Молекулярная биология клетки - Том 3 - Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж. 1994

От клеток к многоклеточным организмам
Поддержание нормальной организации тканей
Поддержание дифференцированного состояния

Хотя ткани организма во многих отношениях различаются между собой всем им нужны определенные элементарные условия, создав обычно сочетанием клеток разного типа. На рис. 17-1 это проиллюстрировано на примере кожи. Прежде всего тканям нужна механическая прочность, которую очень часто обеспечивает внеклеточный матрикс (разд. 14.2), секретируемый фибробластами. Кроме того, почти все ткани нуждаются в кровоснабжении, для того чтобы получать питатель вещества и освобождаться от шлаков; поэтому они пронизаны кровеносными сосудами, которые выстланы эндотелиальными клетками. Точно так же большинство тканей иннервировано, т.е. содержит аксоны нервных клеток (нейронов), одетые оболочкой из шванновских клеток В тканях обычно присутствуют макрофаги, которые могут быть нужны для ликвидации остатков отмерших клеток и удаления излишнего матрикса, а также лимфоциты и другие лейкоциты, призванные бороться с инфекцией. Иногда в ткани могут находиться меланоциты, обеспечивающие защитную или декоративную пигментацию. Большая часть этих различных клеток, играющих подсобную роль по отношению к функции 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.

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.

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.

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 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.

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.

17.1.3 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 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.

Рис. 17-3. Схематическое изображение вкусовой почки.

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.