Diferențierea și patologia celulară
1. Diferențierea celulară. Factorii și reglarea diferențierii. Celula stem și Differon
Această întrebare este una dintre cele mai dificile și în același timp interesante atât pentru citologie, cât și pentru biologie. Diferențierea este procesul de apariție și dezvoltare a diferențelor structurale și funcționale între celulele embrionare inițial omogene, în urma cărora se formează celule specializate, țesuturi și organe ale unui organism multicelular. Diferențierea celulară este o parte esențială a formării unui organism multicelular. În cazul general, diferențierea este ireversibilă, adică celulele foarte diferențiate nu se pot transforma în celule de alt tip. Acest fenomen se numește diferențiere terminală și este inerent în principal în celulele animale. Spre deosebire de celulele animale, majoritatea celulelor vegetale, chiar și după diferențiere, sunt capabile să procedeze la divizare și chiar să intre într-o nouă cale de dezvoltare. Acest proces se numește dediferențierea. De exemplu, atunci când tulpina este incizată, unele celule din zona de incizie încep să se împartă și să închidă rana, în timp ce altele pot suferi cu totul diferențieri. În acest fel, celulele corticale se pot transforma în celule xilemice și pot restabili continuitatea vasculară în zona afectată. În condiții experimentale, atunci când țesutul vegetal este cultivat într-un mediu nutritiv adecvat, celulele formează calus. Calusul este o masă de celule relativ nediferențiate obținute din celule vegetale diferențiate. În condiții adecvate, plantele noi pot fi cultivate din celule de cal unic. În timpul diferențierii, nu există pierderi sau rearanjări ale ADN-ului. Acest lucru este demonstrat în mod convingător de rezultatele experimentelor privind transplantul de nuclee de la celule diferențiate la cele nediferențiate. Astfel, un nucleu dintr-o celulă diferențiată a fost introdus într-o celulă de ou de broască enucleată. Ca urmare, dintr-o astfel de celulă s-a dezvoltat un mormoloc normal. Diferențierea are loc în principal în perioada embrionară, precum și în primele etape ale dezvoltării postembrionare. În plus, diferențierea are loc în unele organe ale organismului adult. De exemplu, în organele hematopoietice, celulele stem se diferențiază în diferite celule sanguine, iar în gonade, celulele germinale primare, în gameți.
Factorii și reglarea diferențierii. În primele etape ale ontogenezei, dezvoltarea organismului are loc sub controlul ARN-ului și al altor componente situate în citoplasma oului. Apoi, factorii de diferențiere încep să influențeze dezvoltarea.
Există doi factori principali de diferențiere:
1.Diferențe în citoplasma celulelor embrionare timpurii datorită eterogenității citoplasmei ouălor. 2.Influențe specifice ale celulelor învecinate (inducție). Rolul factorilor de diferențiere este de a activa sau dezactiva selectiv anumite gene din diferite celule. Activitatea anumitor gene duce la sinteza proteinelor corespunzătoare care direcționează diferențierea. Proteinele sintetizate pot bloca sau, invers, activa transcripția. Inițial, activarea sau inactivarea diferitelor gene depinde de interacțiunea nucleelor \u200b\u200bcelulare totipotente cu citoplasma lor specifică. Apariția diferențelor locale în proprietățile citoplasmei celulelor se numește segregare ooplasmatică. Motivul acestui fenomen constă în faptul că, în procesul de scindare a oului, secțiuni ale citoplasmei care diferă prin proprietățile lor cad în blastomeri diferiți. Împreună cu reglarea intracelulară a diferențierii, nivelul supracelular de reglare este pornit dintr-un anumit punct. Inducția embrionară aparține nivelului de reglare supracelulară. Inducția embrionară este o interacțiune între părțile unui organism în curs de dezvoltare, în timpul căreia o parte (inductor) intră în contact cu o altă parte (sistemul care reacționează) și determină dezvoltarea acestuia din urmă. Mai mult, s-a stabilit nu numai efectul inductorului asupra sistemului receptiv, ci și influența acestuia din urmă asupra diferențierii ulterioare a inductorului. Sub influența unui factor, determinarea are loc mai întâi. Determinarea sau diferențierea latentă este un fenomen când nu au apărut încă semne externe de diferențiere, dar dezvoltarea ulterioară a țesutului are loc deja, indiferent de factorul care le-a cauzat. Materialul celular este considerat determinist din stadiul în care, pentru prima dată, atunci când este transplantat într-un nou sit, se dezvoltă într-un organ care este format în mod normal din acesta. Celula stem și diferon. Unul dintre domeniile promițătoare ale biologiei din secolul 21 este studiul celulelor stem. Astăzi, cercetarea celulelor stem are o importanță comparabilă cu cercetarea asupra organismelor de clonare. Potrivit oamenilor de știință, utilizarea celulelor stem în medicină va face posibilă tratarea multor boli „problematice” ale omenirii (infertilitate, multe forme de cancer, diabet, scleroză multiplă, boala Parkinson etc.). O celulă stem este o celulă imatură capabilă de auto-reînnoire și de dezvoltare în celule specializate din corp. Celulele stem sunt subdivizate în celule stem embrionare (sunt izolate de embrioni în stadiul de blastocist) și celule stem regionale (sunt izolate din organele adulților sau din organele etapelor ulterioare ale embrionilor). În organismul adult, celulele stem se găsesc în principal în măduva osoasă și, în cantități foarte mici, în toate organele și țesuturile. Proprietățile celulelor stem. Celulele stem se auto-susțin, adică după divizarea celulelor stem, o celulă rămâne în linia stem, iar a doua se diferențiază într-una specializată. Această diviziune se numește asimetrică. Funcțiile celulelor stem. Funcția celulelor stem embrionare este de a transmite informații ereditare și de a forma noi celule. Sarcina principală a celulelor stem regionale este de a restabili pierderea celulelor specializate după moartea naturală legată de vârstă sau fiziologică, precum și în situații de urgență. Differon este o serie secvențială de celule formate dintr-un precursor comun. Include celule stem, semi-stem și mature. De exemplu, celula stem, neuroblast, neuron sau celulă stem, condroblast, condrocit etc. Neuroblastul este o celulă slab diferențiată a tubului neural, care ulterior se transformă într-un neuron matur. Condroblastul este o celulă slab diferențiată a țesutului cartilajului care se transformă într-un condrocit (o celulă matură a țesutului cartilajului). Apoptoza și necroza Apoptoza (din greacă - căderea frunzelor) este o formă programată genetic de moarte celulară, care este necesară în dezvoltarea unui organism multicelular și este implicată în menținerea homeostaziei tisulare. Apoptoza se manifestă printr-o scădere a dimensiunii celulei, condensarea și fragmentarea cromatinei, compactarea membranei plasmatice fără eliberarea conținutului celulei în mediu. Apoptoza este de obicei opusă altei forme de moarte celulară - necroza, care se dezvoltă atunci când este expusă la agenți dăunători externi celulei și condiții de mediu inadecvate (hipoosmie, valori extreme ale pH-ului, hipertermie, efecte mecanice, acțiunea agenților care deteriorează membrana). Necroza se manifestă prin umflarea celulară și ruperea membranei datorită creșterii permeabilității acesteia odată cu eliberarea conținutului celular în mediu. Primele semne morfologice ale apoptozei (condensarea cromatinei) sunt înregistrate în nucleu. Mai târziu, apar depresiuni ale membranei nucleare și apare fragmentarea nucleului. Fragmentele detașate ale nucleului, limitate de membrană, se găsesc în afara celulei, sunt numite corpuri apoptotice. Extinderea reticulului endoplasmatic, condensarea și contracția granulelor apar în citoplasmă. Cel mai important semn al apoptozei este scăderea potențialului transmembranar al mitocondriilor. Membrana celulară își pierde vilozitatea, formează umflături asemănătoare veziculelor. Celulele sunt rotunjite și detașate de substrat. Permeabilitatea membranei crește numai în raport cu moleculele mici și acest lucru are loc mai târziu decât modificările din nucleu. Una dintre cele mai caracteristice trăsături ale apoptozei este scăderea volumului celular, spre deosebire de umflarea în timpul necrozei. Apoptoza afectează celulele individuale și practic nu afectează mediul lor. Ca urmare a fagocitozei, pe care o suferă celulele în timpul dezvoltării apoptozei, conținutul lor nu este eliberat în spațiul intercelular. Dimpotrivă, în timpul necrozei, componentele lor intracelulare active se acumulează în jurul celulelor pe moarte, iar mediul se acidulează. La rândul său, acest lucru contribuie la moartea altor celule și la dezvoltarea unui focar inflamator. Caracteristicile comparative ale apoptozei și ale necrozei celulare sunt prezentate în Tabelul 1. Tabelul 1. Caracteristicile comparative ale apoptozei și necrozei celulare PriznakApoptozNekrozRasprostranennostOdinochnaya kletkaGruppa kletokPuskovoy faktorAktiviruetsya fiziologice sau patologice chasov1-12V dezvoltare stimulamiSkorost in cadrul microvililor dimensiune 1Izmenenie kletkiUmenshenie Creștere de alimentare cu celule membranyPoterya, vezicule, nu integritate narushenaNarushenie tselostnostiIzmeneniya yadraKondensatsiya cromatină picnoza, fragmentatsiyaNabuhanieIzmeneniya tsitoplazmeKondensatsiya în citoplasmă sigiliului primar granulLizis granulLokalizatsiya povrezhdeniyaV yadreV membranePrichiny moarte ADN kletkiDegradatsiya , încălcarea energiei celulare Încălcarea integrității membranei Starea ADN Se rupe cu formarea mai întâi fragmente mari, apoi mici Degradare neregulată Dependența energetică Depinde Nu depinde Răspuns inflamator Nu Există De obicei Eliminarea celulelor moarte Fagocitoza de către celulele vecine Fagocitoza de către neutrofile și macrofage Exemple de manifestări celulare Metamine Apoptoza este universal răspândită în lumea organismelor multicelulare: manifestări similare sunt descrise în drojdie, tripanosomi și alte organisme unicelulare. Apoptoza este considerată o condiție pentru existența normală a organismului. În organism, apoptoza îndeplinește următoarele funcții: § menținând constanța numărului de celule. Cea mai simplă ilustrare a importanței apoptozei pentru un organism multicelular sunt datele privind rolul acestui proces în menținerea unui număr constant de celule în nematodul Caenorhabditis elegans. § protecția organismului împotriva agenților patogeni ai bolilor infecțioase, în special împotriva virușilor. Mulți viruși provoacă tulburări atât de profunde în metabolismul unei celule infectate încât reacționează la aceste tulburări prin lansarea unui program de deces. Înțelesul biologic al unei astfel de reacții este că moartea unei celule infectate într-un stadiu incipient va preveni răspândirea infecției în tot corpul. Este adevărat, unii viruși au dezvoltat adaptări speciale pentru a suprima apoptoza în celulele infectate. Deci, în unele cazuri, substanțele care joacă rolul proteinelor regulatoare anti-apoptotice celulare sunt codificate în materialul genetic al virusului. În alte cazuri, virusul stimulează celula să sintetizeze propriile sale proteine \u200b\u200banti-apoptotice. Astfel, sunt create premisele pentru reproducerea nestingherită a virusului. § îndepărtarea celulelor cu defecte genetice. Apoptoza este cel mai important mijloc de prevenire naturală a creșterilor canceroase. Există gene speciale care controlează anomaliile din materialul genetic al unei celule. Dacă este necesar, aceste gene schimbă echilibrul în favoarea apoptozei și o celulă potențial periculoasă moare. Dacă astfel de gene mută, atunci se dezvoltă neoplasme maligne în celule. § determinarea formei organismului și a părților sale; § asigurarea raportului corect al numărului de celule de diferite tipuri; Intensitatea apoptozei este mai mare în perioadele inițiale de ontogeneză, în special în timpul embriogenezei. În organismul adult, apoptoza continuă să joace un rol important doar în reînnoirea rapidă a țesuturilor. diferențierea tumorii celulare 3. Transformarea tumorală a celulelor Am învățat multe despre modul în care celula trăiește și evoluează, deși nu sunt suficiente despre cum să prevenim cancerul. Dimpotrivă: am văzut o varietate de factori și mecanisme care o induc, iar acest lucru slăbește speranța pentru terapii universale. De aceea, îmi vin în minte cuvintele Eclesiastului: există multă întristare în multă înțelepciune; și oricine înmulțește cunoașterea înmulțește întristarea. Dar oamenii de știință lucrează ". Khesin R.B., om de știință sovietic Problema bolilor oncologice este una dintre principalele pentru societatea modernă. Conform previziunilor Organizației Mondiale a Sănătății, incidența și mortalitatea cancerului în întreaga lume pentru perioada 1999-2020 se vor dubla (de la 10 la 20 de milioane de cazuri noi și de la 6 la 12 milioane de decese înregistrate). O tumoare se numește o proliferare patologică în exces a țesuturilor, constând din celule modificate calitativ ale corpului care și-au pierdut diferențierea. Termenul „cancer” a venit la noi din cele mai vechi timpuri. În acele zile, boala era numită în funcție de principalul, cel mai vizibil, simptom al bolii. Prin analogie între ieșirile unei tumori maligne în țesuturile din jur și membrele cancerului, această boală se numește cancer (cancer latin). Acest termen antic din vremea noastră este bine cunoscut de toată lumea și îi înspăimântă pe toți. Este mai bine să nu-l utilizați atunci când comunicați cu pacienții. Doi factori sunt decisivi în apariția tumorilor: apariția unei celule modificate (transformare) și prezența unor condiții pentru creșterea și reproducerea fără obstacole în organism. De-a lungul vieții într-un organism multicelular, au loc un număr imens de diviziuni celulare. De exemplu, în corpul uman, acest număr este de aproximativ 10 16... Periodic, mutațiile apar în celulele somatice, inclusiv în cele care pot duce la formarea celulelor tumorale. Mai mult, cu cât mai multe cicluri de diviziune a trecut printr-o celulă, cu atât este mai mare probabilitatea ca celulele defecte să apară în urmașii săi. Acest lucru explică creșterea bruscă a probabilității de cancer odată cu vârsta. Peste 50% din toate cazurile de cancer sunt diagnosticate la persoanele cu vârsta de 6 ani și peste. Statisticile arată că, dacă luăm ca unitate mortalitatea prin cancer la vârsta de 20 de ani, după vârsta de 50 de ani, riscul de a muri din cauza acestei boli va crește de zece ori. Corpul combate celulele defecte formate cu ajutorul sistemului imunitar. Deoarece apariția celulelor defecte este inevitabilă, după toate probabilitățile, tulburările sistemului imunitar sunt decisive în dezvoltarea tumorilor. Conceptul rolului mecanismelor imune în dezvoltarea neoplasmelor maligne a fost prezentat înapoi în 1909 de Ehrlich. Studii recente au confirmat rolul esențial al stărilor de imunodeficiență în dezvoltarea tumorilor. Evident, cu cât apar celule mai defecte în organism, cu atât este mai mare probabilitatea de a pierde astfel de celule din sistemul imunitar. Transformarea celulelor este cauzată de factori cancerigeni. Factorii cancerigeni sunt factori ai mediului extern și intern, care pot fi cauzele apariției și dezvoltării tumorilor. Factorii mediului intern, condițiile de localizare a celulei, predispoziția genetică a organismului. Deci, în condițiile mai nefavorabile ale celulei, cu atât este mai probabil să apară erori în timpul diviziunii sale. Lezarea pielii, membranelor mucoase sau a altor țesuturi ale corpului prin orice stimul mecanic sau chimic duce la o creștere a riscului unei tumori în acest loc. Aceasta determină riscul crescut de cancer al acelor organe, a căror membrană mucoasă este expusă la cel mai intens stres natural: cancerul plămânilor, stomacului, intestinului gros etc. acest risc. În dezvoltarea unor tumori, factorii genetici sunt importanți. La animale, rolul predispoziției genetice a fost confirmat experimental folosind exemplul de tulpini de șoarece cu cancer și scăzut. Factorii cancerigeni externi pot fi împărțiți condiționat în trei grupe principale: fizic, chimic și biologic. Factorii fizici includ radiații ionizante - radiații. În ultimele decenii, poluarea Pământului de radionuclizi ca urmare a activității economice umane a apărut și a atins o scară largă. Eliberarea de radionuclizi are loc ca urmare a accidentelor de la centralele nucleare și a submarinelor nucleare, a eliberării de deșeuri de nivel scăzut din reactoarele nucleare în atmosferă etc. Factorii chimici includ diverse substanțe chimice (componente ale fumului de tutun, benzpiren, naftilamină, unele erbicide și insecticide, azbest etc.). ). Majoritatea substanțelor cancerigene chimice din mediu provin din emisii industriale. Factorii biologici includ viruși (virusul hepatitei B, adenovirusul și alții). Prin natura și ritmul de creștere, se obișnuiește să se facă distincția între tumorile benigne și maligne. Tumorile benigne cresc relativ lent și pot dura ani de zile. Sunt înconjurați de propria lor coajă. Pe măsură ce crește, crește, tumora împinge țesuturile din jur fără a le distruge. Celulele unei tumori benigne diferă ușor de celulele normale din care s-a dezvoltat tumora. Prin urmare, tumorile benigne sunt numite după țesuturile din care s-au dezvoltat, cu adăugarea sufixului „ohma” din termenul grecesc „oncoma” (tumoare). De exemplu, o tumoare din țesutul adipos se numește lipom, din țesutul conjunctiv - fibrom, din mușchi - miom etc. Îndepărtarea unei tumori benigne cu membrana sa duce la vindecarea completă a pacientului. Tumorile maligne cresc mult mai repede și nu au propria membrană. Celulele tumorale și corzile lor pătrund în țesuturile din jur și le deteriorează. Germinând într-un vas limfatic sau de sânge, acestea pot fi transportate prin fluxul sanguin sau limfatic către ganglioni limfatici sau organe îndepărtate cu formarea unui focus secundar de creștere a tumorii - metastază. Celulele unei tumori maligne diferă semnificativ de celulele din care s-au dezvoltat. Celulele tumorale maligne sunt atipice; membrana celulară și citoscheletul lor sunt modificate, motiv pentru care au o formă mai mult sau mai puțin rotunjită. Celulele tumorale pot conține mai multe nuclee care nu sunt tipice ca formă și dimensiune. O trăsătură caracteristică a unei celule tumorale este pierderea diferențierii și, în consecință, pierderea funcției specifice. Dimpotrivă, celulele normale au toate proprietățile celulelor complet diferențiate care îndeplinesc anumite funcții în organism. Aceste celule sunt polimorfe, iar forma lor este determinată de citoscheletul structurat. Celulele normale din corp se divid de obicei înainte de a intra în contact cu celulele vecine, după care divizarea se oprește. Aceasta este cunoscută sub numele de frânare de contact. Excepțiile sunt celulele embrionare, epiteliul intestinal (înlocuirea constantă a celulelor pe moarte), celulele măduvei osoase (sistemul hematopoietic) și celulele tumorale. Astfel, se are în vedere cea mai importantă caracteristică distinctivă a celulelor tumorale, este proliferarea necontrolată Transformarea unei celule normale într-una transformată este un proces în mai multe etape. 1.Iniţiere. Aproape fiecare tumoră începe cu deteriorarea ADN-ului într-o celulă individuală. Acest defect genetic poate fi cauzat de factori cancerigeni, cum ar fi componentele fumului de tutun, radiațiile UV, razele X și virusurile oncogene. Aparent, în timpul vieții umane, un număr considerabil de celule ale corpului dintr-un total de 10 14 suferă daune ADN-ului. Cu toate acestea, pentru inițierea tumorii, este importantă doar deteriorarea protooncogenelor. Aceste leziuni sunt cel mai important factor care determină transformarea unei celule somatice într-una tumorală. Deteriorarea anti-oncogenei (gena supresoare tumorale) poate duce, de asemenea, la inițierea tumorii. 2. Promovarea tumorii este proliferarea predominantă a celulelor alterate. Acest proces poate dura ani. . Progresia tumorii este procesul de multiplicare a celulelor maligne, invazia și metastaza, ducând la apariția unei tumori maligne.
Diferențierea (diferențierea ontogenetică) este transformarea în procesul de dezvoltare individuală a unui organism (ontogeneza) a celulelor inițiale identice, nespecializate ale embrionului în celule specializate ale țesuturilor și organelor. Diferențierea are loc în principal în procesul de dezvoltare embrionară. Embrionul în curs de dezvoltare se diferențiază mai întâi în straturi germinale, apoi în rudimentele principalelor sisteme și organe, apoi într-un număr mare de țesuturi și organe specializate caracteristice organismului adult. Diferențierea are loc și în organele unui organism adult, de exemplu, diferite celule sanguine se diferențiază de celulele măduvei osoase. Diferențierea este deseori numită o serie de modificări secvențiale suferite de celule de același tip în procesul specializării lor. De exemplu, în cursul diferențierii celulelor roșii din sânge, eritroblastele sunt transformate în reticulocite, iar cele în eritrocite. Diferențierea se exprimă într-o schimbare atât a formei celulelor, a structurii lor interne și externe, cât și a interconectărilor (de exemplu, mioblastele sunt întinse, se îmbină între ele, miofibrilele se formează în ele; nucleul neuroblastelor crește, apar procese care leagă celulele nervoase de diferite organe și între ele), și proprietățile lor funcționale (fibrele musculare capătă capacitatea de a se contracta, celulele nervoase - de a transmite impulsuri nervoase, glandulare - de a secreta substanțe adecvate).
Principalii factori de diferențiere sunt diferențele în citoplasma celulelor embrionare timpurii. Cursul diferențierii este influențat de hormoni. Diferențierea poate avea loc numai în celulele pregătite pentru aceasta. Acțiunea factorului de diferențiere determină mai întâi o stare de diferențiere latentă (ascunsă) sau determinare, atunci când nu se manifestă semne externe de diferențiere, dar dezvoltarea ulterioară a țesutului poate avea loc indiferent de factorul de stimulare. De exemplu, diferențierea țesutului nervos este cauzată de primordiul cordomesodermului. De obicei starea de diferențiere este ireversibilă; celulele diferențiate nu își pot pierde specializarea. Cu toate acestea, în condiții de deteriorare a țesuturilor capabile de regenerare, precum și în degenerescența malignă, apare o diferențiere parțială, atunci când celulele pierd caracteristicile dobândite în procesul de diferențiere și seamănă în exterior cu celule slab diferențiate ale embrionului. Sunt posibile cazurile de achiziție de celule diferențiate de diferențiere într-o direcție diferită (metaplazie).
Baza genetică moleculară a diferențierii este activitatea genelor specifice fiecărui țesut. În fiecare celulă, inclusiv diferențiat, se păstrează întregul aparat genetic (toate genele). Cu toate acestea, doar o fracțiune din genele responsabile de această diferențiere sunt active în fiecare țesut. Rolul factorilor de diferențiere este redus la activarea selectivă a genelor. Activitatea anumitor gene duce la sinteza proteinelor corespunzătoare care determină diferențierea.
Diferenţiere - aceasta este achiziția de trăsături distinctive de către o celulă care îi permite să îndeplinească anumite funcții destinate acesteia într-un organism multicelular.
Diferențierea celulară poate fi bine înțeleasă folosind exemplul hematopoiezei (hematopoieză), al cărui proces are loc în măduva osoasă roșie.
Conform conceptelor moderne, strămoșul tuturor celulelor sanguine este celula stem pluripotenta (Fig. 1, I). Diferențierea sa în diferite direcții se realizează în mai multe etape, fiecare dintre acestea fiind caracterizată de o anumită clasă de celule.
În stadiul incipient al diferențierii, două așa-numite celule angajate, dintre care unul este precursorul limfocitopoiezei și plasmocitopoiezei, iar celălalt - al tuturor elementelor mieloide, adică germenii monocitici, granulocitici, eritrocitari și plachetari. În acest caz, maturarea monocitelor, neutrofilelor, eritrocitelor și trombocitelor se efectuează în măduva osoasă, iar celulele descendenței limfoide și plasmocitopoiezei - în organele limfoide (ganglioni limfatici, splină). Ca urmare a diferențierii ulterioare a celulelor precursoare hematopoietice, explozie celule: monoblaste, mieloblaste (neutrofile barofile, eozinofile), eritroblaste, megocarioblaste, limfoblaste T și B, imunoblaste T-imunoblaste B (plasmablaste) (vezi Fig. 1, IV).
Video: Diferențierea celulară
Video:Diferențierea celulelor și celulele stem
Denumirea generală pentru toate celulele care nu au atins încă nivelul final de specializare (adică capabilă să se diferențieze) este celulele stem. Gradul de diferențiere celulară („potențialul său de dezvoltare”) se numește potență. Celulele capabile să se diferențieze în orice celulă a unui organism adult sunt numite pluripotente. Celulele pluripotente sunt, de exemplu, celule ale masei celulare interne a unui blastocist de mamifer. Pentru a indica cultivat in vitro celule pluripotente derivate din masa celulară internă a unui blastocist, se folosește termenul „celule stem embrionare”.
Diferențierea - acesta este procesul prin care o celulă devine specializată, adică capătă trăsături chimice, morfologice și funcționale. În sensul cel mai restrâns, acestea sunt modificări care apar într-o celulă în timpul unui ciclu celular, adesea terminal, când începe sinteza proteinelor funcționale principale, specifice unui anumit tip de celulă. Un exemplu este diferențierea celulelor epidermei pielii umane, în care celulele care se deplasează de la bazal la spinoasă și apoi succesiv la alte straturi mai superficiale acumulează keratohialină, care este transformată în celulele stratului strălucitor în eleidină și apoi în stratul cornos - în keratină. Acest lucru schimbă forma celulelor, structura membranelor celulare și un set de organite. De fapt, nu o singură celulă se diferențiază, ci un grup de celule similare. Există multe exemple, deoarece există aproximativ 220 de tipuri diferite de celule în corpul uman. Fibroblastele sintetizează colagenul, mioblastele - miozina, celulele epiteliale ale tractului digestiv - pepsina și tripsina. 338
Într-un sens mai larg, sub diferenţiere înțelegeți treptat (pe mai multe cicluri celulare) apariția din ce în ce mai multe diferențe și direcții de specializare între celule care provin din celule mai mult sau mai puțin omogene ale aceluiași primordiu inițial. Acest proces este însoțit cu siguranță de transformări morfogenetice, adică apariția și dezvoltarea în continuare a rudimentelor anumitor organe în organe definitive. Primele diferențe chimice și morfogenetice dintre celule, determinate chiar de evoluția embriogenezei, se găsesc în timpul gastrulării.
Straturile germinale și derivații lor sunt un exemplu de diferențiere timpurie care duce la o limitare a potenței celulelor embrionare.
RELAȚII NUCLEARE_CITOPLASMICE
Se pot distinge o serie de caracteristici care caracterizează gradul de diferențiere celulară. Astfel, starea nediferențiată se caracterizează printr-un nucleu relativ mare și un raport nuclear-citoplasmatic ridicat dintre nucleul V / citoplasma V ( V-volum), cromatină dispersată și un nucleol bine definit, numeroși ribozomi și sinteză intensă de ARN, activitate mitotică ridicată și metabolism nespecific. Toate aceste caracteristici se schimbă în cursul diferențierii, caracterizând achiziția specializării de către celulă.
Procesul ca rezultat al cărui țesuturi individuale în timpul diferențierii își dobândesc aspectul caracteristic se numește histogeneza. Diferențierea celulelor, histogeneza și organogeneza au loc în combinație și în anumite părți ale embrionului și la un anumit moment. Acest lucru este foarte important deoarece indică coordonarea și integrarea dezvoltării embrionare.
În același timp, este surprinzător faptul că, în esență, din momentul etapei unicelulare (zigot), dezvoltarea unui organism de un anumit tip din acesta este deja strict predeterminată. Toată lumea știe că o pasăre se dezvoltă dintr-un ou de pasăre și o broască dintr-un ou de broască. Adevărat, fenotipurile organismelor sunt întotdeauna diferite și pot fi deranjate până la moarte sau malformații și destul de des pot fi chiar construite artificial, de exemplu, la animalele himerice.
Este necesar să se înțeleagă modul în care celulele, care au cel mai adesea același cariotip și genotip, diferențiază și participă la histo- și organogeneză în locurile necesare și în anumite momente în funcție de „imaginea” integrală a unui anumit tip de organisme. Atenție atunci când avansați poziția că materialul ereditar al tuturor celulelor somatice este absolut identic reflectă realitatea obiectivă și ambiguitatea istorică în interpretarea cauzelor diferențierii celulare.
V. Weisman a prezentat ipoteza că doar linia celulară germinativă transportă și transmite descendenților toate informațiile genomului său, iar celulele somatice pot diferi de zigot și unele de altele în cantitatea de material ereditar și, prin urmare, se diferențiază în direcții diferite. Mai jos sunt fapte care confirmă posibilitatea schimbării materialului ereditar în celulele somatice, dar acestea trebuie interpretate ca excepții de la reguli.
Diferenţiere este procesul prin care celula devine specializat, acestea. capătă trăsături chimice, morfologice și funcționale. În foarte sens restrâns - acestea sunt modificări care apar într-o celulă în timpul unui ciclu celular, adesea terminal, când începe sinteza proteinelor funcționale principale, specifice unui anumit tip de celulă (Schema 8.1). Un exemplu este diferențierea celulelor epidermei pielii umane, în care celulele care se deplasează de la bazal la spinoasă și apoi succesiv la alte straturi mai superficiale acumulează keratohialină, care este transformată în celulele stratului strălucitor în eleidină și apoi în stratul cornos - în keratina. Acest lucru schimbă forma celulelor, structura membranelor celulare și un set de organite. De fapt, nu o singură celulă este diferențiată, ci un grup de celule similare.Există multe exemple, deoarece există aproximativ 220 de tipuri diferite de celule în corpul uman. Fibroblastele sintetizează colagenul, mioblastele - miozina, celulele epiteliale ale tractului digestiv - pepsina și tripsina.
În mai mult în sens larg sub diferenţiere înțelege treptat (pe mai multe cicluri celulare) apariția tuturor diferențe mari și domenii de specializare între celule provenite din celule mai mult sau mai puțin omogene ale unui primordiu inițial. Acest proces este însoțit cu siguranță de transformări morfogenetice, adică apariția și dezvoltarea în continuare a rudimentelor anumitor organe în organe definitive. Primele diferențe chimice și morfogenetice dintre celule, determinate chiar de evoluția embriogenezei, se găsesc în timpul gastrulării.
Procesul, ca urmare a cărui țesuturi individuale în timpul diferențierii dobândesc aspectul caracteristic, se numește histogeneza. Se efectuează diferențierea celulară, histogeneza și organogeneza in total, și în anumite zone ale embrionului și la un anumit moment. Acest lucru este foarte important, deoarece indică coordonare și integrare Dezvoltarea embrionară.
Este necesar să înțelegem cum celulele, care au cel mai adesea același cariotip și genotip, diferențiază și participă la histo- și organogeneză în locurile și momentele necesare, în conformitate cu „imaginea” integrală a unui tip dat de organisme. Atenție în avansarea poziției care
Capitolul 8. Regularități ale dezvoltării individuale a organismelor Schema 8.1.Diferențierea mezodermului
materialul ereditar al tuturor celulelor somatice este absolut identic, reflectă realitatea obiectivă și ambiguitatea istorică în interpretarea cauzelor diferențierii celulare. Dezvoltarea ideilor despre mecanismele citodiferențierii este prezentată în Schema 8.2.
V. Weisman a prezentat o ipoteză (sfârșitul secolului al XIX-lea) conform căreia numai linia de celule germinale transportă și transmite descendenților săi toate informațiile despre genomul său. Celulele somatice, în opinia sa, pot diferi de zigot și unele de altele prin cantitatea de material ereditar și, prin urmare, se diferențiază în direcții diferite.
Ulterior, s-au găsit exemple de modificări ale cantității de material ereditar din celulele somatice, atât la nivel genomic, cât și la nivel cromozomial și genetic. Au fost descrise cazuri de eliminare a cromozomilor întregi într-un ciclop, un țânțar și unul dintre reprezentanții marsupialilor. În acesta din urmă, cromozomul X este eliminat din celulele somatice ale femelei, iar cromozomul Y din celulele masculului. Ca rezultat, celulele lor somatice conțin doar un singur cromozom X, iar cariotipurile normale sunt păstrate în linia celulelor germinale: XX sau XY.
Schema 8.2. Dezvoltarea ideilor despre mecanismele citodiferențierii
În cromozomii politeni ai glandelor salivare din dipteri, ADN-ul poate fi sintetizat asincron, de exemplu, în timpul polenizării, regiunile heterocromatinei sunt reproduse de mai puține ori decât regiunile euchromatinei. Însăși procesul de polenizare, dimpotrivă, duce la o creștere semnificativă a cantității de ADN din celulele diferențiate în comparație cu celulele părinte.
Acest mecanism de replicare a ADN-ului, cum ar fi amplificarea, conduce, de asemenea, la o creștere multiplă a numărului de gene din unele celule comparativ cu altele. În timpul oogenezei, numărul de gene ribozomale crește de multe ori, iar alte gene pot fi, de asemenea, amplificate. Există dovezi că în unele celule în procesul de diferențiere există o rearanjare a genelor, de exemplu, genele imunoglobulinei din limfocite.
Cu toate acestea, în prezent, punctul de vedere general acceptat, care conduce începutul de la T. Morgan, care, bazat pe teoria cromozomială a eredității, a sugerat că diferențierea celulelor în procesul ontogenezei este rezultatul influențelor reciproce (reciproce) succesive ale citoplasmei și ale schimbării produselor activității genelor nucleare. Astfel, pentru prima dată, ideea de expresie diferențială a genelor
ca principal mecanism al citodiferențierii. În prezent, s-au colectat multe dovezi că, în majoritatea cazurilor, celulele somatice ale organismelor poartă un set diploid complet de cromozomi și potențialul genetic al nucleelor \u200b\u200bcelulelor somatice poate fi păstrat, adică genele nu pierd potențială activitate funcțională.
Figura: 8.6.
1 - rădăcină tăiată într-un mediu nutritiv, 2 - profilarea celulelor în cultură, 3 - celulă izolată din cultură, 4 - embrion timpuriu, 5 - embrion ulterior, 6 - plantă tânără, 7-plantă adultă
Conservarea setului cromozomial complet al organismului în curs de dezvoltare este asigurată, în primul rând, de mecanismul mitozei. Conservarea potențialului genetic al nucleelor \u200b\u200bcelulelor somatice poate fi judecată din rezultatele experimentelor efectuate pe plante și animale. Celula somatică a morcovului, care a trecut printr-un drum lung de diferențiere, este capabilă să se transforme într-un organism cu drepturi depline (Fig. 8.6). La animale, celulele somatice individuale după stadiul de blastulă, de regulă, nu sunt capabile să se dezvolte într-un întreg organism normal, dar nucleele lor, fiind transplantate în citoplasma ovocitului sau a celulei ou, încep să se comporte în funcție de citoplasma în care au fost găsite.
Experimentele privind transplantul de nuclee de celule somatice într-un ovul au fost efectuate cu succes în anii 1950. în SUA și în anii 1960-1970. experimentele omului de știință englez J. Gurdon erau cunoscute pe scară largă. Folosind broasca cu gheare africane Xenopus laevis, într-un procent mic de cazuri, a primit dezvoltarea unei broaște adulte dintr-un ovul enucleat, în care a transplantat un nucleu dintr-o celulă epitelială a pielii unei broaște sau a intestinelor unui mormoloc, adică dintr-o celulă diferențiată (vezi Fig. 5.3). Celula de ou a fost enucleată cu doze mari de iradiere ultravioletă, ceea ce a dus la inactivarea nucleului său. Pentru a demonstra că nucleul transplantat al celulei somatice este implicat în dezvoltarea embrionului, s-a folosit marcarea genetică. Ovulul a fost preluat dintr-o linie de broască cu doi nucleoli în nucleu, iar nucleul celulei donatoare a fost preluat dintr-o linie cu un singur nucleol în nuclee datorită heterozigoții pentru ștergerea organizatorului nucleolar. Toți nucleii din celulele unui individ obținut ca urmare a transplantului nuclear au avut un singur nucleol.
În același timp, experimentele lui Gurdon au dezvăluit multe alte modele importante. În primul rând, au confirmat încă o dată presupunerea lui T. Morgan cu privire la importanța decisivă a interacțiunii citoplasmei și a nucleului în viața celulelor și dezvoltarea organismului. În al doilea rând, în numeroase experimente s-a arătat că cu cât stadiul embrionului donator este mai vechi, din a cărui celule a fost prelevat nucleul pentru transplant, cu atât procentul de cazuri a fost complet complet, adică mai mic a ajuns la mormoloc și apoi la stadiile de broască.
Figura: 8.7. Dependența succesului transplantului nuclear dintr-o celulă diferențiată într-un ovocit de la vârsta donatorului (I - VI) miezuri.
Etapa de dezvoltare atinsă de o celulă primitoare nucleară
- 1 - blastula, II - gastrula, III - neurula, IV- apariția unei reacții musculare, V - debutul activității cardiace și al eclozării; VI - înot activ; 1 - gastrula timpurie,
- 2 - neurula, 3 - mormoloc de înot, 4 - mormoloc de hrănire; diagrama experimentului este prezentată mai sus
În majoritatea cazurilor, dezvoltarea sa oprit în stadii anterioare. Dependența rezultatelor transferului de etapa nucleului-donator de nuclee este prezentată în Fig. 8.7. Analiza embrionilor care încetează să se dezvolte după transplantul nuclear a arătat numeroase anomalii cromozomiale în nucleele lor. Se crede că un alt motiv pentru arestarea dezvoltării este incapacitatea nucleelor \u200b\u200bcelulelor diferențiate de a restabili replicarea ADN sincronă.
Concluzia principală, care rezultă din această experiență, este că materialul ereditar al celulelor somatice capabil să persiste completă nu numai cantitativ, ci și funcțional, citodiferențierea nu este o consecință a lipsei de material ereditar.
Experimentele privind clonarea plantelor și a animalelor sunt dovada utilității materialului celulei somatice. Oamenii de știință nu exclud posibilitatea reproducerii într-un mod similar cu oaia Dolly, adică prin transplantul de nuclee, gemeni genetici umani. Cu toate acestea, ar trebui să fim conștienți de faptul că clonarea umană, pe lângă științifică și tehnologică, are și aspecte etice și psihologice.
Ipoteza expresiei genetice diferențiale într-o trăsătură este acceptată în prezent ca principalul mecanism de citodiferențiere.
Nivelurile de reglare a expresiei genetice diferențiale corespund etapelor de realizare a informațiilor în direcția trăsăturii genei -\u003e polipeptidice-e și includ nu numai procese intracelulare, ci și țesuturi și organisme.
Expresia genică în trăsătură este un proces etapizat complex care poate fi studiat prin diferite metode: microscopie electronică și luminoasă, biochimică și altele. Figura 8.3 prezintă etapele principale în exprimarea genelor și metodele prin care acestea pot fi studiate.
Observația vizuală la microscopul electronic a fost efectuată în legătură doar cu gene individuale - ribozomale, gene ale cromozomilor, cum ar fi periile de lampă și altele (vezi Fig. 3.66). Modelele de difracție a electronilor arată clar că unele gene sunt transcrise mai activ decât altele. De asemenea, genele inactive se disting bine.
Studiul cromozomilor politenici ocupă un loc special. Cromozomi politenici sunt cromozomi gigantici găsiți în celulele interfazice ale unor țesuturi la muște și alți dipteri. Au astfel de cromozomi în celulele glandelor salivare, ale vaselor malpighiene și ale intestinului mediu. Acestea conțin sute de fire de ADN care au fost reduplicate, dar nu divergente. Când sunt colorate, acestea prezintă dungi sau discuri transversale pronunțate clar (vezi Fig. 3.56). Multe benzi individuale corespund localizării genelor individuale. Un număr limitat de anumite benzi din unele celule diferențiate formează umflături sau pufuri, care ies în afara cromozomului. Aceste zone umflate sunt locul în care genele sunt cele mai active împotriva
transcrieri. S-a demonstrat că diferite tipuri de celule conțin pufuri diferite (vezi Fig. 3.65). Modificările celulelor care apar în timpul dezvoltării se corelează cu modificările caracterului pufurilor și cu sinteza unei anumite proteine. Nu există încă alte exemple de observare vizuală a activității genetice.
Toate celelalte etape ale expresiei genetice sunt rezultatul modificărilor complexe ale produselor activității genice primare. Modificări complexe înseamnă transformări ARN post-transcripționale, traducere și procese post-traducere.
Există date privind studiul cantității și calității ARN-ului în nucleul și citoplasma celulelor organismelor aflate în diferite stadii ale dezvoltării embrionare, precum și în celulele de diferite tipuri la adulți. S-a constatat că complexitatea și numărul diferitelor tipuri de ARN nuclear este de 5-10 ori mai mare decât cea a ARNm. ARN-urile nucleare, care sunt produsele primare ale transcripției, sunt întotdeauna mai lungi decât ARNm. În plus, ARN-ul nuclear studiat în ariciul de mare este identic ca cantitate și diversitate calitativă în diferite etape ale dezvoltării individului, iar ARNm citoplasmatic diferă în celulele diferitelor țesuturi. Această observație duce la ideea că mecanisme post-transcripționale afectează expresia diferențială a genelor.
Sunt cunoscute exemple de reglare post-transcripțională a expresiei genelor la nivel de procesare. Forma legată de membrană a imunoglobulinei IgM la șoareci diferă de forma solubilă într-o secvență suplimentară de aminoacizi care permite forma legată de membrană să „ancoreze” în membrana celulară. Ambele proteine \u200b\u200bsunt codificate de același locus, dar procesarea transcriptului primar se desfășoară în moduri diferite. Hormonul peptidic calcitonina la șobolani este reprezentat de două proteine \u200b\u200bdiferite determinate de aceeași genă. Au aceiași primi 78 de aminoacizi (cu o lungime totală de 128 de aminoacizi), iar diferențele se datorează procesării, adică din nou, se observă expresia diferențială a aceleiași gene în diferite țesuturi. Există și alte exemple. Probabil, prelucrare alternativă transcrierile primare joacă un rol foarte important în diferențiere, dar mecanismul său rămâne neclar.
Majoritatea ARNm citoplasmatic este aceeași în ceea ce privește compoziția calitativă în celule aparținând diferitelor etape ale ontogenezei; ARNm-urile sunt necesare pentru activitatea vitală a celulelor și sunt determinate de gene de menaj prezentate în genom sub forma mai multor secvențe de nucleotide cu o frecvență medie de repetare. Produsele activității lor sunt proteine \u200b\u200bnecesare pentru asamblarea membranelor celulare, a diferitelor structuri subcelulare etc. Cantitatea acestor ARNm este de aproximativ 9/10 din toate ARNm citoplasmatice. Restul mARN-urilor sunt necesare pentru anumite etape de dezvoltare, precum și pentru diferite tipuri de celule.
Când s-a studiat diversitatea ARNm în rinichi, ficat și creierul șoarecilor, în oviductele și ficatul găinilor, s-au găsit aproximativ 12.000 de ARNm diferiți. Doar 10-15% erau specificepentru orice țesătură. Sunt citite cu secvențe de nucleotide unice acele gene structurale, a căror acțiune este specifică într-un anumit loc și la un moment dat și care sunt numite gene „de lux”. Numărul lor corespunde aproximativ 1000-2000 de gene responsabile de diferențierea celulară.
Nu toate genele prezente în celulă sunt realizate, în general, înainte de etapa de formare a ARNm citoplasmatic, dar acești ARNm formați nu sunt toți și nu în nicio condiție sunt transformați în polipeptide și cu atât mai mult în caractere complexe. Se știe că unii ARNm sunt blocați la nivelul translației, făcând parte din particulele de ribonucleoproteine \u200b\u200b- informozomi, ca urmare a cărora traducerea este întârziată. Acest lucru are loc în ovogeneză, în celulele cristalinului ochiului.
În unele cazuri, diferențierea finală este asociată cu „completarea” moleculelor de enzime sau hormoni sau cu structura cuaternară a proteinei. Asta este deja post-translațională evenimente. De exemplu, enzima tirozinază apare la embrionii amfibieni chiar și în embriogeneza timpurie, dar devine activă numai după eclozare.
Diferențierea celulară nu se limitează doar la sinteza proteinelor specifice, prin urmare, așa cum se aplică unui organism multicelular, această problemă este inseparabilă de aspectele spațio-temporale și, prin urmare, de niveluri chiar mai ridicate de reglare a acesteia decât nivelurile de reglare a biosintezei proteinelor la nivel celular. Diferențierea afectează întotdeauna un grup de celule și corespunde sarcinilor de a asigura integritatea unui organism multicelular.
