Дифференцировка нервных клеток это

Дифференцировка — это процесс, в результате которого клетка становится специализированной, т.е. приобретает химические, морфологические и функциональные особенности. В самом узком смысле — это изменения, происходящие в клетке на протяжении одного, нередко терминального, клеточного цикла, когда начинается синтез главных, специфических для данного клеточного типа, функциональных белков (схема 8.1). Примером может служить дифференцировка клеток эпидермиса кожи человека, при которой в клетках, перемещающихся из базального в шиповатый и затем последовательно в другие, более поверхностные слои, происходит накопление кера- тогиалина, превращающегося в клетках блестящего слоя в элеидин, а затем в роговом слое — в кератин. При этом изменяются форма клеток, строение клеточных мембран и набор органоидов. На самом деле дифференцируется не одна клетка, а группа сходных клеток. Примеров можно привести множество, так как в организме человека насчитывают порядка 220 различных типов клеток. Фибробласты синтезируют коллаген, миобласты — миозин, клетки эпителия пищеварительного тракта — пепсин и трипсин.

В более широком смысле под дифференцировкой понимают постепенное (на протяжении нескольких клеточных циклов) возникновение все больших различий и направлений специализации между клетками, происшедшими из более или менее однородных клеток одного исходного зачатка. Этот процесс непременно сопровождают морфогенетические преобразования, т.е. возникновение и дальнейшее развитие зачатков определенных органов в дефинитивные органы. Первые химические и морфогенетические различия между клетками, обусловливаемые самим ходом эмбриогенеза, обнаруживаются в период гаструляции.

Процесс, в результате которого отдельные ткани в ходе дифферен- цировки приобретают характерный для них вид, называют гистогенезом. Дифференцировка клеток, гистогенез и органогенез совершаются в совокупности, причем в определенных участках зародыша и в определенное время. Это очень важно, потому что указывает на координированность и интегрированность эмбрионального развития.

Глава 8. Закономерности индивидуального развития организмов Схема 8.1. Дифференцировка мезодермы

наследственный материал всех соматических клеток абсолютно идентичен, отражает объективную реальность и историческую неоднозначность в трактовке причин клеточной дифференцировки. Развитие представлений о механизмах цитодифференцировки изображено на схеме 8.2.

В. Вейсман выдвинул гипотезу (конец XIX в.) о том, что только линия половых клеток несет в себе и передает потомкам всю информацию своего генома. Соматические клетки, по его мнению, могут отличаться от зиготы и друг от друга количеством наследственного материала и поэтому дифференцироваться в разных направлениях.

Позже были обнаружены примеры изменения количества наследственного материала в соматических клетках как на геномном, так и на хромосомном и генном уровнях. Описаны случаи элиминации целых хромосом у циклопа, комара и у одного из представителей сумчатых. У последних из соматических клеток самки элиминируется Х-хромосома, а из клеток самца — Y-хромосома. В результате соматические клетки у них содержат только по одной Х-хромосоме, а в линии половых клеток сохраняются нормальные кариотипы: XX или XY.

Схема 8.2. Развитие представлений о механизмах цитодифференцировки

В политенных хромосомах слюнных желез двукрылых ДНК может синтезироваться несинхронно, например при политенизации гетерохроматиновые участки реплицируются меньшее число раз, чем эухроматиновые. Сам процесс политенизации, напротив, приводит к значительному увеличению количества ДНК в дифференцированных клетках по сравнению с родоначальными клетками.

Такой механизм репликации ДНК, как амплификация, также приводит к многократному увеличению количества некоторых генов в одних клетках по сравнению с другими. В овогенезе многократно увеличивается число рибосомальных генов, могут амплифициро- ваться и некоторые другие гены. Имеются данные о том, что в некоторых клетках в процессе дифференцировки происходит перестройка генов, например иммуноглобулиновых генов в лимфоцитах.

Однако в настоящее время общепризнанной является точка зрения, ведущая начало от Т. Моргана, который, опираясь на хромосомную теорию наследственности, предположил, что диффе- ренцировка клеток в процессе онтогенеза является результатом последовательных реципрокных (взаимных) влияний цитоплазмы и меняющихся продуктов активности ядерных генов. Таким образом, впервые прозвучала идея о дифференциальной экспрессии генов

как основном механизме цитодифференцировки. В настоящее время собрано много доказательств того, что в большинстве случаев соматические клетки организмов несут полный диплоидный набор хромосом, а генетические потенции ядер соматических клеток могут сохраняться, т.е. гены не утрачивают потенциальной функциональной активности.

Рис. 8.6. Опыт, показывающий сохранение функциональных свойств наследственного материала в соматической дифференцированной клетке моркови.

1 — срез корня в питательной среде, 2 — профилирующие клетки в культуре, 3 — клетка, изолированная из культуры, 4 — ранний зародыш, 5 — более поздний зародыш, 6 — молодое растение, 7—взрослое растение

Сохранение полного хромосомного набора развивающегося организма обеспечивается, прежде всего, механизмом митоза. О сохранении генетических потенций ядер соматических клеток можно судить по результатам опытов, проведенных над растениями и животными. Прошедшая длительный путь дифференцировки соматическая клетка моркови способна развиваться в полноценный организм (рис. 8.6). У животных отдельные соматические клетки после стадии бластулы, как правило, не способны развиваться в целый нормальный организм, но их ядра, будучи пересажены в цитоплазму овоцита или яйцеклетки, начинают вести себя соответственно той цитоплазме, в которой они оказались.

Опыты по пересадке ядер соматических клеток в яйцеклетку впервые были успешно осуществлены в 1950-х гг. в США, а в 1960— 1970-х гг. получили широкую известность опыты английского ученого Дж. Гёрдона. Используя африканскую шпорцевую лягушку Xenopus laevis, он в небольшом проценте случаев получил развитие взрослой лягушки из энуклеированной яйцеклетки, в которую пересаживал ядро из эпителиальной клетки кожи лягушки или кишечника головастика, т.е. из дифференцированной клетки (см. рис. 5.3). Энуклеацию яйцеклетки проводили большими дозами ультрафиолетового облучения, что приводило к инактивации ее ядра. Для доказательства того, что в развитии зародыша участвует пересаженное ядро соматической клетки, применили генетическое маркирование. Яйцеклетку брали из линии лягушек с двумя ядрышками в ядре, а ядро клетки донора — из линии, имеющей в ядрах только одно ядрышко вследствие гетерозиготности по делеции ядрышкового организатора. Все ядра в клетках особи, полученной в результате трансплантации ядра, имели только одно ядрышко.

Вместе с тем опыты Гёрдона обнаружили многие другие важнейшие закономерности. Во-первых, они еще раз подтвердили предположение Т. Моргана о решающем значении взаимодействия цитоплазмы и ядра в жизнедеятельности клеток и развитии организма. Во-вторых, в многочисленных экспериментах было показано, что чем старше стадия зародыша-донора, из клеток которого брали ядро для пересадки, тем в меньшем проценте случаев развитие оказывалось полностью завершенным, т.е. достигало стадий головастика, а затем лягушки.

Рис. 8.7. Зависимость успеха пересадки ядер из дифференцированной клетки в яйцеклетку от возраста донора (I — VI) ядра.

Стадия развития, достигаемая клеткой-реципиентом ядра

• 1 — бластула, II — гаструла, III — нейрула, IV— появление мышечной реакции, V — начало сердечной деятельности и вылупления, VI — активное плавание; 1 — ранняя гаструла,
• 2 — нейрула, 3 — плавающий головастик, 4 — питающийся головастик; вверху изображена схема опыта

В большинстве случаев развитие останавливалось на более ранних стадиях. Зависимость результатов пересадки от стадии зародыша-донора ядер представлена на рис. 8.7. Анализ зародышей, останавливающихся в развитии после пересадки ядра, показал множество хромосомных аномалий в их ядрах. Другой причиной остановки развития считают неспособность ядер дифференцированных клеток к восстановлению синхронной репликации ДНК.

Главный вывод, который вытекает из этого опыта, заключается в том, что наследственный материал соматических клеток способен сохраняться полноценным не только в количественном, но и в функциональном отношении, цитодиффе- ренцировка не является следствием недостаточности наследственного материала.

Эксперименты по клонированию растений и животных — доказательство полноценности материала соматической клетки. Ученые не исключают возможности воспроизведения подобным овце Долли образом, т.е. путем пересадки ядер, генетических двойников человека. Следует, однако, отдавать себе отчет, что клонирование человека кроме научно-технологического имеет также этический и психологический аспекты.

Гипотеза дифференциальной экспрессии генов в признак принимается в настоящее время в качестве основного механизма цитодиф- ференцировки.

Уровни регуляции дифференциальной экспрессии генов соответствуют этапам реализации информации в направлении ген —> полипептид —э признак и включают не только внутриклеточные процессы, но тканевые и организменные.

Экспрессия гена в признак — это сложный этапный процесс, который можно изучать разными методами: электронной и световой микроскопией, биохимически и другими. На схеме 8.3 приведены основные этапы экспрессии генов и методы, с помощью которых их можно изучать.

Этапы экспресии генов

Методы их изучения

Визуальное наблюдение строения соответствующих участков хромосомы (электронная и световая микроскопия)

Транскрипция, первичный РНК-транскрипт (ядерные РНК)

Метод двумерного гельэлектрофореза

Трансляция (белки — продукты генной активности)

Цитологический метод, цитохимический метод

Строение и жизнеспособность зародыша

Гибридологический и сравнительно эмбриологический методы

Визуальное наблюдение в электронный микроскоп проведено в отношении только отдельных генов — рибосомных, генов хромосом типа ламповых щеток и некоторых других (см. рис. 3.66). На электронограммах отчетливо видно, что одни гены транскрибируются активнее других. Хорошо различимы и неактивные гены.

Особое место занимает изучение политенных хромосом. Политенные хромосомы — это гигантские хромосомы, обнаруживаемые в интерфазных клетках некоторых тканей у мух и других двукрылых. Такие хромосомы есть у них в клетках слюнных желез, мальпигиевых сосудов и средней кишки. Они содержат сотни нитей ДНК, которые редуплицировались, но не подверглись расхождению. При окраске в них выявляются четко выраженные поперечные полосы или диски (см. рис. 3.56). Многие отдельные полосы соответствуют местоположению отдельных генов. Ограниченное число определенных полос в некоторых дифференцированных клетках образует вздутия, или пуфы, выступающие за пределы хромосомы. Эти вздутые участки находятся там, где гены наиболее активны в отношении

транскрипции. Было показано, что клетки разного типа содержат разные пуфы (см. рис. 3.65). Изменения в клетках, происходящие в ходе развития, коррелируют с изменениями в характере пуфов и синтезом определенного белка. Других примеров визуального наблюдения генной активности пока нет.

Все остальные этапы экспрессии генов являются результатом сложных видоизменений продуктов первичной генной активности. Под сложными изменениями подразумевают посттранскрипционные преобразования РНК, трансляцию и посттрансляционные процессы.

Имеются данные по изучению количества и качества РНК в ядре и цитоплазме клеток организмов, находящихся на разных стадиях эмбрионального развития, а также в клетках различных типов у взрослых особей. Обнаружено, что сложность и число различных видов ядерной РНК в 5—10 раз выше, чем мРНК. Ядерные РНК, которые представляют собой первичные продукты транскрипции, всегда длиннее, чем мРНК. Кроме того, ядерная РНК, изученная на морском еже, по количеству и качественному разнообразию идентична на различных стадиях развития особи, а мРНК цитоплазмы отличается в клетках разных тканей. Это наблюдение приводит к мысли о том, что посттранскрипционные механизмы влияют на дифференциальную экспрессию генов.

Не все гены, имеющиеся в клетке, вообще реализуются до этапа образования мРНК цитоплазмы, но и эти образовавшиеся мРНК не все и не во всяких условиях реализуются в полипептиды и тем более в сложные признаки. Известно, что некоторые мРНК блокируются на уровне трансляции, будучи в составе рибонуклеопротеиновых частиц — информосом, вследствие чего происходит задержка трансляции. Это имеет место в овогенезе, в клетках хрусталика глаза.

Дифференцировка клеток не сводится только к синтезу специфических белков, поэтому применительно к многоклеточному организму эта проблема неотрывна от пространственно-временных аспектов и, следовательно, от еще более высоких уровней ее регуляции, нежели уровни регуляций биосинтеза белка на клеточном уровне. Дифференцировка всегда затрагивает группу клеток и соответствует задачам обеспечения целостности многоклеточного организма.

Нервная система развивается из наружного зародышевого листа -- эктодермы. В дорсальных отделах (заднем, спинном) туловища зародыша дифференцирующиеся эктодермальные клетки образуют в возрасте четырех недель нервная пластинка. Она состоит из скопления мало дифференцированных клеток, которые отличаются от других клеток эктодермы вытянутой формой.

Дифференцировка клеток нервной ткани.

В ходе онтогенеза по краям нервной пластинки возникают утолщения- нервные валики. Нервная пластинка прогибается, валики смыкаются, и пластинка сворачивается в нервную трубку с невроцелем. На переднем и заднем концах нервной трубки остаются небольшие несращенные участки- нейропоры. Сформированная нервная трубка отшнуровывается от эктодермы и погружается в мезодерму. После смыкания нервных валиков по бокам образуются полоски, в которых клетки располагаются свободно, - это нервные гребни. Клетки способны к активному перемещению, из них формируется два типа нервных клеток: нейробласты и спонгиобласты. Нейробласты затем дифференцируются в нейроны. Их созревание связано с ростом отростков и установление синаптических путей. При этом отростки находят соответствующие мишени путем хемотаксиса с помощью вытянутых глиальных клеток, играющих роль направляющих структур. Рост и развитие отростков продолжается в течение первых месяцев жизни.

В развивающемся мозге образуется серое и белое вещество. Серое вещество содержит тела нейронов, из него формируются ядра центральной нервной системы и кора. Белое вещество состоит из отростков нейронов, формирующих пучки и тракты, которые являются звеньями проводящих путей центральной нервной системы. На последнем месяце внутриутробного периода начинается миелинизация нервных волокон, которая происходит в направлении от заднего к переднему мозгу; этот процесс завершается после рождения. Миелинизация нервных волокон заканчивается у человека к 7 годам.

Спонгиобласты образуют в нервной трубке массу клеток, напоминающих губчатую ткань. По мере дифференцировке они перемещаются в толщу нервной трубки, формируя клетки нейроглии. В начале из спонгиобластов образуются клетки эпендимы, затем формируются олигодендроциты, в последнюю очередь -- астроциты, которые впоследствии дифференцируются дальше.

В самой нервной трубке образуется три слоя:

1. внутренний- эпендимный, выстилает полость изнутри;

2. средний- плащевой;

3. внешний- краевая вуаль.

Из внутреннего слоя в дальнейшем развивается эпендимальная выстилка полостей желудочков мозга и центрального канала спинного мозга, из среднего- серое вещество мозга, наружный слой, почти лишен клеток превращается в белое вещество. В начале все стенки нервной трубки имеют одинаковую толщину. Затем более интенсивно развиваются боковые отделы трубки, которые все более утолщаются. Передняя и задняя стенки отстают в росте и постепенно погружаются между боковыми отделами. В результате образуются продольные срединные борозды спинного и продолговатого мозга. Со стороны полости трубки на внутренней поверхности каждой из боковых стенок формируются неглубокие продольные пограничные бороздки, которые подразделяют боковые отделы трубки на вентральную основную и дорсальную крыльную пластинки. Основная пластинка служит зачатком, из которого формируются передние столбы серого вещества и прилежащие к ним белое вещество. Из крыльной пластинки развиваются задние столбы серого вещества и прилежащие к ним белое вещество. На стадии нервной бороздки в боковых её отделах выделяют клеточные тяжи, получившие название медуллярных гребешков. В период образования нервной трубки два гребешка срастаясь, образуют ганглиозную пластинку, располагающиеся дорсальнее нервной трубки. Из ганглионарной пластинки образуются ганглии (узлы) спинальных нервов и чувствительные узлы черепных нервов.

Рис. 3 Ранние стадии развития нервной системы человека. Формирование нервной трубки.

Вслед за обособлением ганглиозной пластинки, отмечается заметное расширение передней части нервной трубки.

Головной отдел нервной трубки является зачатком, из которого развивается головной мозг. Уже при возникновении головной мозг проявляет некоторые признаки дифференциации на отделы. У четырехнедельных эмбрионов человека можно выделить три области головного мозга. Три мозговых пузыря, отделенных друг от друга не большими сужениями стенок нервной трубки: передний, средний и задний. Передний мозг является наиболее широким в связи с наличием глазных пузырей, которые возникают в виде выростов из его боковых стенок. В самой передней части переднего мозга полное закрытие нервных складок несколько замедляется. В течение некоторого времени там сохраняется отверстие. В дальнейшем из переднего пузыря формируется конечный, промежуточные мозговые пузыри.

Средний мозг отделен от переднего и несколько менее четко от заднего небольшими сужениями стенок нервной трубки. У ранних эмбрионов средний мозг проявляет незначительную местную специализацию, предшествующую формированию специфических структур. Его крыша увеличивается в толщине и дифференцируется в центры связанные о зрением и слухом, а вдоль его дна образуются большие волокнистые тракты, которые связывают более высоко расположенные части головного мозга со спинным мозгом.

Из заднего пузыря образуются продолговатый и задний мозговые пузыри, из последнего развиваются мост и мозжечок. Каудальный (задний) конец заднего мозга постепенно переходит в более тонкую часть нервной трубки, которая в дальнейшем превращается в спинной мозг.

Стадия трех мозговых пузырей продолжается не долго. К концу четвертой недели уже появляющийся признаки предстоящего разделения переднего мозга, и вскоре после этого становиться заметной дифференциация заднего мозга. На шестой недели развития мы можем различить в мозгу пять мозговых пузырей. Пять отделов головного мозга, образующихся у шестинедельного эмбриона, сохраняется в виде основных частей взрослого человека. В ходе своего дальнейшего развития они значительно видоизменяются. Детали всех структурных специализаций, появляющихся в различных участках головного мозга, слишком сложны для краткого рассмотрения. Мы ограничимся рассмотрением основой, которая впоследствии даст возможность приобрести более полные знания о нервной системе.

Все мозговые пузыри первоначально находятся в одной плоскости. Затем нервная трубка в головном отделе образует три изгиба в сагиттальной плоскости. Ранее других появляется теменной изгиб в теменной области среднего мозгового пузыря. Затем на границе заднего мозгового пузыря и зачатка спинного мозга выделяется затылочный изгиб, направленный выпуклостью в дорсальную сторону, как и теменной. Третий мозговой изгиб -- мостовой, обращенный вентрально, появляется между двумя предыдущими изгибами в области заднего мозга. Этот последний изгиб подразделяет ромбовидный мозг на два отдела (пузыря): продолговатый мозг и задний мозг, состоящего из моста, и дорсально расположенного мозжечка. Общая полость ромбовидного мозга преобразуется в IV желудочек, который в задних своих отделах сообщается с центральным каналом спинного мозга и с межоболочечным пространством. Над тонкой однослойной крышей формирующегося IV желудочка прорастают кровеносные сосуды. Вместе с верхней стенкой IV желудочка, состоящего из одного слоя эпендимальных клеток, они образуют сосудистое сплетение IV желудочка. В передних отделах в полость IV желудочка открывается водопровод среднего мозга, который является полостью среднего мозга. Стенки нервной трубки в области среднего мозгового пузыря утолщаются более равномерно. Из вентральных отделов нервной трубки здесь развиваются ножки мозга, а из дорсальных отделов -пластинка крыши среднего мозга. В промежуточном мозге (задней его части) наибольшего развития достигают латеральные стенки, которые значительно утолщаются и образуют зрительные бугры (таламусы). Из боковых стенок промежуточного мозга путем выпячивания в латеральные стороны образуются глазные пузырьки, каждый из которых впоследствии превращается в сетчатку (сетчатую оболочку) глазного яблока и зрительный нерв. Тонкая дорсальная стенка промежуточного мозга срастается с сосудистой оболочкой, образуя крышу III желудочка, содержащую сосудистое сплетение. В дорсальной стенке также появляется слепой непарный вырост, который впоследствии превращается в шишковидное тело, или эпифиз. В области тонкой нижней стенки образуется еще одно непарное выпячивание, превращающиеся в серый бугор, воронку и заднюю долю гипофиза. Передний мозг разделился на конечный мозг и промежуточный. Полость промежуточного мозга образует III желудочек мозга, который посредством водопровода среднего мозга сообщается с IV желудочком.

Рис. 4. Головной мозг эмбриона человека на стадиях трёх (А) и пяти (Б) мозговых пузырей.

Конечный мозг, состоящий на ранних этапах развития из непарного мозгового пузыря, впоследствии за счет преобладающего развития боковых отделов превращается в два пузыря - будущие полушария большого мозга. Непарная в начале полость конечного мозга подразделяется на две части, каждая из которых сообщается с помощью межжелудочкового отверстия с полостью III желудочка. Полости развивающихся полушарий большого мозга преобразуются в имеющие сложную конфигурацию боковые желудочки мозга.

Интенсивные рост полушарий приводит к тому, что они постепенно покрывают сверху и с боков не только промежуточный и средний мозг, но и мозжечок. На внутренней поверхности стенок формирующихся правого и левого полушарий, в области их основания, образуется выступ (утолщение стенки), в толще которого развиваются узлы основания головного мозга- базальные ядра. Тонкая медиальная стенка пузыря каждого полушария вворачивается внутрь полости бокового желудочка вместе с сосудистой оболочкой и образует сосудистое сплетение бокового желудочка. В области тонкой передней стенки, представляющей продолжение пограничной пластинки, развивается утолщение, которое впоследствии превращается в мозолистое тело и переднюю спайку мозга, связывающие друг с другом оба полушария. Неравномерный и интенсивный рост стенок пузырей полушарий приводит к тому, что вначале на гладкой из наружной поверхности в определенных местах появляются углубления, образующие борозды полушарий большого мозга. Раньше других появляются глубокие постоянные борозды, первой формируется латеральная (сильвиева) борозда. При помощи таких глубоких борозд. Каждое полушарие оказывается разделенным на доли, которые более мелкими бороздами подразделяются на выпячивания - извилины большого мозга.

Наружные слои стенок пузырей полушарий образованы развивающимся здесь серым веществом - корой большого мозга. Борозды и извилины значительно увеличивают поверхность коры большого мозга. К моменту рождения ребенка полушария его большого мозга имеют все борозды и извилины. После рождения в различных долях полушарий появляются мелкие непостоянные борозды, не имеющие названий. Их количество и место появления определяют многообразие вариантов и сложность рельефа полушарий головного мозга.

Между развитием коры больших полушарий и общим созреванием мозга существует временной разрыв. Если формирование коры заканчивается к 30-му дню, то завершение созревания основных мозговых систем -- к 7-12 месяцу постнатальной жизни. Увеличение поперечника коры в определенном возрастом периоде обусловлено делением и миграцией нейробластов, созреванием клеток, ростом их отростков, подрастанием ассоциативных волокон.

На третьем месяце развития начинается миграция большого количества нейробластов в периферии, в результате чего образуется слой молодых нервных клеток (преобладают пирамидальные клетки), расположенных над первичной краевой зоной. Этот слой нейробластов покрывает поверхность мозга и образует тем самым закладку серого вещества. В процессе развития наблюдается заметное увеличение количества волокон в слое, расположенным между закладкой коры и нейробластами (внутренний ядерный слой), примыкающими к эпендимной зоне. Во время этого процесса большинство нейробластов покидает волокнистый слой, хотя отдельные клетки остаются вплоть до рождения. После миелинизации этот волокнистый слой образует белое вещество полушарий.

На четвертом - пятом месяцах периферическая зона нейробластов ( закладка серого вещества) постепенно подразделяется на внешнюю и внутреннюю полосы, которые отделены друг от друга слоем, содержащим только разбросанные нейробласты. Неклеточная зона представляет собой закладку внутреннего зернистого слоя коры. Клетки расположенные поверхностно и глубже по отношению к внутреннему зернистому слою подразделяются на два слоя. Таким образом формируется кора состоящая из шести слоев. В результате изменения этих шести основных слоев образуются различные специализированные области неопаллиальной коры.

К шести месяцам у эмбриона имеются все цитоархитектонические поля коры, свойственные взрослому человеку. После рождения в росте коры можно выделить три переломных этапа: на 2-3-м месяце жизни, в 2,5-3 года и в 7 лет. К последнему сроку цитоархитектоника коры полностью сформирована, хотя тела нейронов продолжают увеличиваться до 18 лет.

До четырех лет жизни головной мозг ребенка растет равномерно в высоту, длину и ширину, в дальнейшем преобладает рост мозга в высоту. Наиболее быстро растут лобная и теменная доли. По мере развития ребенка борозды больших полушарий становятся глубже, а извилины между ними рельефнее. Соотношение борозд, извилин и швов характерное для взрослого человека устанавливается у детей 6-8 лет.

Рис. 5. Схема последовательности развития основных отделов и структур мозга:

А - в нервной трубке дифференцированным является только первичный передний мозг (prosencephalon); Б - намечаются три основных отдела (стадия трех мозговых пузырей); В, Г - развиты пять отделов головного мозга (стадия пяти мозговых пузырей); Prosencephalon - первичный передний мозг, Rhombencephalon - первичный задний мозг, Mesencephalon - средний мозг, Telencephalon - конечный мозг, Diencephalon - промежуточный мозг, Metencephalon - задний мозг, Myelencephalon - продолговатый мозг;

1 - нейропор, 2 - вентральная борозда, 3 - воронка, 4 - глазной пузырь,

5 - гипофизарный карман, 6 - обонятельная луковица, 7 - глазной стебелек,

8 - гипофиз, 9 - таламус, 10 - крыша, 11 - мозжечок, 12 -- мост, 13 - продолговатый мозг, 14 - сосудистое сплетение, 15 - кора (плащ), 16 - базальные ядра, 17 - зрительный перекрест,

ДИФФЕРЕНЦИРОВКА И ПАТОЛОГИЯ КЛЕТОК

Дифференцировка клеток. Факторы и регуляция дифференцировки. Стволовая клетка и дифферон

Апоптоз и некроз

Опухолевая трансформация клеток

Дифференцировка клеток. Факторы и регуляция дифференцировки. Стволовая клетка и дифферон

Этот вопрос относится к числу наиболее сложных и в тоже время интересных как для цитологии, так и для биологии. Дифференцировка-это процесс возникновения и развития структурных и функциональных различий между первоначально однородными эмбриональными клетками, в результате которого образуются специализированные клетки, ткани и органы многоклеточного организма. Дифференцировка клеток является важнейшей составной частью процесса формирования многоклеточного организма. В общем случае дифференцировка необратима, т.е. высокодифференцированные клетки не могут превращаться в клетки другого типа. Это явление называется терминальной дифференцировкойи присуще преимущественно клеткам животных. В отличие от клеток животных, большинство клеток растений даже после дифференцировки способны переходить к делению и даже вступать на новый путь развития. Такой процесс называется дедифференцировкой. Например, при надрезе стебля некоторые клетки в зоне разреза начинают делиться и закрывают рану, другие вообще могут подвергаться дедифференцировке. Так клетки коры могут превратиться в клетки ксилемы и восстановить непрерывность сосудов в области повреждения. В экспериментальных условиях при культивировании растительной ткани в соответствующей питательной среде клетки образуют каллус. Каллус – это масса относительно недифференцированных клеток, полученная из дифференцированных клеток растений. При соответствующих условиях из одиночных клеток каллуса можно вырастить новые растения. При дифференцировки не происходит потерь или перестройки ДНК. Об этом убедительно свидетельствуют результаты экспериментов по пересадке ядер из дифференцированных клеток в недифференцированные. Так ядро из дифференцированной клетки вводили в энуклеированную яйцеклетку лягушки. В результате из такой клетки развивался нормальный головастик. Дифференцировка в основном происходит в эмбриональный период, а также на первых стадиях постэмбрионального развития. Кроме того, дифференцировка имеет место в некоторых органах взрослого организма. Например, в кроветворных органах стволовые клетки дифференцируются в различные клетки крови, а в гонадах – первичные половые клетки – в гаметы.

Факторы и регуляция дифференциации.На первых этапах онтогенеза развитие организма происходит под контролем РНК и других компонентов, находящихся в цитоплазме яйцеклетки. Затем на развитие начинают оказывать влияние факторы дифференцировки.

Выделяют два основных фактора дифференцировки:

1. Различия цитоплазмы ранних эмбриональных клеток, обусловленные неоднородностью цитоплазмы яйца.

2. Специфические влияния соседних клеток (индукция).

Роль факторов дифференцировки заключается в избирательной активации или инактивации тех или иных генов в различных клетках. Активность определенных генов приводит к синтезу соответствующих белков, направляющих дифференциацию. Синтезируемые белки могут блокировать или, напротив, активировать транскрипцию. Первоначально активация или инактивация разных генов зависит от взаимодействия тотипотентных ядер клеток со своей специфической цитоплазмой. Возникновение локальных различий в свойствах цитоплазмы клеток называется ооплазматической сегрегацией. Причина этого явления заключается в том, что в процессе дробления яйцеклетки участки цитоплазмы, различающиеся по своим свойствам, попадают в разные бластомеры. Наряду с внутриклеточной регуляцией дифференцировки с определенного момента включается надклеточный уровень регуляции. К надклеточному уровню регуляции относится эмбриональная индукция.

Эмбриональная индукция – это взаимодействие между частями развивающегося организма, в процессе которого одна часть (индуктор) входит в контакт с другой частью (реагирующей системой) и определяет развитие последней. Причем установлено не только воздействие индуктора на реагирующую систему, но и влияние последней на дальнейшую дифференцировку индуктора.

Под действием какого-либо фактора сначала происходит детерминация.

Детерминацией, или латентной дифференцировкой, называют явление, когда внешние признаки дифференцировки еще не проявились, но дальнейшее развитие ткани уже происходит независимо от фактора, вызвавшего их. Клеточный материал считают детерминированным со стадии, на которой он впервые при пересадке в новое место развивается в орган, который из него образуется в норме.

Стволовая клетка и дифферон.К числу перспективных направлений биологии XXI века относится изучение стволовых клеток. Сегодня исследования стволовых клеток по значимости сопоставимо с исследованиями по клонированию организмов. По мнению ученых применение стволовых клеток в медицине позволит лечить многие "проблемные" заболевания человечества (бесплодие, многие формы рака, диабет, рассеянный склероз, болезнь Паркинсона и др.).

Стволовая клетка – это незрелая клетка, способная к самообновлению и развитию в специализированные клетки организма.

Стволовые клетки подразделяют на эмбриональные стволовые клетки (их выделяют из эмбрионов на стадии бластоцисты) и региональные стволовые клетки (их выделяют из органов взрослых особей или из органов эмбрионов более поздних стадий). Во взрослом организме стволовые клетки находятся, в основном, в костном мозге и, в очень небольших количествах, во всех органах и тканях.

Свойства стволовых клеток. Стволовые клетки самоподдерживаются, т.е. после деления стволовой клетки одна клетка остается в стволовой линии, а вторая дифференцируются в специализированную. Такое деление называется несимметричным.

Функции стволовых клеток. Функция эмбриональных стволовых клеток заключается в передаче наследственной информации и образовании новых клеток. Основная задача региональных стволовых клеток - восстановлениепотерь специализированных клеток после естественной возрастной или физиологической гибели, а также в аварийных ситуациях.

Дифферон – это последовательныйряд клеток, образовавшийся из общего предшественника. Включает стволовые, полустволовые и зрелые клетки.

Например, стволовая клетка, нейробласт, нейрон или стволовая клетка, хондробласт, хондроцит и т. д.

Нейробласт - малодифференцированная клетка нервной трубки, превращающаяся в дальнейшем в зрелый нейрон .

Нейрон - клетка, являющаяся структурной и функциональной единицей нервной системы.

Хондробласт - малодифференцированная клетка хрящевой ткани, превращающаяся в хондроцит (зрелая клетка хрящевой ткани).

Апоптоз и некроз

Апоптоз (с греч. - опадание листьев) - это генетически запрограммированная форма гибели клетки, необходимая в развитии многоклеточного организма и участвующая в поддержании тканевого гомеостаза. Апоптоз проявляется в уменьшении размера клетки, конденсации и фрагментации хроматина, уплотнении плазматической мембраны без выхода содержимого клетки в окружающую среду. Апоптоз обычно противопоставляется другой форме гибели клеток — некрозу, который развивается при воздействии внешних по отношению к клетке повреждающих агентов и неадекватных условий среды (гипоосмия, крайние значения рН, гипертермия, механические воздействия, действие агентов, повреждающих мембрану). Некроз проявляется набуханием клетки и разрывом мембраны вследствие повышения ее проницаемости с выходом содержимого клетки в среду. Первые морфологические признаки апоптоза (конденсация хроматина) регистрируются в ядре. Позже появляются вдавления ядерной мембраны и происходит фрагментация ядра. Отшнуровавшиеся фрагменты ядра, ограниченные мембраной, обнаруживаются вне клетки, их называют апоптотическими тельцами. В цитоплазме происходят расширение эндоплазматической сети, конденсация и сморщивание гранул. Важнейшим признаком апоптоза является снижение трансмембранного потенциала митохондрий. Клеточная мембрана утрачивает ворсинчатость, образует пузыревидные вздутия. Клетки округляются и отделяются от субстрата. Проницаемость мембраны повышается лишь в отношении небольших молекул, причем это происходит позже изменений в ядре. Одной из наиболее характерных особенностей апоптоза является уменьшение объема клетки в противоположность ее набуханию при некрозе. Апоптоз поражает индивидуальные клетки и практически не отражается на их окружении. В результате фагоцитоза, которому клетки подвергаются уже в процессе развития апоптоза, их содержимое не выделяется в межклеточное пространство. Напротив, при некрозе вокруг гибнущих клеток скапливаются их активные внутриклеточные компоненты, закисляется среда. В свою очередь это способствует гибели других клеток и развитию очага воспаления. Сравнительная характеристика апоптоза и некроза клеток приведена в таблице 1.

Таблица 1. Сравнительная характеристика апоптоза и некроза клеток

Признак	Апоптоз	Некроз
Распространенность	Одиночная клетка	Группа клеток
Пусковой фактор	Активируется физиологическими или патологическими стимулами
Скорость развития, часов	1-12	В пределах 1
Изменение размера клетки	Уменьшение	Увеличение
Изменения клеточной мембраны	Потеря микроворсинок, образование вздутий, целостность не нарушена	Нарушение целостности
Изменения ядра	Конденсация хроматина, пикноз, фрагментация	Набухание
Изменения в цитоплазме	Конденсация цитоплазмы, уплотнение гранул	Лизис гранул
Локализация первичного повреждения	В ядре	В мембране
Причины гибели клетки	Деградация ДНК, нарушение энергетики клетки	Нарушение целостности мембраны
Состояние ДНК	Разрывы с образованием сначала крупных, затем мелких фрагментов	Неупорядоченная деградация
Энергозависимость	Зависит	Не зависит
Воспалительный ответ	Нет	Обычно есть
Удаление погибших клеток	Фагоцитоз соседними клетками	Фагоцитоз нейтрофилами и макрофагами
Примеры проявления	Метаморфоз	Гибель клеток от гипоксии, токсинов

Апоптоз универсально распространен в мире многоклеточных организмов: аналогичные ему проявления описаны у дрожжей, трипаносом и некоторых других одноклеточных. Апоптоз рассматривается как условие нормального существования организма.

В организме апоптоз выполняет следующие функции:

§ поддержание постоянства численности клеток. Наиболее простой иллюстрацией значимости апоптоза для многоклеточного организма являются данные о роли этого процесса в поддержании постоянной численности клеток нематоды Caenorhabditis elegans.

§ защита организма от возбудителей инфекционных заболеваний, в частности, от вирусов. Многие вирусы вызывают такие глубокие нарушения в обмене веществ зараженной клетки, что она реагирует на эти нарушения запуском программы гибели. Биологический смысл такой реакции заключается в том, что смерть зараженной клетки на ранней стадии, предотвратит распространение инфекции по организму. Правда, у некоторых вирусов выработались специальные приспособления для подавления апоптоза в заражаемых клетках. Так в одних случаях в генетическом материале вируса закодированы вещества, выполняющие роль клеточных антиапоптозных белков-регуляторов. В других случаях вирус стимулирует синтез клеткой ее собственных антиапоптозных белков. Таким образом, создаются предпосылки для беспрепятственного размножения вируса.

§ удаление генетически дефектных клеток. Апоптоз является важнейшим средством естественной профилактики раковых новообразований. Есть специальные гены, контролирующие нарушения в генетическом материале клетки. В случае необходимости эти гены сдвигают равновесие в пользу апоптоза, и потенциально опасная клетка гибнет. Если такие гены мутируют, то в клетках развиваются злокачественные новообразования.

§ определение формы организма и его частей;

§ обеспечение правильного соотношения численности клеток различных типов;

Интенсивность апоптоза выше в начальные периоды онтогенеза, в частности во время эмбриогенеза. Во взрослом организме апоптоз продолжает играть большую роль лишь в быстро обновляющихся тканях.