Формирование тканей в онтогенезе

При половом размножении всё многообразие структур и функций клеток многоклеточного организма образуется всего лишь из одной исходной недифференцированной клетки – зиготы. Даже в случае соматического эмбриогенеза (являющегося результатом вегетативного размножения) исходное многообразие клеток гораздо меньше последующего. Процессы и механизмы, лежащие в основе этого феномена, разнообразны и сложны.

Важнейшими процессами, обеспечивающими формирование и поддержание тканевых систем, являются:

а) пролиферация (репродукция, размножение) клеток (автосинтетическая активность) и

б) их дифференциация (гетеросинтетическая активность).

Эти процессы по своей природе антагонистичны, а иногда и конкурентны.

Известны два способа сочетания репродукции и дифференциации клеток:

1) В первом случае все процессы репродукции клеток сосредоточены в периоде эмбриогенеза, когда и формируется основной запас клеток, необходимых для построения данной ткани (например, так развиваются ткани нервной системы высших животных).

2) Второй способ увеличения количества клеток (при антагонизме между их репродукцией и дифференциацией) - создание постоянного запаса малодифференцированных пролиферирующих клеток. Это обеспечивает постоянное образование новых клеток, которые затем дифференцируются.

При отсутствии в тканях антагонизма между гетеро- и автосинтетической активностью клеток увеличение их числа в онтогенезе идёт параллельно с их дифференцировкой. Естественно, в этом случае в ходе развития скорость пролиферации уменьшается, и в дефинитивных тканях она оказывается уже на достаточно низком уровне, с весьма продолжительными периодами G1 и S клеточного цикла. Такие ткани называются растущими.

 

Также весьма важной характеристикой тканей является продолжительность жизни составляющих их элементов. Это в свою очередь связано с интенсивностью обновления внутриклеточныхструктур, клеток и образуемого ими межклеточного вещества. По этому критерию в разных тканях одних и тех же животных и в одинаковых тканях у разных животных можно выявить два основных типа организации:

1). Стационарные тканевые системы. В них продолжительность жизни клеток соответствует продолжительности жизни организма. Тем не менее, в образующих их клетках непрерывно идут процессы внутриклеточного обновления цитоплазматических структур (например, нейроны, клетки печени, мышечные волокна и др.).

2). В камбиальных тканях продолжительность жизни дифференцированных клеток невелика. Постоянство их числа достигается благодаря сбалансированному равновесию между количеством дифференцированных клеток погибающих, закончивших свой жизненный цикл, и количеством клеток, образующихся в результате деления малодифференцированных камбиальных клеток.

 

Помимо основного способа репродукции клеток – митотического деления – в специализированных тканях могут происходить процессы амитотического, прямого деления. Иногда им предшествуют синтез ДНК и частичное или полное удвоение числа хромосом. Однако прямое деление приводит к формированию клеток, неспособных к митозу.

Весьма широко при дифференцировке клеток распространена соматическая полиплоидизация. Она основана на разобщении двух основных процессов клеточной репродукции – синтеза ДНК и митоза. При этом клетка переходит на такой цикл репродукции, при котором отсутствует собственно митоз или его заключительные фазы, хотя сохраняется период синтеза ДНК и происходит, следовательно, её удвоение (эндорепродукция). Клетки могут проходить несколько таких циклов, в результате чего степень их полиплоидизации может быть различной; так, в дифференцированных клетках может содержаться количество ДНК, соответствующее более тысяче наборов хромосом.

В клетках многоклеточных известны два типа соматической полиплоидизации: 1) политения и2) эндомитоз.

В случае политении из цикла репродукции выпадает митоз и происходит многократное удвоение молекул ДНК в составе хромосом диплоидных клеток. Благодаря этому хромосомы приобретают гигантские размеры (политенные хромосомы).

При эндомитозе обычно оболочка ядра не разрушается, но происходит кратное увеличение числа хромосом. В некоторых случаях начальные фазы митоза сохраняются, но анафаза отсутствует, и реплицированные хромосомы оказываются в одном ядре.

Основной биологический смысл эндорепродукции - в интенсификации метаболизма клетки без прекращения её функции во время митоза. При некоторых типах дифференцировки эндорепродукция – необходимое условие специализации клеток. Например, это имеет место при дифференцировке клеток слюнных желёз у двукрылых, гигантских нейронов голожаберных моллюсков, мегакариоцитов (клеток- предшественников кровяных пластинок млекопитающих) и др.

Такой разнообразный, лабильный характер организации процессов репродукции и дифференцировки клеток резко увеличивает адаптивную пластичность тканей.

 

Итак, многообразие клеток любого многоклеточного организма – результат и условие его онтогенеза. Например, в организме позвоночных животных таким образом возникают более 200 типов клеток (причём многие из них, видимо, объединяют под общим названием большое число вариантов).

Основой этого усложнения является дифференциация клеток.

Дифференциация в широком смысле – процесс преобразования чего-либо более однородного в менее однородное, процесс возникновения различий.

В данном случае подразумевается в первую очередь возникновение различных клеток, что обусловлено их специализацией.

Дифференциации (то есть внешнему проявлению различий) предшествует и обуславливает её процесс внутренний - процесс выбора направления развития, выбора направления дифференциации. Это явление называется детерминацией.

Детерминация – одно из важнейших понятий современной биологии. Особенность этого явления в том, что внешне оно не проявляется, о факте её существования можно судить лишь по результатам дифференциации. Тем не менее, несмотря на всю свою высокую степень абстрактности, это понятие очень конкретное и точное.

Детерминация – это стойкое внутреннее изменение клетки, ведущее к её дифференциации.

В данном случае категория «стойкий» означает такое изменение, которое:

1) сохраняется после снятия внешнего воздействия;

2) сохраняется в ряду клеточных поколений.

Последовательность и направление дифференциаций в ходе онтогенеза строго определены, и потому судьба той или иной клетки (то есть то, как она будет дифференцироваться) в высокой степени предопределена. Это доказывается как наблюдениями, так и экспериментально.

Способность клетки к дифференциации называется её потенцией. Соответственно, способность дифференцироваться в одном направлении называется унипотентностью, во многих – мульти- (поли)потентность, во всех – тотипотентность.

Таким образом, тотипотентные клетки не являются дифференцированными и прямых функций жизнеобеспечения не имеют. Например, бластодерма (то есть, слой клеток, формирующий бластулу) имеет некоторое внешнее сходство с эпителием, то есть с функциональной тканью. Однако таковой не является, так как её клетки, в отличие от настоящего эпителия, тотипотентны, и задач жизнеобеспечения не решают. Не имеют фиксированной потенции и клетки зародышевых листков – их детерминация в зависимости от обстоятельств может легко меняться.

У наиболее примитивных Metazoa свойства клеток тканей не слишком стойки и обладают известной лабильностью.

Поскольку дифференциация в общем смысле – возникновение вообще каких-либо отличий, то в принципе какие-то различия клеток могут возникать и без предварительной детерминации. Однако, как следует из отмеченного несколько выше, такие изменения обратимы, то есть не сохраняются в ряду клеточных поколений.

Таким образом, онтогенез можно рассматривать как последовательность дифференциаций, в результате которых потенция клеток всё более ограничивается, сужается. Последнее явление называется коммитированием.

То есть, как уже неоднократно отмечалось, именно дифференциация обуславливает онтогенез многоклеточного организма, обуславливает возникновение клеток разных типов – т. е. разного строения, выполняющих разные функции. Следовательно, понимание механизмов дифференциации является одним из важнейших условий понимания формирования многоклеточного организма вообще и его тканевой организации в частности.

 

Итак, дифференциация ведёт к возникновению клеток, имеющих разный фенотип.

Один из центральных принципов современной биологии – единство генотипа и фенотипа. Следовательно, можно предположить, что в ходе дифференциации клеток при изменении их фенотипа либо:

1) меняется генотип той или иной клетки, либо

2) генотип при этом не изменяется.

Верным является второе утверждение. Об этом свидетельствуют явление вегетативного размножения, при котором из уже дифференцированных клеток возникают другие дифференцированные клетки, а также классические эксперименты по пересадке ядер (ядра дифференцированной клетки в зиготу), клонированию и др.

Следовательно, дифференциация клеток происходит без изменения генома, то есть не мутагенным путём. А значит, геномы всех клеток многоклеточного организма вне зависимости от их строения и выполняемых ими функций идентичны. (Исключением являются иммунокомпетентные клетки, что будет разъяснено ниже).

Из этого следует, что факторы, обуславливающие детерминацию клетки, находятся вне её генома. И потому называются эпигеномными (эпигенетическими).

Таким образом, генетические изменения – изменение структуры генов, а эпигенетические – их активности. В отличие от мутаций эпигенетические изменения происходят не в одной клетке, а в комплексе клеток.

Необходимо ещё раз подчеркнуть необратимость детерминации клеток, даже если внешне она не проявляется достаточно долго или даже если клетки утрачивают признаки дифференциации. Иллюстрацией этому могут служить эксперименты с саркомой Крокера (причины возникновения новообразований см. в разд. 1.6.). Исходная опухоль, спонтанно возникшая у мыши в конце XIX века – опухоль молочной железы. При последующих подкожных перевивках опухоль утратила все признаки железистой ткани, то есть клетки остались без признаков дифференцировки. Почти через 70 лет (а продолжительность жизни мыши составляет около 2 лет) эти клетки поместили на хориоаллантоис куриного эмбриона (то есть в среду, чрезвычайно богатую индукторами и факторами, стимулирующими процессы цитодифференцировки). В результате чего клетки «саркомы» не только проявили способность к дифференцировке, но и сформировали железистые структуры. На этом примере хорошо видно принципиальное различие между дифференцировкой и детерминацией клеток.

 

Реальный механизм детерминации (дифференциации) клеток в настоящее время, к сожалению, не имеет окончательного понимания. И потому его изучение является одним из магистральных направлений современной биологии.

Поддержание тканей

Как уже отмечалось выше, во многих тканях в ходе выполнения клетками их функций они разрушаются, омертвевают. Необратимое прекращение функций отдельных клеток происходит не только вследствие патологии, но и является необходимым компонентом нормальной жизнедеятельности. Разрушение и гибель клеток играет важную роль и в период эмбрионального развития во время закладки органов и дифференцировки тканей.

Различают гибель клеток вследствие двух, внешне похожих, но принципиально различных процессов: апоптоза и некроза. Эти явления настолько похожи (а также потому, что механизм апоптоза выяснен сравнительно недавно), что нередко для описания некоторых физиологических процессов разрушения клеток вместо термина «апоптоз» до сих пор используют термин «некроз».

Апоптоз — это процесс естественной, генетически обусловленной гибели клеток, то есть нормальный процесс; тогда как некроз – омертвение, гибель отдельных органов, их частей, тканей или клеток - патологический. Хотя и при апоптозе и при некрозе возникают сходные характерные изменения клетки и межклеточного вещества: ядро и цитоплазма сморщиваются, распадаются, лизируются, что связано с активацией гидролитических ферментов лизосом в результате повышения проницаемости клеточных мембран, происходят изменения осмотического равновесия и т. п.

Значение некроза для организма определяется, прежде всего, выпадением функции в связи с гибелью структурных элементов ткани или органа. Таким образом, некроз клеток возникает в нефизиологических условиях, в результате воздействия неблагоприятных факторов.

Апоптоз же распространён и типичен в физиологических условиях. Он является естественным, эволюционно обусловленным и генетически контролируемым механизмом морфогенеза. Наряду с пролиферацией, сортировкой и миграцией клеток, он обеспечивает дифференцировку и специализацию тканей, способствует приобретению характерных для того или иного вида животных черт морфофункциональной организации. Очевидно, избирательная гибель клеток не менее важна для морфогенеза, чем другие процессы, происходящие в тканях.*

Итак, в ходе выполнения клетками их функций они «изнашиваются», и, следовательно, замещаются. Время «оборота» (обновления) клеток разных тканей весьма различно: от суток (например, кишечный эпителий) до года и более (поджелудочная железа).

Выше уже отмечалось, что в сформировавшемся организме клетки различаются, в том числе, и по способности к пролиферации. То есть в нём имеются клетки, а) делящиеся интенсивно, б) делящиеся редко и в) не делящиеся вообще. В первую очередь это обусловлено выполняемыми этими клетками функциями. Например, неделящимися являются нейроны головного мозга и клетки хрусталика глаза: деление первых привело бы к потере памяти, вторых – к утрате прозрачности хрусталика. Такие клетки иногда называют перманентными.

Большинство же клеток многоклеточного организма в ходе индивидуальной жизни организма делятся для замещения гибнущих, благодаря чему ткани обновляются.

Известны два способа возобновления клеток:

1) посредством деления дифференцированных клеток;

2) с помощью так называемых стволовых клеток.

Первый способ наиболее «экономичен» – появление новых аналогичных клеток происходит быстро.

Однако многие ткани обновляются вторым способом. Стволовые клетки, за счёт которых происходит такое обновление, обладают рядом особенностей. Они:

а) окончательно не дифференцированы;

б) делятся довольно редко.

_____________________________________________________________

*Механизм апоптоза в настоящем учебном пособии не рассматривается, так как в его контексте для понимания принципов организации тканей принципиального значения не имеет.

в) при этом обладают способностью к неограниченному делению;

г) их деление асимметрично - при делении стволовой клетки одна из дочерних уходит в дифференцировку, а вторая сама становится стволовой.

Следовательно, стволовые клетки детерминированы, но не дифференцированы.

Таким образом, этот способ возобновления по сравнению с первым долог и сложен. Однако он целесообразен по следующим причинам:

а) многие клетки в дифференцированном состоянии делиться не могут (например, безъядерные эритроциты, роговые чешуи кожи и т.п.);

б) потому что чем реже клетка делится, тем меньше вероятность ошибки, т. е. мутаций.

Как видно из отмеченных особенностей стволовых клеток, при делении осуществляется их воспроизводство, но не происходит размножение клеток (то есть их число не увеличивается). В этом случае размножение происходит на более поздних этапах дифференциации. Существует образное выражение «ниша стволовой клетки», которая представляет собой некий абстрактный пространственно-временной континуум, «рассчитанный» лишь на одну стволовую клетку. Поэтому при делении одна из образовавшихся клеток вынуждена покинуть эту нишу - то есть приступить к дифференциации.

(В настоящее время распространено расширительное понимание стволовых клеток – как любых плюрипотентных клеток, способных давать начало специализированным; в том числе к ним относят и эмбриональные).

Таким образом, в составе ткани одновременно находятся клетки разной степени дифференцированности, обладающие значительно различающимися свойствами. Поэтому их (клетки) можно объединить в некие группы (или разделить на группы), называемые клеточными популяциями.

Клеточные популяции выделяют по следующим критериям (параметрам):

1) способность к самоподдержанию (самовоспроизводству);

2) возможность входа в популяцию (т. е. поступают ли в эту популяцию клетки из других популяций или нет);

3) возможность выхода из неё (в другие популяции).

В соответствии с этими критериями можно выделить следующие типы клеточных популяций (рис. 1):

1) самоподдерживающаяся (в неё клетки не входят, воспроизводятся в ней и выходят из неё) – популяция стволовых клеток;

2) делящаяся транзитная (клетки входят, воспроизводятся, выходят);

3) неделящаяся простая транзитная (клетки в неё входят, в ней уже не воспроизводятся – дифференцируются, готовятся к дальнейшему, иногда довольно длительному, функционированию, после чего выходят из этой популяции);

4) популяция дифференцированных клеток (клетки в неё входят, не воспроизводятся, не выходят и в конечном итоге гибнут).

Рис. 1. Схематическое изображение возможных типов клеточных популяций (по Е. А. Шубниковой, 1981): 1) – простая транзитная; 2) – конечная;
3) – распадающаяся; 4) – закрытая статическая; 5) – делящаяся транзитная;
6) – не найдена; 7) – популяция стволовых клеток; 8) – закрытая делящаяся. Стрелками показано: слева - поступление клеток в популяцию; справа - выход из неё; двойная – деление клеток внутри популяции.

Таким образом, понятие «клеточная популяция» - некая пространственно-временная абстракция, характеризующая порядок формирования и поддержания тканей. Различные типы популяций могут совпадать как в пространстве, так и во времени, а могут быть разнесены в пространстве и/или времени (например, популяции клеток крови – см. разд. 2.2.5.2.3).

Вся совокупность клеток общего происхождения (всех популяций данной линии) обозначается термином дифферон или гистогенетический ряд.

Последовательное возникновение различных популяций клеток и их существование, условно говоря, и есть онтогенез.