Литература БФХ / molekuljarnaja biologija kletki v3

151

Рис. 17-1. Строение кожи. Показаны наружная эпителиальная ткань (эпидермис) и лежащая под нею соединительная ткань (плотная дерма, из которой выделывают «кожу», а глубже - рыхлая жировая ткань). Каждая ткань состоит из клеток разных типов. Дерма и подкожный слой обильно снабжены кровеносными сосудами и нервами. Часть нервных волокон заходит также в эпидермис.

данной ткани, образуется вне этой ткани и проникает в нее на раннем этапе ее развития (эндотелиальные клетки, нейроны, шванновские клетки и меланоциты - см. разд. 16.6.5) или на протяжении всей жизни (макрофаги и другие лейкоциты). Этот сложный обслуживающий аппарат необходим для поддержания главных специализированных клеток данной ткани, например сократимых клеток в мышце, секреторных в железе, кроветворных в костном мозге.

Таким образом, почти каждая ткань - это сложная смесь клеток многих типов, которые, находясь в одних и тех же условиях, тем не менее сохраняют свои различия. Более того, организация этой смеси клеток должна сохраняться несмотря на то, что в большинстве тканей взрослого организма клетки непрерывно отмирают и заменяются новыми. Это сохранение формы и функций ткани возможно в основном благодаря двум фундаментальным свойствам клеток. Клеточная память (разд. 10.3) позволяет дифференцированным клеткам автономно поддерживать присущий им характер специализации и передавать его дочерним клеткам. В то же время дифференцированные клетки любого типа постоянно «чувствуют» свое окружение и приводят скорость своего размножения в соответствие с обстоятельствами. Внутриклеточные механизмы, предположительно отвечающие за клеточную память, обсуждались в гл. 10; способы ответа клеток на внешние сигналы были рассмотрены в гл. 12. А здесь, в этом предварительном разделе, касающемся поведения клеток в тканях, мы сделаем краткий обзор некоторых данных о стабильности и наследуемости дифференцированного состояния и посмотрим, в какой степени это состояние может быть изменено под влиянием окружающей среды.

152

Рис. 17-2. Развитие глаза у позвоночного. Сетчатка глаза развивается из глазного пузырька - выпячивания эпителия нервной трубки в области переднего мозга. А. Нервный эпителий контактирует с эктодермой, покрывающей голову снаружи. Б. Этот контакт индуцирует инвагинацию эктодермы с последующим образованием хрусталика. Одновременно стенка глазного пузырька, обращенная к эпидермису, вдавливается внутрь, и пузырек приобретает форму бокала. В. Ближайший к хрусталику слой глазного бокала дифференцируется в нервный слой сетчатки, включающий фоторецепторы, а также те нейроны, которые передают сенсорные импульсы в мозг (см. рис. 17-6). Другой слой дифференцируется в пигментный эпителий сетчатки. Его клетки, плотно заполненные гранулами меланина, образуют для фоторецепторной системы затемненное укрытие, которое, подобно черной окраске внутренности фотоаппарата, уменьшает количество рассеянного света.

17.1.1. Большинство дифференцированных клеток обычно сохраняет свои специфические признаки даже в новом окружении [2]

Эксперименты, проведенные на тканевых культурах, показывают, что даже тогда, когда клетки лишаются своего обычного окружения, и они сами, и их потомки, как правило, продолжают следовать заложенным в них изначальным «инструкциям». Рассмотрим, например, эпителиальные клетки, образующие пигментный слой сетчатки (рис. 17-2). Поскольку специализация этих клеток проявляется в выработке ими темнокоричневых гранул меланина, следить за состоянием их дифференцировки нетрудно. Клетки пигментного эпителия можно выделить из сетчатки куриного эмбриона и выращивать в культуре, где они размножаются и образуют клоны. Одиночные клетки, взятые из этих клонов, неизменно дают субклоны, состоящие из подобных же клеток пигментного эпителия. Таким способом дифференцированное состояние можно поддерживать более чем в 50 клеточных поколениях.

Однако поведение клеток в какой-то мере зависит и от окружающих условий. В некоторых средах или при чрезмерной плотности культур клетки выживают, но не синтезируют или почти не синтезируют пигмента. Но даже лишенные возможности проявить свою специализацию, эти клетки остаются детерминированными как пигментные: оказавшись снова в более подходящих условиях, они вновь начинают вырабатывать пигмент. Есть одно известное исключение из этого правила: при определенных условиях эти клетки будут передифференцироваться в клетки хрусталика; однако никакими изменениями культуральной среды и условий роста не удается превратить их, например, в клетки крови, печени или сердца.

Не только в культуре, но и в целом организме почти все дифференцированные клетки ведут себя так, как будто их главные особенности были необратимо детерминированы в процессе их развития. Например, эпидермальные клетки остаются эпидермальными даже в самом неподходящем окружении: если из кожи хвоста крысы приготовить суспензию диссоциированных эпидермальных клеток и ввести ее под капсулу почки, то клетки будут расти там, образуя эпидермальные мешочки, содержащие волосяные фолликулы и сальные железы, как в коже на поверхности тела.

17.1.2. Дифференцированное состояние может видоизменяться под влиянием клеточного окружения [1, 3]

Хотя радикальные клеточные превращения обычно невозможны, характер очень многих дифференцированных клеток может приспосабливаться в какой-то мере к условиям окружающей среды. Допустимые изменения клеток - это в основном модуляции дифференцированного статуса, т. е. обратимые взаимопревращения очень сходных клеточных фенотипов. Например, печеночные клетки снижают или повышают синтез определенных ферментов (путем изменения количеств соответствующих мРНК) в зависимости от концентрации стероидного гормона гидрокортизона. Мышечные клетки тоже видоизменяют характер экспрессии своих генов в соответствии с объемом получаемой ими стимуляции (разд. 17.6.2 и 19.8.4). Особый случай представляют фибробласты и родственные им клетки - семейство соединительнотканных клеток. Эти клетки обладают исключительной приспособляемостью и могут испытывать разнообразные взаимопревращения: фибробласты, например, могут обратимо превращаться в хрящевые клетки. Такие трансформации важны при заживлении ран и переломов, а также при

153

других патологических процессах. Подробнее об этом см. в разд. 17.7; там будет показано, как эти превращения регулируются формой клеток, межклеточным матриксом и диффундирующими сигнальными молекулами. Однако даже такие изменения дифференцированных клеток возможны лишь в узких пределах: изменившаяся клетка остается членом семейства соединительнотканных клеток.

17.1.3 Некоторые структуры поддерживаются благодаря постоянному взаимодействию их частей. Пример: вкусовые почки и их нервы [4]

Вкусовые почки служат еще одним необычным примером состояния дифференцировки, зависящего от постоянных взаимодействий между клетками. Эти крохотные структуры, с помощью которых мы ощущаем сладкое, кислое, соленое и горькое, образуются главным образом в эпителии верхней стороны языка. Каждая почка состоит примерно из полусотни клеток, которые легко отличить от окружающих эпителиальных клеток по их форме (рис. 17-3). Удлиненные клетки вкусовой почки, расположенные наподобие дощечек в бочонке, проходят через всю толщу эпителия, образуя маленькое отверстие (вкусовую пору), выходящее наружу. Как полагают, именно через эту пору должны проникать внутрь молекулы вещества, вызывающего вкусовое ощущение. Во вкусовой почке можно различить клетки по крайней мере двух типов - бледные и темные; и среди них есть клетки, действующие как вкусовые рецепторы. Сенсорные сигналы передаются в мозг по нервным волокнам, пронизывающим вкусовую почку и оканчивающимся на ее клетках. Если эти волокна перерезать, вкусовые почки полностью исчезают. Регенерация нервных волокон приводит к тому, что дифференцированное состояние эпителиальных клеток изменяется и из них формируются новые вкусовые почки. Можно вызвать образование вкусовых почек даже на таком участке эпителия, где их в норме не бывает, например на нижней поверхности языка. Для этого участок эпителия нужно выращивать in vitro вместе с соответствующим сенсорным ганглием, который будет его иннервировать.

Однако, несмотря на подобные примеры, большинство тканей взрослого организма состоит из набора четко определенных, необратимо

Рис. 17-3. Схематическое изображение вкусовой почки.

154

детерминированных типов клеток. Их число и пространственные отношения между ними должны поддерживаться в течение жизни с помощью таких механизмов, которые не требуют превращения одного типа клеток в другой.

Заключение

Большинство дифференцированных клеток в тканях взрослого организма будут сохранять свой специфический характер даже в условиях нового окружения. Хотя дифференцированные состояния, как правило, устойчивы и необратимы, даже высокоспециализированные клетки могут изменять в определенных пределах свои свойства при изменении окружающей среды. Особенно значительные превращения происходят в семействе соединительнотканных клеток, включающем фибробласты и хрящевые клетки. Вкусовые почки - еще один необычный пример того, как состояние дифференцировки может зависеть от непрерывного взаимодействия между клетками: специализированные клетки вкусовых почек полностью исчезают после перерезки нерва и вновь появляются при восстановлении иннервации.

17.2. Ткани с перманентными клетками [5]

Не все популяции дифференцированных клеток организма подвержены обновлению. Клетки некоторых типов, образовавшиеся в нужном количестве у эмбриона, сохраняются в течение всей взрослой жизни; они никогда не делятся и в случае их утраты не могут быть заменены. В этом смысле перманентны почти все разновидности нервных клеток. Сюда можно отнести и некоторые другие клетки, в том числе у млекопитающихклетки сердечной мышцы и хрусталика.

Все эти клетки живут чрезвычайно долго и, естественно, находятся в таких местах, где они в норме защищены от повреждающих воздействий, однако в остальном они очень сильно различаются между собой. Трудно указать какую-то одну причину того, что эти клетки - должны быть перманентными, тогда как множество других клеточных популяций обновляется. В случае сердечной мышцы вообще трудно представить себе смысл перманентности клеток. Что касается нейронов (которые будут подробно обсуждаться в гл. 19), то кажется понятным, почему интенсивное обновление этих клеток во взрослом организме нецелесообразно: было бы очень трудно в точности восстанавливать сложную систему нервных связей, созданную в период развития при совершенно иных условиях. Кроме того, следы памяти, записанные в виде небольших изменений структуры или связей определенных нейронов, вероятно, стиралась бы при замене прежних клеток новыми. С другой стороны, перманентность клеток хрусталика - это, по-видимому, простое и неизбежное следствие характера роста его ткани.

17.2.1. Клетки, расположенные у взрослого в центре хрусталика, образовались еще в эмбриональном периоде [6]

Очень немногое во взрослом организме состоит из тех самых молекул, которые были синтезированы у эмбриона. К тем редким структурам, в которых не происходит обновления клеток и даже их внутреннего содержимого, относится хрусталик глаза.

Хрусталик развивается из эктодермы в месте ее контакта с развивающимся глазным пузырем. Здесь эктодерма утолщается и образует впячивание, которое в конце концов отшнуровывается, становясь зачатком хрусталика (см. рис. 17-2). Таким образом, хрусталик заклады-

155

Рис. 17-4. Развитие хрусталика у человека (схематизировано).

вается в виде сферического пузырька из одного слоя эпителиальных клеток, окружающих центральную полость. Вскоре часть этого эпителия, расположенная сзади, т. е. обращенная к сетчатке, претерпевает резкое изменение. Ее клетки начинают синтезировать специфические белки хрусталика - кристаллины - и заполняются ими. При этом клетки необычайно удлиняются, дифференцируясь в волокна (см. рис. 17-4). В конце концов их ядра распадаются и синтез белков прекращается. Таким путем часть эпителия хрусталикового пузырька, обращенная к сетчатке, развивается в плотное преломляющее тело, которое состоит из множества высоких призматических клеток, лишенных признаков жизни и уложенных стопками (рис. 17-5). Центральная полость пузырька исчезает, в то время как передняя часть эпителия, обращенная к внешнему миру, сохраняется в виде тонкого слоя низких кубических клеток. Рост хрусталика зависит от пролиферации этих клеток в передней части, откуда они частично выталкиваются на края хрусталика и на его заднюю поверхность (см. рис. 17-4 и 17-5, А). Во время этого передвижения они перестают делиться, начинают синтезировать кристаллины и дифференцируются в волокна хрусталика. Таким путем на протяжении всей жизни в хрусталике появляются дополнительные волокна, хотя скорость их образования постепенно снижается.

Кристаллины в волокнах хрусталика, образовавшихся в ранний период, отличаются от кристаллинов более поздних волокон, подобно тому как гемоглобины в эритроцитах плода отличаются от гемоглобинов взрослого организма. Однако эритроциты заменяются новыми, а волокна хрусталика - нет. Поэтому в сердцевине хрусталика у взрослых находятся волокна, заложенные еще у эмбриона и содержащие кристал-

156

Рис. 17-5. Строение хрусталика взрослого человека. А. Световая микрофотография среза части зрелого хрусталика. Показано соединение тонкого эпителия, покрывающего переднюю сторону хрусталика, с дифференцированными волокнами. Б. Микрофотография, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа. Волокна плотно упакованы и напоминают штабеля досок на лесоскладе. Каждое волокно - это одна омертвевшая удлиненная клетка. Длина отдельных волокон достигает 12 мм. (А - с любезного разрешения Peter Gould; Б - из R.G. Kessel, R. H. Kardon, Tissues and Organs: A Text-Atlas of Scanning Electron Microscopy, San Francisco: Freeman, 1979.)

лины определенных типов, синтезированные в том раннем периоде. Различия в показателе преломления между ранними эмбриональными типами кристаллинов и более поздними типами помогают избавить хрусталик от оптических аберраций, свойственных простым линзам, сделанным из однородного материала, например из стекла.

17.2.2. Большинство перманентных клеток обновляет свои составные части. Пример: фоторецепторные клетки сетчатки [7]

Таких неизменяемых клеток, как волокна хрусталика, мало. Как правило, даже клетки, не делящиеся в течение всей жизни организма, обновляют свои компоненты. Клетки сердечной мышцы и нейроны, хотя они и не делятся, метаболически активны и обладают способностью не только синтезировать новые РНК и белки, но и изменять свои размеры и структуру в течение жизни. Например, клетки сердечной мышцы обновляют основную массу своих белковых молекул в течение 1-2 недель, и они могут установить такой баланс между синтезом и распадом белка, что сами клетки увеличатся в размерах, если возрастет нагрузка на сердце - скажем, при длительно повышенном кровяном давлении. Нервные клетки тоже непрерывно заменяют свои белковые молекулы; более того, многие нейроны способны регенерировать перерезанные аксоны и дендриты (см. гл. 19).

Процесс обновления клеточных компонентов особенно ярко можно проиллюстрировать на примере высокоспециализированных нервных клеток, образующих фоторецепторы сетчатки. Нервная часть сетчатки (см. рис. 17-2) состоит из нескольких клеточных слоев, расположенных, казалось бы, весьма странным образом: нейроны, передающие зрительные сигналы в мозг (ганглиозные клетки сетчатки), лежат ближе всего

157

Рис. 17-6. Схема строения сетчатки. При стимуляции фоторецепторов нервные сигналы передаются через промежуточные нейроны ганглиозным клеткам, а те в свою очередь передают их в мозг. Пространство между нейронами и фоторецепторами в нервном слое сетчатки (на рисунке светлосерое) заполнено специализированными опорными клетками, которые на схеме не показаны. (По J. Е. Dowling, В. В. Boycott, Proc. R. Soc. Lond.

(Biol.), 166, 80-111, 1966.)

к внешнему миру, так что свет, фокусируемый хрусталиком, должен пройти через них по пути к фоторецепторным клеткам. Последние расположены так, что концы их, воспринимающие свет, - наружные сегменты - частично погружены в пигментный эпителий (рис. 17-6). В соответствии со своей формой фоторецепторы делятся на палочки и колбочки. Они содержат различные светочувствительные комплексы белка со зрительным пигментом. Палочки особенно чувствительны при малой освещенности, тогда как колбочки, представленные тремя разновидностями (каждая для своего участка спектра), служат для восприятия цвета и тонких деталей. Наружный сегмент фоторецептора каждого типа - это, повидимому, видоизмененная ресничка: в нем мы находим характерное для ресничек расположение микротрубочек в участке, связывающем наружный сегмент с остальной клеткой (рис. 17-7). Главная же часть наружного сегмента почти целиком заполнена плотно уложенными мембранами, в которые погружены светочувствительные белки, связанные со зрительным пигментом. Противоположные концы фото-

158

Рис. 17-7. Строение палочки. А. В
действительности число фоторецепторных
дисков в наружном сегменте достигает				рецепторных клеток образуют синаптические контакты со вставочными нейронами сетчатки.
примерно	тысячи.	Б.	Электронная	Фоторецепторы - это перманентные клетки, не способные делиться. Но молекулы
микрофотография участка палочки. Можно				светочувствительного белка не перманентны. Они все время обновляются, и это можно
видеть основание наружного сегмента и				обнаружить по непрерывному включению в них радиоактивных аминокислот. В палочках
видоизмененную		ресничку,	которая	(любопытно, что этого нет в колбочках) такое обновление идет как на конвейере. В опытах с
связывает наружный сегмент с внутренним.				кратковременным внесением аминокислот можно проследить, как через всю клетку продвигается
(A-T.L. Lentz, Cell Fine Structure. Philadelphia:				эшелон меченых белковых молекул (рис. 17-8). После обычных этапов включения аминокислот в
Saunders, 1971; Б-M.J. Hogan, J. A. Alvarado,				белок и упаковки продукта в аппарате Гольджи, происходящих во внутреннем сегменте клетки,
J. E. Weddell, Histology of the Human Eye: An				радиоактивный материал появляется сначала у основания стопки мембран в наружном сегменте.
Atlas and Textbook. Philadelphia: Saunders,				Отсюда он постепенно перемещается к кончику сегмента, в то время как в основание стопки
1971.)				поступает новый материал. Наконец, после того как меченые белки вместе со слоями мембраны,
				в которую они погружены, дойдут до вершины стопки (у крысы приблизительно через 10 дней),

они фагоцитируются и перевариваются клетками пигментного эпителия.

Дальнейшие сведения о фоторецепторах и их функции в нервной системе читатель найдет в гл. 19.

159

Рис. 17-8. Обновление мембранного белка в палочке сетчатки. После кратковременного введения 3Н-лейцина можно с помощью радиоавтографии следить за перемещением его в клетке. Красные точки - места, где есть радиоактивность. Метод выявляет только лейцин, включившийся в белки; невключившаяся метка отмывается во время приготовления препарата. Включенный лейцин сначала концентрируется по соседству с аппаратом Гольджи (1); отсюда он переходит в основание наружного сегмента и попадает в только что синтезированный диск фоторецепторной мембраны (2). Здесь образуется около 3-4 новых дисков в час (у млекопитающих), и они оттесняют более старые диски в сторону пигментного эпителия (3-5).

Заключение

Нейроны, клетки сердечной мышцы и волокна хрусталика в течение всей жизни организма не делятся и не заменяются новыми. В зрелых волокнах хрусталика клеточные ядра уже дегенерировали и белковый синтез прекратился, так что во внутренней центральной области хрусталика находятся белки, синтезированные еще в раннем эмбриогенезе. Но в большинстве других перманентных клеток метаболическая активность продолжается и идет непрерывное обновление клеточных компонентов. Это четко показано на палочках сетчатки, где новые слои фоточувствительной мембраны синтезируются около ядра, непрерывно перемещаются к верхушке клетки и затем постепенно поглощаются и перевариваются клетками пигментного эпителия.

17.3.Обновление путем простого удвоения [8]

Упозвоночных дифференцированные клетки в большинстве своем не перманентны - они все время погибают и замещаются новыми. В течение жизни взрослого организма новые дифференцированные клетки создаются одним из двух способов: 1) при простом удвоении существующих дифференцированных клеток образуются две дочерние клетки того же типа; 2) новые клетки могут образовываться из недифференцированных стволовых клеток, и этот способ, как мы увидим дальше, связан с изменением клеточного фенотипа.

Скорость обновления варьирует от ткани к ткани. Время оборота клеток может измеряться сутками, как в эпителиальной выстилке тонкого кишечника (она обновляется за счет деления стволовых клеток), а может длиться год и более, как в поджелудочной железе (где происходит простое удвоение клеток). Во многих тканях, обычно обновляющихся очень медленно, при надобности возможна стимуляция более

160

быстрого образования новых клеток. В этом разделе мы рассмотрим обновление путем простого удвоения дифференцированных клеток на примере печени и эндотелиальных клеток.

17.3.1. Печень-промежуточное звено между пищеварительным трактом и кровью [9]

Переваривание пищи - процесс сложный. Определенные клетки, выстилающие пищеварительный тракт, выделяют различные вещества, такие как соляная кислота и ферменты, расщепляющие компоненты пищи на более простые соединения. Другие клетки всасывают продукты переваривания из просвета кишечника и переносят их в кровь для использования другими клетками организма. Все эти процессы регулируются в соответствии с составом поступившей пищи и с концентрацией

Рис. 17-9. Некоторые виды специализированных клеток, встречающихся в эпителиальной выстилке желудочно-кишечного тракта. На срезах эпителия часто видны рядом клетки разного типа (см. рис. 17-17, Б). (По Т. L. Lentz, Cell Fine Structure. Philadelphia: Saunders, 1971.)