Внутриклеточный поток веществ

Существование живых форм любого плана структурно-функциональной организации базируется на определенном наборе реакций образования, распада и модификаций структуры химических соединений различной природы, объединяемых понятием обмен веществ (метаболизм). Высокая степень упорядоченности обменных процессов дает основания говорить о внутриклеточном потоке веществ. Важнейшая характеристика этого потока, осуществляемого согласно своеобразному метаболическому «сценарию» и тесно связанного с внутриклеточным потоком энергии, — скоординированность превращений (вплоть до взаимозаменяемости) главных его участников — белков, жиров, углеводов. Указанные превращения в их конкретном выражении у представителей разных групп живых существ могут не совпадать, однако главный принцип организации метаболизма — взаимосвязь и скоординированность отдельных блоков потока веществ — реализуется неукоснительно.

Центральное место в интеграции различных блоков внутриклеточного обмена веществ принадлежит циклу лимонной кислоты(циклу Кребса или циклу трикарбоновых кислот). Через указанный цикл, образно называемый иногда «метаболической мельницей», проходит путь углеродных атомов (углеродных «скелетов») большинства соединений, служащих промежуточными продуктами синтеза и распада химических компонентов клетки. В нем происходит выбор пути превращения того или иного соединения, а также переключение обмена клетки с одного пути на другой, например, с углеводного на жировой. Таким образом, дыхательный обмен, составляющий основу внутриклеточного потока энергии у большинства живых форм, одновременно образует ведущее звено внутриклеточного потока веществ, объединяющего в единое целое жизненно необходимые метаболические пути превращения белков, углеводов, жиров, нуклеиновых кислот и др. (рис. 2-44).

Рис. 2-44. Поток веществ в клетке.

2.4.8. Другие внутриклеточные механизмы общего значения

Увязанные в единое целое потоки информации, энергии и веществ осуществляются непрерывно, составляя абсолютное условие существования клетки в качестве живой системы. Наряду с процессами, включенными в эти потоки непосредственно, клетки характеризуются рядом функциональных отправлений, которые также следует причислить к обязательным и жизненно важным. Нередко такие механизмы лишены специального структурного оформления в виде соответствующего типа органелл. Функциональное предназначение некоторых из них, что представляет непосредственный интерес для медицины, состоит в препятствии накопления балластных продуктов или в снижении вредоносных последствий от образования в ходе естественных внутриклеточных процессов побочных продуктов, характеризующихся в силу их химической природы разрушительным действием на клеточные структуры. Так, выше говорилось об уничтожении полипептидов с ошибочно включенными аминокислотами и «неправильным» фолдингом (см. 2.4.5.7). Известно, однако, что существуют неразрушаемые аберрантные (аномальные, «неправильные») конформеры,которые дают сложные белковые агрегаты, по микротрубочкам перемещающиеся в область центра их (микротрубочек) организации. Там, связываясь с белками распадающихся промежуточных микрофиламентов, такие конформеры образуют агреасомы, которым приписывают защитную функцию связывания и, таким образом, блокирования вмешательства белков с «неправильной» третичной структурой в ход внутриклеточных процессов. Вместе с тем, их избыточное накопление служит причиной гибели клеток, в частности, нервных при таких нейродегенеративных заболеваниях, как болезнь Паркинсона, боковой амиотрофический склероз.

Переход от анаэробного (бескислородного) обеспечения жизнедеятельности организмов энергией к аэробному, в котором в качестве акцептора электронов задействован кислород, стал одним из решающих достижений эволюционного процесса. «Правильный» ход событий в дыхательной цепи предусматривает полное восстановление молекулярного кислорода с непременным участием фермента цитохромоксидазы. Приобретение кислородом неспаренного электрона (неполное восстановление) превращает его в исключительно реакционноспособный анион-радикал-супероксид(О2–), который атакует ковалентные связи других молекул, вызывая их повреждения. Опасность супероксида многократно усиливается тем, что его взаимодействие с другими молекулами порождает следующие радикалы, также высоко реакционноспособные. Возникает цепная реакция.

В настоящее время со свободнорадикальными процессами в клетках ученые связывают многие деструктивные явления — от возрастных и поражения ионизирующими излучениями до развития катаракты хрусталика глаза и инфаркта миокарда.

Накопление продуктов частичного восстановления кислорода (свободные радикалы,активные формы кислорода — АФК), перекисей липидов и белков обозначают как окислительный стресс. Хотя существует химическая возможность самопроизвольного «угасания» свободнорадикального цепного процесса, она, по-видимому, не обеспечивает требуемый уровень защиты клеток от активных форм кислорода. В связи с этим эволюция «нашла» специальные механизмы защиты внутриклеточных структур от супероксидов. Один из них заключается в блокировании опасных цепных реакций особой категорией молекул (антиоксиданты), которые, реагируя со свободными радикалами, превращаются их в радикалы с малой реакционноспособностью. Главные естественные антиоксиданты — два витамина: аскорбиновая

кислота (витамин С) и a-токоферол (витамин Е). Примечательно, что первый витамин — водорастворимый, а второй — жирорастворимый. Антиоксидантные свойства демонстрирует ряд других соединений, в частности, b-каротин (витамин А), мочевая кислота, желчный пигмент билирубин. Еще один способ борьбы со свободными радикалами связан с наличием фермента супероксиддисмутазы, катализирующего превращение супероксида в перекись водорода (Н2О2), которая затем разрушается ферментом каталазой. Последнее необходимо, так как в присутствии ионов металлов, например железа, перекись водорода дает высокореакционноспособные гидроксильные радикалы (ОН–).Перекись водорода, а также обладающие вредоносным действием органические гидроперекиси (R–O–OH) восстанавливаются до воды под действием еще одного фермента — глутатионпероксидазы.

При низком внутриклеточном парциальном давлении О2, отвечающем физиологическим условиям, перекисное окисление субстратов решает позитивные задачи. Так, АФК, пероксиды липидов и белков выполняют функции сигнальных молекул, активируя транскрипционные факторы и модифицируя экспрессию генов, инициируют или, напротив, подавляют активность ряда ферментов — обязательных участников фундаментальных биологических процессов, включая клеточную пролиферацию, апоптоз и др.

В связи с отмеченным, акценты в свободнорадикальной тематике смещаются в область баланса/дисбаланса прооксидантныхиантиоксидантных явлений.

2.4.9. Клетка как целостная структура. Понятие о биоколлоиде

Взаимодействуя с окружающей средой, клетка ведет себя как целостная структура. Об этом свидетельствует стереотипный характер реакции разных типов клеток на действие раздражителей, вызывающих переход клетки в возбужденное состояние. Указанное состояние характеризуется обратимыми изменениями протоплазмы (живого вещества, как такового), запускающими ту или иную клеточную деятельность.

Понятию протоплазмы, которым обозначается все содержимое живой клетки, включающее одновременно ядро, цитоплазму и находящиеся в них структуры, принадлежит в науке о жизни заметное место. Свойствам протоплазмы приписывается важная роль функционального объединения структурных компонентов и компартментов клетки. В целом, ее принято рассматривать как особую многофазную коллоидную систему или биоколлоид.

От обычных коллоидных систем, относящихся к области научных интересов химиков, биоколлоид отличается сложностью дисперсной фазы. Ее основа представлена макромолекулами, которые находятся либо в составе плотных микроскопически определяемых структур (органеллы), либо в диспергированном состоянии, близком к растворам или рыхлым сетеобразным структурам типа гелей (основное вещество цитоплазмы, ядерный сок).

Будучи коллоидным раствором в физико-химическом смысле, биоколлоид благодаря наличию липидов и крупных частиц проявляет одновременно свойства, соответственно, эмульсии и суспензии. На обширных поверхностях макромолекул фиксируются различные «примеси», что вызывает изменение конформации этих макромолекул и, как следствие, агрегатного состояния протоплазмы.

Между крайними полюсами организации протоплазмы в виде, с одной стороны, вязких гелей, а с другой, — растворов имеются переходные состояния. При указанных переходах совершается работа: происходит образование мембран, сборка микротрубочек или микрофиламентов из субъединиц, внутриклеточный транспорт веществ и структур, выброс железистой клеткой секрета, изменение геометрии (конформации) белковых молекул, приводящее к торможению или, напротив, усилению активности ферментов. Специфическая особенность биоколлоида состоит в том, что в физиологических условиях в силу наличия особого ферментативного механизма переходы протоплазмы из одного агрегатного состояния в другое обратимы. Названное свойство биоколлоида обеспечивает клеткам способность при наличии энергии многократно совершать работу в ответ на действие стимулов.

Глава 3

· Существование клетки во времени

3.1. Жизненный цикл клетки

Закономерные изменения структурно-функциональных характеристик клетки во времени составляют содержание ее жизненного цикла. Жизненный (клеточный) циклили ЖКЦ (рис. 3-1) — это период существования клетки от момента ее образования вследствие деления материнской клетки до собственного деления или смерти. ЖКЦ является однонаправленным процессом, то есть клетка проходит все периоды ЖКЦ без пропуска хотя бы одного из них или возврата к предыдущему (уже пройденному).

Обязательный компонент клеточного цикла — митотический (пролиферативный) цикл (см. рис. 3-1, I) — комплекс однонаправленных, регулируемых, взаимосвязанных и упорядоченных во времени событий, происходящих в процессе подготовки клетки к делению, на протяжении деления и непосредственно после завершения деления. Кроме митотического цикла, в жизненный цикл клеток многоклеточного организма может входить периодвыполненияспецифических функций (дифференцированные клетки) и периоды покоя (образовавшиеся вследствие митоза дочерние клетки «ожидают сигнала», дифференцироваться ли им или вступить в митотический цикл) Жизненный цикл клетки многоклеточного организма. I — митотический цикл; II — переход клетки в дифференцированное состояние; III — гибель клетки. G1 — пресинтетический (постмитотический) период интерфазы, G2 — постсинтетический (предмитотический) период интенфазы, S — синтетический период интерфазы, R1 и R2 — периоды покоя; 2с — диплоидное количество ДНК, 4с — тетраплоидное (удвоенное) количество ДНК.

На рис. 3-1, II показаны два выделявшихся цитологией второй половины ХХ в. периода покоя, обозначенные как R1 и R2 (англ., resting). Первый из них (R1) приходится на постмитотический (предсинтетический) период интерфазы митотического цикла и иногда обозначается как период G0 или G1, второй (R2) — на постсинтетический (предмитотический) период интерфазы и иногда называется периодом G2. Принципиальное различие между клетками из периодов R1 и R2 видели в том, что клетки из R1 диплоидны (2с, где с – гаплоидное количество ДНК), тогда как клетки из R2 тетраплоидны (4с) и, в случае необходимости, могут вступать в митоз практически немедленно, минуя синтетический период (S) интерфазы. Наличие постсинтетического периода покоя (R2 или G2) в настоящее время не без оснований оспаривается. Клетки, находящиеся в периоде покоя R1 или G0, составляют G0 популяцию.

Известны типы клеток, жизненный цикл которых представлен исключительно митотическим циклом, например, бластомеры на стадии дробления в раннем эмбриогенезе.

Завершение клеткой жизненного пути может быть связано с запуском механизма генетически контролируемой гибели (самоуничтожение или клеточный апоптоз), а также гибели вследствие действия неблагоприятных факторов — клеточный некроз (см. 3.1.2 и рис. 3-1, III).

Еще одно направление изменения состояния клетки в жизненном цикле состоит в возможности ее бласт(онко)трансформации, т.е. превращении в опухолевую (на рис. 3-1 не показано). Она приобретает способность к бесконечному размножению и становится формально бессмертной (в условиях in vitro, вне организма). In vivo длительность жизни такой клетки ограничивается смертью организма-носителя опухоли.

Важно представлять, что в современной земной жизни митотический (пролиферативный) цикл составляет основу практически всех процессов развития – в период развития дефинитивного фенотипа (см. 7.1 – процессы развития видоспецифичного фенотипа в дорепродуктивном периоде: эмбриональный и ранний постнатальный периоды, а также процессы физиологической или гомеостатической и репаративной регенерации, заживления ран на протяжении всей жизни особи; согласно мнению выдающегося отечественного патолога И.В.Давыдовского регенераторный, восстановительный и/или компесаторный компонент является обязательной составляющей патологических процессов в организме).

3.1.1. Митотический (пролиферативный) цикл

Митотическийилипролиферативный цикл–М(П)Ц (см. рис. 3-1, I) — основа жизненного цикла всех клеток. Его биологическое значение состоит в том, что он обеспечивает преемственность хромосом (и, следовательно, геномов, генов, сайтов, нуклеотидных последовательностей ДНК) в ряду клеточных поколений, т.е. образование в каждом из следующих друг за другом поколениях соматических клеток, равноценных по количеству ДНК и содержанию наследственной (генетической, биологической) информации. Таким образом, митотический цикл (МЦ) является универсальным механизмом воспроизведения видоспецифической клеточной организации эукариотического типа в индивидуальном развитии живых форм. Для вступления клетки в митотический (пролиферативный) цикл, в частности, для принятия такого решения относительно судьбы клетки, находящейся в G0 популяции, требуется получение ею митогенетического сигнала: у млекопитающих наиболее часто в роли соответствующих сигнальных молекул выступают факторы роста (ростовые факторы), например, эпидермальный фактор роста (англ., EGF – Epidermal Growth Factor), фактор роста нервов (англ., NGF – Nerve Growth Factor) и др.

До последней трети ХХ в. вопрос о том, гарантирует ли митотический процесс наследование клетками полноценной во всех отношениях генетической информации, был предметом научных споров. Удачное клонирование животных — лягушка (рис. 3-2 и 8-22), мышь, свинья, коза, овца, крупный рогатый скот — из клеток с цитоплазмой от яйцеклетки и ядром от соматической клетки (в случае известной овцы Долли — ядро клетки молочной железы) является основанием для утвердительного ответа. Известно, однако, что репродуктивное клонирование, имеющее целью получить новый организм, дает высокий процент потомства с отклонениями в развитии (пороки развития, уродства).

Рис. 3-2. Биоинформационная полноценность (количественная и качественная) ДНК ядер соматических клеток. Успешное репродуктивное клонирование амфибий. Схема опытов.

В ходе эволюции многоклеточных организмов митоз послужил основой мейоза(см. 6.5.2), представляющего собой центральный и специфический механизм образования из диплоидных клеток-предшественниц гаплоидных половых клеток — гаметогенеза. Мейоз встречается у всех видов организмов, размножающихся половым путем. Принципиальный с общебиологических позиций результат митоза состоит в сохранении в ряду клеточных поколений постоянного диплоидного количества хромосом (2n, где n – число хромосом в гаплоидном наборе). Мейоз, напротив, приводит к образованию из диплоидных клеток гаплоидныхгамет(n). При оплодотворении свойственный виду диплоидный (2n) набор хромосом (кариотип) восстанавливается.

Главные события митотического цикла заключаются в репликации (самоудвоении, самокопировании) наследственного материала — ДНК материнской клетки, а также в равномерном и равноценном распределении этого материала между дочерними клетками. Указанным событиям сопутствуют закономерные изменения морфологической и химической организации хромосом (см. 2.4.3.4, 2.4.3.4-а, 2.4.3.4-б, 2.4.5.3). По двум названным событиям в митотическом цикле выделяют репродуктивную и разделительнуюфазы, соответствующие интерфазе и собственно митозу классической цитологии и гистологии.

3.1.1.1. Клетка в митотическом цикле. Интерфаза

В начальный отрезок интерфазы (постмитотический, предсинтетический или период G1) восстанавливаются черты организации интерфазной клетки, завершается формирование ядрышка, начавшееся в телофазе митоза. В цитоплазме, параллельно реорганизации ультраструктуры, интенсифицируется биосинтез белка, значительные количества которого предназначаются для вновь создаваемого ядра. Энергичное образование белка способствует восстановлению важного клеточного параметра — ее массы. Если клетке предстоит вступить в очередной митотический цикл, синтезы приобретают направленный характер. Формируется пул химических предшественников ДНК, образуются ферменты и другие белки репликации. Вступление клетки в следующий, синтетический период интерфазы требует прохождения ею точки рестрикции, приходящейся на конец периода G1.

Предположительно, переход клетки из G1 периода в период S связан с наличием инсулиноподобного фактора роста, который, воздействуя на специфический белок-рецептор клеточной оболочки, запускает процесс сигнальной трансдукции: последовательно активируются белки-переносчики сигнала (G-белки, ферменты цитоплазматические тирозинкиназы, активируемые ими белки-циклины и др.), белки, связывающиеся с ядром (обеспечивают, по всей видимости, перенос сигнальных молекул или сигнальных комплексов через ядерную оболочку), белки-транскрипционные факторы (способны к специфическому взаимодействию с белками промоторов определенных генов, обусловливая их активацию или репрессию, см. также 2.4.3.1 — белки теплового шока). В зависимости от того, какие гены активируются, а какие репрессируются, клетка либо вступает в синтетический период митотического цикла (выбор направления «пролиферация»), либо в дифференцировку (cм. рис. 3-1).

Если клетка не проходит точку рестрикции, то она выходит из митотического цикла и либо, как уже говорилось, встает на путь специализации (дифференцировки) в определенном структурно-функциональном направлении (см. рис. 3-1, II), либо приостанавливает свое движение по клеточному циклу (ни подготовки к митозу, ни дифференцировки) и переходит в период покоя R1.

Некоторые типы специализированных клеток (эритроциты) навсегда утрачивают перспективу вернуться в митотический цикл и, в конце концов, гибнут (терминальная дифференцировка — см. рис. 3-1, III), тогда как другие (лимфоциты, фибробласты, печеночные клетки) сохраняют указанную перспективу и в соответствующих условиях вновь переходят к делению (см. рис. 3-1, II).

Клетки, приостановившие движение по клеточному циклу и находящиеся в периоде R1 интерфазы, составляют G0 клеточную популяцию. Они возвращаются в митотический цикл при действии стимулирующих митоз (митогенетических) сигналов.

В синтетическом или периоде S интерфазы происходит удвоение количества (репликация) наследственного материала клетки. За некоторыми исключениями (достраивание макромолекул или цепей недореплицированной ДНК теломер хромосом, см. 2.4.3.4-г), ДНК реплицируется полуконсервативным способом (см. 2.4.5.3, а также рис. 2-25). За один М(П)Ц ДНК реплицируется однократно. Механизм, блокирующий повторную репликацию, не выяснен. Предположительно он связан с функцией белков репликативного комплекса (см. 2.4.5.3).

Вхождение клетки в митотический цикл запускается митогенным (митогенетическим) сигналом, роль которого обычно выполняет соответствующий фактор роста (ростовой фактор). Фактор роста активирует внутриклеточный сигнальный путь или сигналлинг (явление сигнальной трансдукции, см. здесь же выше), результатом чего является включение в процесс ферментов циклинзависимых киназ (англ., Сyclindependentkinase— Cdk). Их переход в функционально активное состояние происходит путем соединения двух субъединиц — каталитической и белка из семейства циклинов. Сочетаясь в разном формате, такие комбинации обусловливают регуляцию прохождения клеткой отдельных периодов митотического цикла. Так, прохождение клеткой синтетического (S) периода требует последовательной смены комплексов «циклин А — циклинзависимая киназа 2» и «циклин В — циклинзависимая киназа 2». Циклин В принимает участие также в завершающей фазе митотического цикла: его деградация необходима для вступления клетки в анафазу митоза. Начальный отрезок периода G1 интерфазы осуществляется при участии комплекса «циклин D — циклинзависимая киназа 4» и/или «циклин D — циклинзависимая киназа 2». Эти же комплексы необходимы для возвращения в митотический цикл клеток из G0 популяции. Завершающая часть предсинтетического периода требует участия комплекса «циклин Е — циклинзависимая киназа 2». Смена периодов интерфазы, временны́е отношения между интенфазой и митозом определяются тем, что во время предшествующего периода образуются транскрипционные факторы, активирующие гены, контролирующие последовательность событий: G1 ® S ® G2 ® митоз.

В клетках, прошедших синтетический период, хромосомы содержат удвоенное в сравнении с обычным для соматических клеток диплоидным (2с, где с — гаплоидное количество ДНК) тетраплоидное (4с) количество генетического материала (ДНК).

Наряду с ДНК, в периоде S интефазы интенсивно образуются РНК и белки, причем количествогистоновых белков, так же как и ДНК, строгоудваивается. Последнее не удивительно, имея в виду нахождение ДНК в хромосомах в составе нуклеогистонового комплекса. При этом массовые отношения ДНК и гистонов составляют 1:1 (см. также 2.4.3.4-а). Таким образом в интерфазе митотического цикла происходят репликация ДНК и редупликация хромосом.

В синтетическом периоде удваивает свое количество незначительная часть митохондриальной ДНК, тогда как основная ее часть реплицируется в пост(после)синтетическом (G2) периоде интерфазы.

Из других (цитоплазматических) событий периода S интерфазы следует назвать удвоениецентриолей клеточного центра.

Отрезок времени от окончания синтетического периода до начала митоза обозначают как пост(после)синтетический, предмитотический или период G2. Он отличается активным образованием РНК и белков. Некоторые из этих белков прямо связаны с предстоящим митозом. К ним относятся, в частности, тубулины, идущие на построение микротрубочек веретена деления. В периоде G2 завершается удвоение суммарной клеточной массы. Реализация программы периода G2 требует своего циклинкиназного комплекса: «циклин В — циклинзависимая киназа 1». Названный комплекс вводит клетку в митоз и регулирует ход последнего.

3.1.1.2. Клетка в митотическом цикле. СОБСТВЕННО Митоз

Собственно митоз делят на четыре фазы (рис. 3-3 и табл. 3-1).

Таблица 3-1. События последовательных фаз митоза

Фаза митоза Содержание изменений
Профаза Хромосомы спирализуются (конденсируются) и приобретают вид нитей, хорошо различимых в световой микроскоп. Каждая из них представлена двумя тесно прилегающими друг к другу дочерними (сестринскими) хроматидами, связанными во многих точках. Ядрышко разрушается. Ядерная оболочка распадается на пузырьки, а ее плотная пластинка исчезает в связи с деполимеризацией микрофиламентов. В цитоплазме уменьшается количество структур шероховатой эндоплазматической сети и число полисом. Фактически прекращается синтез РНК, интенсивность синтеза белка снижается на 75%. Пластинчатый комплекс Гольджи распадается на везикулы. Центриоли двумя парами (диплосомы) расходятся к полюсам клетки. Начинается образование веретена деления. Описанное соответствует событиям в клетках животных. В клетках большинства видов растений формирование веретена деления происходит без участия центриолей. Механизм поляризации веретена деления и митоза в целом в данном случае точно неизвестен
Метафаза Максимально спирализованные хромосомы выстраиваются в плоскости экватора клетки (метафазная пластинка или «материнская звезда» классической цитологии). К концу фазы хроматиды сохраняют лишь кажущуюся связь в области центромер (кинетохоры). Их плечи располагаются параллельно друг другу с хорошо различимой щелью между ними. Полимеризация тубулиновых субъединиц дает микротрубочки трех видов (кинетохорные — между центромерами хроматид и диплосомами; астральные — от диплосом к плазмалемме; полярные — идут от разнополярных диплосом к центру клетки, где перекрываются, не вступая в прямые контакты. Формирование веретена деления завершается. Специальным образом приготовленные препараты метафазных пластинок цитогенетики используют для исследования кариотипов. В клетках растений в метафазе хромосомы нередко располагаются в экваториальной плоскости без строгого порядка
Анафаза Наиболее короткая фаза митоза. Дочерние (сестринские) хроматиды в качестве уже самостоятельных хромосом дочерних клеток, будучи ориентированными центромерными участками к одному из полюсов, а теломерными (концевыми) — к экватору клетки, перемещаются к клеточным полюсам со скоростью 0,2–0,5 мкм/мин. По завершении движения на полюсах собирается два равноценных набора хромосом («дочерние звезды» классической цитологии), предназначенных для дочерних клеток. Предположительно анафазные движения хромосом обеспечиваются действием ряда механизмов: разборкой и, следовательно, укорочением кинетохорных микротрубочек веретена деления; удлинением полярных микротрубочек. Если первый механизм способствует приближению расходящихся хромосом к полюсам веретена деления, то второй — расхождению самих полюсов относительно экватора клетки. Не исключено также участие специальных белков-транслокаторов, функции которых — либо содействие перемещению хромосом вдоль кинетохорных микротрубочек, либо «наращивание» полярных микротрубочек
Телофаза Завершающую фазу митоза нередко делят на раннюю и позднюю. Важнейшее событие ранней телофазы — реконструкция ядер будущих дочерних клеток. Достигшие к концу анафазы клеточных полюсов хромосомы входят в контакт с пузырьками, представляющими собой производные мембран разрушающейся в профазе ядерной оболочки. В стенки пузырьков встраиваются поровые комплексы. Через них внутрь пузырьков поступают белки ядерной ламины, восстановление которой способствует слиянию пузырьков. В результате каждая из хромосом оказывается окруженной как бы собственной оболочкой, по структуре соответствующей ядерной. Описанные образования ранней телофазы получили название миниядер или кариомеров. Соответственно наличию в делящейся клетке двух диплосом (полюсов) они формируют две полярных группы, которые и дают в результате слияния образующих эти группы кариомеров дочерние ядра. К важным событиям телофазы относятся также деспирализация (деконденсация) хромосом, начало восстановления ядрышка, разрушение веретена деления. Главное событие поздней телофазы заключается в разделении тела материнской клетки (цитотомия, цитокинез). В клетках животных это происходит путем образования в экваториальной области перетяжки. Движущей структурой является актин-миозиновое кольцо, основу которого составляет механохимическая система, сходная по своему макромолекулярному оформлению с той, которая функционирует в скелетной мышце. В клетках растений с их ригидными (неподатливыми) клеточными стенками деление материнской клетки на две происходит путем построения перегородки

Рис. 3-3. Митоз в животной клетке. а — профаза, б — метафаза, в — анафаза, г

— телофаза.

Продолжительность митотического цикла варьирует и для большинства животных клеток укладывается в диапазон от 10 до 50 ч. У млекопитающих время непосредственно митоза составляет 0,5–1,5 ч, пост(после)митотического периода интерфазы 9 ч, синтетического периода 6–10 ч, предмитотического периода 2–5 ч. При этом не учитывается время возможного пребывания клеток в периоде(ах) покоя. Время отдельных периодов интерфазы митотического цикла может выходить за указанные пределы. Так, в мужском гаметогенезе в предмейотических сперматогониях млекопитающих синтетический период занимает 15 ч, а в мейотических сперматоцитах — порядка 100 ч.

Коль скоро клеточная пролиферация представляет собой однонаправленный процесс и характеризуется циклической организацией, по ходу М(П)Ц находится 4 “контрольных точки”. Если эти точки клеткой не проходятся, то движение клетки по М(П)Ц блокируется. Блок М(П)Ц происходит при повреждении ДНК в G1 или в G2 периодах интерфазы, при незавершенной (неполной) репликации ДНК в S периоде интерфазы, при нарушении связи веретена деления с кинетохорами сестринских хроматид (дочерних хромосом) в митозе. Соответственно, “контрольные точки” М(П)Ц располагаются в анафазе собственно митоза, в периодах G1,G2 и S интерфазы (принципы регуляции прохождения клеткой М(П)Ц см. также 8.2.1). Судьба клетки, в отношении которой прохождение по М(П)Ц блокируется, различна. Так, повреждения ДНК, зафиксированные в “контрольной точке” G1 периода интерфазы могут быть устранены путем молекулярной репарации. В таком случае клетка завершает прохождение М(П)Ц. Блок М(П)Ц в других “контрольных точках” нередко приводит к клеточной гибели путем апоптоза.

Известны типичные отклонения в ходе той или иной фазы митоза. В некоторой своей части эти отклонения приводят к патологическим последствиям. Отклонения в процессе спирализации (конденсации) хромосом в профазе нередко дают их набухание и слипание, что блокирует переход к следующим фазам. Может произойти отрыв участка хромосомы, который, если он лишен центромеры, выпадает из анафазного движения к полюсам клетки и теряется. В генетике это оценивается как хромосомная мутация — делеция. Если оплодотворение прошло с участием половой клетки, несущей делетированную хромосому, это скажется на развитии организма потомка, причем в неблагоприятном отношении вплоть до его гибели. Отставать в движении могут отдельные хроматиды (дочерние хромосомы), что дает клетки с несбалансированными хромосомными наборами. Генетиками это квалифицируется как геномная мутация — анэуплоидия. Повреждения со стороны веретена деления результируются в задержке митоза в метафазе, нарушениях структуры метафазной пластинки и «рассеивании» хромосом. При изменении количества центриолей возникают патологические по своим последствиям многополюсные и ассиметричные митозы.

3.1.2. Контроль количества клеток в многоклеточном организме. Клеточный некроз. Апоптоз

Возникновение в эволюции многоклеточных живых форм породило ряд специфических задач. Учитывая требование дискретности (см. 1.3), одна из таких задач — ограничение количества клеток, строящих организм. Действительно, размеры ныне существующих животных, например, млекопитающих, укладываются в определенный диапазон (сравни, мышь и слон). В эволюции одного и того же вида нередко наблюдается дивергенция по такому признаку, как размеры тела. Так, когда-то существовали карликовые слоны. Известны популяции людей, представители которых отличаются, в среднем, бóльшим (отдельные группы аборигенов-негров к северу от границы тропических лесов, полинезийцы Маркизских островов, шотландцы) или меньшим (пигмеи Центральной Африки и Юго-Восточной Азии, бушмены Южной Африки) ростом (см. также 15.8).

Важным представляется то, что тело многоклеточного живого существа образовано определенным числом необходимых для обеспечения жизнедеятельности типов специализированных (дифференцированных) клеток. В организме человека насчитывается всего порядка 1013–1014 клеток, а таких типов 220–250. Количество клеточных элементов каждого типа, хоть и варьирует, ограничено определенным пределом. Есть данные о том, что клеточные типы, связанные функционально, находятся в закономерных количественных отношениях. Контроль количества соматических (телесных) клеток в организме в целом и числа клеток определенных типов специализации осуществляется, с одной стороны, на уровне пролиферации (см. 8.2.1), а с другой, — благодаря механизму клеточной гибели, предположительно преимущественно генетически контролируемой (апоптоз) – см. 8.2.4.

Предположения о функционально-биологической сущности клеточной гибели в виде “клеточного некроза” (греч. nekros – мертвое или омертвевшее тело) , в частности, в условиях патологии высказывались давно (Р. Вирхов, ХIХ в.), что нашло отражение, в частности, в учебниках Общей патологии. Понятие “клеточный апоптоз” (греч. apoptosis - отпадение лепестков цветов, а также листвы или листопад) появился в биологии и медицине (прежде всего в цитологии и клеточной биологии, а также в молекулярной и молекулярно-клеточной медицине) относительно недавно, в 70-х годах минувшего (ХХ) столетия для определения процесса, вначале обычно потивопоставляемого клеточному некрозу, генетически контролируемой клеточной гибели и в связи с изучением развития нематоды Caenorabditis elegans, в частности путей сокращения количества телесных клеток у названного организма с 1090 до 959 вследствие спонтанной (самопроизвольной, без видимой причины) гибели 131 нервной клетки, хотя факты не находящей удовлетворительного объяснения гибели нейронов ряда нервных ядер головного мозга в нормальном развитии были известны с начала XIX в. О таких фактах неоднократно сообщалось в научной литературе ХХ века.

В тканях и органах, в которых клеточный состав обновляется на протяжении всей жизни особи, обычно сохраняются так называемые камбиальные (матричные) зоны с пролиферирующими клетками-предшественницами клеток конкретных типов специализации. В отношении эпителиальных клеток выстилки тонкой кишки — это «дно» крипт, эпидермиса кожи — базальный слой клеток эпителиального пласта, клеток периферической крови (эритроциты, лейкоциты) — красный костный мозг. Согласно современной номенклатуре, клетки камбиальных (матричных,) зон взрослых особей причисляют к региональнымилирезидентным стволовым клеткам (в отличие от эмбриональных стволовых клетокилиЭСК, характеризующимся тотипотентностью, то есть способностью при подходящих условиях давать все 220-250 типов клеток человека), характеризующимся полипотентностью (кроветворные стволовые клетки дают достаточно широкий набор специализированных клеточных типов периферической крови), олигопотентностью (клетки придонных зон крипт дают ограниченное число специализированных клеток эпителия кишки — предположительно «каемчатый» всасывающий эпителий и некоторые, но не все типы одноклеточных желез) и, даже, унипотентностью (клетки базального слоя эпидермиса дают через ряд переходных форм только роговые чешуйки). Согласно представлениям классической цитологии и гистологии камбиальные, способные к пролиферации и дифференцировке клетки взрослого млекопитающего могут распределяться диффузно в органе или структуре организма, будучи разбросанными между дифференцированными клетками.

Клеточная пролиферация как фактор регуляции количества клеток находится под генетическим контролем. Так, у плодовой мухи (дрозофила) имеется мутация, для которой характерно увеличение числа клеточных делений в развитии на одно (см. также 8.2.1). Фенотипически мутация проявляется в увеличении в два раза размеров тела в связи с удвоенным количеством соматических клеток.

Наряду с клеточной пролиферацией, количество клеток в структурах тела животного определяется интенсивностью и временны́ми (например, относительно периода онтогенеза или функционального состояния) характеристиками их гибели.

Долгое время науке был известен один вид гибели клеток в многоклеточном организме — клеточный некроз (см. здесь же выше и ниже), случающийся в ответ на действие неблагоприятных факторов (механической, температурной и иной известной природы).

Последние десятилетия минувшего (ХХ) столетия и текущий период настоящего (ХХI) века ознаменованы активным изучением еще одного вида гибели клеток — апоптозаилипрограммированной гибели клеток (ПГК I типа), происходящего вне прямой связи с действием на клетки повреждающих агентов известной природы. Первоначально главным основанием для строгого разделения двух названных видов клеточной гибели (некроза и апоптоза) служил ряд моментов. Во-первых, апоптоз, согласно общепринятому мнению, — это генетически контролируемый вид клеточной гибели и, в качестве такового, он является эволюционно «проработанным» клеточным механизмом развития и жизнедеятельности многоклеточных живых существ (как клеточная пролиферация, миграция или дифференцировка). Действительно, гены проапоптотического и антиапоптотического действия были обнаружены первоначально у нематоды С. elegans, а затем и у некоторых других животных. Во-вторых, были найдены существенные различия в механизмах (природа сигналов и рецепторов к апоптозу и некрозу, внутриклеточные сигнальные пути, семейства ферментов и неферментных белков, например, рецепторов клеточной оболочки или располагающихся в цитозоле, связанные с апоптозом и, возможно, некрозом, морфология двух процессов). В ходе дальнейших исследований, однако, были описаны формы клеточного некроза, которые являются, по-видимому, генетически контролируемыми. Были описаны также примеры, когда в зависимости от ряда обстоятельств процесс клеточной гибели, начавшись согласно сценарию апоптоза, на завершающем этапе сдвигался в сторону либо классического апоптоза, либо классического некроза. Соответственно, сформулирована концепция “continuum-programmed necrosis” (программируемого клеточного некрозаили ПГК III типа: в условиях in vitro – некроптоза). В-третьих, клеточный некроз, в отличие от клеточного апоптоза, рассматривался как процесс, независимымый от активности ферментов каспаз вариант клеточной смерти, что не всегда соответствует истинному положению дел.

К настоящему времени описан ряд форм клеточного некроза. Некоторые из них выделяются в зависимости от запускающего механизма. Нередко некроз (некроптоз, см. здесь же выше) запускается действием на клетку фактора некроза опухолей (англ., TNF – Tumour – амер.англ. Tumor -Necrosis Factor). Другая форма некроза – пироптоз – требует активации провоспалительных каспаз: у человека – ферменты каспаза-4 и каспаза-5 у мыши - фермент каспаза-11; названные ферменты, будучи протеиназами (протеазами), участвуют в протеолитической активации провоспалительного цитокина IL1ß, способствуя образованию соответствующего интерлейкина из его прешественника про-IL1ß; названный интерлейкин является пирогеном. Все это затрудняет сравнительное исследование, а также эффективное разграничение некроза и апоптоза.

Описано немало процессов и состояний в эмбриогенезе (см. также 8.2.4) и во взрослом организме, в которых принимает участие апоптоз. Так, во взрослом состоянии у женщин путем апоптоза после овуляции в яичниках погибают фолликулярные клетки, а по окончании лактации — клетки молочных желез. В эксперименте удаление семенников (кастрация) приводит к апоптотической гибели клеток предстательной железы, а удаление гипофиза вызывает апоптотическую гибель клеток надпочечников.

Многообразие ситуаций с участием апоптоза, их неслучайность, принадлежность апоптоза к естественным клеточным механизмам развития и жизнедеятельности ставит вопрос о природе сигналов, запускающих этот вид гибели клеток. Некоторые из приведенных выше примеров (молочные железы после лактации, кастрация, резорбция хвоста головастика) говорят о том, что в ситуациях, связанных с индивидуальным развитием и жизнедеятельностью, эти сигналы нередко имеют гормональную природу, а апоптоз является реакцией на изменение гормонального статуса организма. В случае молочных желез или простаты — это падение уровня, соответственно, прогестерона или андрогенов. При резорбции хвоста головастика в метаморфозе речь идет, видимо, о тироксине.

Апоптоз в развитии происходит при недостатке регуляторных молекул, необходимых для роста, развития и жизнедеятельности клеток определенного типа. Так, в отсутствие фактора роста нервов (англ., NGF — Nerve Growth Factor) нервные клетки в условиях in vitro (в культуре клеток, вне организма) гибнут апоптозом. Другие регуляторные молекулы, например фактор некроза опухолей (англ., TNF — Tumour - амер.англ., Tumor- Necrosis Factor), вызывают апоптотическую гибель разных типов клеток. Сигналом к апоптозу может стать нарушение клеточного метаболизма вследствие действия эндогенных (АФК) и экзогенных (цианиды) цитотоксических агентов.

Цитогенетическая система, обусловливающая развитие апоптоза, сходна у представителей разных таксонов, в том числе далеко отстоящих друг от друга в эволюционном плане, например, у круглого червя (нематоды) C. elegans и позвоночных животных. В типичном варианте она представлена регулятором, адаптером и эффектором. У позвоночных функцию регулятора выполняет белок bcl-2, который ингибирует адаптерный белок Apaf-1, стимулирующий ферменты каспазы. Каспазы, выполняющие роль эффекторов, — это протеиназы (протеазы), расщепляющие молекулы разных белков (у позвоночных таких белков-мишеней более 60).

Представление о процессе апоптоза в одном из его классических вариантов дает схема на рис. 3-4. При наличии соответствующего трофического (ростового) фактора в цитоплазме присутствует фосфорилированный и в таком состоянии неактивный белок Bad-Р. В отсутствие трофического фактора названный белок дефосфорилируется и превращается в активную форму — Bad. Последний, связываясь с регуляторным белком наружной митохондриальной мембраны bcl-2, лишает его антиапоптотозных свойств, что переводит в активное состояние проапоптотический белок Bax. В таких условиях в митохондрию через открывшиеся ионные каналы устремляется поток ионов, а из органеллы в цитозоль выходит фермент цитохром с. Комплекс названного фермента и адапторного белка Apaf-1 переводит прокаспазу 9 в активную форму. Активная каспаза 9, в свою очередь, активирует каспазу 3, которая, проявляя свойства протеазы (протеиназы), вызывает деградацию белков, в частности, адгезивных, что способствует обособлению апоптозирующей клетки от соседних, а также приводит к конденсации и распаду хроматина, цитоскелетных структур и ядерной ламины. Перечисленные изменения означают, что судьба клетки предопределена, и она вступила на путь гибели. В результате внутриклеточных изменений деструктивного характера клетка распадается на фрагменты — апоптотические тельца, которые «опознаются», захватываются и перевариваются макрофагами. При этом макрофаги не реагируют на находящиеся в непосредственной близости, но не неапоптозирующие клетки.

Рис. 3-4. Вариант развития апоптоза: запускающий фактор — отсутствие жизненно важного трофического фактора (схема). 1 — плазматическая мембрана; 2 — наружная мембрана митохондрии; 3 — трофический фактор; 4 — рецептор трофического фактора; 5 — дефосфорилирование проапоптотического белка Bad; 6 — инактивация антиапоптозного белка Bcl-2; 7 — выход цитохрома С из митохондрии в цитозоль; 8 — активация проапоптозного Белка Bax, открытие ионных каналов; 9 — цитохром С активирует адапторный белок Apaf-1; 10 — активация прокаспазы 9; 11 — активная каспаза 9; 12 — активация каспазы 3; 13, 14, 15 — разрушение ядерной ламины (плотная пластинка, см. 2.4.3.1), цитоскелетных структур, конденсация и фрагментация хроматина.

К апоптотической гибели приводят не только внешние относительно клеток - изменение гормонального статуса, недостаток в организме жизненно важного ростового (трофического)

фактора, действие колхицина или колцемида на митотическое веретено, что останавливает митоз в метафазе (К-митоз), повреждение митохондрий в условиях длительно существующего кислородного голодания или действия митохондриальных ядов, таких как цианиды, действие АФК, в частности, на цитоплазматические мембраны и не только митохондриальные, действие ингибиторов белкового синтеза -, но и внутриклеточные события - нерепарируемые нарушения химической структуры ДНК (см. 2.4.5.3-a), дающие генетически (биоинформационно) дефектные и, следовательно, балластные или угрожающие здоровью и даже жизни многоклеточного организма клетки, повреждение митохондрий. В таких случаях начальная фаза процесса заключается в накоплении в цитоплазме транскрипционного фактора р53, что активирует белок р21. Последний, с одной стороны, блокирует вступление клетки в период S (G1 блок митотического цикла) интерфазы или в митоз (G2 блок митотического цикла), тогда как с другой, — активирует проапоптотический белок Bax (см. здесь же выше и рис. 3-4). Далее события развиваются в соответствии с представленным на рис. 3-4 сценарием. Внутриклеточным по своему происхождению событием, запускающим апоптоз, является деструктивное действие эндогенных активных форм кислорода (АФК, свободные радикалы — см. 2.4.8) на митохондрии. Следствием нарушения структуры названных органелл является выход в цитозоль цитохрома с, его комплексирование с Apaf-1, перевод прокаспазы 9 в каспазу 9 и т.д. (см. рис. 3-4). Можно заключить, что существуют варианты апоптоза, различающиеся природой инициирующего сигнала и событиями на отдельных стадиях процесса.

На рис. 3-5 в схематическом изображении представлены гибель клетки, с одной стороны, путем классическогоапоптоза, а с другой, путем классического некроза. Очевидно, что эти процессы различаются по морфологии, а также по запускающим их факторам. К клеточному некрозу приводят повреждения мембраны плазмалеммы, подавление активности мембранных ионных насосов токсинами, недостаток кислорода, например, вследствие ишемизации тканей при спазме или закупорке кровеносных сосудов (инфаркт миокарда, ишемический инсульт мозга), выключение из функции митохондриальных ферментов в результате действия некоторых ядов (цианиды). Обычно клеточный некроз развивается по следующему сценарию. Повышается проницаемость цитоплазматической мембраны, происходит обводнение цитоплазмы, что приводит к набуханию клетки. Одновременно набухают вакуолярные цитоплазматические структуры с деструкцией мембран. Необратимо изменяются митохондрии, прекращается продукция энергии, что тут же сказывается на состоянии клеточных функций, которые блокируются. Жизненно важные синтезы, в частности, белковые, прекращаются, из лизосом высвобождаются ферменты кислые гидролазы, происходит лизис клетки. Одновременно хроматин ядер компактизируется (кариопикноз) с последующим распадом (кариорексис), происходят разрывы ядерной оболочки с последующим исчезновением ядра (кариолизис).

Рис. 3-5. Апоптоз и клеточный некроз: сравнительная характеристика морфологии процессов (схема). а — апоптоз: 1 — специфическое сжатие клетки и конденсация хроматина; 2 — фрагментация ядра; 3 — фрагментация тела клетки с образованием апоптических телец; б — некроз: 1 — набухание вакуолярных структур и клетки в целом, компактизация хроматина, кариопикноз и кариорексис; 2 — дальнейшее набухание мембранных органелл, кариолизис; 3 — разрушение мембранных структур, клеточный лизис.

В отличие от апоптоза, при котором клеточная гибель носит автономный характер и не распространяется на клетки, соседствующие с апоптозирующей, при клеточном некрозе в процесс вовлекаются объемные участки тканей и органов, т.е. сразу некоторое количество клеток. В зоне некроза развивается воспаление и некротизированный участок буквально «наводняется» (инфильтрируется) лейкоцитами. Этого не происходит в случае апоптоза. Можно заключить, что генетически контролируемая клеточная гибель путем апоптоза, в отличие от клеточного некроза, не носит характера патологического процесса и по своим параметрам удовлетворяет статусу одного из базисных клеточных механизмов развития и жизнедеятельности многоклеточного организма.

Ряд современных клеточных биологов/цитологов (Ю.С. Ченцов) выделяют в качестве самостоятельной формы программированной гибели клеток аутофагию (ПГК II типа) или “самопоедание” клетки путем лизосомной деградации клеточных компонентов (внутриклеточных структур, включая цитоплазматические органеллы).

Так как аутофагия происходит при необратимом недостатке питательных субстратов, ее скорее можно рассматривать как пример программы самоограниченной стратегии выживания, чем как первичную и необратимую программу клеточной гибели.

3.1.3.Клеточная дифференцировка

Клеточная дифференцировка (см. также 8.2.5 и 8.2.6) — это процесс, в результате которого клетки становятся специализированными, т.е. приобретают морфологические, цитохимические, а главное — функциональные особенности, соответствующие запросам многоклеточного организма. В широком смысле под дифференцировкой понимают постепенное, наблюдаемое, в частности, в процессеэмбриогенеза через ряд последовательных делений и нередко смену положения в теле развивающегося организма появление все бóльших различий между клетками, происходящими из относительно однородных клеток конкретной эмбриональной структуры (например, зародышевого листка — энто-, экто- или мезодермы). Специализированные в заданном структурно-метаболически-функциональном направлении клетки возникают и вовзрослом организме, замещая, к примеру, постоянно гибнущие клетки — физиологическая(гомеостатическая)регенерация.

Процесс клеточной дифференцировки, как в эмбриогенезе, так и во взрослом состоянии «растянут» во времени, распространяется на группы клеток и, будучи включенным в воссоздание или восстановление определенной структуры или органа, является обязательной составляющей происходящих в организме гистогенезовиорганогенезов(в терминологии классической гистологии и эмбриологии - морфогенезов).

Если иметь в виду гистогенез как обязательную составляющую органогенеза, то он начинается со стволовых (у взрослого, региональные или резидентные стволовые клетки, см. 3.1.2) клеток, включает несколько митотических делений, дающих ряд закономерных промежуточных клеточных форм, и завершается возникновением дифференцированных клеток. Появление отдельных морфологических, цитохимических, метаболических и иных характеристик дифференцированного состояния в ходе гистогенеза может происходить независимо и приурочено, как правило, к конкретным промежуточным клеточным формам. Вся совокупность соответствующих характеристик выявляется в дифференцированной зрелой клетке, составляя ее цитофенотип. Предположительно, такое появление говорит о смене одних генов, активно транскрибируемых на предшествующей стадии гистогенеза, на другие. В некоторых ситуациях с учетом потребностей многоклеточного организма (макроорганизма) к обеспечению соответствующей функции привлекаются клетки, фактически не завершившие гистогенез. Так, при массивной кровепотере в периферическую кровь поступают не только зрелые эритроциты (завершившие гистогенез клетки), но и ретикулоциты.

Клеточные формы (клетки-предшественницы), с которых начинается гистогенез, обычно лишены признаков специализации. Тем не менее, в нормальных условиях развития и жизнедеятельности организма направление дифференцировки определено (детерминировано). Известно, например, что клетки дерматома, склеротома и миотома, на которые подразделяются мезодермальные сомиты, в дальнейшем развитии дифференцируются, соответственно, в фибробласты соединительной ткани собственно кожи (дермы), хондробласты хряща и миобласты скелетной мускулатуры. В этих случаях говорят о состоянии детерминации,которая может быть лабильной(неустойчивой) и стабильной(устойчивой). На стадии лабильной детерминации конечная судьба дифференцирующейся клетки может быть изменена и в итоге возникнет клетка необычного для данного места направления структурно-функциональной специализации. В такой ситуации говорят о трансдифференцировке. Конкретные факторы и механизмы клеточной детерминации однозначно не определены. Предположительно, речь идет об активном состоянии определенных генов и экспрессии клетками соответствующих белков (полипептидов). Свою роль, видимо, играет характер дистантных (действующих на расстоянии, например, гормональных) и местных (локальных) межклеточных взаимодействий и положение клеток в организме, органе или клеточной тканевой системе (см. 3.2) — позиционная информация и/или морфогенетические поля, — клеточные контакты с другими структурами, например, клеток базального слоя эпидермиса с базальной мембраной, особенности микроокружения по маршруту перемещения из придонных участков крипт на ворсинку клеток-предшественниц в процессе их превращения в «каемчатые» (всасывающие) или железистые дифференцированные эпителиальные клетки выстилки тонкой кишки— все то, что объединяется понятием эпигенетический ланшафт.

Представления о механизмах цитодифференцировки имеют свою историю (рис. 3-6). Гипотезы, связывающие клеточную дифференцировку с неравнозначностью наследственного материала в разных типах дифференцированных клеток, имеют историческое значение. К настоящему времени собрано много доказательств того, что соматические клетки подавляющего большинства животных, в том числе высокоорганизованных, характеризуются неизменным диплоидным набором хромосом. Цитофотометрические исследования показали, что количество ДНК в ядрах клеток разных тканей и органов не различается. Оно одинаково и, как правило, соответствует диплоидному (2с). Результаты, полученные методом молекулярной гибридизации (см. 5.2.2.3-б), свидетельствуют об отсутствии различий в нуклеотидных последовательностях ДНК клеток разных направлений специализации. О сохранении соматическими клетками в полном объеме функционально-генетического потенциала говорят успешные опыты по клонированию организмов (см. 3.1.1).

Рис. 3-6. Развитие представлений о механизмах цитодифференцировки.

Современная биология связывает генетический механизм клеточной дифференцировки с явлением дифференциальной (избирательной) активности генов. Различия между характеристиками соматических клеток разных направлений структурно-функциональной специализации (дифференцировки) видят в том, что в различных типах клеток активны (транскрибируются) разные гены и, соответственно, транслируются (экспрессируются) разные белки. Естественно, что выше речь идет, прежде всего, о белках, относящихся к семейству «белков роскоши», а не о белках «домашнего хозяйства» (см. 2.4.5.6). К дифференцированным клеткам относятся, в частности, эритроциты. Хотя в зрелых эритроцитах белковые синтезы сведены к нулю, в клетках-предшественницах эритроцитов (полихроматофильные и базофильные, в терминологии классической гистологии, эритробласты, ретикулоциты) активны гены, обусловливающие экспрессию полипептидов гемоглобина — a- и b-глобинов. Пример с глобинами показателен тем, что эти гены имеют кластерную организацию, т.е. представлены совокупностью генов, каждый из которых активен в строго определенный период онтогенеза. Так, b-глобиновый кластер (b-глобиновое мультигенное семейство) человека представлен 7 генами. У эмбрионов активен ген e, у плода — Gg и Аg, после рождения — d и b. Кроме того, имеется два так называемых псевдогена. Активация очередного гена кластера сопряжена с инактивацией гена, который транскрибировался в предшествующий период онтогенеза. Предположительно, смена активных b-глобиновых генов оптимизирует функцию транспорта кислорода в различных условиях существования организма человека (эмбрион — доплацентарный период внутриутробного развития, плод — плацентарный период, после рождения — дыхание атмосферным воздухом).

Важное место в процессе клеточной дифференцировки принадлежит экспрессии белков цитоскелетных структур и плазмалеммы. Наличие цитоскелета — непременное условие приобретения и поддержания дифференцированной клеткой требуемой формы, а, в случае необходимости, полярности, построения таких структур, как микроворсинки (всасывающий «каемчатый» эпителий кишки) или реснички (эпителий трахеи и крупных бронхов). В случае плазмалеммы речь идет, в частности, о рецепторных и других белках (см. 2.4.2).

Самостоятельное значение в плане выполнения дифференцированной клеткой специфических функций имеет закономерное распределение белков и структур. Так, микроворсинки и реснички располагаются на обращенных в просвет соответствующих органов полюсах клеток. Показателен пример эпителиально-мышечной клетки актинии, выполняющей одновременно опорную, сократительную и чувствующую (рецепторную) функции. Названная клетка имеет бокаловидную форму, в ее основании находится пучок миофибрилл, а у апикальной поверхности — чувствующий волосок (рис 3-7).

Рис. 3-7. Эпителиально-мышечная клетка актинии. Схема. 1 — мышечные волокна; 2 — митохондрии; 3 — ядро; 4 — чувствующий волосок.

В связи с проблемой клеточной дифференцировки важным представляется вопрос о механизме избирательной активности конкретного гена (и, следовательно, экспрессии соответствующего белка) клетками разных органов. Имеющиеся данные указывают на несомненную роль энхансеров (рис. 3-8), промоторов, транскрипционных и ростовых факторов, гормонов и других сигнальных молекул, изменение плотности упаковки хроматина — гетерохроматизация эухроматиновых участков и эухроматизация гетерохроматиновых.

Рис. 3-8. Регуляторная зона тканеспецифичного гена estS (фермент эстераза) плодовой мухи. Показано расстояние (в п.н.) энхансеров, ответственных за транскрипцию гена клетками разных органах мухи, от стартовой точки транскрипции. Последнее слово подрисуночной подписи не “трансляция”, а “транскрипция” !!!

3.1.4. Онкотрансформация как одна из возможных составляющих жизненного цикла клетки

Идея о том, что опухолевый рост представляет собой биологическую проблему, возникла давно. В разное время эта идея наполнялась различным конкретным содержанием. В частности, высказывались предположения, что рак — это следствие дерепрессии клеточного генома в связи с потерей хромосомами гистонов, а онкогенез, как явление, можно рассматривать в качестве побочного эффекта «противостояния» клеток процессу старения.

В настоящее время распространение получила точка зрения, также связывающая онкотрансформацию с изменениями клеточного генома. Предположительно, путь к опухолевому перерождению клетки представляет собой перестройку генома, а не единичную мутацию определенного гена. Действительно, известны опухоли, удовлетворяющие понятию «моногенная наследственная болезнь», например, ретинобластома (retina: средневеков. латин., rete — сеть, самая внутренняя оболочка глаза; греч., blastos — почка, росток, побег, завязь; греч., ŏma — опухоль). Это злокачественное новообразование сетчатки с аутосомно-доминантным типом наследования. К развитию ретиинобластомы приводят точковые мутации в гене RB1 (13q14.1). С другой стороны, названная опухоль развивается при транслокациях между хромосомами Х и 13, причем место разрыва приходится на участок хромосомы 13, не имеющий отношения к месту расположения названного выше гена, а находящийся от него за несколько миллионов пар нуклеотидов — 13q12–q13. При этом допускается, что в случае транслокаций речь тоже идет об инактивации гена RB1, но не вследствие его мутации, а в результате разобщения областей промотора и энхансера.

Рассмотренный пример возвращает нас к идее, что онкотрансформация как самостоятельная траектория жизненного цикла соматической клетки связана с изменениями в геноме, причем затрагивающими конкретные системы генетической регуляции состояния клеток, в частности, связанные с их пролиферацией. Подсчитано, что к онкогенезу у человека из общего числа примерно в 20-25-30-35 тыс. имеют отношение 120–150 генов. Далеко не все они являются структурными (транскрибируемыми и транслируемыми, то есть кодирующими аминокислотные последовательности полипептидов) в понимании классической генетики. Многие из них выполняют регуляторные, сервисные и/или конценсусные функции. Факторами, провоцирующими превращение клеток в опухолевые, являются мутагены окружающей среды, такие, как промышленные и сельскохозяйственные яды, табачный дым.

Согласно современным взглядам, онкогенез — многоступенчатый процесс. Единичной мутации в протоонкогене или гене-супрессоре онкотрансформации достаточно для инициации клеточного роста, который через ряд стадий, связанных с закономерными изменениями в геномах клеток растущей популяции, может приобрести черты злокачественного (рис. 3-9).

Рис. 3-9. Многоступенчат