Что такое дифференцировка клеток в процессе эмбрионального. Специализация клеток

Роль ядра и цитоплазмы в клеточной дифференциации Как возникают разнообразные типы клеток в многоклеточном организме Известно что организм человека развившийся всего из 1 исходной клетки – зиготы содержит более 100 различных типов клеток. Современная биология на базе представлений эмбриологии молекулярной биологии и генетики считает что индивидуальное развитие от одной клетки до многоклеточного зрелого организма – результат последовательного избирательного включения в работу разных генных участков хромосом в различных клетках....

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

Лекция №8

ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ КЛЕТОК

Дифференциация клеток.

Роль ядра и цитоплазмы в клеточной дифференциации

Как возникают разнообразные типы клеток в многоклеточном организме? Известно, что организм человека, развившийся всего из 1 исходной клетки – зиготы, содержит более 100 различных типов клеток. Каким образом возникает это разнообразие, сегодня до конца не ясно, так как еще мало конкретных данных, касающихся анализа путей появления тех или иных клеточных типов.

Современная биология на базе представлений эмбриологии, молекулярной биологии и генетики считает, что индивидуальное развитие от одной клетки до многоклеточного зрелого организма – результат последовательного, избирательного включения в работу разных генных участков хромосом в различных клетках. Это приводит к появлению клеток со специфическими для них структурами и особыми функциями, то есть к процессу, называемому дифференциацией .

Дифференциация – это возникновение из однородных клеток в течение индивидуального развития большого разнообразия клеточных форм, отличающихся по строению и функциям. Проявляющиеся в процессе дифференциации различия сохраняются клетками при размножении, то есть оказываются наследственно закрепленными (например, клетки печени при размножении дают только клетки печени, а мышечные клетки – только мышечные и т.д.).

Наиболее отчетливым признаком цитодифференциации является развитие цитоплазматических структур, связанных с функцией клеток и обусловливающих их специализацию (то есть органоидов специального назначения). Например, в клетках мышечной ткани образуются миофибриллы, которые и обеспечивают функцию сокращения. В клетках кожного эпителия – тонофибриллы, а затем поверхностные слои клеток ороговевают (белок кератогиалин превращается кератин) и отмирают. В эритроцитах синтезируется гемоглобин, затем клетки утрачивают ядра, а зрелые эритроциты после длительного периода функционирования погибают и заменяются новыми.

Все эти примеры указывают на конечные признаки дифференциации. Начальные же этапы проявления этих признаков удается обнаружить далеко не всегда, и состоят они в синтезе новых, ранее отсутствовавших в клетке белков. Например, специфические мышечные белки (актин и миозин) синтезируются в одноядерных клетках, которые затем сливаются, образуя симпласт, и уже в нем обнаруживаются миофибриллы. Даже используя электронный микроскоп, выявить момент начала синтеза новых белков удается не всегда.

В настоящее время доказано, что никогда в ядре не функционирует весь геном. Дифференцировка – это результат избирательной активности разных генов в клетках по мере развития многоклеточного организма.

Следовательно, можно утверждать, что любая клетка многоклеточного организма обладает одинаковым полным фондом генетического материала, всеми возможностями для проявления этого материала, но в разных клетках одни и те же гены могут находиться или в активном, или в репрессированном состоянии.

Это представление базируется на большом экспериментальном материале. Доказано, что целостное растение может быть получено из одной его соматической клетки. Этот метод получил название клонирование организмов . Опыты по клонированию животных первоначально проводились на примере земноводных: ядро зиготы у лягушек разрушали ультра-фиолетовыми лучами, на его место внедряли ядро из клетки кишечника, и в результате получали новый организм, абсолютно идентичный материнскому. Чем выше уровень организации организмов, тем труднее осуществить их клонирование. У млекопитающих этот процесс находится в стадии активного изучения, проводятся успешные опыты на мышах, на некоторых сельскохозяйственных животных.

Из этого вытекает, что клетки многоклеточных организмов обладают полным набором генетической информации, свойственной для данного организма, и в этом отношении они равнозначны. В этом состоит правило генетической тождественности клеток в пределах организма .

Но, как и в любом правиле, в нем имеются исключения: иногда при дифференцировке происходит количественное изменение генетического материала. Так, при дроблении яиц аскариды клетки, дающие начало соматическим тканям, теряют часть хромосомного материала, т.е. происходит деминуция: вместо 40 хромосом остается всего 8 хромосом. Сходный процесс описан у насекомых-галлиц (отр. Двукрылые), у которых число хромосом при деминуции уменьшается вдвое (с 32-х до 16-ти).

Эти примеры наглядно иллюстрируют роль цитоплазмы при дифференциации клеток. Если в случае с аскаридой предварительно отцентрифугировать яйцеклетки, то все компоненты цитоплазмы перемешиваются и при первом делении попадают в оба бластомера. При этом деминуции хромосом не происходит, то есть исчезает ядерная дифференциация.

У насекомых-галлиц деминуция происходит во всех ядрах, кроме одного, которое попадает в собранную у нижнего полюса зиготы плазму, богатую РНК. При облучении зародышевой плазмы ультрафиолетовыми лучами происходит разрушение РНК, при этом ядро претерпевает деминуцию вместе с другими ядрами зародыша, и развивается нормальное насекомое, но только стерильное, так как половые клетки не формируются.

Однако, первостепенную роль в дифференциации играет ядро. Роль ядра в дифференциации клеток можно показать на двух примерах.

I . Гигантская морская одноклеточная водоросль ацетабулярия имеет сложное строение. Она состоит из ризоида, в котором помещается ядро, стебелька до 5 см длиной и шапочки. Есть два вида ацетабулярии, которые отличаются формой шапочки: у первого вида длинный стебелек и шапочка в виде блюдца; у другого вида короткий стебелек и розетковидная шапочка.

На ризоид второго вида был пересажен стебелек с шапочкой первого вида. Через некоторое время шапочка удалялась и регенерировала шапочка розетковидной формы, т.е. признаки ее определялись ядром.

II . Опыты Б.Л. Астаурова над тутовым шелкопрядом.

Облучая яйцеклетки большими дозами рентгеновских лучей и активируя их после оплодотворения температурным воздействием, удалось не только разрушить ядро яйцеклетки, но и индуцировать андрогенез, то есть развитие особей за счет слияния 2-х ядер сперматозоидов (для тутового шелкопряда характерна полиспермия). В результате развивались личинки, обладавшие только отцовскими признаками.

Из этих опытов, поставленных на совершенно различных организмах, следует, что общие признаки организма, в том числе и видовые, определяются ядром, и ядро содержит всю необходимую информацию, обеспечивающую развитие организма.

В общей форме, вероятно, наиболее приемлема теория Т. Моргана, согласно которой сначала ядро воздействует на цитоплазму и программирует белковый синтез, а затем цитоплазма влияет на ядро, избирательно блокируя ряд генов, которые до этого функционировали. Цитоплазма, получившая определенную информацию, репрессирует все гены, которые не должны работать в данный момент.

Эмбриональная индукция

Второй системой (помимо генов), обеспечивающей правильное развитие организма и дифференциацию его клеток, являются индуцирующие механизмы (воздействие внешних факторов) и, прежде всего, эмбриональная индукция.

Эмбриональная индукция – это взаимодействие между частями развивающегося организма у многоклеточных беспозвоночных и всех хордовых, в процессе которого одна часть – индуктор, приходя в контакт с другой частью – реагирующей системой , определяет направление развития последней.

Эмбриональная индукция открыта в 1901 г. Х. Шпеманом на примере развития зародыша земноводных. Он установил, что для образования у этих животных нервной пластинки из эктодермы гаструлы необходим контакт эктодермы с хордомезодермальным зачатком. Клетки этого зачатка выделяют химические вещества, которые диффундируют в клетки эктодермы и заставляют их превращаться в нервные клетки. Вопрос о химической природе индуктора окончательно не решен до сих пор. Скорее всего, это могут быть белки, РНК, рибонуклеопротеиды и т.п.

Для осуществления эмбриональной индукции необходимо:

1) чтобы клетки реагирующей системы обладали компетенцией, то есть способностью реагировать на индуктор; она сохраняется только на некоторое время;

2) индуктор должен выделяться в определенное время и распространяться на определенный участок реагирующей системы;

3) действие индуктора должно продолжаться какое-то минимальное время, чтобы реагирующая система успела отреагировать.

Действие индукторов лишено видовой специфичности, т.е. действие собственных индукторов может быть заменено в эксперименте чужеродными, при этом результат будет тот же. Например, один из индукторов белкового характера, выделенный из куриных зародышей, вызывает аналогичные изменения и в зародыше земноводных.

Старение и смерть клетки

Наиболее подходящим объектом для изучения процессов старения на клеточном уровне являются клетки, утратившие способность к делению еще в эмбриональном периоде развития организма. К такому типу клеток относятся клетки нервной системы, скелетных мышц, миокарда. Продолжительность жизни этих клеток равна продолжительности жизни организма.

При сравнении клеток молодого организма с гомологичными клетками организмов более старшего возраста обнаруживается ряд изменений, которые с основанием могут считаться признаками старения. Для удобства изучения эти признаки можно разделить на несколько групп.

I . Морфологические признаки:

1) кариопикноз , то есть уменьшение ядра в объеме и его уплотнение;

2) стирание границ между клетками;

3) вакуолизация цитоплазмы;

4) увеличение количества амитозов.

II . Физико-химические признаки:

1) уменьшение степени дисперсности коллоидов цитоплазмы и ядра;

2) увеличение вязкости цитоплазмы и кариоплазмы;

3) более легкая коагуляция внутриклеточных белков при действии на них спирта, растворов солей.

III . Биохимические признаки:

1) накопление в цитоплазме оранжево-желтого пигмента липофу-сцина (это продукт окисления ненасыщенных липидов);

2) уменьшение содержания воды в клетке;

3) снижение активности ферментов;

4) увеличение содержания холестерина;

5) уменьшение содержания белка лецитина.

IV . Функциональные признаки:

1) понижается интенсивность внутриклеточного дыхания;

2) угнетается биосинтез белка;

3) увеличивается устойчивость клеток к действию различных пов-реждающих агентов.

Смерть клетки наступает в результате действия повреждающих факторов, при старении, а также в результате накопления в цитоплазме специализированных продуктов синтеза, как это наблюдается у клеток голокриновых желез.

В некоторых случаях переход клетки от жизни к смерти происходит очень быстро, (например, при действии повреждающих факторов высокой интенсивности). Тогда структурные и метаболические изменения клетки произойти не успевают, и клетка сохраняет почти в неизменном виде свою структуру. Если же процесс умирания затягивается, наблюдается ряд изменений, которые называются некротическими:

1) происходит угнетение функций митохондрий, нарушение окислительного фосфорилирования и активация гликолиза;

2) наблюдается нарушение гомеостатических свойств клетки, т.е. рН сдвигается в кислую сторону, соли, метаболиты освобождаются и переходят из клетки в окружающую среду;

3) в результате подкисления и изменения электролитного состава клетки происходит денатурация внутриклеточных белков;

4) вследствие выше перечисленных процессов разрушаются мембраны лизосом, освобождаются гидролитические ферменты, которые начинают свою разрушительную работу; они вызывают гидролиз белков, углеводов, жиров, ДНК и разрушают внутриклеточные структуры;

5) ядро умирающей клетки распадается на отдельные фрагменты (кариорексис ), которые затем растворяются (кариолизис ).

Гибель организма, как правило, происходит в результате смерти некоторой небольшой группы жизненно важных клеток, и после смерти организма многие его клетки остаются еще живыми и функционально полноценными.

Нарушения дифференциации клеток, ведущие

к патологическим изменениям. Злокачественный рост

Как отдельные клетки, так и целые многоклеточные организмы могут подвергаться различным воздействиям, которые приводят к их структурно-функциональным изменениям, к нарушениям их жизненных функций, т.е. к патологии.

Изучение различных патологических изменений клетки имеет большое прикладное значение, так как прямо связано с задачами медицины. Кроме того, изучение типов клеточного поражения, процессов их развития, способности клеток к репаративным процессам имеет большое общебиологическое значение, раскрывая пути взаимосвязи и регуляции между отдельными клеточными компонентами. Современная биология рассматривает клетку как единую, комплексную интегрированную систему, где отдельные функции взаимосвязаны и сбалансированы друг с другом.

Таким образом, первичное нарушение любой общеклеточной функции непременно вызовет цепь взаимосвязанных внутриклеточных событий. Это можно показать на следующем примере. Под действием алкоголя происходит набухание митохондрий и нарушение их функций, вследствие этого наблюдается недостаток АТФ и затухание синтеза белков. Из-за недостатка ферментов и структурных белков происходит падение синтеза РНК и ДНК, нарушение проницаемости мембран. Это влечет за собой набухание клетки, а затем гибель органоидов и клетки в целом.

В зависимости от интенсивности поражения, его длительности и характера, судьба клетки может быть различна. Такие измененные клетки:

1) или адаптируются, приспосабливаются к повреждающему фактору;

2) или могут репарировать повреждения и реактивироваться после снятия повреждающего воздействия;

3) или могут измениться необратимо и погибнуть.

Но к патологическим процессам на клеточном уровне относятся не только явления, связанные с деструкцией, разрушением клеток. Другой, не менее важный, уровень клеточной патологии – изменение регуляторных процессов. Это могут быть нарушения регуляции обменных процессов, приводящие к отложению различных веществ (например, «жировое перерождение тканей», патологическое отложение и накопление гликогена). Или же это могут быть нарушения дифференцировки, одним из которых является опухолевый рост.

Опухолевые клетки характеризуются следующими свойствами:

1. Безудержность, неограниченность размножения. У них практически отсутствует ограничение числа делений, в то время как нормальные клетки ограничены в своих делениях. Скорость самого процесса деления опухолевых клеток равна скорости митоза нормальных клеток, сокращается продолжительность интерфазы.

2. Нарушение уровня дифференцированости, изменение морфологии клеток. Это значит, что опухолевые клетки характеризуются более низким уровнем специализации, дифференцировки, чем исходные нормальные. Это размножающиеся клетки, остановившиеся на определенной стадии развития, как бы «недозрелые». Степень такой «недозрелости» опухолевых клеток может быть очень различной в одной и той же опухоли, что создает многообразие, полиморфность ее клеточного состава. Такой полиморфизм связан, кроме того, с тем, что в составе опухоли находятся как размножающиеся, так и дегенерирующие клетки.

3. Относительная автономность от регуляторных влияний со стороны организма. Эта особенность заключается в том, что опухолевые клетки не подчиняются регуляторным влияниям всего организма. В здоровом организме это влияние осуществляется на разных уровнях: межклеточном, межтканевом, гормональном, нервном. Степень опухолевой автономности может быть различна для разных опухолей. Так, рост некоторых опухолей может контролироваться со стороны эндокринной системы организма, другие опухоли растут вне зависимости от нее.

4. Способность к метастазированию. Вышеописанная автономизация опухолевых клеток позволяет им жить практически в любых участках организма. Отдельные опухолевые клетки могут с помощью тока крови или лимфы быть перенесены на новые места, там начать размножаться, давать новую колонию клеток, то есть метастазы. В этом отношении опухолевые клетки используют организм как какой-то субстрат, необходимый им для размножения и роста.

Таким образом, в отношении различных синтетических процессов, размножения, то есть по основным клеточным функциям, опухолевые клетки нельзя назвать «больными»; их патологичность – в неуправляемости и в ограничении способности к специализации. Это как бы клетки-«идиоты», вполне способные к размножению, но остановившиеся на «детских» стадиях развития.

Все эти свойства клетки сохраняют из поколения к поколению, то есть свойства злокачественности являются наследственной особенностью таких клеток. Поэтому раковые клетки часто сравнивают с мутантами – клетками, обладающими измененной генетической структурой. Возникновение раковой мутации объясняют по-разному.

Одни исследователи считают, что в результате мутации клетка утрачивает какие-то факторы (например, гены-регуляторы), необходимые для дифференцировки.

По другим представлениям, эти факторы не потеряны, а блокированы либо какими-то веществами, либо вирусами, материал которых остается в клетках в скрытом виде в течение многих клеточных поколений.

В любом случае для клетки результат будет один и тот же, независимо от того, утратит ли она те или иные гены-регуляторы, будут ли эти гены блокированы или клетка приобретает дополнительную генетическую информацию вирусной природы, в ней происходит изменение генома, соматическая мутация, выражающаяся в нарушении дифференцировки клетки и приобретении ею свойств злокачественности.

Каждая из которых имеет одинаковый наследственный код. Все они развивались сначала из одноклеточного, а затем многоклеточного зародыша, который чуть позже разделился на три зародышевых листка. Из каждого его участка развились ткани организма, где располагаются примерно однотипные клетки. При этом практически все они развивались из одной группы предшественников. Такой процесс называется дифференцировкой клеток. Это локальная адаптация клетки к реальным потребностям организма, реализация запрограммированных в ее наследственном коде функций.

Характеристика клеток и тканей

Соматические клетки организма имеют одинаковый хромосомальный набор независимо от функционального предназначения. Однако по фенотипу они различны, что объясняется их подготовкой к выполнению различных локальных задач в биологических тканях. Фенотипом называется результат экспрессии определенного генетического набора в определенной среде обитания. И в различных условиях клетки с одинаковым генетическим материалом развиваются по-разному, имеют другие морфологические характеристики, выполняют специфические функции.

Высокоразвитому организму это необходимо для образования множества тканей, из которых состоят его органы. При этом ткани создаются из однородной группы стволовых предшественников. Такой процесс называется дифференцировкой клеток. Это цепочка событий, направленная на популяции по заранее заданным критериям для роста и развития биологических тканей организма. Она лежит в основе роста организма и его многоклеточной организации.

Сущность дифференцировки

В плане молекулярной биологии, дифференцировка клеток - это процесс активации одних участков хромосом и дезактивации других. То есть, компактная упаковка или раскручивание участков хромосом, что делает их доступными для считывания наследственной информации. В конъюгированном состоянии, когда гены упакованы в гетерохроматин, считывание невозможно, а в расправленном виде нужные участки генетического кода становятся доступными для информационной РНК и последующей экспрессии. Значит, дифференцировка клеток - это нестрогая регулируемая типизация однотипной упаковки хроматина.

Цитокины и мессенджеры

В результате у группы клеток, дифференцированных в одинаковых условиях и имеющих аналогичные морфологические особенности, наблюдается десприрализация одинаковых участков хромосом. И в ходе воздействия межклеточных мессенджеров, локальных регуляторов клеточной дифференцировки, нужные участки генов активируются, происходит их экспрессия. И потому клетки биологических тканей производят одинаковые вещества и выполняют аналогичные функции, для чего и предусмотрен этот процесс. С этой точки зрения дифференциация клеток - это направленное воздействие молекулярными факторами (цитокинами) на экспрессию генетической информации.

Мембранные рецепторы

Клетки одной ткани имеют аналогичный набор мембранных рецепторов, наличие которых контролируется Т-киллерами иммунной системы. Потеря клеточного рецептора нужного типа или экспрессия другого, не предусмотренного для данной локализации из-за риска онкогенеза, вызывает направленную клеточную агрессию против «нарушителя». Результатом будет уничтожение клетки, дифференциация которой прошла не по правилам, предусмотренным воздействием межклеточных мессенджеров от специализированных регуляторов.

Иммунная дифференцировка

Иммунные клетки имеют специальные рецепторные молекулы, которые называются кластерами дифференцировки. Это так называемые маркеры, по которым можно понять, в каких условиях развивались иммуноциты, и для каких целей они предназначены. Они проходят длительный и сложный процесс дифференцировки, на каждой ступени которого отсеиваются и уничтожаются группы лимфоцитов, у которых развилось недостаточное количество рецепторов, либо в их взаимодействии с антителами замечены «несоответствия требованиям».

Клеточные группы и ткани

Большинство клеток организма делится надвое в ходе митотического размножения. На его подготовительном этапе происходит удвоение генетической информации, после чего образуются две дочерние клетки с аналогичным набором генов. Копированию подлежат не только активные участки хромосом, но и конъюгированные. Потому в тканях дифференцированные клетки после деления дают две новые дочерние клетки, имеющие генетический материал, аналогичный полному соматическому набору хромосом. Однако дифференцироваться в другие клетки они неспособны, так как не могут мигрировать естественным путем в другие условия обитания, то есть к другим мессенджерам дифференцировки.

Рост клеточной популяции

Сразу после деления две дочерние клетки они получают специальный набор органелл, доставшихся им «в наследство» от материнской. Эти мельчайшие функциональные элементы уже подготовлены к выполнению нужных задач в данной биологической ткани. А потому дочерней клетке нужно лишь нарастить объем полостей эндоплазматической сети и увеличиться в размерах.

Также целью развития клетки является получения адекватного уровня снабжения питательными веществами и связанным кислородом. Для этого в случае кислородного или энергетического голодания она выбрасывает в межклеточное пространство факторы ангиогенеза. По этим якорям прорастают новые капиллярные сосуды, которые и будут осуществлять питание группы клеток.

Процесс увеличения в размере, получения адекватного снабжения кислородом и энергетическими субстратами, а также расширения внутриклеточных органелл с увеличением скорости продукции белка называется ростом клетки. Он лежит в основе роста многоклеточного организма и регулируется многочисленными факторами пролиферации. В некоторый момент по достижению предельных размеров по сигналу извне или по стечению обстоятельств выросшая клетка снова разделится пополам, дальше увеличивая размер биологической ткани и организма в целом.

Мезодермальная дифференцировка

В качестве наглядной демонстрации дифференцировки стволовых клеток и более развитых их "потомков" следует рассмотреть трансформацию мезодермального зародышевого листка человеческого организма. От мезодермы - группы стволовых клеток с одинаковым строением и развивающихся в условиях наличия факторов дифференцировки, берут свое начало такие клеточные популяции как нефротом, сомит, спланхнотом, спланхнотомальная мезенхима и парамезонефральный канал.

От каждой такой популяции будут брать свое начало промежуточные формы дифференциации, которые позже дадут начало клеткам взрослого организма. В частности, от сомита развивается три клеточные группы: миотом, дерматом и склеротом. Клетки миотома дадут начало мышечным клеткам, склеротома - хрящевым и костным, а дерматома - соединительной ткани кожи.

Нефротом дает начало эпителию почек и семевыносящих путей, а от парамезонефрального канала будет дифференцироваться эпителий маточной трубы и матки. Фенотип клеток спланхнотома будет подготовлен факторами дифференцировки для их трансформации в мезотелий (плевру, перикард и брюшину), миокард, корковое вещество надпочечников. Мезенхима спланхнотома - это исходный материал для развития клеточных популяций крови, соединительной и гладкой мышечной ткани, сосудов и микроглиальных клеток.

Рост клеток данных популяций, их многократное деление и дифференциация - основа поддержки жизнеспособности многоклеточного организма. Такой процесс также носит название гистогенеза - развитие тканей из клеточных предшественников в результате их дифференциации и трансформации фенотипа в соответствии с влиянием внеклеточных факторов, регулирующих их развитие.

Дифференциация растительных клеток

Функции растительной клетки зависят от места их нахождения, а также наличия модуляторов и супрессоров роста. Зародыш растения в составе семян не имеет вегетативных и герминативных участков, а потому после прорастания он должен их развить, что необходимо для размножения и роста. И пока не наступит благоприятное время для его прорастания, он будет находиться в состоянии покоя.

С момента получения сигнала на рост, функции растительных клеток начнут реализовываться вместе с увеличением в размерах. Клеточные популяции, заложенные в зародыше, пройдут фазу дифференциации и трансформируются в транспортные пути, вегетативные части, герминативные структуры.

Развитие одноклеточной зиготы в многоклеточный организм происходит в результате процессов роста и дифференцировки клеток. Рост представляет собой увеличение массы организма, происходящее в результате ассимиляции вещества. Он может быть связан с увеличением как размеров клетки, так и их числа; при этом исходные клетки извлекают из окружающей среды необходимые им вещества и используют их на увеличение своей массы или на построение новых подобных себе клеток. Так, зигота человека составляет примерно 110 бг, а новорожденный ребенок весит в среднем 3200г, т.е. за время внутриутробного развития происходит увеличение массы в миллиарды раз. С момента рождения и до достижения средних для взрослого человека размеров масса увеличивается еще в 20 раз.[ ...]

Дифференцировка представляет собой созидательный процесс направленного изменения, в результате которого из общих черт, присущих всем клеткам, возникают структуры и функции, свойственные тем или иным специализированным клеткам. Процесс дифференцировки сводится к приобретению (или утрате) различными клетками структурных или функциональных особенностей, в результате чего эти клетки становятся специализированными для различных видов активностей, свойственных живым организмам, и формируют соответствующие органы в организме. У человека, например, растущие клетки в результате последовательных изменений в процессе дифференцировки превращаются в различные клетки, из которых состоит человеческий организма клетка нервной, мышечной,пищеварительной, выделительной, сердечно-сосудистой, дыхательной и других систем.[ ...]

Установлено, что дифференцировка возникает не в результате утраты или добавления генетической информации. Дифференцировка - это не результат изменения генетической потенции клетки, а дифференциальное выражение этих потенций под влиянием среды, в которой находятся клетка и ее ядро. Дифференцировка клеток - это в сущности изменение состава клеточных белков - набора ферментов, и обусловлена она тем, что в разных клетках из общего количества генов функционируют разные наборы ген, определяющие синтез различных наборов белков. Избирательное выражение информации, закодированной в генах данной клетки, достигается путем активации или репрессии процесса транскрипции (считывания) этих генов, т.е. путем избирательного синтеза первичного продукта генов - РНК, содержащей ту информацию, которую следует передать в цитоплазму.[ ...]

У многоклеточных организмов, в отличие от одноклеточных, рост и дифференцировка одной клетки координированы с ростом и развитием других клеток, т.е. между разными клетками происходит обмен информацией. Таким образом, в этих организмах развитие зависит от интегрированного роста и дифференцировки всех клеток и именно такая интеграция обеспечивает гармоничное развитие организма как целого.[ ...]

В онтогенезе каждый организм проходит последовательные стадии развития: зародышевый (эмбриональный), послезародышевый и период развития взрослого организма. Каждый период онтогенеза для своего происхождения и завершения требует определенного комплекса условий. Формирование видовых особенностей организма (генотипа) заканчивается к наступлению половой зрелости, а развитие индивидуальных признаков (фенотипа) происходит до конца.[ ...]

Размножение клеток продолжается в течение всей жизни организма со скоростями, соответствующими его внутренним потребностям, а также в зависимости от условий его внутренней и внешней среды.[ ...]

Для растений характерен практически недетерминированный рост, характеризующийся непрерывным образованием новых клеток в определенных участках, за счет которых происходит рост корней и побегов в длину, а за счет камбия увеличивается толщина. У большинства животных рост детерминирован и после достижения пропорций, присущих взрослому организму, участки активного размножения клеток обеспечивают лишь замещение утраченных или погибших клеток, не увеличивая общего числа клеток, имеющихся в данном организме. В организме одни клетки в результате жизнедеятельности стареют и умирают, другие образуются вновь. Длительность существования различных клеток неодинакова: от нескольких дней для клеток эпидермиса (кожи) до сотен лет для клеток древесины.[ ...]

При дифференцировке, несмотря на сохранение всей наследственной информации, клетки утрачивают способность к делению. При этом чем больше специализирована клетка, тем труднее изменить (а иногда невозможно) направление ее дифференцировки, что определяется ограничениями, накладываемыми на нее организмом в целом.

Гаструляция и последующие стадии развития организмов сопровождаются процессами роста и дифференцировки клеток.

Рост - это увеличение общей массы и размеров организма в процессе развития. Он происходит на клеточном, тканевом, органном и организменном уровнях. Увеличение массы в целом организме отражает рост составляющих его структур.

Рост обеспечивается следующими механизмами:

Увеличением числа клеток;

Увеличением размера клеток;

Увеличением объема и массы неклеточного вещества.

Различают два типа роста: ограниченный и неограниченный. Неограниченный рост продолжается на протяжении всего онтогенеза (на протяжении жизни особи, до и после рождения), вплоть до смерти. Таким ростом обладают, например, рыбы. Многие позвоночные характеризуются ограниченным ростом, т.е. достаточно быстро выходят на плато своей биомассы.

Выделяют несколько типов роста клеток.

Ауксентичный - рост, идущий путем увеличения размеров клеток. Это редкий тип роста, наблюдающийся у животных с постоянным количеством клеток, таких, как коловратки, круглые черви, личинки насекомых. Рост отдельных клеток нередко связан с полиплоидизацией ядер.

Пролиферационный - рост, протекающий путем размножения клеток. Он известен в двух формах: мультипликативный и аккреционный.

Мультипликативный рост характеризуется тем, что обе клетки, возникшие от деления родоначальной клетки, снова вступают в деление. Мультипликативный рост очень эффективен и поэтому в чистом виде почти не встречается или очень быстро заканчивается (например, в эмбриональном периоде).

Аккреционный рост заключается в том, что после каждого последующего деления лишь одна из клеток снова делится, тогда как другая прекращает деление. Этот тип роста связан с разделением органа на камбиальную и дифференцированную зоны. Клетки переходят из первой зоны во вторую, сохраняя постоянные соотношения между размерами зон. Такой рост характерен для органов, где происходит обновление клеточного состава.

Пространственная организация роста сложна и закономерна. Именно с ней в значительной мере связана видовая специфичность формы. Это проявляется в виде аллометрического роста. Его биологический смысл состоит в том, что организму в ходе роста надо сохранить не геометрическое, а физическое подобие, т.е. не превышать определенных отношений между массой тела и размерами опорных и двигательных органов. Так как с ростом тела масса возрастает в третьей степени, а сечения костей во второй степени, то для того, чтобы организм не был раздавлен собственной тяжестью, кости должны расти в толщину непропорционально быстро.

Существует предел или лимит Хейфлика (англ. Hayflick limit) - граница количества делений соматических клеток, названа в честь её открывателя Леонарда Хейфлика. В 1961 году Хейфлик наблюдал, как клетки человека, делящиеся в клеточной культуре, умирают приблизительно после 50 делений и проявляют признаки старения при приближении к этой границе. Эта граница была найдена в культурах всех полностью дифференцированных клеток как человека, так и других многоклеточных организмов. Максимальное число делений различно в зависимости от типа клеток и ещё сильнее различается в зависимости от организма. Для большинства человеческих клеток предел Хейфлика составляет 52 деления.

Граница Хейфлика связана с сокращением размера теломер - участков ДНК на концах хромосом. Если клетка не имеет активной теломеразы, как у большинства соматических клеток, при каждом делении клетки размер теломер сокращается, т.к. ДНК-полимераза не способна реплицировать концы молекулы ДНК. Вследствие данного явления теломеры должны укорачиваться весьма медленно - по несколько (3-6) нуклеотидов за клеточный цикл, то есть за количество делений, соответствующее лимиту Хейфлика, они укоротятся всего на 150-300 нуклеотидов. В настоящее время предложена эпигенетическая теория старения, которая объясняет эрозию теломер прежде всего активностью клеточных рекомбиназ, активизирующихся в ответ на повреждения ДНК, вызванные, главным образом, возрастной дерепрессией мобильных элементов генома. Когда после определённого числа делений теломеры исчезают совсем, клетка замирает в определённой стадии клеточного цикла или запускает программу апоптоза - открытого во второй половине 20 века явления плавного разрушения клетки, проявляющегося в уменьшении размера клетки и минимизации количества вещества, попадающего в межклеточное пространство после её разрушения.

Важнейшей характеристикой роста является его дифференциальность . Это означает, что скорость роста неодинакова, во-первых, в различных участках организма и, во-вторых, на разных стадиях развития. Очевидно, что дифференциальный рост оказывает огром­ное влияние на морфогенез. Рост зародыша на разных стадиях сопровождается дифференцировкой клеток. Дифференцировка - это изменения в структуре клеток, связанные со специализацией их функций, и обусловленные активностью определенных генов. Дифференцировка клеток приводит к возникновению как морфологических, так и функциональных различий, обусловленных их специализацией. В процессе дифференцировки менее специализированная клетка становится более специализированной. Дифференцировка меняет функцию клетки, её размер, форму и метаболическую активность.

Различают 4 этапа дифференцировки.

1. Оотипическая дифференцировка на стадии зиготы представлена предположительными, презумптивными зачатками - участками оплодотворенной яйцеклетки.

2. Бластомерная дифференцировка на стадии бластулы заключается в появлении неодинаковых бластомеров (например, бластомеры крыши, дна краевых зон у некоторых животных).

3. Зачатковая дифференцировка на стадии ранней гаструлы. Возникают обособленные участки - зародышевые листки.

4. Гистогенетическая дифференцировка на стадии поздней гаструлы. В пределах одного листка появляются зачатки различных тканей (например, в сомитах мезодермы). Из тканей формируются зачатки органов и систем. В процессе гаструляции, дифференцировки зародышевых листков появляется осевой комплекс зачатков органов.

Возникновение новых структур и изме­нение их формы в ходе индивидуального развития организмов называется морфогенезом. Морфогенез, как рост и клеточная дифференцировка, относится к ациклическим процессам, т.е. не возвращающимся в прежнее состо­яние и по большей части необратимым. Главным свойством ацикли­ческих процессов является их пространственно-временная организа­ция. Морфогенез на надклеточном уровне начинается с гаструляции. У хордовых животных после гаструляции происходит закладка осевых органов. В этот период, как и во время гаструляции, морфологичес­кие перестройки охватывают весь зародыш. Следующие затем органогенезы представляют собой местные процессы. Внутри каждого из них происходит расчленение на новые дискретные (отдельные) зачатки. Так последовательно во времени и в пространстве проте­кает индивидуальное развитие, приводящее к формированию особи со сложным строением и значительно более богатой информацией, нежели генетическая информация зиготы.

Дифференциация - это стойкое структурно-функциональное преобразование клеток в различные специализированные клетки. Дифференцировка клеток биохимически связана с синтезом специфических белков, а цитологически - с образованием специальных органелл и включений. При дифференцировке клеток происходит избирательная активация генов. Важным показателем клеточной дифференцировки является сдвиг ядерно-цитоплазменного отношения в сторону преобладания размеров цитоплазмы над размером ядра. Дифференцировка происходит на всех этапах онтогенеза. Особенно отчетливо выражены процессы дифференциации клеток на этапе развития тканей из материала эмбриональных зачатков. Специализация клеток обусловлена их детерминацией.

Детерминация - это процесс определения пути, направления, программы развития материала эмбриональных зачатков с образованием специализированных тканей. Детерминация может быть оотипической (программирующей развитие из яйцеклетки и зиготы организма в целом), зачатковой (программирующей развитие органов или систем, возникающих из эмбриональных зачатков), тканевой (программирующей развитие данной специализированной ткани) и клеточной (программирующей дифференцировку конкретных клеток). Различают детерминацию: 1) лабильную, неустойчивую, обратимую и 2) стабильную, устойчивую и необратимую. При детерминации тканевых клеток происходит стойкое закрепление их свойств, вследствие чего ткани теряют способность к взаимному превращению (метаплазии). Механизм детерминации связан со стойкими изменениями процессов репрессии (блокирования) и экспрессии (деблокирования) различных генов.

Клеточная гибель - широко распространенное явление как в эмбриогенезе, так и в эмбриональном гистогенезе. Как правило, в развитии зародыша и тканей гибель клеток протекает по типу апоптоза. Примерами программированной гибели являются гибель эпителиоцитов в межпальцевых промежутках, гибель клеток по краю срастающихся небных перегородок. Программированная гибель клеток хвоста происходит при метаморфозе личинки лягушки. Это примеры морфогенетической гибели. В эмбриональном гистогенезе также наблюдается гибель клеток, например при развитии нервной ткани, скелетной мышечной ткани и др. Это примеры гистогенетической гибели. В дефинитивном организме путем апоптоза погибают лимфоциты при их селекции в тимусе, клетки оболочек фолликулов яичников в процессе их отбора для овуляции и др.

Понятие о диффероне . По мере развития тканей из материала эмбриональных зачатков возникает клеточное сообщество, в котором выделяются клетки различной степени зрелости. Совокупность клеточных форм, составляющих линию дифференцировки, называют диффероном, или гистогенетическим рядом. Дифферон составляют несколько групп клеток: 1) стволовые клетки, 2) клетки-предшественники, 3) зрелые дифференцированные клетки, 4) стареющие и отмирающие клетки. Стволовые клетки - исходные клетки гистогенетического ряда - это самоподдерживающаяся популяция клеток, способных дифференцироваться в различных направлениях. Обладая высокими пролиферативными потенциями, сами они (тем не менее) делятся очень редко.

Клетки-предшественники (полустволовые, камбиальные) составляют следующую часть гистогенетического ряда. Эти клетки претерпевают несколько циклов деления, пополняя клеточную совокупность новыми элементами, и часть из них затем начинают специфическую дифференцировку (под влиянием факторов микроокружения). Это популяция коммитированных клеток, способная дифференцироваться в определенном направлении.

Зрелые функционирующие и стареющие клетки завершают гистогенетический ряд, или дифферон. Соотношение клеток различной степени зрелости в дифферонах зрелых тканей организма неодинаково и зависит от основных закономерных процессов физиологической регенерации, присущих конкретному виду ткани. Так, в обновляющихся тканях обнаруживаются все части клеточного дифферона - от стволовой до высокодифференцированной и гибнущей. В типе растущих тканей преобладают процессы роста. Одновременно в ткани присутствуют клетки средней и конечной частей дифферона. В гистогенезе митотическая активность клеток постепенно снижается до низкой или крайне низкой, наличие стволовых клеток подразумевается только в составе эмбриональных зачатков. Потомки стволовых клеток некоторое время существуют как пролиферативный пул ткани, но их популяция быстро расходуется в постнатальном онтогенезе. В стабильном типе тканей имеются лишь клетки высокодифференцированной и гибнущей частей дифферона, стволовые клетки обнаруживаются лишь в составе эмбриональных зачатков и полностью расходуются в эмбриогенезе.

Изучение тканей с позиций их клеточно-дифферонного состава позволяет различать монодифферонные - (например, хрящевая, плотная оформленная соединительная и др.) и полидифферонные (например, эпидермис, кровь, рыхлая волокнистая соединительная, костная) ткани. Следовательно, несмотря на то, что в эмбриональном гистогенезе ткани закладываются как монодифферонные, в дальнейшем большинство дефинитивных тканей формируются как системы взаимодействующих клеток (клеточных дифферонов), источником развития которых являются стволовые клетки разных эмбриональных зачатков.

Ткань - это фило- и онтогенетически сложившаяся система клеточных дифферонов и их неклеточных производных, функции и регенераторная способность которой определяется гистогенетическими свойствами ведущего клеточного дифферона.

Ткань является структурным компонентом органа и в то же время частью одной из четырех тканевых систем - покровных, тканей внутренней среды, мышечных и невральных.