Ląstelių diferenciacija. Daugialąsčio organizmo ląstelių diferenciacija Aiškia kūno diferenciacija vadinama

Viso augalo organizmo atsiradimą lemia ne tik ląstelių dauginimasis ir pailgėjimas, bet ir jų diferenciacija.

Diferenciacija reiškia ląstelių specializaciją atlikti įvairias funkcijas organizme. Anksčiausia ląstelių diferenciacija vyksta embriogenezės metu, kai susidaro rizogeninės ir kaulogeninės pradmenys. Nors tolesnis šiuos užuomazgas sudarančių ląstelių likimas skiriasi, išvaizda jos nesiskiria viena nuo kitos.

Dėl tolesnio vystymosi vyksta ląstelių diferenciacija, susijusi su šių funkcijų atlikimu: apsauginė (epidermis ir poepidermis), fotosintezė (lapo kempinė ir palisadinė parenchima), sugerianti (šaknų sistemos ląstelės), laidžioji ( laidieji audiniai) ir mechaniniai (mechaniniai stiebo audiniai ir laidūs audiniai). sijos). Be to, meristematiniai audiniai, kurie mažiausiai skiriasi nuo embrioninių ląstelių, yra specializuoti ląstelių dauginimuisi ir jų pradinei diferenciacijai. Šie audiniai taip pat atlieka generacines reprodukcijos funkcijas. Įvairių tipų diferenciacijos ląsteles kartu laiko parenchimos ląstelių masė, kurios buvo mažiausiai diferencijuotos, daugiausia susidedančios iš jų tempimo.

Šiuo metu manoma, kad kiekvienai diferencijuotai gyvų ląstelių būklei būdingas tam tikras aktyvių ir neaktyvių genomo sričių derinys ir atitinkamai tam tikras įvairių baltymų sintezės santykis. Tokiu atveju viena ar kita diferencijuota būsena pasiekiama ne savavališkai, o natūraliai, keičiant skirtingas būsenas. Štai kodėl tiesioginis vieno tipo ląstelių perdiferencijavimas į kito tipo ląsteles nepastebimas. Tarp jų būtinai yra dediferenciacijos stadija, kuri apima ląstelių dalijimosi aktyvavimą diferencijuotuose audiniuose.

Ląstelių diferenciacija organizme vyksta dėl tarpląstelinės sąveikos ir, greičiausiai, dėl kai kurių ląstelių gaminamų metabolitų įtakos kitoms. Tarpaudinių sąveikos vaidmens pavyzdžiai apima lemiamą viršūninės meristemos vaidmenį formuojant lapo pradą, besivystantį lapą arba stiebo pumpurą formuojant kambarinius virvelius ir kraujagyslių ryšulius. Įrodyta, kad metabolitai, lemiantys ląstelių diferenciaciją į laidų audinį, yra auksinas ir sacharozė. Jei lapų primordiumas (Osmunda cinnamomea) buvo išskirtas ankstyvoje vystymosi stadijoje, jis virto stiebo dariniu, o jei buvo palaikomas fiziologinis kontaktas su labiau išsivysčiusiais determinuotais lapais, jis virto lapu. Determinuotų lapų homogenatas turėjo tokį patį poveikį, o dirgiklis praėjo per miliporinį filtrą, bet neprasiskverbė į žėručio plokštelę.

Kai kuriais atvejais autoriai siūlo turėti specialių medžiagų, reikalingų vienokiam ar kitokiam diferenciacijos tipui: antesinų, florigenų - kaip žiedų formavimosi veiksnius, ankštinių augalų gumbų susidarymo induktorius, lapų ląstelių augimo faktorių, kolenchimos susidarymas – veiksnys, aktyvuojantis rizogenezę. Tačiau daugeliu atvejų skirtingo tipo diferenciacijos ląstelių atsiradimas paaiškinamas gerai žinomų fitohormonų grupių pagalba.

Yra du galimi fitohormonų reguliavimo poveikio diferenciacijai tipai. Kai kuriais atvejais hormonas yra būtinas viename etape, o tolesnė proceso eiga gali būti vykdoma be jo. Čia hormonas veikia kaip veiksnys, įtakojantis ląstelių pasirinkimą dėl vienokio ar kitokio diferenciacijos kelio, tačiau pasirinkus hormono nebereikia. Tokį fitohormonų veikimo pobūdį galima pastebėti, pavyzdžiui, indukuojant šaknų formavimąsi auksino ir kinetino pagalba: įsitvirtinus šaknų primordijai, tolesnis auksino ir kinetino buvimas nebereikalingas ir netgi slopinantis. Taip gali būti dėl to, kad besivystanti šaknis sukuria savo sistemą šiems fitohormonams susidaryti.

Kitas būdas, kuriuo fitohormonai veikia diferenciaciją, yra tai, kad fitohormono buvimas yra būtinas, kad ląstelės būtų tam tikroje diferencijuotoje būsenoje. Tokiu atveju sumažėjus fitohormono koncentracijai arba visiškai išnykus, ląstelės praranda šią būseną. Pavyzdžiui, ryžių, avižų, šparagų „nediferencijuoto“ kalio audinio augimo būsena palaikoma tik esant auksinui, o jo nesant vyksta lapų, šaknų ir stiebų organogenezė.

Pavyzdys, rodantis, kad tarp šių ekstremalių atvejų gali būti perėjimų, yra laidžiojo audinio virvelės susidarymas lapo pritvirtinimo prie stiebo vietoje. Žievės parenchimos ląstelės, veikiamos auksino, ateinančio iš lapo, dalijasi ir pirmiausia suformuoja prokambinį virvelę, iš kurios vėliau susidaro ksilemo ir floemo ląstelės. Jei lapas pašalinamas prokambio virvės stadijoje, ląstelės grįžta į parenchiminę būseną; bet jei ant lapkočio vietoj lapelio bus užteptas agaro kubas arba lanolino pasta su auksinu, tai prasidėjęs diferenciacijos procesas baigsis laidžio ryšulio susidarymu. Šis pavyzdys rodo, kad diferenciacijos metu yra tam tikras laikotarpis, pasižymintis tuo, kad jame vykstantys pokyčiai yra grįžtami. Atrodo, kad skirtumas tarp dviejų aukščiau nurodytų kraštutinių atvejų yra skirtinga šio fitohormono sukeltų pokyčių grįžtamumo laikotarpio trukmė.

Daugeliu atvejų ląstelių perėjimas prie diferenciacijos yra susijęs su jų dauginimosi nutraukimu. Tai sukėlė hipotezę, kad ląstelių diferenciacija vyksta dėl fiziologinio jų dalijimosi blokavimo, dėl ko ląstelių metabolizmas nukreipiamas ne į mitozinio ciklo uždarymą, o nuo jo. Dediferenciacijos metu ląstelės grįžta į mitozinį ciklą. Šią hipotezę patvirtina duomenys apie organogenezės ir diferenciacijos indukciją audinių kultūroje, kai iš aplinkos pašalinami kalio ląstelių dauginimuisi būtini veiksniai.

Šia prasme galime interpretuoti savo duomenis, kad auksino pašalinimas iš aplinkos, būtinas ląstelių dauginimuisi veiksnys, lėmė jų pailgėjimą, o kinetino pridėjimas sukėlė meristemų tipo ir diferencijuotų ląstelių atsiradimą. Tačiau reikia pripažinti, kad turimų duomenų dar nepakanka, kad mitozinio ciklo vienkartinį blokavimą būtų galima laikyti viena iš perėjimo prie ląstelių diferenciacijos priežasčių.

Mūsų darbe buvo pateikta literatūra ir mūsų pačių eksperimentiniai duomenys, kurie leidžia manyti, kad pereinant prie ląstelių pailgėjimo ir diferenciacijos, jų dalijimasis sustoja ne vienu veiksmu, o dėl laipsniško mitozinio ciklo trukmės ilgėjimo per kelis ciklus. Be to, yra ląstelių diferenciacijos tipų, kurie nėra susiję su dalijimosi nutraukimu. Tokie atvejai ypač dažnai stebimi gyvūnų ląstelėse, tačiau pasitaiko ir augalų ląstelėse. Pavyzdžiui, kambio ląstelėms būdinga diferencijuota būsena nėra susijusi su jų dalijimosi nutraukimu ar mitozinio ciklo nutraukimu.

Fitohormonų įtaka ląstelių diferenciacijai dažniausiai tiriama naudojant laidžių audinių elementų susidarymo iš nediferencijuotų ląstelių indukcijos pavyzdžius, taip pat poveikį kambio aktyvumui ir jo darinių – ksilemo ir floemo – susidarymui. Wetmore ir Rear eksperimentuose kalio audinys buvo pasodintas ant vadinamosios palaikomosios terpės, kurioje buvo sumažinta sacharozės koncentracija (1% vietoj 4%) ir duotas minimalus auksino kiekis: 0,05 mg/l IAA. vietoj 1 mg/l 2,4-D pagal palyginus su aktyvia kalio dauginimosi terpe (morkomis). Ant atraminės terpės esančio kalio paviršiaus užtepus auksiną (0,05-1 mg/l) ir sacharozę (1,5-4%), nediferencijuotoje kalio masėje, išsidėsčiusioje perimetru nuo injekcijos vietos, atsirado laidžiojo audinio glomerulų. Šio apskritimo skersmuo priklausė nuo auksino koncentracijos (kuo didesnė koncentracija, tuo didesnis skersmuo).

Tai rodo, kad yra tam tikra auksino koncentracija, kuriai esant galima ląstelių diferenciacija. Susidariusių glomerulų sudėtis buvo reguliuojama sacharozės ir auksino santykiu: sacharozė prisidėjo prie floemo elementų vyravimo, o IAA - prie ksilemo elementų. Ypač įdomu tai, kad diferenciacijos indukcija įvyko, kai buvo sukurtas auksino ir sacharozės koncentracijų gradientas, o jei jo nėra, ląstelės, turinčios tą pačią auksino ir sacharozės koncentraciją, galėjo dalytis, tačiau diferenciacija neįvyko.

Galima daryti prielaidą, kad ląstelių diferenciacijos sukėlimui reikia atsirasti vietinių besidalijančių ląstelių židinių, apsuptų nesidalijančių ląstelių. Dauginimosi metu židinio centre esančios ląstelės virto ksilemo ląstelėmis, o išorėje – floemo ląstelėmis. Tai sutampa su pirminio ksilemo ir floemo pasiskirstymu stiebo viršūnėse ir šaknų galiukuose.

Panašūs eksperimentai, kurių metu gauti tie patys rezultatai, buvo atlikti su pupelių kalio audiniu. Šie eksperimentai parodė, kad sacharozė, be anglies šaltinio, atlieka specifines reguliavimo funkcijas. Jo poveikį atkartojo tik maltozė ir trehalozė. Glomerulų susidarymo vietoje IAA koncentracija buvo 25 γ/l, o sacharozės – 0,75 proc. Buvo parodyta, kad jei pirmiausia buvo skiriama IAA, o po to sacharozė, įvyko ląstelių diferenciacija; jei iš pradžių pridėsite sacharozės, o po to IAA, tada neįvyks diferenciacija. Tai leido autoriams teigti, kad IAA vaidmuo yra tik paskatinti ląstelių dalijimąsi, o tolesnę jaunų ląstelių diferenciaciją lemia sacharozė.

Tracheidinių elementų atsiradimo indukcija, veikiant IAA, taip pat buvo pastebėta izoliuotoje tabako stiebo šerdies parenchimoje, coleus, veikiant NAA ir HA topinambų gumbų eksplantuose, veikiant IAA ir kinetinui. kopūsto stiebo parenchimoje, o IAA ir kinetino santykis suvaidino pagrindinį vaidmenį ląstelių likime.kinetinas. Kituose tyrimuose kinetinas taip pat veikė kaip veiksnys, skatinantis ksilemo elementų diferenciaciją ir lignino susidarymą. Atliekant eksperimentus su coleus tarpmazgių pjūviais, buvo įrodyta, kad IAA veikiamų laidių audinių atsiradimas buvo slopinamas rentgeno spinduliuote ir aktinomicinu D, o aktinomicinas D veikė tik per pirmąsias dvi indukcijos dienas.

Taigi pats sacharozės ir IAA indukuojančio poveikio reiškinys ląstelių diferenciacijai į laidaus audinio elementus buvo gana kruopščiai nustatytas. Tačiau fiziologinė ir biocheminė šio veiksmo analizė tik prasideda.

Pažymėtina, kad parenchiminio audinio gabaluose, veikiant auksinui, indukuojami laidžiojo audinio elementai, tačiau pats laidus audinys nesusidaro sruogų pavidalu. Anksčiau mes jau minėjome auksino indukuojančio poveikio stiebo parenchimo ląstelių diferenciacijai į laidžius lapų virvelės audinius faktą. Tokiu atveju dėl indukcijos atsiranda laidžio audinio grandinė, o ne diferencijuotų ląstelių glomerulas. Tikriausiai taip yra dėl to, kad auksinas patenka ne dėl paprastos difuzijos, o per poliarinį transportą. Poliarinio auksino transportavimo svarba koleuso laidžių audinių regeneracijoje parodyta Jacobso ir Thompsono darbuose. Šių autorių eksperimentai rodo, kad, matyt, visame augale laidžių audinių atsiradimą kontroliuoja fitohormonai, ypač auksinas.

Torrey eksperimentuose su izoliuotomis žirnių šaknimis buvo įrodyta, kad kambio aktyvavimą ir antrinių laidžių audinių susidarymą jose kontroliuoja auksinas. Išskirtose ridikėlių šaknyse auksinas ir kinetinas sukėlė šiuos procesus, o mezoinozitolis juos žymiai sustiprino. Digby ir Waring parodė, kad vien IAA ir GA silpnai stimuliavo kambio aktyvumą ir ksilemo susidarymą tuopos ir vynuogių pumpuruose. Reikšmingas aktyvavimas buvo pastebėtas tik tada, kai jie buvo naudojami kartu. Šiuo atveju HA vyravimas mišinyje lėmė aktyvesnį floemo susidarymą, o IAA vyravimas - ksilemo link.

HA sąveika su IAA ir nepriklausomas HA poveikis laidžių audinių formavimuisi buvo pastebėtas ir kituose tyrimuose su visais augalais. Neveikiančių obelų daiguose NAA sukėlė kambio aktyvavimą, tačiau susidarė tik parenchimos ląstelės; tracheidų atsiradimas įvyko tik kartu veikiant NAA ir benziladeninui.

Taigi galima daryti prielaidą, kad visame augale laidžių audinių formavimosi aktyvumo kontrolė vykdoma reguliuojant fitohormonų (auksinų, citokininų ir giberelinų) koncentraciją.

Ląstelių diferencijavimas į tracheidas, kraujagyslių segmentus ir sieto vamzdelius yra susijęs su jų degeneracija iki mirties. Kai nediferencijuotame kaliuke atsiranda organogeninių struktūrų, susidaro meristeminės ląstelės, kurios yra daug energingesnės medžiagų apykaitos intensyvumo ir gebėjimo toliau diferencijuotis nei pirminio kalio audinio ląstelės.

Yra du būdai, kaip paskatinti organizuotų struktūrų atsiradimą nediferencijuotame kaliuke: atsitiktinė embriogenezė ir organogenezė.

Atsitiktinė embriogenezė susideda iš to, kad tam tikromis sąlygomis kai kurios kalio ląstelės dalijasi pakartotinai, sudarydamos tankią globulinę mažų meristematinių ląstelių sankaupą, iš kurios vėliau susidaro embrionas. Embrionams atsirasti palankios sąlygos yra skirtingos, tačiau visais atvejais būtina sumažinti koncentraciją arba visiškai pašalinti auksiną iš aplinkos. Halperinas ir Wetherell tai sieja su tuo, kad auksino koncentracijos, naudojamos masės ląstelių dauginimuisi, yra per didelės, kad besiformuojančioje preembrioidinėje globulėje vyktų poliarizacijos procesas į kaulogenines ir rizogenines dalis.

Tačiau kokie veiksniai yra būtini preembrioidiniam rutuliui atsirasti, vis dar nežinoma. Kai kuriais atvejais tai palengvina kokosų pienas, kinetinas, amonio druskos, tačiau kitais atvejais jos arba nereikalingos, arba nevaidina lemiamo vaidmens.

Reikia pažymėti, kad embrionai, matyt, atsiranda ne iš laisvos vienos ląstelės, o visada tam tikro dydžio nuospaudų masėje. Šioje kalio masėje net viena ląstelė gali sukelti embrioną. Todėl svarbus vaidmuo formuojant embrionus tikriausiai priklauso tarpląstelinės sąveikos veiksniams, veikiantiems nedideliais atstumais, mažuose nuospaudų gumuluose.

Organogenezė taip pat prasideda formuojantis mažų ląstelių, kuriose gausu citoplazmos, sankaupos – meristematiniai židiniai. Iš šių židinių atsiranda arba stiebo, arba šaknų pumpurai, t.y. jie turi pradinę poliarizaciją. Kai kuriais atvejais stiebo pumpurai ir šaknų pumpurai formuojasi vienu metu kalio audinio masėje, tarp kurių vėliau užmezgamas ryšys naudojant kraujagyslių ryšulius. Veiksniai, lemiantys besiformuojančių primordijų pobūdį ir skatinantys jų atsiradimą, yra auksinas ir kinetinas. Kamieninių pumpurų atsiradimą sukelia kinetino koncentracijos padidėjimas ir auksino koncentracijos sumažėjimas terpėje, šaknų formavimosi indukcija labiau priklauso nuo auksino nei nuo kinetino, o 2,4-D pakeitimas IAA arba NAA turi teigiamą poveikį. Giberelinas dažniausiai slopina stiebo pumpurų susidarymą, tačiau gali paskatinti stiebo augimą. Kai kuriais atvejais audinys nesugeba suformuoti šaknų, todėl susidarę stiebo pumpurai dedami į sąlygas, palankias atsitiktinių šaknų susidarymui. Čia atsiskleidžia tam tikrų organogenezės etapų priklausomybė nuo fitohormonų naudojimo sekos, į kurią Stewardas ir jo kolegos atkreipia dėmesį.

Darbas, susijęs su organogenezės ir embriogenezės indukcija bei laidaus audinio elementų formavimosi indukcija, turi tai, kad iš pradžių šių procesų metu homogeniškame nediferencijuotame audinyje atsiranda nevienalytiškumas, nes tik dalis apdorotų ląstelių patiria transformacijos procesą. į naujų tipų ląsteles.

Tikėtina, kad atsiradus šiam heterogeniškumui sistemoje, būtina, kad auksino koncentracija audinyje būtų žymiai mažesnė nei optimali ląstelių dauginimuisi. Tada audinyje gali susidaryti tam tikras koncentracijos gradientas ir atsirasti tik vietiniai ląstelių dauginimosi židiniai. Šie židiniai patys tampa auksino šaltiniais, dėl kurių atkuriama jo poliarinio pernešimo sistema ir susidaro sąlygos tvarkingai sistemai statyti.

Atrodo, kad kiti fitohormonai labai skatina arba trukdo šiam procesui, tačiau gali turėti ir nepriklausomą poveikį. Reikėtų pažymėti, kad sąlygos, reikalingos pradiniam nevienalytiškumui atsirasti, ir sąlygos, būtinos vėlesniam besiformuojančių struktūrų vystymuisi, gali labai skirtis, įskaitant ir egzogeninius fitohormonus. Pavyzdžiui, meristeminių židinių atsiradimui ir pradinei jų specializacijai tabako audinyje labai svarbus kinetinas, o giberelinai šiuo metu turi neigiamą poveikį. Tačiau vėliau atsirandančių užuomazgų augimą ir vystymąsi, atvirkščiai, slopina kinetinas, bet skatina giberelinas.

Dėl nevienalyčio ląstelių atsako pobūdžio, sukeliant įvairių tipų diferenciaciją, sunku tirti fitohormonų vaidmenį, ypač pradinėse reakcijos fazėse, naudojant įprastinius fiziologinius ir biocheminius metodus. Šiuo atveju didelę reikšmę įgyja citologiniai ir citocheminiai metodai, kurių pagalba buvo pasiekta pirmųjų sėkmių nustatant pirminius sukeltų ląstelių pokyčius. Įrodyta, kad tos ląstelės, kurios ateityje pavirs organogeniniu rudimentu, iš pradžių skiriasi nuo aplinkinių ląstelių, kurias sudaro padidėjęs krakmolo kiekis. Giberelinas sukelia krakmolo hidrolizę (tikriausiai dėl amilazės aktyvinimo) ir kartu slopina organogenezę.

Yra daug pavyzdžių apie fitohormonų įtaką generatyvinių organų formavimuisi, lyties nustatymui augaluose su dvinamiais žiedais, lapų formos pokyčiams ir ląstelių diferenciacijos pobūdžiui lapuose, gautuose apdorojant visą augalą. Visais šiais atvejais fitohormonai taip pat veikia kaip ląstelių diferenciaciją reguliuojantys veiksniai. Tačiau, kai fitohormonais gydomi visi augalai, pastebėtas poveikis gali būti siejamas ne tik su tiesioginiu jų poveikiu besiskiriančioms ląstelėms, bet ir poveikiu visai hormonų sistemai. Todėl tokie darbai reikalauja kruopštaus patikrinimo, naudojant fitohormonų augaluose analizės metodus, kad jie būtų naudojami kaip fitohormonų įtakos vienai ar kitai diferenciacijos rūšiai pavyzdžiai.

Jei radote klaidą, pažymėkite teksto dalį ir spustelėkite Ctrl + Enter.

Gastruliaciją ir vėlesnius organizmų vystymosi etapus lydi ląstelių augimo ir diferenciacijos procesai.

Aukštis- tai yra bendros organizmo masės ir dydžio padidėjimas vystymosi metu. Jis pasireiškia ląstelių, audinių, organų ir organizmo lygiais. Viso organizmo masės padidėjimas atspindi jį sudarančių struktūrų augimą.

Augimą užtikrina šie mechanizmai:

Ląstelių skaičiaus padidėjimas;

Ląstelių dydžio padidėjimas;

Neląstelinės medžiagos tūrio ir masės padidėjimas.

Yra du augimo tipai: ribotas ir neribotas. Neribotas augimas tęsiasi per visą ontogenezę (asmens gyvenime, prieš ir po gimimo), iki mirties. Pavyzdžiui, žuvys turi tokį augimą. Daugeliui stuburinių gyvūnų būdingas ribotas augimas, t.y. Jie greitai pasiekia savo biomasės plynaukštę.

Yra keletas ląstelių augimo tipų.

Auxentic – augimas, atsirandantis didėjant ląstelės dydžiui. Tai retas augimo tipas, stebimas gyvūnams, turintiems pastovų ląstelių skaičių, pavyzdžiui, rotiferiams, apvaliosioms kirmėlėms ir vabzdžių lervoms. Atskirų ląstelių augimas dažnai siejamas su branduolio poliploidizacija.

Proliferacinis – augimas, vykstantis dauginantis ląstelėms. Jis žinomas dviem formomis: dauginamasis ir didėjantis.

Daugybiniam augimui būdinga tai, kad abi ląstelės, atsirandančios dalijantis pirminei ląstelei, vėl pradeda dalytis. Dauginamasis augimas yra labai efektyvus, todėl beveik niekada nevyksta gryna forma arba baigiasi labai greitai (pavyzdžiui, embriono laikotarpiu).

Akrecinis augimas reiškia, kad po kiekvieno sekančio dalijimosi vėl dalijasi tik viena iš ląstelių, o kita nustoja dalytis. Šis augimo tipas yra susijęs su organo padalijimu į kambinę ir diferencijuotas zonas. Ląstelės juda iš pirmosios zonos į antrąją, išlaikydamos pastovius zonų dydžių santykius. Šis augimas būdingas organams, kuriuose atnaujinama ląstelių sudėtis.

Erdvinis augimo organizavimas yra sudėtingas ir natūralus. Formos rūšinis specifiškumas daugiausia susijęs su ja. Tai pasireiškia alometriniu augimu. Biologinė jo prasmė ta, kad augdamas organizmas turi išlaikyti ne geometrinį, o fizinį panašumą, t.y. neviršyti tam tikrų kūno svorio ir atraminių bei motorinių organų dydžio santykio. Kadangi augant kūnui masė didėja iki trečio laipsnio, o kaulų skerspjūvis – iki antro laipsnio, tai tam, kad kūnas nesutraiškytų savo paties svorio, kaulai turi neproporcingai greitai augti storiu.

Egzistuoja limitas arba Hayflick limitas – somatinių ląstelių dalijimųsi limitas, pavadintas jos atradėjo Leonardo Hayflicko vardu. 1961 m. Hayflickas pastebėjo, kaip žmogaus ląstelės, besidalijančios ląstelių kultūroje, miršta po maždaug 50 pasidalijimų ir, artėjant prie šios ribos, atsiranda senėjimo požymių. Ši riba buvo nustatyta visų visiškai diferencijuotų žmonių ir kitų daugialąsčių organizmų ląstelių kultūrose. Maksimalus padalijimų skaičius skiriasi priklausomai nuo ląstelės tipo ir dar labiau skiriasi priklausomai nuo organizmo. Daugumos žmogaus ląstelių Hayflick riba yra 52 dalybos.

Hayflick riba yra susijusi su telomerų – DNR sekcijų chromosomų galuose – dydžio sumažėjimu. Jei ląstelėje nėra aktyvios telomerazės, kaip daro dauguma somatinių ląstelių, telomerų dydis mažėja su kiekvienu ląstelių dalijimusi, nes DNR polimerazė nesugeba atkartoti DNR molekulės galų. Dėl šio reiškinio telomerai turėtų sutrumpėti labai lėtai – po kelis (3–6) nukleotidus per ląstelės ciklą, tai yra, padalijimų skaičiui, atitinkančiam Hayflick ribą, jie sutrumpės tik 150–300 nukleotidų. Šiuo metu buvo pasiūlyta epigenetinė senėjimo teorija, kuri telomerų eroziją paaiškina pirmiausia ląstelių rekombinazių, suaktyvintų reaguojant į DNR pažeidimus, kuriuos daugiausia sukelia su amžiumi susijusi mobiliųjų genomo elementų derepresija, aktyvumu. Kai po tam tikro dalijimų skaičiaus telomerai visiškai išnyksta, tam tikrame ląstelės ciklo etape ląstelė užšąla arba pradeda apoptozės programą – XX amžiaus antroje pusėje aptiktas laipsniško ląstelių destrukcijos reiškinys, pasireiškęs ląstelių dydžio sumažėjimas ir medžiagos, patenkančios į tarpląstelinę erdvę po jos sunaikinimo, kiekio sumažinimas.

Svarbiausia augimo savybė yra jos skirtingumas. Tai reiškia, kad augimo greitis nėra vienodas, pirma, skirtingose kūno vietose ir, antra, skirtinguose vystymosi etapuose. Akivaizdu, kad diferencinis augimas turi didelį poveikį morfogenezei. Embriono augimą įvairiais etapais lydi ląstelių diferenciacija. Diferenciacija – tai ląstelių struktūros pokyčiai, susiję su jų funkcijų specializacija ir nulemti tam tikrų genų veiklos. Ląstelių diferenciacija lemia tiek morfologinių, tiek funkcinių skirtumų atsiradimą dėl jų specializacijos. Diferenciacijos proceso metu mažiau specializuota ląstelė tampa labiau specializuota. Diferenciacija keičia ląstelių funkciją, dydį, formą ir medžiagų apykaitos aktyvumą.

Yra 4 diferenciacijos etapai.

1. Ootipinė diferenciacija zigotos stadijoje jį vaizduoja numanomi rudimentai - apvaisinto kiaušinėlio dalys.

2. Blastomerų diferenciacija blastulės stadijoje atsiranda nevienodų blastomerų (pavyzdžiui, stogo blastomerai, kai kurių gyvūnų kraštinių zonų dugnas).

3. Rudimentinė diferenciacija ankstyvoje gastrulio stadijoje. Atsiranda atskiros sritys – gemalo sluoksniai.

4. Histogenetinė diferenciacija vėlyvoje gastrulio stadijoje. Viename lape atsiranda įvairių audinių užuomazgos (pavyzdžiui, mezodermos somituose). Organų ir sistemų užuomazgos susidaro iš audinių. Gastruliacijos ir gemalo sluoksnių diferenciacijos proceso metu susidaro ašinis organų pradmenų kompleksas.

Naujų struktūrų atsiradimas ir jų formos pokyčiai individualaus organizmų vystymosi metu vadinami morfogeneze. Morfogogenezė, kaip ir augimas bei ląstelių diferenciacija, reiškia a cikliškas procesai, t.y. negrįžta į ankstesnę būseną ir didžiąja dalimi negrįžtama. Pagrindinė aciklinių procesų savybė yra jų erdvėlaikinė organizacija. Morfogogenezė viršląsteliniame lygyje prasideda nuo gastruliacijos. Akorduose po gastruliacijos susidaro ašiniai organai. Šiuo laikotarpiu, kaip ir gastruliacijos metu, morfologiniai pokyčiai apima visą embrioną. Tolesnė organogenezė yra vietinis procesas. Kiekvieno iš jų viduje suskaidoma į naujus atskirus (individualius) pradmenis. Taigi individo vystymasis vyksta nuosekliai laike ir erdvėje, todėl formuojasi individas, turintis sudėtingą struktūrą ir daug turtingesnę informaciją nei zigotos genetinė informacija.

Diferenciacija - Tai procesas, kurio metu ląstelė tampa specializuota, t.y. įgyja cheminių, morfologinių ir funkcinių savybių. Siauriausia prasme – tai pokyčiai, vykstantys ląstelėje vieno, dažnai galutinio, ląstelės ciklo metu, kai prasideda tam tikram ląstelės tipui būdingų pagrindinių funkcinių baltymų sintezė. Pavyzdys yra žmogaus odos epidermio ląstelių diferenciacija, kai ląstelėse, pereinančiose iš bazinio į spygliuolį, o po to į kitus, labiau paviršinius sluoksnius, kaupiasi keratohialinas, kuris stratum pellucida ląstelėse virsta eleidinu. , o po to į keratiną raginiame sluoksnyje. Tuo pačiu metu keičiasi ląstelių forma, ląstelių membranų struktūra ir organelių rinkinys. Tiesą sakant, skiriasi ne viena ląstelė, o panašių ląstelių grupė. Yra daug pavyzdžių, nes žmogaus kūne yra apie 220 skirtingų tipų ląstelių. Fibroblastai sintetina kolageną, mioblastai – mioziną, o virškinamojo trakto epitelio ląstelės – pepsiną ir tripsiną. 338

Platesne prasme, pagal diferenciacija suprasti laipsnišką (per kelis ląstelių ciklus) vis didesnių skirtumų ir specializacijos sričių atsiradimą tarp ląstelių, kurios atsirado iš daugiau ar mažiau vienalyčių vieno pradinio užuomazgos ląstelių. Šį procesą tikrai lydi morfogenetinės transformacijos, t.y. tam tikrų organų užuomazgų atsiradimas ir tolesnis vystymasis į galutinius organus. Pirmieji cheminiai ir morfogenetiniai skirtumai tarp ląstelių, nulemti pačios embriogenezės eigos, nustatomi gastruliacijos laikotarpiu.

Gemalų sluoksniai ir jų dariniai yra ankstyvos diferenciacijos pavyzdys, dėl kurio ribojamas embriono ląstelių stiprumas. 8.1 schemoje parodytas mezodermos diferenciacijos pavyzdys (pagal V.V. Jaglovą, supaprastinta forma).

Schema 8.1. Mezodermos diferenciacija

Galima nustatyti daugybę savybių, apibūdinančių ląstelių diferenciacijos laipsnį. Taigi, nediferencijuota būsena pasižymi santykinai dideliu branduoliu ir dideliu branduolio ir citoplazmos santykiu V branduolys / V citoplazma ( V- tūrio), dispersinis chromatinas ir gerai apibrėžtas branduolys, daug ribosomų ir intensyvi RNR sintezė, didelis mitozinis aktyvumas ir nespecifinis metabolizmas. Visos šios savybės keičiasi diferenciacijos proceso metu, apibūdinančios ląstelės specializacijos įgijimą.

Procesas, kurio metu atskiri audiniai diferenciacijos metu įgauna jiems būdingą išvaizdą, vadinamas histogenezė. Ląstelių diferenciacija, histogenezė ir organogenezė vyksta kartu, tam tikrose embriono srityse ir tam tikru laiku. Tai labai svarbu, nes tai rodo embriono vystymosi koordinavimą ir integraciją.

Kartu stebina tai, kad iš esmės nuo vienos ląstelės stadijos (zigotos) momento tam tikro tipo organizmo vystymasis iš jos jau yra griežtai iš anksto nustatytas. Visi žino, kad iš paukščio kiaušinio išsivysto paukštis, o iš varlės kiaušinio – varlė. Tiesa, organizmų fenotipai visada skiriasi ir gali būti sutrikę iki mirties ar vystymosi defektų, o dažnai netgi gali būti dirbtinai sukonstruoti, pavyzdžiui, chimeriniams gyvūnams.

Būtina suprasti, kaip ląstelės, kurios dažniausiai turi tą patį kariotipą ir genotipą, reikiamose vietose ir tam tikru laiku diferencijuojasi bei dalyvauja histo- ir organogenezėje pagal holistinį tam tikro tipo organizmo „įvaizdį“. Atsargumas teikiant poziciją, kad visų somatinių ląstelių paveldima medžiaga yra absoliučiai identiška, atspindi objektyvią tikrovę ir istorinį dviprasmiškumą aiškinant ląstelių diferenciacijos priežastis.

V. Weismanas iškėlė hipotezę, kad tik lytinių ląstelių linija neša ir perduoda savo palikuonims visą savo genomo informaciją, o somatinės ląstelės gali skirtis nuo zigotos ir viena nuo kitos paveldimos medžiagos kiekiu ir dėl to diferencijuotis. kryptys. Žemiau pateikiami faktai, patvirtinantys galimybę pakeisti paveldimąją medžiagą somatinėse ląstelėse, tačiau jie turėtų būti interpretuojami kaip taisyklės išimtys.

Weismanas rėmėsi duomenimis, kad pirmųjų arklinių apvaliųjų kirmėlių kiaušinėlių smulkinimo metu dalis embriono somatinėse ląstelėse esančių chromosomų yra išmetama (eliminacija). Vėliau buvo įrodyta, kad išmestoje DNR daugiausia yra labai pasikartojančių sekų, t.y. iš tikrųjų neturi jokios informacijos.

Idėjų apie citodiferenciacijos mechanizmus raida pavaizduota 8.2 schemoje.

Vėliau buvo atrasti ir kiti somatinėse ląstelėse paveldimos medžiagos kiekio kitimo pavyzdžiai tiek genomo, tiek chromosomų, tiek genų lygmenyje. Ištisų chromosomų pašalinimo atvejai buvo aprašyti ciklopui, uodui ir vienam iš marsupialų atstovų. Pastarojoje iš patelės somatinių ląstelių pasišalina X chromosoma, o iš patino – Y chromosoma. Dėl to jų somatinėse ląstelėse yra tik viena X chromosoma, o lytinės ląstelės išlaiko normalius kariotipus: XX arba XY.

Dipteranų seilių liaukų politeninėse chromosomose DNR gali būti sintetinama asinchroniškai, pavyzdžiui, politenizacijos metu heterochromatinės sritys replikuojasi mažiau kartų nei euchromatinės. Pats politenizacijos procesas, priešingai, lemia reikšmingą DNR kiekio padidėjimą diferencijuotose ląstelėse, palyginti su tėvų ląstelėmis.

DNR replikacijos mechanizmas, vadinamas amplifikacija, taip pat lemia daugkartinį kai kurių genų skaičiaus padidėjimą kai kuriose ląstelėse, palyginti su kitomis. Oogenezės metu ribosomų genų skaičius padidėja daug kartų, taip pat gali sustiprėti kai kurie kiti genai. Yra įrodymų, kad kai kuriose ląstelėse diferenciacijos procese vyksta genų persitvarkymas, pavyzdžiui, imunoglobulino genai limfocituose.

Tačiau šiuo metu visuotinai priimtas požiūris kyla iš T. Morgano, kuris, remdamasis chromosomų paveldimumo teorija, teigė, kad ląstelių diferenciacija ontogenezės metu yra nuoseklios abipusės citoplazmos įtakos ir kintančių produktų branduolinio geno aktyvumas. Taigi, idėja diferencinė genų ekspresija kaip pagrindinis citodiferenciacijos mechanizmas. Šiuo metu yra surinkta daug įrodymų, kad daugeliu atvejų organizmų somatinės ląstelės turi pilną diploidinį chromosomų rinkinį, o somatinių ląstelių branduolių genetinės potencijos gali būti išsaugotos, t.y. genai nepraranda potencialaus funkcinio aktyvumo.

Viso besivystančio organizmo chromosomų rinkinio išsaugojimą pirmiausia užtikrina mitozės mechanizmas (išimties atveju neatsižvelgiama į galimus somatinių mutacijų atvejus). Įvairių somatinių ląstelių kariotipų tyrimai, atlikti naudojant citogenetinį metodą, parodė beveik visišką jų tapatybę. Citofotometriniu metodu nustatyta, kad DNR kiekis juose nemažėja, o naudojant molekulinę hibridizaciją, buvo parodyta, kad skirtingų audinių ląstelės yra identiškos nukleotidų sekomis. Tuo remiantis citogenetiniu metodu diagnozuojamos žmogaus chromosominės ir genomo ligos (nors metodo paklaidos siekia 5-10 proc.), o individų identifikavimui ir ryšio laipsniui nustatyti – DNR hibridizacijos metodas.

Be nustatyto daugumos somatinių ląstelių DNR kiekybinio naudingumo, didelį susidomėjimą kelia jose esančios paveldimos medžiagos funkcinių savybių išsaugojimo klausimas. Ar visi genai išlaiko galimybę įgyvendinti savo informaciją? Apie branduolių genetinės galios išsaugojimą galima spręsti iš eksperimentų, atliktų su augalais ir gyvūnais, rezultatų. Ilgą diferenciacijos procesą išgyvenusi morkų somatinė ląstelė sugeba išsivystyti į visavertį organizmą (8.6 pav.). Gyvūnams atskiros somatinės ląstelės po blastulės stadijos, kaip taisyklė, negali išsivystyti į visą normalų organizmą, tačiau jų branduoliai, persodinti į oocito ar kiaušinėlio citoplazmą, pradeda elgtis pagal citoplazmą. kuriuos jie randa patys.

Somatinių ląstelių branduolių persodinimo į kiaušinėlį eksperimentai pirmą kartą buvo sėkmingai atlikti šeštajame dešimtmetyje. JAV, o 60-70 m. Anglų mokslininko J. Gurdono eksperimentai tapo plačiai žinomi. Naudojant afrikietišką varlę Xenopus laevis, Nedidele dalimi atvejų suaugusią varlę jam išsivystė iš kiaušinėlio be branduolio, į kurį persodino varlės odos epitelio ląstelės arba buožgalvio žarnyno branduolį, t.y. iš diferencijuotos ląstelės (žr. 5.3 pav.). Kiaušinio enukleacija buvo atlikta didelėmis ultravioletinių spindulių dozėmis, dėl kurių buvo funkcinis jo branduolio pašalinimas. Norint įrodyti, kad persodintas somatinės ląstelės branduolys dalyvauja embriono vystyme, buvo panaudotas genetinis žymėjimas. Kiaušialąstė buvo paimta iš varlių linijos, kurios branduolyje yra du branduoliai (atitinka du branduolio organizatorius dviejose homologinėse chromosomose), o donoro ląstelės branduolys buvo paimtas iš linijos, kurios branduoliuose buvo tik vienas branduolys dėl heterozigotiškumas branduolio organizatoriaus dalijimui. Visi individo ląstelių branduoliai, gauti po branduolio transplantacijos, turėjo tik vieną branduolį.

Tuo pačiu metu Gurdono eksperimentai atskleidė daug kitų svarbių modelių. Pirma, jie dar kartą patvirtino T. Morgano prielaidą apie lemiamą citoplazmos ir branduolio sąveikos svarbą ląstelių gyvenime ir organizmo vystymuisi. Antra, daugybės eksperimentų metu buvo įrodyta, kad kuo senesnės stadijos donoro embrionas, iš kurio ląstelių buvo paimtas branduolys transplantacijai, tuo mažesnis procentas atvejų vystymasis buvo visiškai baigtas, t.y. pasiekė buožgalvio, o paskui varlės stadijas.

Ryžiai. 8.6. Patirtis, rodanti paveldimos medžiagos funkcinių savybių išsaugojimą somatinėje diferencijuotoje morkų ląstelėje:

1 - šaknis nupjauta maistinėje terpėje, 2- ląstelių profiliavimas kultūroje, 3- iš kultūros išskirta ląstelė, 4- ankstyvas embrionas 5- vėliau embrionas 6- jaunas augalas, 7 suaugęs augalas

Daugeliu atvejų plėtra sustojo ankstesniuose etapuose. Transplantacijos rezultatų priklausomybė nuo branduolinio donoro embriono stadijos parodyta Fig. 8.7. Embrionų, sulaikytų po branduolio perkėlimo, analizė parodė, kad jų branduoliuose yra daug chromosomų anomalijų. Kita vystymosi sustojimo priežastis laikoma diferencijuotų ląstelių branduolių nesugebėjimas atkurti sinchroninės DNR replikacijos.

Pagrindinė išvada, išplaukianti iš šios patirties, yra ta, kad somatinių ląstelių paveldima medžiaga gali išlikti nepažeista ne tik kiekybiškai, bet ir funkciškai, citodiferenciacija nėra paveldimos medžiagos nepakankamumo pasekmė.

Naujausias laimėjimas šioje srityje yra avies Dolly sukūrimas. Mokslininkai neatmeta galimybės daugintis panašiu būdu, t.y. persodinant branduolius, žmogaus genetinis padvigubėja. Tačiau reikia žinoti, kad žmogaus klonavimas, be mokslinių ir technologinių aspektų, turi ir etinių bei psichologinių aspektų.

Hipotezė diferencinė genų ekspresijaŠis bruožas šiuo metu laikomas pagrindiniu citodiferenciacijos mechanizmu.

Bendrieji genų ekspresijos reguliavimo principai yra išdėstyti skyriuje. 3.6.6. Šiame skyriuje bandoma išsiaiškinti selektyvios bruožo genų raiškos reguliavimo mechanizmus besivystančio daugialąsčio organizmo atžvilgiu, kuriame atskirų ląstelių grupių likimas neatsiejamas nuo individo raidos erdvėlaikio aspektų. Diferencinės genų ekspresijos reguliavimo lygiai atitinka informacijos įgyvendinimo etapus krypties genas → polipeptidas → požymis ir apima ne tik intracelulinius procesus, bet ir audinių bei organizmo procesus.

Geno ekspresija į požymį - Tai sudėtingas žingsnis po žingsnio procesas, kurį galima tirti įvairiais metodais: elektronų ir šviesos mikroskopija, biochemiškai ir kt. 8.3 paveiksle pavaizduoti pagrindiniai genų ekspresijos etapai ir metodai, kuriais galima juos tirti.

Schema 8.3

Vizualinis stebėjimas elektroniniu mikroskopu yra tiesiausias būdas tirti transkripcijos lygį, t.y. genų aktyvumas buvo atliktas tik atskirų genų atžvilgiu – ribosomų genų, chromosomų genų, tokių kaip lempos šepečiai ir kai kurių kitų (žr. 3.66 pav.). Elektronų difrakcijos modeliai aiškiai rodo, kad kai kurie genai yra transkribuojami aktyviau nei kiti. Neaktyvūs genai taip pat aiškiai išsiskiria.

Ypatingą vietą užima politeno chromosomų tyrimas. Politeno chromosomos - tai milžiniškos chromosomos, randamos kai kurių musių ir kitų dviburnių audinių tarpfazinėse ląstelėse. Tokių chromosomų jie turi seilių liaukų, Malpigijos kraujagyslių ir vidurinės žarnos ląstelėse. Juose yra šimtai DNR sruogų, kurios buvo pakartotos, bet neišsiskyrė. Nudažytos jos atskleidžia aiškiai apibrėžtas skersines juosteles arba diskus (žr. 3.56 pav.). Daugelis atskirų juostų atitinka atskirų genų vietą. Ribotas skaičius specifinių juostų kai kuriose diferencijuotose ląstelėse sudaro patinimus arba pūsles, kurios išsikiša už chromosomos. Šiose patinusiose vietose genai yra aktyviausi transkripcijai. Įrodyta, kad skirtingų tipų ląstelėse yra skirtingų pūslių (žr. 3.65 pav.). Ląstelių pokyčiai, atsirandantys vystymosi metu, koreliuoja su pūtimo modelių pokyčiais ir specifinių baltymų sinteze. Kitų vizualinio genų aktyvumo stebėjimo pavyzdžių kol kas nėra.

Visi kiti genų ekspresijos etapai yra sudėtingų pirminio genų veiklos produktų modifikacijų rezultatas. Sudėtingi pokyčiai apima potranskripcines RNR transformacijas, vertimą ir posttransliacinius procesus.

Yra duomenų apie RNR kiekio ir kokybės tyrimus skirtingų embriono vystymosi stadijų organizmų ląstelių branduolyje ir citoplazmoje, taip pat įvairių tipų suaugusiųjų ląstelėse. Nustatyta, kad skirtingų tipų branduolinės RNR sudėtingumas ir skaičius yra 5-10 kartų didesnis nei mRNR. Branduolinės RNR, kurios yra pagrindiniai transkripcijos produktai, visada yra ilgesnės nei mRNR. Be to, jūrinių ežių tirta branduolinė RNR yra identiška savo kiekiu ir kokybine įvairove skirtinguose individo vystymosi etapuose, o citoplazminė mRNR skiriasi skirtingų audinių ląstelėse. Šis stebėjimas veda prie idėjos, kad potranskripcijos mechanizmai daro įtaką diferencinei genų ekspresijai.

Yra žinomi potranskripcijos genų ekspresijos reguliavimo apdorojimo lygiu pavyzdžiai. Su membrana surišta IgM imunoglobulino forma pelėse skiriasi nuo tirpios formos papildoma aminorūgščių seka, kuri leidžia su membrana susietai formai „pritvirtinti“ prie ląstelės membranos. Abu baltymus koduoja tas pats lokusas, tačiau pirminis transkriptas apdorojamas skirtingai. Peptidinį hormoną kalcitoniną žiurkėse vaizduoja du skirtingi baltymai, kuriuos lemia vienas genas. Juose yra tos pačios pirmosios 78 aminorūgštys (bendras ilgis 128 aminorūgštys), o skirtumai atsiranda dėl perdirbimo, t.y. vėl stebima skirtinga to paties geno ekspresija skirtinguose audiniuose. Yra ir kitų pavyzdžių. Tikėtina, kad alternatyvus pirminių nuorašų apdorojimas vaidina labai svarbų vaidmenį diferencijuojant, tačiau jo mechanizmas lieka neaiškus.

Dauguma citoplazminės mRNR yra vienodos kokybinės sudėties ląstelėse, priklausančiose skirtingiems ontogenezės etapams. mRNR yra būtinos ląstelių gyvybei užtikrinti ir yra nulemtos „namų tvarkymo“ genų, pateiktų genome kelių nukleotidų sekų pavidalu, kurių pasikartojimo dažnis yra vidutinis. Jų veiklos produktai yra baltymai, reikalingi ląstelių membranoms, įvairioms tarpląstelinėms struktūroms ir kt. Šių mRNR kiekis yra maždaug 9/10 visų citoplazminių mRNR. Likusios mRNR yra būtinos tam tikroms vystymosi stadijoms ir skirtingiems ląstelių tipams.

Tiriant iRNR įvairovę pelių inkstuose, kepenyse ir smegenyse bei viščiukų kiaušintakiuose ir kepenyse, rasta apie 12 000 skirtingų iRNR. Tik 10-15% buvo būdingi bet kuriam audiniui. Jie nuskaitomi iš unikalių nukleotidų sekų tų struktūrinių genų, kurių veikimas yra specifinis tam tikroje vietoje ir tam tikru momentu ir kurie vadinami „prabangos“ genais. Jų skaičius atitinka maždaug 1000-2000 genų, atsakingų už ląstelių diferenciaciją.

Ne visi ląstelėje esantys genai paprastai realizuojami iki citoplazminės mRNR susidarymo stadijos, tačiau net ir šios susidariusios mRNR ne visos ir ne visomis sąlygomis yra transformuojamos į polipeptidus, o tuo labiau į sudėtingus simbolius. Yra žinoma, kad kai kurios mRNR yra užblokuotos transliacijos lygmeniu, nes yra ribonukleoproteino dalelių - informosomų dalis, todėl vertimas vėluoja. Tai vyksta oogenezėje, akies lęšiuko ląstelėse.

Kai kuriais atvejais galutinė diferenciacija yra susijusi su fermentų ar hormonų molekulių „užbaigimu“ arba baltymo ketvirtine struktūra. Tai jau įvykiai po transliacijos. Pavyzdžiui, fermentas tirozinazė atsiranda varliagyvių embrionuose ankstyvoje embriogenezėje, tačiau suaktyvėja tik išsiritus.

Kitas pavyzdys – ląstelių diferenciacija, kai jos įgyja gebėjimą reaguoti į tam tikras medžiagas ne iš karto po atitinkamo receptoriaus sintezės, o tik tam tikru momentu. Įrodyta, kad raumenų skaidulos savo membranoje turi tarpininko medžiagos acetilcholino receptorius. Tačiau įdomu tai, kad šie cholinerginiai receptoriai buvo rasti mioblastinių ląstelių citoplazmoje prieš jiems susiformuojant raumenų skaiduloms, o jautrumas acetilcholinui atsirado tik po to, kai receptoriai buvo įterpti į plazmos membraną formuojantis miovamzdelių ir raumenų skaiduloms. Šis pavyzdys rodo, kad genų ekspresija ir audinių diferenciacija gali būti reguliuojama po transliacijos ląstelių ir ląstelių sąveika.

Taigi, ląstelių diferenciacija neapsiriboja specifinių baltymų sinteze, todėl daugialąsčio organizmo atžvilgiu ši problema neatsiejama nuo erdvėlaikio aspektų, taigi ir nuo netgi aukštesnio jos reguliavimo lygių nei baltymų biosintezės reguliavimo lygiai. ląstelių lygis. Diferenciacija visada veikia ląstelių grupę ir atitinka daugialąsčio organizmo vientisumo užtikrinimo užduotis.

Morfogogenezė Morfogogenezė - Tai naujų struktūrų atsiradimo ir jų formos pokyčių procesas individualaus organizmų vystymosi metu. Morfogenezė, kaip ir augimas bei ląstelių diferenciacija, reiškia aciklinius procesus, t.y. negrįžta į ankstesnę būseną ir didžiąja dalimi negrįžtama. Pagrindinė aciklinių procesų savybė yra jų erdvėlaikinė organizacija. Morfogogenezė viršląsteliniame lygyje prasideda nuo gastruliacijos. Akorduose po gastruliacijos susidaro ašiniai organai. Šiuo laikotarpiu, kaip ir gastruliacijos metu, morfologiniai pokyčiai apima visą embrioną. Tolesnė organogenezė yra vietinis procesas. Kiekvieno iš jų viduje suskaidoma į naujus atskirus (atskirus) užuomazgas. Taigi individo vystymasis vyksta nuosekliai laike ir erdvėje, todėl formuojasi individas, turintis sudėtingą struktūrą ir daug turtingesnę informaciją nei zigotos genetinė informacija. Morfogenezė yra susijusi su daugeliu procesų, pradedant nuo progezės. Kiaušialąstės poliarizacija, ovoplazminė segregacija po apvaisinimo, reguliariai orientuotas skilimo dalijimasis, ląstelių masių judėjimas gastruliacijos metu ir įvairių organų skilimas, kūno proporcijų pokyčiai – visa tai yra procesai, turintys didelę reikšmę morfogenezei. Be viršląstelinio lygio, morfoprocesai apima procesus, vykstančius tarpląsteliniame ir molekuliniame lygmenyse. Tai atskirų ląstelių formos ir struktūros pokyčiai, molekulių ir didelių molekulinių kompleksų irimas bei rekonstrukcija, molekulių konformacijos pokyčiai. Taigi morfogenezė yra daugiapakopis dinaminis procesas. Šiuo metu jau daug žinoma apie tas struktūrines transformacijas, kurios vyksta tarpląsteliniame ir tarpląsteliniame lygmenyse ir kurios ląstelių cheminę energiją paverčia mechanine, t.y. apie elementarias morfogenezės varomąsias jėgas. Iššifruojant visus šiuos vidinio ir tarplygmens procesus, jis suvaidino didelį vaidmenį priežastinis-analitinis(iš lot. causa – priežastis) požiūris. Tam tikras vystymosi segmentas laikomas paaiškintu, jei jis gali būti pateiktas kaip vienareikšmiška priežasčių ir pasekmių seka. Šiuo aspektu vienas iš pagrindinių klausimų yra tai, ar konkrečios rūšies genome ar zigotos genotipe yra informacijos apie konkrečius morfologinius procesus. Akivaizdu, kad šios rūšies genome yra informacijos apie galutinį rezultatą, t.y. tam tikros rūšies individo vystymasis. Taip pat akivaizdu, kad zigotos genotipas turi tam tikrų tėvų alelių, kurie turi galimybę realizuotis tam tikromis savybėmis. Bet iš kokių ląstelių, kokioje vietoje ir kokia konkrečia forma vystysis tas ar kitas organas, genotipe nenurodyta. Šis teiginys išplaukia iš visos informacijos apie embriono reguliavimo reiškinius, kuri rodo, kad konkretūs morfogenezės keliai tiek eksperimento, tiek normalios raidos metu gali skirtis. Tačiau genai, neturintys vienareikšmiškos morfogenetinės reikšmės, ją įgyja vientisai besivystančio organizmo sistemoje ir tam tikrų, struktūriškai stabilių morfogenezės schemų kontekste. Ląstelės ir ląstelių kompleksai atlieka natūralius spontaniškus makroskopinius morfogenetinius judesius, nesukeliamus išorinių jėgų. Pakeitus padėtį, blastomerų skaičius sumažėja arba padidėja, o embrioninius induktorius persodinus į netipinę vietą, dažnai pasiekiamas normalus rezultatas. Tai leidžia morfogenezę vertinti kaip savaime besiorganizuojantį struktūrų formavimosi procesą iš iš pradžių homogeniškos būsenos, kuri yra neatsiejama savaime besiorganizuojančių sistemų, turinčių vientisumo savybę, savybė. Kartu su visomis besivystančio embriono dalimis susijungia santykinai autonominės biologinės sistemos, galinčios toliau vystytis izoliuotomis nuo viso organizmo sąlygomis. Jei viščiuko embriono šlaunies pradas auginamas dirbtinėje aplinkoje, jis ir toliau vystosi ta pačia kryptimi. Žiurkės akis, izoliuota 14-17 dienų stadijoje, toliau vystosi automatiškai, nors ir su defektais ir lėčiau. Po 21 dienos akis audinių kultūroje įgyja tokį struktūrinį sudėtingumo laipsnį, kokį paprastai turi jau 8 dieną po žiurkės gimimo. Norint paaiškinti visus šiuos reiškinius, priežastinis-analitinis metodas netaikomas. Priimta fizika ir matematika nepusiausvyros gamtos sistemų savaiminio organizavimo teorija, tiek biologinių, tiek nebiologinių. Šiuo metu kuriami keli požiūriai į morfogenezės reguliavimo ir kontrolės problemą. Koncepcija fiziologiniai gradientai, XX amžiaus pradžioje pasiūlyta. Amerikiečių mokslininkas C. Childe'as teigia, kad daugeliui gyvūnų būdingi medžiagų apykaitos greičio gradientai ir sutampantys audinių pažeidimo gradientai. Šie gradientai paprastai mažėja nuo priekinio gyvūno poliaus iki užpakalinio. Jie nustato morfogenezės ir citodiferenciacijos erdvinį išsidėstymą. Pačių gradientų atsiradimą lemia išorinės aplinkos, pavyzdžiui, maistinių medžiagų, deguonies koncentracijos ar gravitacijos, nevienalytiškumas. Bet kuri iš sąlygų arba jų derinys gali sukelti pirminį fiziologinį kiaušinio gradientą. Tada antrinis gradientas gali atsirasti tam tikru kampu į pirmąjį. Dviejų (ar daugiau) gradientų sistema sukuria konkrečią koordinačių sistemą. Koordinatės funkcija yra ląstelės likimas. Charlesas Childe'as taip pat atrado, kad viršutinė gradiento dalis yra dominuojanti. Išskirdamas tam tikrus veiksnius, jis slopino tų pačių struktūrų vystymąsi iš kitų embriono ląstelių. Kartu su patvirtinančiais yra reiškinių, kurie netelpa į supaprastintą schemą, todėl Childe'o koncepcija negali būti laikoma universaliu erdvinio raidos organizavimo paaiškinimu. Modernesnė koncepcija padėties informacija, pagal kurią ląstelė tarsi įvertina savo vietą organo rudimento koordinačių sistemoje, o paskui diferencijuoja pagal šią padėtį. Anot šiuolaikinio anglų biologo L. Wolperto, ląstelės padėtį lemia tam tikrų medžiagų koncentracija, išsidėsčiusi išilgai embriono ašies pagal tam tikrą gradientą. Ląstelės reakcija į jos vietą priklauso nuo genomo ir visos ankstesnės jos vystymosi istorijos. Kitų tyrinėtojų teigimu, padėties informacija yra ląstelės polinių koordinačių funkcija. Taip pat yra nuomonė, kad gradientai yra nuolatiniai periodinių procesų pėdsakai, plintantys palei besivystantį rudimentą. Pozicinės informacijos samprata leidžia formaliai interpretuoti kai kuriuos ontogenetinio vystymosi modelius, tačiau ji labai toli nuo bendrosios vientisumo teorijos. Koncepcija morfogenetiniai laukai, remdamasis prielaida apie tolimą arba kontaktinę embriono ląstelių sąveiką, embrioninę morfogenezę laiko savaime besiorganizuojančiu ir kontroliuojamu procesu. Ankstesnė užuomazgos forma lemia būdingus vėlesnės formos bruožus. Be to, rudimento forma ir struktūra gali turėti atvirkštinį poveikį biocheminiams procesams jo ląstelėse. Ši koncepcija nuosekliausiai buvo plėtojama 20-30 m. buitinis biologas A. G. Gurvich, kuris pirmą kartą pasaulinėje literatūroje pasiūlė matematinius morfogenezės modelius. Pavyzdžiui, jis modeliavo embrioninių smegenų perėjimą iš vieno burbulo stadijos į trijų burbulų stadiją. Modelis buvo pagrįstas hipoteze apie atstumias sąveikas tarp priešingų pradmenų sienelių. Fig. 8.17 šios sąveikos rodomos trimis vektoriais ( A, A 1 , A 2). Gurvichas taip pat pirmasis atkreipė dėmesį į svarbų nepusiausvyrinių supramolekulinių struktūrų, kurių pobūdį ir funkcionavimą lemia joms taikomi lauko vektoriai, vaidmenį. Pastaraisiais metais K. Waddington sukūrė labiau apibendrintą koncepciją morfogenetinis vektoriaus laukas,įskaitant ne tik formavimą, bet ir bet kokius besikuriančių sistemų pokyčius. Panašios idėjos grindžiamos koncepcija dissipacinės struktūros. Dissipatyvios (iš lotynų kalbos dissipatio – išsisklaidymas) – tai energetiškai atviros, termodinamiškai nesubalansuotos biologinės ir nebiologinės sistemos, kuriose dalis iš išorės į jas patenkančios energijos išsisklaido. Dabar įrodyta, kad labai nepusiausvyros sąlygomis, t.y. Esant pakankamai stipriam medžiagos ir energijos srautui, sistemos gali spontaniškai ir stabiliai vystytis ir diferencijuotis. Tokiomis sąlygomis galimi ir privalomi vienareikšmių priežasties-pasekmės santykių pažeidimai bei embriono reguliavimo apraiškos ir kiti reiškiniai. Dissipatyvių nebiologinių sistemų pavyzdžiai yra Belousovo-Žabotinskio cheminė reakcija, taip pat anglų matematiko A. Turingo pasiūlytas abstraktaus fizikinio ir cheminio proceso matematinis modelis. Buvo žengti pirmieji žingsniai modeliuojant morfogenezę kaip savaime besiorganizuojantį procesą, o visos išvardytos raidos vientisumo sąvokos vis dar yra fragmentiškos, pirmiausia nušviečiančios vieną ar kitą pusę.

Apoptozė- užprogramuota ląstelių mirtis, reguliuojamas savęs naikinimo procesas ląstelių lygmenyje, dėl kurio ląstelė suskaidoma į atskirus apoptozinius kūnus, apribotus plazmos membrana. Negyvos ląstelės fragmentai paprastai labai greitai (vidutiniškai per 90 minučių) fagocituojami (suimami ir suvirškinami) makrofagų arba gretimų ląstelių, apeinant uždegiminės reakcijos išsivystymą. Iš esmės daugialąsčių eukariotų apoptozė yra panaši į užprogramuotą vienaląsčių eukariotų ląstelių mirtį. Viso evoliucijos proceso metu yra bendros pagrindinės apoptozės funkcijos, kurios susiveda į sugedusių ląstelių pašalinimą ir dalyvavimą diferenciacijos bei morfogenezės procesuose. Įvairūs literatūriniai ir elektroniniai šaltiniai postuluoja evoliucinį genetinio apoptozės mechanizmo išsaugojimą. Visų pirma, panašios išvados daromos remiantis nustatyta genetine ir funkcine nematodų apoptozės procesų homologija Caenorhabditis elegantiškas ir žinduoliams arba augalams ir gyvūnams.

Toliau pateikiama išsami daugialąsčiams eukariotams būdingos apoptozės aptarimas. Tačiau turi būti įtrauktas įspėjimas. Atsižvelgiant į tai, kad didžioji dauguma apoptozės morfologijos ir molekulinių mechanizmų tyrimų atliekami su gyvūnais, taip pat atsižvelgiant į funkcijų bendrumą ir apoptozės mechanizmų išsaugojimą, toliau pateikiamas išsamus aprašymas. žinduolių apoptozės pavyzdžiu.

Diferencijavimas - tai ląstelei įgyti skiriamieji bruožai, leidžiantys atlikti tam tikras jai skirtas funkcijas daugialąsčiame organizme.

Ląstelių diferenciaciją galima aiškiai suprasti naudojant kraujodaros (hematopoezės) pavyzdį, kurio procesas vyksta raudonuosiuose kaulų čiulpuose.

Remiantis šiuolaikinėmis idėjomis, visų kraujo ląstelių protėvis yra pluripotentinė kamieninė ląstelė (1 pav., I). Jo diferenciacija įvairiomis kryptimis atliekama keliais etapais, kurių kiekvienai būdinga tam tikra ląstelių klasė.

Ankstyvoje diferenciacijos stadijoje du vadinamieji įsipareigojusios ląstelės, kurių vienas yra limfo- ir plazmacitopoezės pirmtakas, o kitas – visų mieloidinių elementų, ty monocitų, granulocitų, eritrocitų ir trombocitų linijų, pirmtakas. Šiuo atveju monocitų, neutrofilų, eritrocitų ir trombocitų brendimas vyksta kaulų čiulpuose, o limfoidinės gemalo ląstelės ir plazmacitopoezė - limfoidiniuose organuose (limfmazgiuose, blužnyje). Dėl tolesnio hematopoetinių pirmtakų ląstelių diferenciacijos, sprogimas ląstelės: monoblastai, mieloblastai (barofiliniai neutrofiliniai, eozinofiliniai), eritroblastai, megokarioblastai, T- ir B-limfoblastai, T-imunoblastai, B-imunoblastai (plazmoblastai) (žr. 1 pav., IV).

Vaizdo įrašas:Ląstelių diferenciacija

Vaizdo įrašas:Ląstelių diferenciacija ir kamieninės ląstelės

Bendras visų ląstelių, kurios dar nepasiekė galutinio specializacijos lygio (tai yra, galinčios diferencijuotis), pavadinimas yra kamieninės ląstelės. Ląstelės diferenciacijos laipsnis (jos „vystymo potencialas“) vadinamas stiprumu. Ląstelės, kurios gali diferencijuotis į bet kurią suaugusio organizmo ląstelę, vadinamos pluripotentinėmis. Pavyzdžiui, žinduolių blastocistų vidinės ląstelių masės ląstelės yra pluripotentinės. Paskirti auginamus in vitro pluripotentinės ląstelės, gautos iš vidinės blastocistos ląstelių masės, vartojamas terminas „embrioninės kamieninės ląstelės“.

Gemalų sluoksniai ir jų dariniai yra ankstyvos diferenciacijos pavyzdys, dėl kurio ribojamas embriono ląstelių stiprumas.

BRANDUOLINĖS_CITOPLAZMINĖS RYŠIAI