плазма, сходная по своему химическому составу с аналогичной плазмой галлины; в этом случае также облучение ультрафиолетом приводило к частичной или полной стерильности лягушек, развивавшихся из яиц, подвергнутых облучению.

Подводя итоги, следует сказать, что дифференцировка скорее всего представляет собой результат ядерно-плазменного взаимодействия, которое вызывает постепенное обособление цитоплазмы и все возрастающую специализацию ядер отдельных клеток. Основной поставленный здесь вопрос о том, как клетки специализируются, остался без ответа; однако, как нам кажется, нам удалось показать, что сложность цитоплазмы зрелого яйца должна неизбежно привести к специализации.

Авторы: М. Фишберг и А. Блэклер

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник