Базовый онлайн-курс.
Онтогенез и стволовые клетки

Специализация, дифференциация и потентность стволовых клеток

Ключевые моменты

  • Многоклеточный организм развивается из одной клетки (зиготы) в совокупность множества клеток различных типов, организованных в ткани и органы.
  • Развитие включает в себя деление клеток, формирование осей тела, развитие тканей и органов и дифференциацию клеток (окончательная идентификация типа клеток).
  • Во время развития организма клетки реагируют, как на свои собственные, внутренние, сигналы, так и на внешнюю, пришедшую от соседних клеток, информацию, которая помогает клеткам «принять решение» об их поведении и идентичности.
  • Клетки обычно становятся все более и более ограниченными по своему потенциалу развития (количеству различных типов клеток, которые они могут продуцировать) по мере развития.
Вступление
Человек представляет собой способную ходить, думать, говорить и учиться колонию из около 30 триллионов клеток. Но мы не всегда были такими большими и сложными. На самом деле, любой человек берет свое начало с одной единственной клетки — зиготы, продукта оплодотворения. Итак, давайте посмотрим, как такое удивительно сложное тело могло сформироваться из одной клетки.
Онтогенез: развитие организма, общая картина
В процессе развития человеческий или любой другой многоклеточный организм претерпевает удивительную трансформацию, по крайней мере такую же драматическую, как метаморфоза гусеницы, превращающейся в бабочку. В течение часов, дней или месяцев организм превращается из единственной клетки, называемой зиготой (продуктом сперматозоида, проникающего в яйцеклетку), в огромную организованную совокупность клеток, тканей и органов.

По мере развития эмбриона его клетки делятся, растут и мигрируют определенным образом, формируя все более и более сложные структуры. Для правильного функционирования телу нужны четко определенные оси (например, голова должна быть напротив хвоста). Так же необходим определенный набор многоклеточных органов и других структур, расположенных в правильных местах вдоль осей и соединенных друг с другом в правильных направлениях.

По мере развития клетки организма должны также специализироваться во различные функциональные типы. Тело человека, даже новорожденного, уже содержит множество различных типов клеток, от нейронов до клеток печени и клеток крови. Каждый из этих типов клеток встречается только в определенных частях тела — в определенных тканях определенных органов — там, где их функция необходима.

Как управляется этот запутанный клеточный танец? Развитие в значительной степени находится под контролем генов. Различные типы зрелых клеток организма, такие как нейроны и клетки печени, считывают информацию с разных наборов генов (экспрессируют разные гены), которые наделяют их уникальными свойствами и функциями. Таким же образом клетки в процессе развития также экспрессируют специфические наборы генов. Эти характерные наборы экспрессирующихся генов определяют поведение клеток и позволяют им взаимодействовать с соседними клетками, координируя развитие организма — онтогенез.
В этой статье мы подробнее рассмотрим принципы и примеры онтогенеза.
Некоторые основные процессы развития
Разные организмы развиваются по-разному, но есть некоторые универсальные процессы, которые должны произойти во время эмбрионального развития практически любого организма:

  • Количество клеток должно увеличиваться за счет деления:
  • Должны формироваться оси тела (голова-хвост, вправо-влево и т. д.):
  • Должны формироваться различные ткани, а органы и структуры должны принимать свою форму:
  • Клетки должны приобрести свою окончательную специализацию (например, нейрон):
Важно уточнить: все эти процессы не являются отдельными событиями. Как правило, они происходят одновременно в процессе эмбриогенеза.
Например, во процессе установления осей тела (таких как голова-хвост и лево-право) клетки эмбриона продолжают делиться. Так же формирование органа требует одновременно и клеточного деления для построения этого органа, и дифференцировки клеток (приобретение клетками идентичности или специализации) для формирования разных частей органа из клеток нужного типа.
Информация, управляющая развитием организма
Как клетки узнают, что они должны делать во время развития? То есть, как клетка узнает, когда и как мигрировать, делиться или дифференцироваться? Вообще говоря, есть два типа информации, которые управляют поведением клеток:

  • Внутренняя информация (наследственная) передаётся от материнской клетки через деление. Например, клетка может наследовать молекулы, которые «говорят» ей, что она является нервной клеткой или производящей нервные клетки тела.
  • Внешняя (позиционная) информация поступает из окружения ячейки. Например, клетка может получить химические сигналы от соседа. С инструкцией, что ей нужно стать особым типом фоторецептора (детектор света).
Во время развития организма клетки часто используют как внутреннюю, так и внешнюю информацию, чтобы принимать решения о своих идентичности и поведении. Конечно, они не «решают» это в буквальном смысле, обдумывая проблему. Принятие решения клеткой в достаточной степени автоматизировано, подобно тому, как калькулятор или компьютер выдает результаты вычисления. С той только разницей, что для выполнения логических операций клетка использует вместо нулей и единиц — гены и белки.
Дифференциация, специализация и стволовые клетки
В ходе развития клетки имеют тенденцию становиться все более и более ограниченными в своем «потенциале развития» [3]. То есть, количество различных типов клеток, которые они могут создать путем деления (или непосредственного превращения), становится всё меньше и меньше.
Например, зигота человека может породить все типы клеток человеческого тела, а также клетки, которые составляют плаценту. Используя терминологию из эмбриологии, такая способность стоволовых клеток образовывать все типы клеток тела и плаценты называется тотипотентностью (англ. totipotency, от лат. totus — весь, целый, совокупный, potentia — сила, мощь, возможность). Однако после нескольких раундов клеточного деления клетки зародыша теряют способность становится клетками плаценты, и такой, чуть более ограниченный, потенциал называется уже плюрипотентностью (англ. Pluripotency от лат. pluralis — множественный, potentia — сила, мощь, возможность) [4]. Эти изменения связаны с изменениями в наборе генов, экспрессируемых в клетках.

На более поздних этапах клетки зародыша делятся на три разные группы, известные как зародышевые слои: мезодерма, энтодерма и эктодерма. Каждый зародышевый слой при нормальных условиях создает свой собственный специфический набор тканей и органов.
Изображение адаптировано Автор: Chinami Michaels, Энциклопедия проекта Embryo, CC BY-NC-SA 3.0
По мере того, как клетки зародышевого слоя продолжают делиться, принимая сигналы от соседей и руководствуясь наследуемой информацией, количество вариантов специализации для клеток будет неуклонно уменьшаться. Изначально клетки могут получить спецификацию для определенного типа или клеточной линии, но все еще сохранять способность переключаться при наличии правильных сигналов. Затем такие клетки могут подвергнуться окончательной дифференцировке, что означает, что они уже не смогут дать начало другому типу клеток или сами изменить свой тип. Как только клетка специализировалась, даже если она перемещена в новую среду, она будет дифференцироваться в один определенный тип клеток [5].

В процессе развития организма, большинство клеток в организме дифференцируются или приобретают стабильную, окончательную идентичность. Примеры дифференцированных типов клеток в организме человека включают нейроны, клетки, выстилающие кишечник, и макрофаги — бойцы имунной системы, которые поглощают бактериальных захватчиков.

Каждый дифференцированный тип клеток имеет определенный набор активных генов (паттерн экспрессии), который остается неизменным. В различных типах клеток информация считываемая с наборов активных генов, экспрессируется - транслируется в белки и функциональные РНК, необходимые для данного конкретного типа клеток, определяя их структуру и те функции, которые они выполняют в организме.
Например, на рисунке выше показаны два набора генов, которые по-разному экспрессируются между в клетках печени и нейрона. Один ген, кодирующий часть фермента, который расщепляет алкоголь и другие токсины, экспрессируется только в клетках печени (но не в нейроне). Другой ген, кодирующий нейротрансмиттер, экспрессируется только в нейроне (а не в клетке печени). Многие другие гены также будут экспрессироваться по-разному между этими двумя типами клеток.

Стволовые клетки взрослого организма
Не все клетки в организме человека окончательно дифференцируются. Некоторые клетки взрослого организма сохраняют способность делиться и продуцировать клетки разных типов. К ним относятся стволовые клетки взрослого организма (постнатальные стволовые клетки), которые обычно являются мультипотентными: они могут продуцировать более одного типа клеток, но не широкий спектр типов клеток [4]. Например, гемопоэтические стволовые клетки в костном мозге могут образовывать все типы клеток крови (показано ниже), но не способны дать начало какому-либо другому типу клеток, например, нейронам или клеткам кожи.
Изображение адаптировано источник: Hematopoietic system of bone marrow, by OpenStax College, Anatomy & Physiology, CC BY 3.0
Отличительной чертой стволовых клеток является то, что они подвергаются асимметричному делению, образуя две дочерние клетки, которые отличаются друг от друга. Одна дочь остается стволовой клеткой — это процесс, называемый самообновлением (делящаяся клетка «обновляется», создавая функционально идентичную дочернюю клетку). Другая дочерняя клетка приобретает другую специализацию: либо дифференцируется непосредственно в нужный тип клетки, либо проходит через дополнительные этапы деления, чтобы получить большее количество клеток нужного типа.
Изображение адаптировано источник: Hematopoietic system of bone marrow, by OpenStax College, Anatomy & Physiology, CC BY 3.0
Обсуждение в чате
Telegram