Диференціація

Диференціація – це процес спеціалізації клітин, що обумовлює їх морфологічні відмінності. Іншими словами, це реалізація програми, яка була намічена детерминацией.
Різні види клітин еукаріотичного організму синтезують як однакові білки, так і специфічні. Залежно від типу клітин і стадії їх розвитку може варіюватися і рівень продукції будь-якого білка. У зв’язку з цим в біології розвитку розрізняють два види еукаріотичних генів:
1. Гени «домашнього господарства» (housekeeping genes) пов’язані з підтриманням універсальних клітинних функцій. Проявляються у всіх клітинах. У ссавців і людини частка таких генів становить приблизно 20%.
2. Гени «розкоші» пов’язані із здійсненням спеціалізованих клітинних функцій, специфічних для окремих типів клітин. Такі гени функціонують (експресуються) в одних клітинах і не функціонують в інших.
Високий рівень активності генів «домашнього господарства» є зазвичай попереднім етапом диференціації, наступним після встановлення детермінації. Цей етап, ймовірно, не має тканинної специфічності. Відомо, що клітинна детермінація відбувається задовго до формообразовательних процесів.
Диференціальна експресія генів «розкоші» обумовлює диференціацію клітин в певному напрямку. У результаті диференціальної активності генів формуються різні клітинні лінії, а на їх основі – тканини й органи.
У міру розвитку зародка посилюються зв’язки між клітинами і збільшується їх вплив один на одного. Вплив клітинних структур, що б розвиток інших клітинних структур, називається ембріональної індукцією. Найбільш наочно її дію можна спостерігати під час формування нервової системи. На диференціювання нервової тканини впливають експресія її власних генів, генів суміжних нейронів, генів віддалених нейронів, відростки яких досягають цієї клітини, а також диференціальна експресія генів, оточуючих гліальних клітин, генетичні системи ендокринних і нейроендокринних органів. На початковому етапі відбувається утворення нервової пластинки з ектодерми. Індуктором цього процесу є група клітин дорсальній губи бластопора – так званий гензеновскій вузлик. Саме дослідження цієї області і послужило поштовхом до створення засновником експериментальної ембріології Г. Шпеманом (1869-1941) вчення про «організаторах». У клітинах «гензеновского вузлика» активуються гени, що кодують білкові фактори, направляючі розвиток ектодерми по нейральной шляху. У свою чергу, закладка самого «гензеновского вузлика» ініціюється β-Катенін, градієнт якого встановлюється в ході оопластіческой сегрегації.
Диференціація, як і детермінація, у всіх тварин протікає в декілька етапів. Чи можна виділити якісь закономірності у всьому різноманітті онтогенезів? Виявляється, можна.
Для онтогенезів майже всіх тварин, включаючи людину, характерний процес поділу зародка на сегменти. Цей процес називається сегментацією. Його контролюють дві групи генів. Сегрегаційні гени – визначають кількість майбутніх сегментів. Вони послідовно активуються в процесі розвитку. Мутації за Сегрегаційні генам зазвичай несумісні з ходом ембріогенезу і викликають загибель зародка на різних стадіях.
Іншу групу становлять особливі регуляторні гени, які контролюють морфогенетичні процеси всередині сегментів, т. Е. Напрям розвитку кожного сегмента. Найбільш добре вивчені в цій групі регуляторні гени дрозофіли – гомеозісние гени. Ця назва походить від терміна «гомеозіс», який ввів ще У. Бетсон в 1894 р для феномена перетворення однієї частини тіла в іншу.
У дрозофіли гомеозісние гени контролюють розвиток різних структур на головному, грудному та черевному сегментах. Розуміння їх ролі допомогло вивчення гомеозісних мутацій. Гомеозісние мутації призводять до появи не властивою даному сегменту структури. Так, на грудних сегментах можуть виникати структури голови, і навпаки. Таким чином, гомеозісная мутація – це зміна напрямку детермінації.
Всі гомеозісние гени мають спільні нуклеотидні послідовності, які отримали назву гомеобокс, а колінеарний їм фрагмент білкової молекули – гомеодомен. Саме область гомеодомена відповідальна за з’єднання регуляторного білка з ДНК. Гомеобокс був відкритий Мак-Гіннісом на початку 1980-х рр.
Хоча гомеозісние гени найбільш грунтовно вивчені у дрозофіли, всі представники тваринного світу, що мають стадію сегментированного зародка (у тому числі осіб), мають гомеобокссодержащіе гени. Структура гомеобоксов (180 п. Н.) Виявилася виключно консервативна у найдальших філогенетичних груп. Так, з 60 амінокислот гомеодомена жаби і мухи 55 виявилися однаковими. Така консервативність характерна для структур, що визначають самі ранні стадії розвитку. Дійсно, гомеозісние гени дрозофіли починають експресуватися вже через 2 години після запліднення.
У ссавців виявлено 38 гомеобокссодержащіх генів (Корочкін Л. І., 2002). Вони отримали назву Нох-генів. Як гомеозісние гени дрозофіли, так і Нох-гени формують компактні групи – кластери. У людини 4 кластера розташовані на хромосомах 2, 7, 12, 17. На відміну від дрозофіли, у ссавців певна структура контролюється не окремими Нох-генами, а специфічною для цієї структури сукупністю експресій декількох Нох-генів. Одним з цікавих явищ, які спостерігаються в генетиці розвитку, є феномен «коллінеарності» (відповідності) між послідовностями гомеобокссодержащіх генів в кластері і зонами їх експресії уздовж осі тіла.
Оскільки диференційовані клітини втрачають мітотичну активність, в кожної тканини існує резерв клітин, що зберегли здатність до поділу. До таких клітин належать стовбурові клітини – недиференційовані клітини-попередники інших клітин, що зберігають високий потенціал розвитку. У зв’язку з цим один із класиків біології розвитку швейцарський вчений Е. Хадорн, розглядаючи детермінацію як складний і багатоступінчастий процес, розділив її на два види:
1) детермінація, ведуча до диференціації;
2) детермінація, ведуча до відтворення недиференційованих клітин, службовців своєрідним резервом для різних диференціювань.
Ембріональні стовбурові клітини зародка зазвичай тотипотентностью. Тотипотентність (еквіпотенційне) – це здатність клітини розвиватися в будь-якому напрямку. У дорослого організму стовбурові клітини мультипотентними, т. Е. Здатні диференціюватися в різні види клітин, але не в будь-які. Однак можна припустити, що ядра деяких з цих клітин зберігають тотіпотентность. Така можливість становить певний інтерес для вирішення проблеми оборотності детермінації.

Посилання на основну публікацію