ДИНАМІЧНА СТІЙКІСТЬ ДИФЕРЕНЦІЙОВАНОГО СТАНУ
Клітину, яка досягла диференційованого стану, не можна вважати нерухомою системою. На всіх її функціональних рівнях, включаючи процеси транскрипції і трансляції, відбуваються коливальні процеси. Найбільш відомі – це ритми з добовим періодом. Як раз в такому ритмі відбуваються коливання експресії генів в клітинах гіпоталамуса ссавців. Відомі коливання і з більш короткими періодами (синтез білка в печінці).
Інколи стійкість диференційного стану своєрідно поєднується з переходом із одного диференційного стану в інший. Таке явище носить назву трансдетермінація, описане швейцарським біологом Хадорном на прикладі клітин імагінальних зачатків комах. Він дисоціював імагінальний зачаток певного органа (наприклад, крила) на окремі клітини, які культивували роками, пересаджуючи із однієї дорослої особини в іншу. В цих умовах клітини ділились, але не диференціювались, через відсутність гормону екдізону. Але коли клітини трансплантували знову в личинку, де була достатня кількість екдізону, то диференціація наступала навіть після багаторічних пасажів. Цей дослід демонструє стійкість диференційного стану, який зберігається навіть після численних клітинних поділів, яке ніколи в нормальному розвитку не спостерігається.
Деякі трансдетермінації зворотні, інші – майже, або повністю незворотні.
Молекулярні механізми підтримки стійкості диференційованих клітин зв’язані з генорегуляторними білками. Генорегуляторний білок, синтезований вперше в клітині, потім підтримує свій власний синтез в наступних поколіннях даної клітини. Одна із найбільш важливих функцій генорегулятоних білків – підтримка в нащадках даної диференційованої клітини специфічної структури хроматину (конденсовані і неконденсовані ділянки). Так підтримується, наприклад, неактивний стан однієї із двох Х-хромосом в соматичних клітинах ссавців.
Інший механізм підтримки певних генів в неактивному стані – це успадкування рисунка метилювання ДНК в наступних клітинних поколіннях. В ранньому розвитку відбувається деметилювання значної частини ДНК і внаслідок цього – активація генів. Але починаючи з більш пізніх стадій рисунок метилювання стабілізується і передається нащадкам даної клітини. Інколи це явище визначають як епігеномну спадковість.
Отже, диференціація клітин – це виникнення стійких розходжень у їхній будові у зв'язку зі спеціалізацією щодо виконання визначених функцій. В основі диференціації клітин лежать процеси синтезу специфічних білків, тобто диференціальна експресія генів. Існує багато факторів диференціювання, які викликають диференціальну активність генів в різних частинах зародку і на різних стадіях розвитку.
Диференціація супроводжується змінами якісних, кількісних і часових параметрів життєдіяльності клітин. Вона, як правило, пов'язана з ускладненням структури клітини й включає характерні морфологічні зміни: набуття визначеної форми та розмірів ядра й клітини; встановлення закономірних відносин між ядром і цитоплазмою; розвиток органел загального значення; утворення спеціальних органел; синтез специфічних включень; утворення міжклітинної речовини (ступінь її розвитку); поява міжклітинних взаємодій і встановлення міжклітинних і спеціалізованих контактів. Змінюється форма клітин. Так, епітеліальні клітини набувають кубічної, призматичної чи пласкої форм. Клітини тканин внутрішнього середовища різноманітніші за формою. Сполучнотканинні клітини виробляють міжклітинну речовину, а м'язові містять міофібрили. Між нейронами формуються синаптичні контакти.
Для різних клітин характерні визначені взаємини між процесами диференціації й поділу. Однак у цілому в міру підвищення ступеня диференціації здатність клітин до поділу закономірно зменшується.
У гістогенезі клітини визначеного цитотипу інтегруються та частково втрачають свою відносну автономність, властиву ранній (проліферативній) стадії. Останнє відбувається внаслідок формування надклітинних регуляторних механізмів, що здійснюють вплив на цитодиференціацію. У період формування міжклітинної інтеграції провідну роль відіграє плазмолема та її рецепторний комплекс. При цьому клітини одного цитотипу характеризуються мозаїкою циторецепції, що створює умови для адаптивної селекції клітин. Останнє є одним із механізмів формування оптимального співвідношення базисних процесів гістогенезу – проліферації, диференціації та загибелі клітин.
Реактивні процеси в клітинах за дії на організм екстремальних факторів середовища супроводжуються зміною клітинних органел, набряканням мітохондрій, розпадом мітохондріальних крист, дезорганізацією ЕПС, пікнозом ядра. При наростанні ступеня ушкодження ці дистрофічні зміни стають необоротними, і клітина розпадається, піддаючись некрозу.
Розглядаючи клітину як елементарну одиницю живої матерії із загальнобіологічних позицій, важливо визначити її положення й роль у складі ієрархічно більш високоорганізованої біологічної системи – організму. Тут вона виступає як провідна структурно-функціональна одиниця самостійного рівня структурної організації живого – тканини.
У тканині кожен тип клітин запрограмований на виконання ряду спеціальних функцій. Щоб їх виконувати відповідно до потреб і адаптивних потенцій тканини, клітина має активно сприймати тканинне оточення, реагувати на нього і змінювати свою функціональну активність залежно від загальнотканинного гомеостазу. Для цього в клітині значна її частина представлена мембранними структурами, найважливішою з яких у цьому відношенні є плазмолема. Будучи пограничним молекулярним комплексом клітини, плазмолема за допомогою свого рецепторного апарату зв'язує внутрішньоклітинне середовище з тканинним, роблячи клітину лише відносно автономною морфофункціональною одиницею тканини; забезпечує міжклітинні відносини і взаємодію регуляторних механізмів тканини з внутрішньоклітинними структурами і є найважливішою частиною системоутворювального механізму гістогенезу.
Сприймаючи зміни міжклітинного середовища (мікрооточення), плазмолема передає цю інформацію з трансдукторної мережі всередину клітини на ключові функціональні комплекси (ензимні білки, депо кальцію, ядро тощо), які забезпечують перебудову фізіологічної активності клітини в повній відповідності до реактивності тканини в цілому. Плазмолема, будучи своєрідною винесеною на периферію частиною загальноклітинної мембранної системи, є прямим продовженням цього складного внутрішньоклітинного мембранного конвеєра, представленого ендоплазматичною сіткою, апаратом Гольджі, ядерною мембраною, що реалізує всі загальнометаболічні й спеціальні функції клітини.
Завдяки тісному посередницькому контакту плазмолеми з тканинним середовищем, з одного боку, і прямому зв'язку з ключовими внутрішньоклітинними функціональними комплексами, з іншого, клітина є цілісною, стійкою та надзвичайно динамічною біологічною системою на всіх етапах свого життєвого циклу в складі тканин. Останні, у силу ієрархічної організації живого, розвиваються й функціонують на основі своїх власних законів.
Запитання для самоперевірки
1. Що таке диференціація клітин?
2. Які морфологічні зміни відбуваються в клітині під час диференціювання?
3. Чи існує залежність між диференціацією і поділом клітини?
4. Які етапи диференціації клітин вам відомі?
5. Яка роль плазмолеми в утворенні міжклітинної інтеграції?
6. Яким чином клітина сприймає тканинне оточення?
7. Чому клітина порівняно автономна структурно-функціональна одиниця тканини?
8. Чому клітина є цілісною стійкою і разом з тим надзвичайно динамічною біологічною системою?
Рекомендована література
1. Молекулярная биология клетки; в 3 т. / [Б.Альбертс, А.Джонсон, Д.Льюис и др.] – М.- Ижевск: НИЦ «Регулярная и и хаотическая динамика», Институт компьютерных исследований, 2013 1 т.-812 с.
2. 2.Гистология,эмбриология, цитология: ученик / [Ю.И.Афанасьев, Н.А.Юрина, Е.Ф.Котовский и др.] : под. ред.Ю.И.Афанасьева, Н.А.Юриной.-[6-е изд.,перераб. и доп.].- М.: ГЭОТАР-Медиа, 2012.-800 с.
3. Корочкин Л.И. Биология индивидуального развития (генетический аспект): [учебник] /Леонид Иванович Корочкин.- М.:Изд-во МГУ, 2002. – 264 с. 4.Нейфах А.А. Генетические основы развития /Александр Александрович Нейфах. – М.:Изд-во «Знание»,1969.- 50с.
4. 5. Нейфах А.А. Гены и развитие организма / А.А.Нейфах, Е.Р. Лозовская. – М.:Изд-во «Наука»,1984.- 185с.
5. Белоусов Л.В. Основы общей эмбриологии: [классический университетский учебник] / Лев Владимирович Белоусов.-М.: Изд-во Моск.ун-та: Наука,2005.-368 с.
6. Данилов Р.К. Гистология : ученик для студентов медицинских вузов /Данилов Р.К., Клишов А.А., Боровая Т.Г. – Спб: ЭЛБИ-Спб.,2004.-362 с.