Стимуляция клеточного деления. Программы размножения и гибели клеток. Стена высокая, но хилая

Оптимальным этапом для изучения хромосом является стадия метафазы, когда хромосомы достигают максимальной конденсации и располагаются в одной плоскости, что позволяет их идентифицировать с высокой точностью. Для изучения кариотипа требуется выполнение нескольких условий:

Стимуляция клеточных делений для получения максимального количества делящихся клеток,

- блокирование клеточного деления в метафазе;

- гипотонизацш клеток и приготовление препарата хромосом для дальнейшего исследования под микроскопом.

Для изучения хромосом можно использовать клетки из активно пролиферирующих тканей (клетки костного мозга, стенок семенников, опухолей) или клеточные культуры, которые получают путём культивирования в контролируемых условиях на специальных питательных средах клеток, выделенных из организма (клетки периферической крови*, лимфоциты Т, клетки красного костного мозга, фибробласты разного происхождения, клетки хориона, опухолевые клетки)

* Техника получения хромосомных препаратов из лимфоцитов периферической крови, культивируемых в изолированных условиях является наиболее простым методом и состоит из следующих этапов:

Забор венозной крови в асептических условиях;

Добавление гепарина для предотвращения свертывания крови;

Перенос материала во флаконы со специальной питательной средой;

Стимуляция клеточных делений добавлением фитогемагглютинина;

Инкубация культуры в течение 72 часов при температуре 37 0 С.

Блокирование клеточного деления на стадии метафазы достигается введением в среду колхицина или колцемида – веществ - цитостатиков, разрушающих веретено деления. Получение препаратов для микроскопического анализа включает следующие этапы:

- гипотонизацю клеток, которая достигается добавлением гипотонического раствора хлорида калия; это приводит к набуханию клетки, разрыву ядерной оболочки и дисперсии хромосом;

- фиксацию клеток для остановки жизнедеятельности клетки с сохранением структуры хромосом; для этого используются специальные фиксаторы, например, смесь этилового спирта и уксусной кислоты;

- окрашивание препарата по Гимзе или использование других способов окрашивания;

- анализ под микроскопом с целью выявления численных нарушений (гомогенных или в мозаике) и структурных аберраций;

- фотографирование и вырезание хромосом;

- идентификацию хромосом и составление кариограммы (идиограммы).

Этапы кариотипирования Дифференциальная окраска хромосом

В настоящее время наряду с рутинными методами изучения кариотипа используются методы дифференциальной окраски, позволяющие выявить в хроматидах чередование окрашенных и неокрашенных полос. Они называются бэндами и имеют специфическое и точное распределение, обусловленное особенностями внутренней организации хромосомы

Методы дифференциальной окраски были разработаны в начале 70-х годов ХХ-го века и стали важной вехой в развитии цитогенетики человека. Они имеют широкое практическое применение, т.к.:

Чередование полос не носит случайный характер, а отражает внутреннюю структуру хромосом, например распределение эухроматиновых и гетерохроматиновых участков, богатых AT или GC последовательностями ДНК, участков хроматина с разной концентрацией гистонов и негистонов;

Распределение бэндов идентично для всех клеток одного организма и всех организмов данного вида, что используется для точной идентификации вида;

Метод позволяет точно идентифицировать гомологичные хромосомы, которые являются одинаковыми с генетической точки зрения и имеют сходное распределение бэндов;

Метод обеспечивает точную идентификацию каждой хромосомы, т.к. разные хромосомы имеют разное распределение бэндов;

Дифференциальная окраска позволяет выявить многие структурные нарушения хромосом (делеции, инверсии), которые с трудом обнаруживаются методами простой окраски.

В зависимости от способа предобработки хромосом и техники окрашивания различают несколько методов дифференциальной окраски (G,Q,R,T,C). Используя их, можно получить чередование окрашенных и неокрашенных полос - бэндов, стабильных и специфичных для каждой хромосомы.

Характеристика различных методов дифференциальной окраски хромосом

Если в самых общих чертах охарактеризовать известные фитогормоны, то можно сказать, что отличительной особенностью ауксинов является стимуляция растяжения клеток, гиббереллинов - стимуляция роста стеблей, а кинины характеризуются своей способностью вызывать деление клеток в тканях, не отзывчивых на другие воздействия при оптимальных условиях питания.

То есть, кинины можно назвать гормонами клеточного деления.

Однако физиологический спектр действия кининов несколько шире и не ограничивается только делением. Они оказывают влияние также на растяжение и дифференциацию клеток и на другие процессы. Следует отметить, что кинины проявляют свою активность только в присутствии ауксинов. Например, в тесте образования корневого каллюса активность хининов тесно связана и зависит от взаимодействия с ауксином, причем обе группы гормонов вызывают рост каллюса: ауксины - увеличение размеров, кинины - их деление. Нормальный рост определяется балансом между ними.

Многие исследователи неоднократно отмечали влияние хининов на рост корней. При этом наблюдали как торможение, так и стимуляцию деления и растяжения клеток. Торможение возникало при высокой концентрации гормонов, а стимуляция зависела от условий опыта и физиологического состояния объекта исследования.

Рост дисков из листьев фасоли и прорастание семян салата стимулируется хининами и красным светом и угнетается далеким красным светом. Однако, по мнению Миллера, кинины не могут полностью заменить красный свет, так как они не принимают участия в фотореакцни и имеют отличный от красного света механизм действия.

Все приведенное выше многообразие действия кининов было в подавляющем большинстве случаев изучено на одном представителе этого класса ростовых гормонов — кинетине. Собственно, кинетин нельзя назвать настоящим гормоном, поскольку это вещество не выделено из высших растений.

В химически чистом виде кинетин впервые был изолирован из дрожжевого экстракта и спермы селедки группой сотрудников Висконсинского университета США в 1955 г. Ими же установлено строение этого соединения, являющегося 6-фурфуриламинопурином. Несколько позже, в 1957 г., Скуг и сотр. выделили кинетин из старых или автоклавированных препаратов ДНК. Год спустя появилось сообщение о химическом синтезе кинетина.

Синтетическое изучение химических аналогов кинетина показало, что главную роль в проявлении свойства высокой биологической активности играет адениловая часть молекулы, в то время как боковая цепь фурфурила может быть заменена другими неполярными группами. Используя различные варианты такой замены, получили около 30 высокоактивных и еще большее число менее активных соединений. Этим-то соединениям и было присвоено групповое название «кинины», которое в дальнейшем стали применять к обнаруженным в экстрактах из высших растений веществам, активирующим деление клеток подобно кинетину. Вещества, сильно стимулирующие деление клеток, были найдены в растительных экстрактах из жидкого эндосперма кокосового ореха, эндосперма кукурузы, из развивающихся партенокарпических плодов банана и незрелых плодов конского каштана, листьев табака и моркови, из винограда, опухолевой ткани корончатых галлов, женского гаметофита гинкго и многих других.

Используя в качестве проверочного теста деление клеток, разные исследователи в трех разных лабораториях выделили кинины из экстракта жидкого эндосперма кукурузы. Однако количества полученных препаратов недостаточны для их полной химической идентификации. Все они сходятся на том, что кинины являются производными аденина, незамещенными, за исключением атома азота в шестом положении. Во всех случаях изолированное вещество могло вызвать только часть активности стимуляции клеточного деления.

Проведенное в дальнейшем сравнение свойств очищенных на ионообменных смолах активных препаратов из эндосперма кокосового ореха и эндосперма кукурузы ставит под сомнение тот факт, что найденное соединение является действительно нативным кинином, хотя и эта проверка не лишена сомнений методического характера.

Окончательное выяснение химической природы нативных кининов является делом времени, так как уже во многом разработаны пути их изоляции. В пользу этого свидетельствует и относительно легкое спонтанное образование кинетина из ДНК.

Отсутствие знаний о точной химической природе нативных кининов ограничивает исследования по их биогенезу и превращениям в растительных тканях. Кииетинподобные молекулы включаются в обмен в растениях по нормальному для пуриноз пути. Слабая подвижность кииетина внутри растительных тканей указывает на то, что нативные кинины, возможно, синтезируются клетками, которые в нем нуждаются.

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

К концу XIX в. цитологи располагали почти исчерпывающими знаниями о морфологической стороне митоза. Дальнейшее пополнение данных о клеточном делении шло главным образом за счет изучения наиболее примитивных организмов.

Был детально изучен процесс деления у прокариотных (не имеющих оформленного ядра) организмов (бактерий), генетически близкий к мнтозу (М. А. Пешков, 1966), а также митоз у простейших (И. Б. Райков, 1967), где были найдены крайне своеобразные формы этого процесса. У высших организмов морфологическое изучение митоза шло в основном по линии исследования этого процесса в динамике на живых объектах с помощью микрокиносъемки. В этом отношении большое значение имели работы А. Байера и Дж. Моле-Байер (1956, 1961), выполненные на клетках эндосперма некоторых растений.

Однако подавляющее большинство работ XX в. касалось физиологии клеточного деления, и именно в этом разделе проблемы были достигнуты наибольшие успехи. В сущности, неизученным оставался вопрос о причинах и контролирующих факторах митоза. Основоположником этого направления исследований был А. Г. Гурвич.

Уже в монографии «Морфология и биология клетки» (1904) Гурвич высказал мысль, что должны существовать факторы, обусловливающие возникновение митоза, причем они скорее всего связаны с состоянием самой приступающей к делению клетки. Эти пока еще очень общие представления получили развитие в серии дальнейших исследований Гурвича, обобщенных в монографии «Проблема клеточного деления с физиологической точки зрения» (1926). Первым важным теоретическим выводом Гурвича явилось представление о дуализме факторов, вызывающих митоз только при их сочетании. Один из этих факторов (или группа факторов) связан с эндогенными процессами подготовки клетки к делению (фактор возможности или готовности). Другой является экзогенным по отношению к данной клетке (фактор осуществления). Дальнейшие исследования Гурвича были посвящены главным образом изучению второго фактора.

Эксперименты и теоретические рассуждения привели Гурвича в 1923 г. к открытию, что большинство экзотермических реакций как в организме, так и в пробирке сопровождается УФ-излучением. Важнейшим биологическим следствием такого явления оказалась стимуляция клеточных делений, почему эти лучи получили название митогенетических, т. е. вызывающих митозы. В течение последующих лет Гурвичем (1948, 1959) и его сотрудниками было выполнено большое число исследований, посвященных проблеме митогенетического излучения. Стимулирующее влияние излучения было выяснено на самых разнообразных объектах - от бактерий и дрожжевых грибков до зародышей и клеток культуры ткани млекопитающих (А. А. Гурвич, 1968).

В первой четверти XX в. стали накапливаться данные относительно влияния на митоз внешних воздействий - лучистой энергии, различных химических веществ, температуры, концентрации водородных ионов, электрического тока и т. д. Особенно много исследований было выполнено на культуре ткани. В настоящее время установлено, что митотическое деление является следствием длинной цепи причин.

В противоположность цитологии начального периода, которая уделяла основное внимание самому митозу, современная цитология гораздо больше интересуется интерфазой. Пользуясь терминологией Гурвича, можно сказать, что сейчас на первом плане стоит изучение факторов готовно-

сти, обеспечивающих возможность вступления клетки в деление.

Это стало возможным благодаря новым методам исследования, в первую очередь благодаря радиоавтографии.

А. Говард и С. Пелк (1951) предложили весь митотический цикл разбить на четыре периода: постмитотический, или пресинтетический (Gi); синтетический (S), во время которого происходит репликация ДНК; постсинтетический, или премитотический (G2); и, наконец, митоз (М). Накоплен большой фактический материал по продолжительности у самых различных организмов отдельных периодов и всего митотического цикла в целом в норме и при воздействии разнообразных внешних и внутренних факторов - лучистой энергии, вирусов, гормонов и т. д.

Ряд исследований (М. Суонн, 1957, 1958) посвящен энергетике клеточного деления, и хотя многие детали остаются еще невыясненными, стало очевидным, что важная роль принадлежит в этом отношении макро- эргическим соединениям, в частности АТФ. Это вещество не только участвует в подготовке клетки к делению, но, по данным Г. Гофман- Берлинга (1959, 1960), ответственно за механические процессы, лежащие в основе расхождения хромосом к полюсам.

В выяснении механизма различных этапов клеточного деления особенно большую роль сыграли работы американского исследователя Д. Мезия (1961), изучавшего различные стороны физиологии митоза, в особенности роль митотического аппарата, осуществляющего самый процесс деления. Созданы различные представления о механизме разделения клеточного тела и о физико-химических изменениях клеток при делении. Изучение хромосом выросло в самостоятельную область исследований, которая оказалась органически связанной с генетикой и дала начало цитогенетике.

Наряду с изучением отдельных митозов значительное число исследований было посвящено выяснению закономерностей митотической актив ности тканей, в частности изучению зависимости клеточной пролиферации от физиологического состояния организма и влияния различных эндогенных и экзогенных факторов.

Первые исследования такого характера были выполнены на растительных объектах в самом начале XX в. в связи с изучением периодичности биологических процессов (А. Льюис, 1901; В. Келликот, 1904). В 20-х годах появился ряд фундаментальных исследований, посвященных суточному ритму клеточных делений в проростке растений (Р. Фризнер, 1920; М. Столфелд, 1921). В 30-40-х годах была проведена серия исследований (А. Карлетон, 1934; Ч. Блюменфельд, 1938, 1943; 3. Купер, Г. Франклин, 1940; Г. Блюменталь, 1948; и др.), в которых изучалась митотическая активность в очагах клеточного размножения различных лабораторных животных. Значительно меньше таких работ выполнено на очагах клеточного размножения человека (3. Купер, А. Шифф, 1938; А. Бродерс, В. Дублин, 1939; и др.).

В СССР первое исследование по влиянию на митотический режим физиологических факторов было опубликовано в 1947 г. Г. К. Хрущовим. Начиная с 50-х годов интерес к проблеме митотического режима организма значительно возрос (С. Я. Залкинд, И. А. Уткин, 1951; С. Я. Залкинд, 19,54, 1966; В. Н. Доброхотов, 1963; И. А. Алов, 1964; и др.). Наиболее полно был изучен суточный ритм митотической активности у млекопитающих.

Первые попытки проанализировать механизмы, регулирующие митотическую активность, были предприняты в 1948 г. английским исследователем В. Буллоу. Советские цитологи (JI. Я. Бляхер, 1954; И. А. Уткин, 1959; Г. С. Стрелин, В. В. Козлов, 1959) уделили большое внимание ней- рогуморальной регуляции митотической активности, установив рефлекторный характер регуляции клеточных делений. Оказалось, что воздействие на нервную систему влияет опосредованно - через сдвиг гормонального равновесия. Выяснилось также, что при этом резко усиливается секреция адреналина, тормозящего митотическую активность. Удаление надпочечников приводит к выключению эффекта торможения митозов (А. К. Рябуха, 1955, 1958). Ряд исследований посвящен изучению сложных взаимоотношений между митотической и физиологической активностью организма (С. Я. Залкинд, 1952; И. А. Алов, 1964).

Повышение интереса к проблеме митотических циклов и широкое применение радиоавтографии привело к тому, что в настоящее время подавляющее большинство работ посвящено изучению закономерностей митотического цикла, анализу закономерностей перехода из одного периода в другой, влиянию на митоз разнообразных эндогенных и экзогенных факторов. Это, несомненно, одно из наиболее перспективных направлений в изучении проблемы клеточной пролиферации (О. И. Епифанова, 1973).

Цитология наследственности

В первой половине XX в. в связи с расцветом генетики интенсивно разрабатывались цитологические проблемы, касающиеся наследственности. Так возникла новая область цитологии - кариология.

Пионером кариологических исследований был русский ботаник

С. Г. Навашин. Навашин по справедливости может быть назван создателем цитогенетики, не случайно первый период в развитии этой науки часто называют «русским» или «навашинским». Уже в классических работах по эмбриологии растений, в особенности по цитологии оплодотворения (1898), он сосредоточил свое внимание на морфологии хромосом в клетках некоторых лилейных, в частности, конского гиацинта (Galtonia candicans). В 1916 г. Навашин опубликовал работу, в которой привел тщательное описание хромосомного набора этого растения. Ему удалоеь найти на хромосоме (в центре или на ее полюсе) особый неокрашенный участок (названный им «хроматическим перерывом»), именуемый сейчас центромерой или кинетохором, в области которого хромосома при- .крепляется к веретену. Центромерам принадлежит чрезвычайно важная роль в процессе расщепления хромосом и их расхождения к полюсам делящейся клетки. Навашин впервые показал, что строение хромосом вовсе не является неизменным, но подвержено изменениям в филогенезе и при некоторых особых условиях существования (например, в клетках семян при их длительном хранении). На ряде растительных объектов (Crepis, Vicia, Muscari и др.) ученики Навашина показали, что ка- риолотический анализ может быть использован для филогенетических выводов. Несколько позже начались кариологические исследования на клетках животных и человека. В этих работах также участвовал Навашин. Уже после его смерти, в 1936 г., была опубликована работа, посвященная уменьшению (диминуции) хроматина при развитии яйца лошадиной аскариды, подтвердившая выводы Т. Бовери (1910).

Обстоятельные кариологические работы были выполнены ъ 20-30-х годах советским цитологом П. И. Живаго. Он и его сотрудники исследовали кариотип домашних птиц (куры, индейки; 1924, 1928), мелкого рогатого скота (1930) и человека (1932). Живаго не только выяснил ряд карио- типов, но и начал разработку вопроса о постоянстве числа хромосом в пределах одного организма. На основании литературных данных (по двукрылым) и исследования ряда объектов (эму, нанду, человек) Живаго (1934) пришел к заключению, что в отдельных клетках и целых тканях (особенно у эмбрионов) наблюдаются значительные колебания в числе хромосом. Он придавал этим различиям большое значение, так как они ведут к изменению генома, а следовательно, и наследственных свойств организма. Он высказывал также предположение, что наличие клеток с различным числом хромосом может иметь приспособительное значение, так как увеличивает возможные- варианты кариотипов для последующего отбора. Эта точка зрения, высказанная свыше 30 лет тому назад, разделяется в настоящее время многими исследователями.

Большую роль в развитии рассматриваемого направления сыграла книга К. Белара «Цитологические основы наследственности» (1928, русский перевод 1934). Разделу, посвященному связи хромосом с наследственностью, предшествуют собственно цитологические главы, содержащие данные о строении ядра и цитоплазмы, о клеточном делении, оплодотворении и созревании половых клеток, о партеногенезе. Очень детально и в сравнительном аспекте рассматривается строение хромосом не только у высших позвоночных, но и у беспозвоночных, простейших и растений. Содержатся ценные данные, касающиеся индивидуальности и изменчивости хромосом, обмена фрагментами при кроссинговере, диминуции хроматина, патологии митоза. Книга Белара в течение долгого времени оставалась лучшей монографией по цитологии наследственности.

Постепенно, в связи с интенсивным развитием генетики, цитология наследственности превратилась в цитогенетику, история которой кратко изложена вместе с историей генетики (см. главы 13 и 24). Во второй половине XX в. возникло несколько совершенно новых, весьма перспективных направлений исследований.

В первую очередь следует назвать цитоэкологию, изучающую роль клеточного уровня организации в приспособлении организма к условиям среды. В СССР это направление, тесно связанное с биохимией клетки и особенно с изучением свойств клеточных белков, получило широкое развитие в работах В. Я. Александрова и Б. П. Ушакова.

За последние 10-20 лет большое внимание привлекает изучение общей физиологии клетки и, в частности, закономерностей синтеза и расходования веществ, как участвующих в основных жизненных процессах, так и являющихся ее специфическими продуктами (секреты). К этому же кругу вопросов относится изучение восстановительных процессов в клетке, т. е. физиологической регенерации, обеспечивающей восстановление разрушенных или утраченных клеточных структур и веществ и совершающейся на молекулярном уровне.

Большое значение в цитологии приобрели проблемы детерминации, дифференциации и дедифференциации клеток. Они играют важную роль в эмбриональных клетках и различных категориях клеток, культивируемых вне организма (А. Де-Рейк, Дж. Найт, 1967; С. Я. Залкинд, Г. Б. Юровская, 1970).

Своеобразный раздел цитологии составила цитопатология - область, пограничная с общей патологией и сделавшая значительные успехи в последние десятилетия XX в. Термин «цитопатология» используется для обозначения отрасли биологии, в которой изучение общепатологических процессов ведется на клеточном уровне, и как система знаний о патологических изменениях отдельной клетки. Что касается первого направления, то после классических работ Р. Вирхова попытки свести сущность патологического процесса к изменению микроскопических и суб- микроскопических структур предпринимались неоднократно. Много примеров подобного использования цитологического анализа для понимания патологических процессов в организме содержится в работах Р. Камерона (1956, 1959).

Второе направление может рассматриваться как чисто цитологическое. Оно ставит своей целью изучение патологии самой клетки и ее органоидов, т. е. морфологических, биохимических и физиологических отклонений от нормы, наблюдаемых при происходящих в клетке различных патологических процессах, независимо от их влияния на состояние ткани, органа или всего организма. Развитие этого направления связано прежде всего с накоплением данных об изменении клеток, происходящем вследствие их естественного старения, а также различных резких цитопатологических изменений, наблюдаемых при воздействии тех или иных неблагоприятных факторов (физических, химических, биологических) внешней среды. Особенно значительное развитие получило изучение патологических изменений под влиянием неблагоприятных воздействий на клетку в эксперименте и исследование механизма действия таких факторов. Эти исследования получили широкое развитие в первую очередь в радиобиологии, где всестороннее изучение реакции клетки на воздействие лучистой энергии возможно не только на клеточном или субклеточном, но и на молекулярном уровне.

Мгновенное заживление ран и молниеносное развитие эмбрионов – эти картины из фантастических фильмов могут стать реальностью.

Многочисленные исследования, которые сейчас ведут учёные, уже показали, что ключевую роль при эмбриональном развитии и регенерации тканей играют биоэлектрические сигналы, генерирующиеся с участием клеточной мембраны. Например, на модели заживления раны роговицы было показано, что колебания мембранного потенциала, создающие в ткани электрические поля, регулируют миграцию клеток, их поляризацию и частоту делений, то есть восстановление поврежденной ткани. Потенциал клеточной мембраны формируется при участии имеющихся в ней ионных каналов. Ионные токи, как показывают исследования, имеют огромное значение для деления (дифференцировки) клеток - миобластов, кардиомиоцитов, нейронов. При их делении и слиянии потенциал мембраны изменяется от -10 до -70 мВ, т.е. мембрана становится более отрицательно заряженной (гиперполяризуется). Однако что тут следствие, а что причина: то ли электросигналы – следствие клеточных изменений, то ли наоборот, до сих пор было неясно.

Группа исследователей из Университета Тафтса в Медфорде (Tufts University, Medford, Массачусетс, США) изучили влияние изменения мембранного потенциала на способность клеток ММСК (мультипотентных мезенхимальных стромальных клеток) костного мозга человека к делению. Сначала они исследовали, зависит ли изменение мембранного потенциала клеток от стадии их деления. Чтобы запустить деление клеток, авторы исследования воздействовали на них химически, с помощью двух веществ (дексаметазона и индометацина), и затем отслеживали изменение яркости окраски флуоресцентного красителя, реагирующего на величину мембранного потенциала (деполяризацию клетки). Выяснилось, что флуоресценция по мере дифференцировки клетки уменьшается, т.е. потенциал снижается и происходит гиперполяризация клеточной мембраны. Происходит это постепенно – в течение второй, третьей недели, и достигает максимума к четвертой неделе дифференцировки клеток.

Далее исследователи проверили, как будет влиять на деление клеток искусственное уменьшение гиперполяризации мембраны клетки. Деполяризацию клеточной мембраны они вызвали, повысив концентрацию ионов калия в среде культивирования клеток. Результат такого воздействия оценивали по появлению маркеров – характерных генов, возникающих при дифференцировке исследуемых клеток. Также клеточные колонии окрашивали специфичным для определенного вида клеток красителем. Оказалось, что деполяризация клеточной мембраны подавляет деление клеток, причем обратимо. При возвращении в стандартные условия стволовые клетки костного мозга восстанавливали свою способность к делению спустя три недели. Мембранный потенциал при этом возвращался к исходному уровню.

Тогда исследователи решили провести обратный эксперимент – увеличить гиперполяризацию клеточной мембраны. Для этого клетки подвергли воздействию соответствующих веществ (пинацидила и диазоксида). Через семь суток оценка эффективности дифференцировки клеток показала, что экспрессия генов-маркеров повышается в 2-4 раза! Причем с повышением концентрации веществ-поляризаторов увеличивалась и экспрессия маркерных генов.

Таким образом группе из Университета Тафтса в Медфорде удалось доказать, что изменение мембранного потенциала в сторону гиперполяризации предшествует дифференцировке клеток, и что с его помощью можно увеличивать эффективность дифференцировки ММСК под действием соответствующих веществ.

Сейчас исследователи занимаются изучением механизма влияния мембранного потенциала на дифференцировку клеток. Они уверены, что в будущем контроль потенциала мембраны будет широко использоваться для стимулирования дифференцировки различных типов стволовых клеток в нужном направлении.

У одноклеточных организмов, таких как дрожжи, бактерии или простейшие, отбор благоприятствует тому, чтобы каждая отдельная клетка росла и делилась как можно быстрее. Поэтому скорость деления клеток обычно лимитируется только скоростью поглощения питательных веществ из окружающей среды и переработки их в вещество самой клетки. В отличие от этого у многоклеточного животного клетки специализированы и образуют сложное сообщество, так что главная задача здесь - выживание организма, а не выживание или размножение отдельных его клеток. Для того чтобы многоклеточный организм выжил, некоторые его клетки должны воздержаться от деления, даже если нет недостатка в питательных веществах. Но когда возникает надобность в новых клетках, например при репарации повреждения, ранее не делившиеся клетки должны быстро переключаться на цикл деления; а в случаях непрерывного «износа» ткани скорости новообразования и отмирания клеток всегда должны быть сбалансированы. Поэтому здесь должны существовать сложные регуляторные механизмы более высокого уровня, чем тот, который действует у таких простых организмов, как дрожжи. Этот раздел и посвящен такому «социальному контролю» на уровне отдельной клетки. В гл. 17 и 21 мы познакомимся с тем, как он функционирует в многоклеточной системе для поддержания и обновления тканей тела и какие его нарушения происходят при раке, а в гл. 16 увидим, как еще более сложная система управляет клеточным делением в процессах индивидуального развития.

13.3.1. Различия в частоте деления клеток обусловлены разной длительностью паузы после митоза

Клетки человеческого тела, число которых достигает 1013, делятся с весьма разными скоростями. Нейроны или клетки скелетной мышцы не делятся совсем; другие, например клетки печени, обычно делятся только раз в один или два года, а некоторые эпителиальные клетки кишечника,

Рис. 13-22. Деление и миграция клеток в эпителиальной выстилке тонкой кишки мыши. Все клеточные деления происходят только в нижней части трубчатых впячиваний эпителия, называемых криптами. Новообразованные клетки перемешаются вверх и образуют эпителий кишечных ворсинок, где они осуществляют переваривание и всасывание питательных веществ из просвета кишки. Большая часть эпителиальных клеток имеет короткий период жизни и слущивается с кончика ворсинки не позднее чем через пять дней после выхода из крипты. Однако кольцо примерно нз 20 медленно делящихся «бессмертных» клеток (их ядра выделены более темным цветом) остаются связанными с основанием крипты.

Эти так называемые стволовые клетки дают при делении две дочерние клетки: в среднем одна из них остается на месте и далее снова функционирует как недифференцированная стволовая клетка, а другая мигрирует наверх, где дифференцируется и входит в состав эпителия ворсинки. (С изменениями из С. S. Pptten, R. Schofield, L G. Lajtha, Biochim. Biophys. Acta 560: 281-299, 1979.)

чтобы обеспечить постоянное обновление внутренней выстилки кишки, делятся чаще чем два раза в сутки (рис. 13-22). Большинство клеток позвоночных располагается где-то в этих временных пределах: они могут делиться, но обычно делают это не так часто. Почти все различия в частоте деления клеток обусловлены разницей в длине промежутка между митозом и S-фазой; медленно делящиеся клетки останавливаются после митоза на недели и даже годы. Наоборот, время, за которое клетка проходит ряд стадий от начала S-фазы до окончания митоза, очень коротко (у млекопитающих обычно от 12 до 24 ч) и удивительно постоянно, каким бы ни был интервал между последовательными делениями.

Время нахождения клеток в непролиферирующем состоянии (так называемой фазе G0) меняется в зависимости не только от их типа, но и от обстоятельств. Половые гормоны побуждают клетки в стенке матки быстро делиться на протяжении нескольких дней в каждом менструальном цикле, чтобы замещать ткань, утраченную при менструации; потеря крови стимулирует пролиферацию предшественников кровяных клеток;

повреждение печени заставляет выжившие клетки этого органа делиться раз или два в сутки, пока не будет возмещена потеря. Точно так же эпителиальные клетки, окружающие рану, приступают к усиленному делению для восстановления поврежденного эпителия (рис. 13-23).

Для регулирования пролиферации клеток каждого типа в соответствии с потребностью существуют тщательно отлаженные и высокоспецифичные механизмы. Однако, хотя важность такой регуляции

Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К. Уотсон Дж. Д. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. 2-е изд. перераб. и доп. Т. 2.: Пер. с англ. – М.: Мир, 1993. – 539 с.

Рис. 13-23. Пролиферация клеток эпителия в ответ на ранение. Эпителий хрусталика повреждали с помощью иглы и спустя определенное время добавляли 3Н-тимидин для мечения клеток в фазе S (выделены цветом); затем вновь фиксировали и приготовляли препараты для р.диоавтографии. На схемах слева участки с клетками в фазе S выделены цветом, а с клетками в фазе М - отмечены крестиками; черное пятно в центре - место нанесения раны. Стимуляция клеточного деления постепенно распространяется от раны, вовлекая в деление покоящиеся клетки в фазе G0, я это приводит к необычно сильной реакции на относительно малое повреждение. На 40-часовом препарате клетки, далеко отстоящие от раны, вступают в фазу S первого цикла деления, тогда как клетки около самой раны вступают в S-фазу второго цикла деления. Рисунок справа соответствует участку, заключенному на схеме слева в прямоугольник; он сделан по фотографии 36-часового препарата, окрашенного для выявления клеточных ядер. (По С. Harding, J. R. Reddan, N.J. Unakar, M. Bagchi, Int. Rev. Cytol. 31: 215-300, 1971.)

очевидна, ее механизмы трудно анализировать в сложном контексте целого организма. Поэтому детальное изучение регуляции клеточного деления обычно проводят на культуре клеток, где легко изменять внешние условия и длительное время наблюдать за клетками.

13.3.2. Когда условия для роста становятся неблагоприятными, клетки животных, так же как и дрожжевые клетки, останавливаются в критической точке в G1 - в точке рестрикции

При изучении клеточного цикла in vitro в большинстве случаев используются стабильные клеточные линии (разд. 4.3.4), способные размножаться неопределенно долго. Это линии, специально отобранные для поддержания в культуре; многие из них - так называемые нетрансформированные клеточные линии - широко используются в качестве моделей пролиферации нормальных соматических клеток.

Фибробласты (такие, как различные типы мышиных клеток ЗТЗ) обычно делятся быстрее, если расположить их в культуральной чашке не слишком плотно и использовать культуральную среду, богатую питательными веществами и содержащую сыворотку - жидкость, получаемую при свертывании крови и очищенную от нерастворимых сгустков и кровяных клеток. При нехватке каких-либо важных питательных веществ, например аминокислот, или при добавлении в среду ингибитора белкового синтеза клетки начинают вести себя примерно так же, как описанные выше дрожжевые клетки при недостатке питания: средняя продолжительность фазы Gt возрастает, но на остальной части клеточного цикла все это почти не сказывается. Как только клетка прошла через G1, она уже неизбежно и без задержки проходит фазы S, G2 и М независимо от условий среды. Эту точку перехода в поздней фазе G1 часто называют точкой рестрикции (R), потому что именно здесь клеточный цикл еще может приостановиться, если внешние условия препятствуют его продолжению. Точка рестрикции соответствует точке старта в клеточном цикле дрожжей; так же как и у дрожжей, она может отчасти служить механизмом, регулирующим размеры клетки. Однако у высших эукариот ее функция более сложна, чем у дрожжей, и в фазе G 1 может быть несколько слегка различающихся точек рестрикции, связанных с различными механизмами контроля клеточной пролиферации.

Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К. Уотсон Дж. Д. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. 2-е изд. перераб. и доп. Т. 2.: Пер. с англ. – М.: Мир, 1993. – 539 с.

Рис. 13-24. Разброс величин длительности клеточного цикла, наблюдаемый обычно в гомогенной популяции клеток in vitro. Такие данные получают, наблюдая отдельные клетки под микроскопом и прямо отмечая время между последовательными делениями.

13.3.3. Длительность цикла пролиферирующих клеток, по-видимому, имеет вероятностный характер

Индивидуальные клетки, делящиеся в культуре, можно непрерывно наблюдать с помощью цейтраферной киносъемки. Такие наблюдения показывают, что даже у генетически идентичных клеток длительность цикла весьма изменчива (рис. 13-24). Количественный анализ показывает, что время от одного деления до следующего содержит случайно меняющуюся компоненту, причем изменяется она главным образом за счет фазы G1. По-видимому, по мере того как клетки приближаются к точке рестрикции в GJ (рис. 13-25), они должны некоторое время «выждать», прежде чем перейти к оставшейся части цикла, причем для всех клеток вероятность в единицу времени пройти точку R примерно одинакова. Таким образом, клетки ведут себя подобно атомам при радиоактивном распаде; если в первые три часа через точку R прошла половина клеток, в следующие три часа через нее пройдет половина оставшихся клеток, еще через три часа - половина тех, что останутся, и т. д. Возможный механизм, объясняющий такое поведение, был предложен ранее, когда речь шла об образовании активатора S-фазы (разд. 13.1.5). Однако случайные изменения длительности клеточного цикла означают, что первоначально синхронная клеточная популяция через несколько циклов утратит свою синхронность. Это неудобно для исследователей, но может быть выгодно для многоклеточного организма: в противном случае большие клоны клеток могли бы проходить митоз одновременно, а поскольку клетки во время митоза обычно округляются и утрачивают прочную связь друг с другом, это серьезно нарушало бы целостность ткани, состоящей из таких клеток.