Альтруистическое поведение» клеток многоклеточного организма

Подытоживая всё вышеизложенное, можно заключить, что каждая ткань занимает в организме определённый континуум, имеющий заданные пространственные и временные параметры. То есть каждая ткань в организме имеет: 1) строго определённое местоположение, 2) строго определённые размеры, 3) формируется в строго определённый момент онтогенеза, 4) обновляется со строго определённой скоростью.

Понятно, что при нарушении этих параметров нарушается структура организма, его целостность, а значит, жизнеспособность. Все свойства тканей – в том числе и рассматриваемые сейчас - обусловлены генетически, а значит, могут быть нарушены лишь мутационным путём, что является причиной раковых (онкологических) заболеваний, то есть образования опухолей.

В течение человеческой жизни происходит около 10 клеточных делений. Вероятность возникновения спонтанных мутаций не велика – около 10 на 1 ген за 1 цикл деления. Однако, если умножить эту величину на число клеточных делений, то общая вероятность возникновения соматических мутаций в организме на протяжении жизни составит огромную величину – 10 . И если причиной возникновения раковых заболеваний являются именно соматические мутации, то в этом случае организм был бы заполнен опухолями (то есть массой генетически чуждых клеток) ещё до завершения его формирования. Однако это не соответствует реальности.

Таким образом, проблема понимания причин раковых заболеваний состоит в выяснении, фигурально выражаясь, не только того, почему они (эти заболевания) возникают, а и того, почему они возникают редко.

Раковые клетки характеризуются двумя главными особенностями, которые сохраняются и у их потомства: 1) они размножаются без тех ограничений, которые имеют силу для нормальных клеток; 2) они захватывают и заполняют в организме места («ниши»), предназначенные в норме для других клеток. Именно комбинация этих черт делает это заболевание особо опасным. Потому что если пролиферация клетки выходит из-под контроля, она даёт начало неоплазме – опухоли – неотвратимо растущей массе аномальных клеток, которая вытесняет нормальные, функционально необходимые для организма клетки. По сути дела, клетки одного организма вступают в конкурентные отношения друг с другом, что для него губительно.

Отдельная дефектная клетка, размножающаяся не быстрее, чем её нормальные соседи, принесёт немного вреда, какими бы неприятными особенностями она бы ни обладала. Но если её пролиферация выходит из-под контроля, такая клетка и даёт начало опухоли.

В том случае, когда новообразовавшиеся клетки остаются компактным, чётко локализованным скоплением, опухоль считается доброкачественной, и потому хирургическое её удаление обычно приводит к излечению.

Раковая же опухоль образуется в том случае, когда клетки опухоли выходят за пределы исходного локуса. Такая опухоль называется злокачественной. Клетки в этом случае приобретают способность к инвазивному росту – способностью разрушать естественные барьеры, проникать в кровяное русло и лимфатические сосуды и формировать вторичные опухоли, – метастазы, что ведёт, в конечном итоге, к полной деструкции организма.

Если бы одной мутации в каком-нибудь гене было бы достаточно, чтобы клетка стала раковой, то, как уже отмечалось, организм был бы нежизнеспособен. На самом же деле, существует множество указаний на то, что для возникновения рака необходимо совпадение нескольких событий в одной клетке, происходящих независимо друг от друга и весьма редко. В частности, об этом свидетельствует резкое увеличение заболеваемости раком с возрастом – в третьей, четвёртой, а то и пятой степени: если бы для возникновения рака было бы достаточно одной мутации (с постоянной вероятностью), то этой возрастной зависимости не было. Эпидемиологическая статистика показывает, что для превращения нормальной клетки в опухолевую требуется от трёх до семи независимых случайных событий, каждое из которых имеет низкую вероятность.

Кроме того, нераспространению мутантных клеток способствует и пространственная организация ткани. Например, в кишечном эпителии стволовые клетки находятся на дне крипт (подробно об этой ткани см. в соответствующем разделе). В результате чего потомки той или иной стволовой клетки размещаются на боковой поверхности ворсины – от крипты до её вершины; закончив своё функционирование, они слущиваются. Таким образом, на одной стороне крипты располагается один микроклон клеток, на противоположной – другой. То есть благодаря такой пространственной организации в большинстве случаев даже при мутации генетически чуждые клетки не выходят за пределы обычного локуса.

Наконец, в многоклеточном организме имеется система поддержания клеточного гомеостаза, чьё функционирование направлено на борьбу с соматическими мутациями - так называемый клеточный (трансплантационный) иммунитет (см. соответствующий раздел).

Важность изучения клеточной биологии рака обусловлена тем, что в основе целой группы родственных заболеваний, объединённых этим названием, лежат нарушения наиболее фундаментальных законов поведения клеток в многоклеточном организме. Для того, чтобы разобраться в сущности этих заболеваний и разработать рациональные способы его лечения, необходимо понять как внутренние механизмы поддержания и обновления тканей, так и механизмы взаимодействия клеток друг с другом в тканях и организме в целом. Именно по этой причине фундаментальные исследования рака столь существенно обогатили знания о нормальных клетках.

Многоклеточный организм по сути дела представляет собой специфическое сообщество клеток – ещё Р. Вирхов называл его «клеточным государством». В нём преобладание альтруистических тенденций над конкуренцией является правилом для всех типов клеток (кроме одного – популяции половых клеток, которые, строго говоря, не составляют структуру организма). Любые соматические клетки в конечном итоге обречены на умирание без потомства. Однако самим своим существованием они обеспечивают сохранение клеток половых – единственных, кто имеет шанс выжить и продолжить себя в потомстве. В этом нет парадокса, поскольку многоклеточный организм, по сути, является единым клеточным клоном, в котором генотипы соматических и половых клеток идентичны. Следовательно, «жертвуя собой» ради блага половых, соматические клетки способствуют распространению собственных генов.

Таким образом, в отличие от свободно живущих клеток - то есть одноклеточных организмов - между которыми происходит постоянная конкуренция в борьбе за выживание, клетки многоклеточного организма «обречены» на сотрудничество. В этой ситуации любая мутация, которая порождает отход от альтруистического поведения отдельных членов подобного сообщества, ставит под угрозу само его существование, а значит, и всех входящих в него клеток. Поэтому мутации и конкуренция, возникающая внутри популяции соматических клеток – признаки глубокой патологии.

Регенерация

Рассмотренными выше процессами обновления тканей обеспечивается регенерация.

Регенерация – это восстановление организмом разрушенных или утраченных структур и функций. Таким образом, это явление может рассматриваться как в структурном, так и функциональном смыслах.

В большинстве случаев имеется в виду восстановление структур (органов, тканей), что влечёт за собой и восстановление функции, выполняемой данной структурой. Однако если подходить со строго функциональной точки зрения, то в случае временной или окончательной невозможности восстановления исходной структуры осуществляется временное и (или) частичное восстановление функции данного органа за счёт других структур (тканей). Например, при повреждении эпидермиса функцию защиты частично и временно выполняет струп, при разрыве сердечной мышцы её целостность восстанавливается не за счёт невосстановимой сердечномышечной ткани, а за счёт фиброзной и т. п.

Обычно различают два типа регенерационных процессов – физиологическую и репаративную регенерацию.

Физиологическая регенерация – восстановление структур, утраченных в результате естественного функционирования. Такой регенерации подвергаются клетки, находящиеся в разных состояниях:

а) погибающие в результате дифференцировки (роговые чешуи кожи, сальные железы и др.) – при этом ткань не прерывает выполнение своей функции;

б) клетки, которые для того, чтобы осуществить свою функцию, должны быть отторгнуты (сперматогенная ткань);

в) изнашивающиеся клетки, т. е. гибнущие после длительного функционирования (многие мерокриновые железы и др.).

При этом по топографическим особенностям могут быть выделены следующие типы физиологической регенерации:

1) мозаичная, при которой локализация процессов деструкции и восстановления совпадает (печень, мезотелий);

2) зональная, при которой клетки гибнут не в том месте, где осуществляются их новообразование, но в том же органе (камбиальные ткани);

3) дистантная, при которой гибель клеток и их размножение идут в разных органах или в разных частях организма (кроветворные, половые органы).

 

Репаративная регенерация – восстановление структур, утраченных в результате повреждений (поранений).

 

Существуют так называемые правила регенерации, отмечающие изменение способности к регенерации в онто- и филогенетическом рядах (сформулированы Ч. Дарвином в 1868 г.):

1) способность к регенерации в ходе онтогенеза понижается;

2) способность к регенерации в филогенетическом ряду животных по мере увеличения сложности организма понижается;

3) при регенерации сохраняется специфичность тканей (Вальдейер, 1865) (хотя из этого правила есть исключения).

Классификация тканей

Любая классификация решает конкретные прагматические задачи и потому, в зависимости от избранных критериев сравнения, существуют различные классификации тканей.

Как уже отмечалось (см. исторический очерк), наиболее часто используемой является классификация Лейдига-Кёлликера, в основу которой положены особенности морфологии тканей и выполняемые ими функции. В соответствии с этими критериями всё многообразие тканей делится на 4 группы: 1) эпителии (покровные ткани), 2) ткани внутренней среды, 3) мышечные и 4) нервные ткани.

Если в качестве критерия классификации тканей избрать единственный параметр – например, выполняемые ими функции – то ткани сгруппируются иначе: например, в группу опорных (механических) тканей попали бы хрящевая, костная ткани и кутикулярный эпидермис членистоногих и других животных; в группе локомоторных объединились бы мышечные ткани и мерцательный эпителий, в группу защитных тканей объединились бы эпителии и ряд тканей внутренней среды и т. д.

Если же использовать только морфологический критерий, то вновь получится целый ряд разных распределений, обусловленных разностью взятых за основу признаков (ряд сугубо морфологических классификаций был упомянут в историческом отделе).

При рассмотрении в предшествующих разделах фило- и онтогенеза многоклеточных были, по сути дела приведены соответствующие фило- и онтогенетические классификации.

Как уже отмечалось выше, по интенсивности процессов пролиферации ткани также можно подразделить на:

1) статичные, в которых клетки не размножаются и их число остаётся постоянным;

2) растущие, в которых число клеток в онтогенезе увеличивается (хотя со временем этот процесс, конечно, замедляется);

3) обновляющиеся - в которых клеточная потеря компенсируется новообразованием клеток.

Наконец, возможны – и используются – и иные классификации, которые применяются в зависимости от целей того или иного исследования.

Часть II