Специализация и клеточная дифференцировка

Любой многоклеточный организм вырастает из одной-единственной исходной клетки с диплоидным хромосомным набором. Оплодотворенная яйцеклетка делится на две дочерних, а при последующем дроблении образуются 4, 8, 16 и т. д. клеток. Естественно, что все клетки зародыша имеют одинаковый набор генов, унаследованный от первичной яйцеклетки. Еще тогда, когда зародыш выглядит крохотной кучкой клеток, начинают проявляться различия между ними. В ходе их пространственного перемещения, миграции пластов клеток в растущем зародыше формируются отдельные группы клеток с определенными потенциями к размножению и специализации. По мере увеличения массы эмбриона возникают бесчисленные межклеточные контакты, становятся более заметными зачатки будущих органов и тканей. Происходит обособление клеток кожи, нервной системы, кишечной трубки, кроветворной системы, органов внутренней секреции. Так, постепенно, эмбрион становится похожим на зрелый организм. К концу беременности у человеческого плода по сосудам уже циркулирует кровь и идет обмен различными веществами с материнским организмом, клетки кожи выполняют свои защитные функции, железы внутренней секреции вырабатывают некоторые гормоны. Человек появляется на свет уже как цельный организм с высокой специализацией клеток в органах и тканях.

Из сказанного ясно, что чем более развит зародыш живого существа, тем более специализированными становятся составляющие его клетки. С другой стороны, чем более специализированными становятся функции клеток, тем в целом ниже их способность к размножению. Процесс развития от тенденции к специализации к законченной специализированности клеточной функции носит название клеточной дифференцировки. Степень функциональной и биохимической специализации клетки есть степень ее дифференцированности. Само по себе понятие дифференцировки клеток (зародыша или организма) весьма расплывчато, так как биологи различных специальностей, употребляя его, имеют в виду разноплановые критерии оценки дифференцированности. При попытках согласовать их возникает неизбежная терминологическая путаница. Поэтому мы сформулировали смысл данного понятия, исходя из специфических задач изложения предмета.

Во взрослом организме в одних и тех же тканях есть более и менее дифференцированные клетки. Исключение составляют, например, нервные клетки коры головного мозга, которые не размножаются и все узко специализированы для осуществления нервных процессов (возможно, функций кратковременного запоминания и формирования мысленных образов). В других тканях имеются малодифференцированные клетки, при размножении и созревании которых пополняется масса специализированных клеточных форм, погибающих в течение жизни организма. Примером может служить кожа человека. Внутренний слой ее находится в благоприятных условиях кровоснабжения. Там поддерживается постоянный температурный режим и происходит постоянное размножение «ростковых» клеток. На поперечном срезе кожи видно, что чем поверхностнее расположены клетки, тем они более дифференцированы и тем больше они содержат прочного рогового белкового вещества (кератина) и окрашенных белковых соединений (меланины). Верхние слои кожи (эпидермис) состоят из мертвых клеток, которые постепенно слущиваются с поверхности кожи. Поставка новых клеток идет из нижних слоев кожного покрова. Аналогичным образом происходит обнов-

ление клеточнсй массы красных кровяных клеток (они живут в среднем 100—120 дней). Внутри человеческих костей есть полости, содержащие кроветворную ткань. Здесь из незрелых, недифференцированных, так называемых «стволовых», клеток образуются «красные» и «белые» кровяные клетки, которые затем циркулируют по кровеносным сосудам.

Малодифференцированные клетки во взрослом организме — потенциальный источник онкологической опасности. Именно они в силу множества причин могут начать бесконтрольно делиться и стать родоначальницами злокачественных опухолей.

Таким образом, в основе развития многоклеточного организма и специализации его клеток в течение жизни лежат одни и те же принципы. Все клетки данного живого существа имеют обычно один и тот же набор генов. Поэтому дифференцировку клеток и утерю ее можно объяснить лишь наличием генетически обусловленных программ, координирующих развитие организма и специализацию клеток.

Контроль развития — это скорее всего регуляция активности одних генов продуктами деятельности других.

Эти регуляторные гены (или участки генов) «управляют» включением, выключением и активностью участков ДНК, кодирующих клеточные белки. В настоящее время известно, что по крайней мере два типа специальных белков регулируют генную активность.