Закономерности дифференцировки соматических клеток

Глава 5

БИОИНФОРМАЦИОННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ИНДИВИДУАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ ОРГАНИЗМА. СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

Закономерности дифференцировки соматических клеток

Типы клеточных популяций. Клеточная популяция (согласно сайту Гистология.mp3 [1]) – группа клеток одного или нескольких типов, которая может быть охарактеризована в понятиях пространства и времени. Такое расширительное понимание термина может быть отнесено к любому клеточному сообществу – от суммы всех клеток организма на протяжении всей жизни человека, начиная от зиготы до, скажем, клеток жёлтого тела яичника в одной из фаз менструального цикла. Другими словами, для выделения конкретных клеточных популяций необходим дифференцирующий критерий. Термин клеточная популяция применяют по крайней мере в двух значениях – в расширительном понимании и по отношению к леблоновским популяциям.

Выделяют следующие сообщества клеток [2]:

· Клеточный тип. Характеризуется реальной экспрессией (фенотип) или потенциальной возможностью (сумма фенотипов) экспрессировать конкретный спектр генов, что и выделяет данный тип клетки (эритроидный, макрофаги и т.д.) из других типов. Эта концепция включает понятие клеточные фенотипы, а также пластичность и границы нормы клеточного типа. Клетки с идентичным набором разрешённых к экспрессии генов (вне зависимости от того, транскрибируются ли эти гены) относятся к одному клеточному типу. В организме человека насчитывают более 200 клеточных типов.

· Леблоновские клеточные популяции. На основании способности к клеточному обновлению (в т.ч.путем пролиферации) К.Леблон в 1964 г. выделил 4 категории клеточных популяций: эмбриональная, статическая, растущая и обновляющаяся. Следует помнить, что каждая из них неоднородна. Образующие популяцию клетки могут находиться на различных стадиях дифференцировки, фазах клеточного цикла, в различном функциональном состоянии.

· Статическая популяция. Её составляет гомогенная группа клеток, не проявляющих митотической активности (например, нейроны).

· Растущая популяция. В растущей популяции клетки делятся, митотическая активность постепенно затухает.

· Обновляющаяся популяция. Обновляющаяся клеточная популяция характеризуется множественными митозами и быстрой гибелью клеток. При этом количество вновь образованных клеток слегка превышает клеточные потери (эпидермис, эпителий кишки, клетки тканей внутренней среды). При неоплазиях клеточная продукция намного превосходит гибель клеток, что обеспечивает быстрый рост опухоли.

· Эмбриональная популяция. Развитие организма человека начинается с оплодотворения яйцеклетки и образования зиготы, которая дает начало целому организму. Оплодотворенная яйцеклетка тотипотентна – она обладает неограниченным потенциалом в том смысле, что ее одной достаточно для формирования и развития нормального плода при соответствующих условиях. В первые часы после оплодотворения она делится с образованием идентичных тотипотентных клеток, и любая из них, будучи имплантирована в матку женщины, способна дать начало развитию плода.

Схема развития эукариотического организма. Миллиарды клеток растущего организма происходят из одной клетки (зиготы), которая образуется в результате слияния мужской (сперматозоид) и женской (яйцеклетка) половых клеток (гамет). Эта единственная клетка содержит не только информацию об организме, но и схему его последовательного развития (см. рис. 5.1 с российского сайта Стволовые клетки [3]).

Примерно через четверо суток после оплодотворения, когда проходит несколько циклов клеточного деления, тотипотентные клетки начинают специализироваться с образованием сферической структуры, называемой бластоцистой. У бластоцисты есть наружный слой и внутренняя полость, где образуется внутренняя клеточная масса. Из наружного слоя развивается плацента и другие поддерживающие структуры, необходимые для формирования плода, а из внутренней клеточной массы – практически все органы и ткани самого плода. Клетки внутренней клеточной массы плюрипотентны – их наличие является необходимым, но не достаточным условием формирования плода. Если их имплантировать в матку женщины, то беременность не наступит.

Плюрипотентные клетки подвергаются дальнейшей специализации с образованием стволовых клеток, которые дают начало еще более специализированным клеткам, обладающими специфическими функциями. Так, из кроветворных (гемопоэтических) стволовых клеток развиваются эритроциты, лейкоциты и тромбоциты, а из стволовых клеток кожи – различные типы клеток этой ткани.

Клеточный клон - группа клеток, происходящая от одной родоначальной клетки-предшественницы. Представление о клоне возникло в иммунологии. При попадании в организм антигена одна иммунокомпетентная клетка усиленно размножается, и образуется большое количество одинаковых клеток (клон), способных синтезировать антитела к этому антигену. Согласно клональной теории развития, структуры зародыша формируются из ограниченного количества клонов. Наконец, опухоли также развиваются как клоны, происходящие от одной трансформированной клетки.

Понятие о диффероне. Дифферон (гистогенетический ряд) – совокупность клеточных форм, составляющих ту или иную линию дифференцировки. В диффероне последовательно различают: стволовые клетки, клетки-предшественницы, зрелые клетки, достигшие состояния окончательной (терминальной) дифференцировки.

Стволовые клетки – самоподдерживающаяся популяция клеток, способных дифференцироваться в нескольких направлениях и формировать различные клеточные типы. Стволовые клетки обладают высокими пролиферативными потенциями, но, как правило, делятся редко.

Клетки-предшественницы. По мере дифференцировки их пролиферативные потенции постепенно уменьшаются. Выделяют наиболее раннюю стадию клеток-предшественниц - коммитированные, или полустволовые, клетки.

Зрелые клетки. Ими заканчивается гистогенетический ряд. Способность к пролиферации полностью исчезает.

Знание основ кинетики клеточных популяций необходимо для понимания теории регенерации, т.е. восстановления структуры биологического объекта после ее разрушения. Соответственно уровням организации живого различают клеточную (или внутриклеточную), тканевую, органную регенерацию.

Различают регенерацию физиологическую, которая совершается постоянно в здоровом организме, и репаративную – вследствие повреждения. У разных тканей возможности регенерации неодинаковы.

В ряде тканей гибель клеток генетически запрограммирована и совершается постоянно (в многослойном ороговевающем эпителии кожи, в однослойном каемчатом эпителии тонкой кишки, в крови). За счет непрерывного размножения, в первую очередь полустволовых клеток-предшественников, количество клеток в популяции пополняется и постоянно находится в состоянии равновесия.

Наряду с запрограммированной физиологической гибелью клеток во всех тканях происходит и незапрограммированная – от случайных причин: травмирования, интоксикаций, воздействий радиационного фона. Хотя в ряде тканей запрограммированной гибели нет, но в течение всей жизни в них сохраняются стволовые и полустволовые клетки. В ответ на случайную гибель возникает их размножение и популяция восстанавливается.