Диференціювання клітин
ДИФЕРЕНЦІЮВАННЯ ТА ПАТОЛОГІЯ КЛІТИН
Диференціювання клітин. Фактори та регуляція диференціювання. Стовбурова клітина та дифферон
Апоптоз та некроз
Пухлинна трансформація клітин
Диференціювання клітин. Фактори та регуляція диференціювання. Стовбурова клітина та дифферон
Це питання належить до найскладніших і водночас цікавих як цитології, так біології.Диференціювання -це процес виникнення та розвитку структурних та функціональних відмінностей між спочатку однорідними ембріональними клітинами, в результаті якого утворюються спеціалізовані клітини, тканини та органи багатоклітинного організму. Диференціювання клітин є найважливішою складовою процесу формування багатоклітинного організму. У випадку диференціювання незворотна, тобто. високодиференційовані клітини не можуть перетворюватися на клітини іншого типу. Це називаєтьсятермінальним диференціюванням і властиво переважно клітинам тварин. На відміну від клітин тварин більшість клітин рослин навіть після диференціювання здатні переходити до поділу і навіть вступати на новий шлях розвитку. Такий процес називаєтьсядедиференціюванням. Наприклад, при надрізі стебла деякі клітини в зоні розрізу починають ділитися і закривають рану, інші взагалі можуть піддаватися дедиференціюванню. Так клітини кори можуть перетворитися на клітини ксилеми і відновити безперервність судин у сфері ушкодження. В експериментальних умовах при культивуванні рослинної тканини у відповідному живильному середовищі клітини утворюють калюс.Каллус - це маса щодо недиференційованихклітин, отримана з диференційованих клітин рослин. За відповідних умов з одиночних клітин калюсу можна виростити нові рослини. При диференціювання немає втрат чи перебудови ДНК. Про це переконливо свідчать результати експериментів із пересадки ядер з диференційованих клітин у недиференційовані. Так ядро з диференційованої клітини вводили в енуклейовану яйцеклітину жаби. В результаті з такої клітини розвивався нормальний пуголовок. Диференціювання переважно відбувається в ембріональний період, а також на перших стадіях постембріонального розвитку. Крім того, диференціювання має місце у деяких органах дорослого організму. Наприклад, у кровотворних органах стовбурові клітини диференціюються у різні клітини крові, а в гонадах – первинні статеві клітини – у гамети.
Фактори та регуляція диференціації. На перших етапах онтогенезу розвиток організму відбувається під контролем РНК та інших компонентів, що знаходяться в цитоплазмі яйцеклітини. Потім на розвиток починають впливати фактори диференціювання.
Виділяють два основні фактори диференціювання:
1. Відмінності цитоплазми ранніх ембріональних клітин, зумовлені неоднорідністю цитоплазми яйця.
2. Специфічні впливи сусідніх клітин (індукція).
Роль факторів диференціювання полягає у виборчій активації чи інактивації тих чи інших генів у різних клітинах. Активність певних генів призводить до синтезу відповідних білків, що спрямовують диференціацію. Синтезовані білки можуть блокувати або, навпаки, активувати транскрипцію. Спочатку активація чи інактивація різних генів залежить від взаємодії тотипотентних ядер клітин зі своєю специфічною цитоплазмою. Виникнення локальнихвідмінностей у властивостях цитоплазми клітин називається ооплазматичною сегрегацією. Причина цього явища полягає в тому, що в процесі дроблення яйцеклітини ділянки цитоплазми, що відрізняються за своїми властивостями, потрапляють у різні бластомери. Поряд із внутрішньоклітинною регуляцією диференціювання з певного моменту включається надклітинний рівень регуляції. До надклітинного рівня регуляції належить ембріональна індукція.
Ембріональна індукція –це взаємодія між частинами організму, що розвивається, в процесі якого одна частина (індуктор) входить в контакт з іншою частиною (реагує системою) і визначає розвиток останньої. Причому встановлено як вплив індуктора на реагує систему, а й вплив останньої на подальшу диференціювання індуктора.
Під впливом будь-якого чинника спочатку відбувається детермінація.
Детермінацією, або латентним диференціюванням,називають явище, коли зовнішні ознаки диференціювання ще не виявилися, але подальший розвиток тканини вже відбувається незалежно від фактора, що їх викликав. Клітинний матеріал вважають детермінованим зі стадії, де він вперше при пересадці в нове місце розвивається в орган, який з нього утворюється в нормі.
Стовбурова клітина і дифферон. До перспективних напрямів біології XXI століття належить вивчення стовбурових клітин. Сьогодні дослідження стовбурових клітин за значимістю можна порівняти з дослідженнями з клонування організмів. На думку вчених застосування стовбурових клітин у медицині дозволить лікувати багато "проблемних" захворювань людства (безпліддя, багато форм раку, діабет, розсіяний склероз, хвороба Паркінсона та ін.).
Стовбурова клітина - це незріла клітина, здатна до самооновлення та розвитку вспеціалізовані клітини організму.
Стовбурові клітини поділяють наембріональні стовбурові клітини(їх виділяють з ембріонів на стадії бластоцисти) ірегіональні стовбурові клітини(їх виділяють з органів дорослих особин або з органів ембріонів пізніших стадій). У дорослому організмі стовбурові клітини знаходяться в основному в кістковому мозку і, в дуже невеликих кількостях, у всіх органах та тканинах.
Властивості стовбурових клітин.Стовбурові клітини самопідтримуються, тобто. після поділу стовбурової клітини одна клітина залишається в стовбуровій лінії, а друга диференціюються спеціалізовану. Такий поділ називається несиметричним.
Функції стовбурових клітин.Функція ембріональних стовбурових клітин полягає у передачі спадкової інформації та утворенні нових клітин. Основне завдання регіональних стовбурових клітин – відновлення втрат спеціалізованих клітин після природної вікової чи фізіологічної загибелі, а також в аварійних ситуаціях.
Діфферон - це послідовний ряд клітин, що утворився із загального попередника. Включає стовбурові, напівстволові та зрілі клітини.
Наприклад, стовбурова клітина, нейробласт, нейрон або стовбурова клітина, хондробласт, хондроцит і т.д.
Нейробласт – малодиференційована клітина нервової трубки, що перетворюється надалі на зрілий нейрон.
Нейрон – клітина, яка є структурною та функціональною одиницею нервової системи.
Хондробласт - малодиференційована клітина хрящової тканини, що перетворюється на хондроцит (зріла клітина хрящової тканини).
Апоптоз та некроз
Апоптоз (з грец. - Опад листя) - це генетично запрограмована форма загибелі клітини, необхідна у розвитку багатоклітинного організму і бере участь упідтримці тканинного гомеостазу. Апоптоз проявляється у зменшенні розміру клітини, конденсації та фрагментації хроматину, ущільненні плазматичної мембрани без виходу вмісту клітини у навколишнє середовище. Апоптоз зазвичай протиставляється іншій формі загибелі клітин - некрозу, який розвивається при впливі зовнішніх по відношенню до клітини ушкоджуючих агентів та неадекватних умов середовища (гіпоосмія, крайні значення рН, гіпертермія, механічні впливи, дія агентів, що ушкоджують мембрану). Некроз проявляється набуханням клітини та розривом мембрани внаслідок підвищення її проникності з виходом вмісту клітини в середу. Перші морфологічні ознаки апоптозу (конденсація хроматину) реєструються у ядрі. Пізніше з'являються вдавлення ядерної мембрани та відбувається фрагментація ядра. Відшнуровані фрагменти ядра, обмежені мембраною, виявляються поза клітиною, їх називаютьапоптотичними тільцями.У цитоплазмі відбуваються розширення ендоплазматичної мережі, конденсація і зморщування гранул. Найважливішою ознакою апоптозу є зниження трансмембранного потенціалу мітохондрій. Клітинна мембрана втрачає ворсинчастість, утворює міхурові здуття. Клітини округляються та відокремлюються від субстрату. Проникність мембрани підвищується лише щодо невеликих молекул, причому це відбувається пізніше змін у ядрі. Однією з найбільш характерних рис апоптозу є зменшення об'єму клітини в протилежність її набухання при некрозі. Апоптоз вражає індивідуальні клітини і практично не відбивається на їхньому оточенні. В результаті фагоцитозу, якому клітини піддаються вже в процесі розвитку апоптозу, їх вміст не виділяється у міжклітинний простір. Навпаки, при некрозі навколо клітин, що гинуть, накопичуються їх активні внутрішньоклітинні.компоненти, що закислюється середовище. У свою чергу це сприяє загибелі інших клітин та розвитку вогнища запалення. Порівняльна характеристика апоптозу та некрозу клітин наведена в таблиці 1.
Таблиця 1. Порівняльна характеристика апоптозу та некрозу клітин
| Ознака | Апоптоз | Некроз |
| Поширеність | Поодинока клітина | Група клітин |
| Пусковий фактор | Активується фізіологічними чи патологічними стимулами | |
| Швидкість розвитку, годинника | 1-12 | У межах 1 |
| Зміна розміру клітини | Зменшення | Збільшення |
| Зміни клітинної мембрани | Втрата мікроворсинок, утворення здуття, цілісність не порушена | Порушення цілісності |
| Зміни ядра | Конденсація хроматину, пікноз, фрагментація | Набухання |
| Зміни у цитоплазмі | Конденсація цитоплазми, ущільнення гранул | Лізіс гранул |
| Локалізація первинного ушкодження | У ядрі | У мембрані |
| Причини загибелі клітини | Деградація ДНК, порушення енергетики клітини | Порушення цілісності мембрани |
| Стан ДНК | Розриви з утворенням спочатку великих, потім дрібних фрагментів | Невпорядкована деградація |
| Енергозалежність | Залежить | Не залежить |
| Запальна відповідь | Ні | Зазвичай є |
| Видалення загиблих клітин | Фагоцитоз сусідніми клітинами | Фагоцитоз нейтрофілами та макрофагами |
| Приклади прояву | Метаморфоз | Загибель клітин від гіпоксії, токсинів |
Апоптоз універсально поширений у світі багатоклітинних організмів: аналогічні йому прояви описані у дріжджів, трипаносом та деяких інших одноклітинних. Апоптоз сприймається як умова нормального існування організму.
В організмі апоптоз виконує такі функції:
§підтримка сталості чисельності клітин.Найбільш простою ілюстрацією значимості апоптозу для багатоклітинного організму є дані про роль цього процесу у підтримці постійної чисельності клітин нематоди Caenorhabditis elegans.
§захист організму від збудників інфекційних захворювань, зокрема, від вірусів.Багато вірусів викликають такі глибокі порушення в обміні речовин зараженої клітини, що вона реагує на ці порушення запуском програми загибелі. Біологічний сенс такої реакції полягає в тому, що смерть зараженої клітини на ранній стадії запобігає поширенню інфекції по організму. Щоправда, у деяких вірусів виробилися спеціальні пристосування для придушення апоптозу в клітинах, що заражаються. Так, в одних випадках у генетичному матеріалі вірусу закодовані речовини, що виконують роль клітинних антиапоптозних білків-регуляторів. В інших випадках вірус стимулює синтез клітиною власних антиапоптозних білків. Таким чином, створюються передумови безперешкодного розмноження вірусу.
§видалення генетично дефектних клітин.Апоптоз є найважливішим засобом природної профілактики ракових новоутворень. Існують спеціальні гени, які контролюють порушення в генетичному матеріалі клітини. У разі потреби ці гени зрушують рівновагу на користь апоптозу, і потенційно небезпечна клітина гине. Якщо такі гени мутують, то у клітинахрозвиваються злоякісні новоутворення.
§ визначення форми організму та його частин;
§ забезпечення правильного співвідношення чисельності клітин різних типів;
Інтенсивність апоптозу вища у початкові періоди онтогенезу, зокрема під час ембріогенезу. У дорослому організмі апоптоз продовжує відігравати велику роль лише в тканинах, що швидко оновлюються.