Diferencijacija je proces kojim ćelija postaje specijalizovan one. poprima hemijske, morfološke i funkcionalne karakteristike. U samom u užem smislu- to su promjene koje se dešavaju u ćeliji tokom jednog, često terminalnog, ćelijskog ciklusa, kada počinje sinteza glavnih funkcionalnih proteina specifičnih za datu vrstu ćelije (Shema 8.1). Primjer je diferencijacija epidermalnih stanica ljudske kože, pri čemu u stanicama koje se kreću od bazalnog ka spinoznom, a zatim sukcesivno u druge, površnije slojeve, dolazi do nakupljanja keratohijalina, koji se u stanicama stratum pellucida pretvara u eleidin, a zatim u stratum corneum u keratin. Istovremeno se mijenja oblik ćelija, struktura ćelijskih membrana i skup organela. Zapravo, ne razlikuje se samo jedna ćelija, već grupa sličnih ćelija. Primjera je mnogo, jer u ljudskom tijelu postoji oko 220 različitih vrsta ćelija. Fibroblasti sintetiziraju kolagen, mioblasti sintetiziraju miozin, a epitelne stanice probavnog trakta pepsin i tripsin.
U više u širem smislu ispod diferencijaciju razumjeti postepenu (u toku nekoliko ćelijskih ciklusa) nastanak svih velike razlike I oblasti specijalizacije između ćelija koje su nastale iz manje ili više homogenih ćelija jedne izvorne klice. Ovaj proces je svakako praćen morfogenetskim transformacijama, tj. nastanak i dalji razvoj rudimenata pojedinih organa u definitivne organe. Prve hemijske i morfogenetske razlike između ćelija, određene samim tokom embriogeneze, otkrivaju se u periodu gastrulacije.
Proces kojim pojedina tkiva dobijaju svoj karakterističan izgled tokom diferencijacije naziva se histogeneza. Dolazi do diferencijacije ćelija, histogeneze i organogeneze Ukupno,štaviše, u određenim područjima embriona iu određeno vrijeme. Ovo je veoma važno jer ukazuje koordinacija I integracija embrionalni razvoj.
Potrebno je razumjeti kako se ćelije, koje najčešće imaju isti kariotip i genotip, diferenciraju i učestvuju u histo- i organogenezi na potrebnim mjestima iu određeno vrijeme u skladu sa holističkom „slikom“ date vrste organizma. Oprez prilikom iznošenja prijedloga koji
Poglavlje 8. Obrasci individualnog razvoja organizama Šema 8.1. Diferencijacija mezoderma
Nasljedni materijal svih somatskih ćelija je apsolutno identičan, odražavajući objektivnu stvarnost i istorijsku dvosmislenost u tumačenju uzroka ćelijske diferencijacije. Razvoj ideja o mehanizmima citodiferencijacije prikazan je na šemi 8.2.
V. Weisman je iznio hipotezu (kraj 19. vijeka) da samo linija zametnih ćelija prenosi i prenosi svojim potomcima sve informacije svog genoma. Somatske ćelije se, po njegovom mišljenju, mogu razlikovati od zigota i jedna od druge po količini nasljednog materijala i stoga se diferenciraju u različitim smjerovima.
Kasnije su otkriveni primjeri promjena u količini nasljednog materijala u somatskim ćelijama kako na genomskom, tako i na hromozomskom i genskom nivou. Opisani su slučajevi eliminacije čitavih hromozoma kod kiklopa, komarca i jednog od predstavnika torbara. U potonjem, X hromozom je eliminisan iz somatskih ćelija žene, a Y hromozom je eliminisan iz ćelija muškarca. Kao rezultat toga, njihove somatske stanice sadrže samo jedan X kromosom, a linija zametnih stanica zadržava normalne kariotipove: XX ili XY.
Šema 8.2. Razvoj ideja o mehanizmima citodiferencijacije
U politenskim hromozomima pljuvačnih žlijezda dvokrilaca, DNK se može sintetizirati asinhrono; na primjer, tokom politenizacije, heterokromatske regije se repliciraju manje puta od eukromatskih. Sam proces politenizacije, naprotiv, dovodi do značajnog povećanja količine DNK u diferenciranim ćelijama u odnosu na roditeljske ćelije.
Mehanizam replikacije DNK, nazvan amplifikacija, također dovodi do višestrukog povećanja broja nekih gena u nekim ćelijama u odnosu na druge. Tokom oogeneze, broj ribosomskih gena se višestruko povećava, a mogu se pojačati i neki drugi geni. Postoje dokazi da u nekim ćelijama, u procesu diferencijacije, dolazi do preuređivanja gena, na primjer gena imunoglobulina u limfocitima.
Međutim, trenutno općeprihvaćeno gledište potiče od T. Morgana, koji je, na osnovu hromozomske teorije nasljeđa, sugerirao da je ćelijska diferencijacija tokom ontogeneze rezultat uzastopnih recipročnih (međusobnih) utjecaja citoplazme i mijenjanja produkata citoplazme. aktivnost nuklearnih gena. Dakle, ideja o diferencijalna ekspresija gena
kao glavni mehanizam citodiferencijacije. Trenutno je prikupljeno mnogo dokaza da u većini slučajeva somatske ćelije organizama nose kompletan diploidni set hromozoma, a da se genetske potencije jezgara somatskih ćelija mogu sačuvati, tj. geni ne gube svoju potencijalnu funkcionalnu aktivnost.
Rice. 8.6.
1 - presek korena u hranljivoj podlozi, 2 - profilisanje ćelija u kulturi, 3 - ćelija izolirana iz kulture, 4 - rani embrion, 5 - kasniji embrion, 6 - mlada biljka, 7 - odrasla biljka
Očuvanje kompletnog hromozomskog seta organizma u razvoju osigurava se, prije svega, mehanizmom mitoze. O očuvanju genetskog potencijala jezgara somatskih ćelija može se suditi iz rezultata eksperimenata na biljkama i životinjama. Somatska ćelija šargarepe koja je prošla kroz dug proces diferencijacije sposobna je da se razvije u punopravan organizam (slika 8.6). Kod životinja pojedinačne somatske ćelije nakon stadijuma blastule, po pravilu, nisu u stanju da se razviju u čitav normalan organizam, ali njihova jezgra, transplantirajući se u citoplazmu oocita ili jajeta, počinju da se ponašaju u skladu sa citoplazmom u koje sami pronalaze.
Eksperimenti presađivanja jezgra somatskih ćelija u jaje prvi put su uspešno izvedeni 1950-ih. u SAD-u, te 1960-ih i 1970-ih. Eksperimenti engleskog naučnika J. Gurdona postali su nadaleko poznati. Korištenje afričke kandžaste žabe Xenopus laevis, u malom procentu slučajeva razvio je odraslu žabu iz enukleiranog jajeta u koju je presadio nukleus iz epitelne ćelije kože žabe ili crijeva punoglavca, tj. iz diferencirane ćelije (vidi sliku 5.3). Enukleacija jajeta je izvršena uz velike doze ultraljubičastog zračenja, što je dovelo do inaktivacije njegovog jezgra. Da bi se dokazalo da je presađeno jezgro somatske ćelije uključeno u razvoj embriona, korišteno je genetsko obilježavanje. Jajna ćelija je uzeta iz linije žaba sa dve jezgre u jezgru, a jezgro ćelije donora je uzeto iz linije koja je imala samo jedno jezgro u jezgri zbog heterozigotnosti za deleciju nukleolnog organizatora. Sve jezgre u stanicama pojedinca dobivene kao rezultat nuklearne transplantacije imale su samo jednu jezgru.
U isto vrijeme, Gurdonovi eksperimenti otkrili su mnoge druge važne obrasce. Prvo, još jednom su potvrdili pretpostavku T. Morgana o odlučujućoj važnosti interakcije između citoplazme i jezgra u životu ćelija i razvoju organizma. Drugo, u brojnim eksperimentima se pokazalo da što je stariji stadijum donora embrija iz čije ćelije je uzeto jedro za transplantaciju, to je manji procenat slučajeva da je razvoj potpuno završen, tj. dostigao faze punoglavca, a zatim i žabe.
Rice. 8.7. Ovisnost uspješnosti nuklearne transplantacije iz diferencirane ćelije u jajnu stanicu od starosti donora (I - VI) jezgra.
Stadij razvoja do kojeg dolazi ćelija nuklearnog primaoca
- 1 - blastula, II- gastrula, III- neurula, IV- pojava mišićne reakcije, V- početak srčane aktivnosti i izleganje, VI- aktivno plivanje; 1 - rana gastrula,
- 2 - neurula, 3 - punoglavac za plivanje, 4 - punoglavac za hranjenje; gore je dijagram eksperimenta
U većini slučajeva razvoj je zaustavljen u ranijim fazama. Ovisnost rezultata transplantacije o stadiju embrija nuklearnog donora prikazana je na Sl. 8.7. Analiza embrija uhapšenih nakon nuklearnog transfera pokazala je mnoge hromozomske abnormalnosti u njihovim jezgrama. Drugi razlog za zaustavljanje razvoja smatra se nesposobnošću jezgara diferenciranih ćelija da obnove sinhronu replikaciju DNK.
Glavni zaključakšto proizlazi iz ovog iskustva je da je nasljedni materijal somatskih ćelija sposoban da istraje potpuna ne samo kvantitativno, već i funkcionalno, citodiferencijacija nije posljedica insuficijencije nasljednog materijala.
Eksperimenti na kloniranju biljaka i životinja dokaz su korisnosti materijala somatskih stanica. Naučnici ne isključuju mogućnost reprodukcije na sličan način kao ovca Doli, tj. presađivanjem jezgara, ljudski genetski udvostručuje. Međutim, treba biti svjestan da kloniranje čovjeka, osim naučnog i tehnološkog aspekta, ima i etičke i psihološke aspekte.
Hipoteza o diferencijalnoj ekspresiji gena u osobinu trenutno je prihvaćena kao glavni mehanizam citodiferencijacije.
Nivoi regulacije diferencijalne ekspresije gena odgovaraju fazama implementacije informacija u pravcu gen -> polipeptid -e osobina i uključuju ne samo unutarćelijske procese, već i tkivne i organske.
Ekspresija gena u osobinu je složen proces korak po korak koji se može proučavati različitim metodama: elektronskom i svjetlosnom mikroskopijom, biokemijskim i drugim. Slika 8.3 prikazuje glavne faze ekspresije gena i metode pomoću kojih se one mogu proučavati.
Vizuelno posmatranje sa elektronskim mikroskopom je vršeno u odnosu na samo pojedinačne gene - ribosomske gene, hromozomske gene kao što su četkice lampe i neke druge (vidi sliku 3.66). Obrasci difrakcije elektrona to jasno pokazuju Neki geni se transkribiraju aktivnije od drugih. Neaktivni geni se također jasno razlikuju.
Posebno mjesto zauzima proučavanje politenskih hromozoma. Politenski hromozomi su divovski hromozomi koji se nalaze u interfaznim ćelijama nekih tkiva muva i drugih dvokrilaca. Imaju takve hromozome u ćelijama pljuvačnih žlezda, Malpigijevih sudova i srednjeg creva. Oni sadrže stotine lanaca DNK koji su umnoženi, ali ne i razdvojeni. Kada su obojene, otkrivaju jasno definisane poprečne pruge ili diskove (vidi sliku 3.56). Mnoge pojedinačne trake odgovaraju lokaciji pojedinačnih gena. Ograničen broj specifičnih traka u nekim diferenciranim stanicama formira otekline ili napuhnuće koje strše izvan hromozoma. Ova natečena područja su mjesta gdje su geni najaktivniji u odnosu na njih
transkripcije. Pokazalo se da različite vrste ćelija sadrže različite pufove (vidi sliku 3.65). Promjene u stanicama koje se javljaju tokom razvoja koreliraju s promjenama u obrascima puhanja i sintezom specifičnih proteina. Još nema drugih primera vizuelnog posmatranja aktivnosti gena.
Sve ostale faze genske ekspresije rezultat su složenih modifikacija produkata primarne genske aktivnosti. Kompleksne promjene uključuju post-transkripcijsku RNA transformaciju, translaciju i post-translacijske procese.
Postoje podaci o proučavanju količine i kvaliteta RNK u jezgru i citoplazmi ćelija organizama u različitim fazama embrionalnog razvoja, kao iu ćelijama različitih tipova kod odraslih osoba. Utvrđeno je da su složenost i broj različitih tipova nuklearne RNK 5-10 puta veći od mRNA. Nuklearne RNK, koje su primarni produkti transkripcije, uvijek su duže od mRNA. Osim toga, nuklearna RNK proučavana kod morskih ježeva identična je po količini i kvalitativnoj raznolikosti u različitim fazama razvoja pojedinca, dok se citoplazmatska mRNA razlikuje u stanicama različitih tkiva. Ovo zapažanje navodi na ideju da post-transkripcijskih mehanizama utiču na diferencijalnu ekspresiju gena.
Poznati su primjeri post-transkripcione regulacije ekspresije gena na nivou procesiranja. Za membranu vezan oblik IgM imunoglobulina kod miševa razlikuje se od rastvorljivog oblika po dodatnoj sekvenci aminokiselina koja omogućava membranski vezanom obliku da se „usidri“ za ćelijsku membranu. Oba proteina su kodirana istim lokusom, ali se primarni transkript različito obrađuje. Peptidni hormon kalcitonin kod pacova predstavljen je sa dva različita proteina određena jednim genom. Imaju istih prvih 78 aminokiselina (sa ukupnom dužinom od 128 aminokiselina), a razlike su zbog obrade, tj. opet se opaža diferencijalna ekspresija istog gena u različitim tkivima. Ima i drugih primjera. Vjerovatno, alternativnu obradu primarni transkripti igraju veoma važnu ulogu u diferencijaciji, ali njihov mehanizam ostaje nejasan.
Većina citoplazmatske mRNA je ista po kvalitativnom sastavu u ćelijama koje pripadaju različitim fazama ontogeneze; mRNK su neophodne da bi se osigurao život ćelija i određuju ih geni „kućanstva“, predstavljeni u genomu u obliku nekoliko nukleotidnih sekvenci sa prosečnom učestalošću ponavljanja. Produkti njihovog djelovanja su proteini neophodni za sastavljanje ćelijskih membrana, različitih subćelijskih struktura itd. Količina ovih mRNA je približno 9/10 svih citoplazmatskih mRNA. Preostale mRNA su neophodne za određene razvojne faze, kao i za različite tipove ćelija.
Proučavanjem raznolikosti mRNA u bubrezima, jetri i mozgu miševa, te u jajovodima i jetri pilića, pronađeno je oko 12.000 različitih mRNA. Samo 10-15% bili specifični za bilo koju tkaninu. Pročitani su iz jedinstvenih nukleotidnih sekvenci oni strukturni geni čije je djelovanje specifično na datom mjestu i u datom trenutku i koji se nazivaju “luksuznim” geni. Njihov broj odgovara otprilike 1000-2000 gena odgovornih za diferencijaciju ćelija.
Nisu svi geni prisutni u ćeliji generalno realizovani prije faze formiranja citoplazmatske mRNK, ali ni ove formirane mRNK nisu sve i nisu pod svim uvjetima realizovane u polipeptide, a još manje u kompleksne karaktere. Poznato je da su neke mRNA blokirane na nivou translacije, jer su dio ribonukleoproteinskih čestica - informosoma, zbog čega je translacija odložena. To se dešava u oogenezi, u ćelijama očnog sočiva.
U nekim slučajevima, konačna diferencijacija je povezana sa "završetkom" enzima ili molekula hormona ili kvartarne strukture proteina. Već je post-translacijski događaji. Na primjer, enzim tirozinaza pojavljuje se u embrionima vodozemaca u ranoj embriogenezi, ali postaje aktivan tek nakon izleganja.
Diferencijacija ćelija nije ograničena na sintezu specifičnih proteina, pa je u odnosu na višećelijski organizam ovaj problem neodvojiv od prostorno-vremenskih aspekata, a samim tim i od još viših nivoa njegove regulacije od nivoa regulacije biosinteze proteina u ćeliji. nivo. Diferencijacija uvijek utječe na grupu stanica i odgovara zadacima osiguranja integriteta višećelijskog organizma.
Diferencijacija- ovo je uporna strukturna i funkcionalna transformacija ćelija u različite specijalizovane ćelije. Diferencijacija ćelija je biohemijski povezana sa sintezom specifičnih proteina, a citološki sa formiranjem posebnih organela i inkluzija. Tokom ćelijske diferencijacije dolazi do selektivne aktivacije gena. Važan pokazatelj stanične diferencijacije je pomak u nuklearno-citoplazmatskom omjeru prema prevlasti veličine citoplazme nad veličinom jezgra. Diferencijacija se javlja u svim fazama ontogeneze. Procesi diferencijacije ćelija posebno su jasno izraženi u fazi razvoja tkiva iz materijala embrionalnih rudimenata. Specijalizacija ćelija određena je njihovom determinacijom.
Odlučnost- ovo je proces određivanja puta, pravca, programa razvoja materijala embrionalnih rudimenata sa formiranjem specijalizovanih tkiva. Određivanje može biti ootipsko (programiranje razvoja iz jajeta i zigota organizma u cjelini), rudimentarno (programiranje razvoja organa ili sistema koji proizlaze iz embrionalnih rudimenata), tkivno (programiranje razvoja datog specijalizovanog tkiva) i ćelijsko ( programiranje diferencijacije specifičnih ćelija). Određivanje se razlikuje: 1) labilno, nestabilno, reverzibilno i 2) stabilno, stabilno i nepovratno. Određivanjem ćelija tkiva, njihova svojstva se čvrsto konsoliduju, usled čega tkiva gube sposobnost međusobne transformacije (metaplazija). Mehanizam determinacije povezan je sa upornim promjenama u procesima represije (blokiranja) i ekspresije (deblokiranja) različitih gena.
Ćelijska smrt- rasprostranjen fenomen kako u embriogenezi tako i u embrionalnoj histogenezi. Po pravilu, u razvoju embrija i tkiva dolazi do smrti ćelije kao apoptoze. Primjeri programirane smrti su smrt epitelnih ćelija u interdigitalnim prostorima, smrt ćelija duž ruba spojenih palatinalnih septa. Programirana smrt repnih ćelija javlja se tokom metamorfoze larve žabe. Ovo su primjeri morfogenetske smrti. U embrionalnoj histogenezi se takođe opaža smrt ćelije, na primer, tokom razvoja nervnog tkiva, skeletnog mišićnog tkiva itd. Ovo su primeri histogenetske smrti. U definitivnom organizmu limfociti umiru apoptozom tokom selekcije u timusu, ćelijama membrana folikula jajnika tokom selekcije za ovulaciju itd.
Koncept diferencijala. Kako se tkiva razvijaju, iz materijala embrionalnih rudimenata nastaje ćelijska zajednica u kojoj se razlikuju ćelije različitog stupnja zrelosti. Skup ćelijskih oblika koji čine liniju diferencijacije naziva se differon ili histogenetski niz. Differenton se sastoji od nekoliko grupa ćelija: 1) matične ćelije, 2) progenitorne ćelije, 3) zrele diferencirane ćelije, 4) ćelije koje stare i umiru. Matične ćelije - originalne ćelije histogenetskog niza - su samoodrživa populacija ćelija sposobnih za diferencijaciju u različitim pravcima. Posjedujući visoke proliferativne potencije, oni se (ipak) vrlo rijetko dijele.
Progenitorske ćelije(polustabljika, kambijal) čine sljedeći dio histogenetskog niza. Ove ćelije prolaze kroz nekoliko ciklusa deobe, nadopunjujući ćelijski agregat novim elementima, a neke od njih tada započinju specifičnu diferencijaciju (pod uticajem faktora mikrookruženja). Ovo je populacija posvećenih ćelija sposobnih za diferencijaciju u određenom pravcu.
Zrele funkcionalne i stare ćelije kompletirati histogenetsku seriju, ili differon. Odnos ćelija različitog stepena zrelosti u diferonima zrelih tkiva tela nije isti i zavisi od osnovnih prirodnih procesa fiziološke regeneracije svojstvenih određenoj vrsti tkiva. Tako se u obnavljajućim tkivima nalaze svi dijelovi ćelijskog diferencijala - od stabla do visoko diferenciranih i umirućih. U tipu rastućeg tkiva dominiraju procesi rasta. Istovremeno, u tkivu su prisutne ćelije srednjeg i terminalnog dijela diferona. Tokom histogeneze, mitotička aktivnost ćelija postepeno opada na nisku ili ekstremno nisku; prisustvo matičnih ćelija implicira se samo u sastavu embrionalnih rudimenata. Potomci matičnih ćelija postoje neko vrijeme kao proliferativni skup tkiva, ali se njihova populacija brzo troši u postnatalnoj ontogenezi. U stabilnom tipu tkiva postoje samo ćelije visoko diferenciranih i umirućih delova diferona; matične ćelije se nalaze samo u embrionalnim rudimentima i potpuno se troše u embriogenezi.
Proučavanje tkanina sa pozicija njihov ćelijsko-diferencijalni sastav omogućava razlikovanje monodiferencijalnog (na primjer, hrskavičnog, gustog vezivnog tkiva, itd.) i polidiferencijalnog (na primjer, epidermis, krv, labavo vlaknasto vezivno, koštano) tkiva. Shodno tome, uprkos činjenici da su u embrionalnoj histogenezi tkiva položena kao monodiferencijalna, u budućnosti se najdefinitivnija tkiva formiraju kao sistemi međudjelujućih ćelija (stanični diferoni), čiji su izvor razvoja matične ćelije različitih embrionalnih rudimenata.
Tekstil- ovo je filo- i ontogenetski uspostavljen sistem ćelijskih diferona i njihovih nećelijskih derivata, čije su funkcije i regenerativna sposobnost određene histogenetskim svojstvima vodećeg ćelijskog diferona.
Tekstil je strukturna komponenta organa i istovremeno dio jednog od četiri sistema tkiva - integumentarnog, tkiva unutrašnje sredine, mišićnog i nervnog.
Diferencijacija ćelija i patologija
1. Diferencijacija ćelija. Faktori i regulacija diferencijacije. Matična ćelija i diferon
Ovo pitanje je jedno od najsloženijih i istovremeno zanimljivo i za citologiju i za biologiju. Diferencijacija je proces nastanka i razvoja strukturnih i funkcionalnih razlika između prvobitno homogenih embrionalnih ćelija, usled čega nastaju specijalizovane ćelije, tkiva i organi višećelijskog organizma. Diferencijacija ćelija je kritična komponenta procesa formiranja višećelijskog organizma. U opštem slučaju, diferencijacija je nepovratna, tj. visoko diferencirane ćelije ne mogu se transformisati u drugu vrstu ćelija. Ovaj fenomen se naziva terminalna diferencijacija i karakterističan je prvenstveno za životinjske ćelije. Za razliku od životinjskih stanica, većina biljnih stanica, čak i nakon diferencijacije, sposobna je krenuti u diobu, pa čak i krenuti na novi put razvoja. Ovaj proces se naziva dediferencijacija. Na primjer, kada se stabljika odsiječe, neke ćelije u području reza počinju da se dijele i zatvaraju ranu, dok druge mogu čak proći dediferencijaciju. Na taj način se kortikalne stanice mogu transformirati u ćelije ksilema i obnoviti vaskularni kontinuitet u području oštećenja. U eksperimentalnim uslovima, kada se biljno tkivo uzgaja u odgovarajućem hranljivom mediju, ćelije formiraju kalus. Kalus je masa relativno nediferenciranih ćelija izvedena iz diferenciranih biljnih ćelija. Pod odgovarajućim uslovima, nove biljke se mogu uzgajati iz pojedinačnih ćelija kalusa. Tokom diferencijacije nema gubitka ili preuređivanja DNK. O tome uvjerljivo svjedoče rezultati eksperimenata transplantacije jezgara iz diferenciranih stanica u nediferencirane. Tako je jezgro iz diferencirane ćelije uvedeno u enukleirano žablje jaje. Kao rezultat, iz takve ćelije se razvio normalan punoglavac. Diferencijacija se uglavnom javlja tokom embrionalnog perioda, kao iu prvim fazama postembrionalnog razvoja. Osim toga, diferencijacija se odvija u nekim organima odraslog organizma. Na primjer, u hematopoetskim organima matične stanice se diferenciraju u različite krvne stanice, a u gonadama se primordijalne zametne stanice diferenciraju u gamete.
Faktori i regulacija diferencijacije. U prvim fazama ontogeneze, razvoj organizma odvija se pod kontrolom RNK i drugih komponenti koje se nalaze u citoplazmi jajeta. Tada faktori diferencijacije počinju da utiču na razvoj.
Postoje dva glavna faktora diferencijacije:
1.Razlike u citoplazmi ranih embrionalnih ćelija zbog heterogenosti citoplazme jajeta. 2.Specifični uticaji susednih ćelija (indukcija). Uloga faktora diferencijacije je da selektivno aktiviraju ili inaktiviraju određene gene u različitim stanicama. Aktivnost određenih gena dovodi do sinteze odgovarajućih proteina koji usmjeravaju diferencijaciju. Sintetizirani proteini mogu blokirati ili, naprotiv, aktivirati transkripciju. U početku, aktivacija ili inaktivacija različitih gena zavisi od interakcije totipotentnih ćelijskih jezgara sa njihovom specifičnom citoplazmom. Pojava lokalnih razlika u svojstvima citoplazme ćelija naziva se ooplazmatska segregacija. Razlog za ovu pojavu je što tokom fragmentacije jajeta, dijelovi citoplazme koji se razlikuju po svojim svojstvima završavaju u različitim blastomerima. Uz intracelularnu regulaciju diferencijacije, sa određene tačke se uključuje i supracelularni nivo regulacije. Supracelularni nivo regulacije uključuje embrionalnu indukciju. Embrionalna indukcija je interakcija između delova organizma u razvoju, tokom koje jedan deo (induktor) dolazi u kontakt sa drugim delom (sistem koji reaguje) i određuje razvoj potonjeg. Štaviše, utvrđen je ne samo uticaj induktora na reagujući sistem, već i uticaj potonjeg na dalju diferencijaciju induktora. Pod uticajem nekog faktora prvo dolazi do determinacije. Determinacija ili latentna diferencijacija je pojava kada se vanjski znaci diferencijacije još nisu pojavili, ali se već odvija daljnji razvoj tkiva bez obzira na faktor koji ih je izazvao. Ćelijski materijal se smatra određenim od faze u kojoj se prvi put, kada se presađuje na novo mjesto, razvija u organ koji se normalno formira iz njega. Matična ćelija i diferon. Među obećavajućim oblastima biologije 21. veka je proučavanje matičnih ćelija. Danas su istraživanja matičnih ćelija po važnosti uporediva sa istraživanjima o kloniranju organizama. Prema riječima naučnika, korištenje matičnih stanica u medicini omogućit će liječenje mnogih "problematičnih" bolesti čovječanstva (neplodnost, brojni oblici raka, dijabetes, multipla skleroza, Parkinsonova bolest, itd.). Matična ćelija je nezrela ćelija sposobna za samoobnavljanje i razvoj u specijalizovane ćelije tela. Matične ćelije se dele na embrionalne matične ćelije (izolovane su iz embriona u fazi blastociste) i regionalne matične ćelije (izolovane su iz organa odraslih ili iz organa kasnijih embrija). U tijelu odrasle osobe, matične ćelije se nalaze uglavnom u koštanoj srži i, u vrlo malim količinama, u svim organima i tkivima. Svojstva matičnih ćelija. Matične ćelije su samoodržive, tj. Nakon što se matična stanica podijeli, jedna stanica ostaje u matičnoj liniji, a druga se diferencira u specijaliziranu ćeliju. Ova podjela se naziva asimetrična. Funkcije matičnih ćelija. Funkcija embrionalnih matičnih stanica je prijenos nasljednih informacija i formiranje novih stanica. Glavni zadatak regionalnih matičnih ćelija je obnavljanje gubitka specijalizovanih ćelija nakon prirodne starosti ili fiziološke smrti, kao iu hitnim situacijama. Differenton je sekvencijalni niz ćelija formiranih od zajedničkog prekursora. Uključuje matične, polumatične i zrele ćelije. Na primjer, matična stanica, neuroblast, neuron ili matična stanica, hondroblast, hondrocit, itd. Neuroblast je slabo diferencirana ćelija neuralne cijevi, koja se kasnije pretvara u zreli neuron. Hondroblast je slabo diferencirana ćelija hrskavičnog tkiva koja se pretvara u hondrocit (zrelu ćeliju hrskavičnog tkiva). Apoptoza i nekroza Apoptoza (od grčkog – opadanje listova) je genetski programirani oblik stanične smrti, neophodan u razvoju višećelijskog organizma i uključen u održavanje homeostaze tkiva. Apoptoza se manifestuje smanjenjem veličine ćelije, kondenzacijom i fragmentacijom hromatina, zbijanjem plazma membrane bez oslobađanja ćelijskog sadržaja u okolinu. Apoptoza se obično suprotstavlja drugom obliku ćelijske smrti - nekrozi, koja se razvija pod uticajem spoljnih štetnih agenasa ćelije i neadekvatnih uslova okoline (hipoozmija, ekstremne pH vrednosti, hipertermija, mehanički stres, delovanje agenasa koji oštećuju membranu) . Nekroza se manifestuje oticanjem ćelije i rupturom membrane usled povećanja njene permeabilnosti sa oslobađanjem ćelijskog sadržaja u okolinu. Prvi morfološki znaci apoptoze (kondenzacije hromatina) bilježe se u jezgru. Kasnije se pojavljuju udubljenja nuklearne membrane i dolazi do fragmentacije jezgra. Odvojeni fragmenti jezgra, ograničeni membranom, nalaze se izvan ćelije i nazivaju se apoptotičnim tijelima. U citoplazmi dolazi do širenja endoplazmatskog retikuluma, kondenzacije i naboranja granula. Najvažniji znak apoptoze je smanjenje transmembranskog potencijala mitohondrija. Ćelijska membrana gubi resicu i formira otekline poput mjehurića. Ćelije su zaobljene i odvojene od supstrata. Propustljivost membrane se povećava samo u odnosu na male molekule, a to se događa kasnije od promjena u jezgri. Jedna od najkarakterističnijih karakteristika apoptoze je smanjenje volumena ćelije, za razliku od njenog oticanja tokom nekroze. Apoptoza utječe na pojedinačne stanice i praktično nema utjecaja na njihovu okolinu. Kao rezultat fagocitoze, kojoj ćelije prolaze već tokom razvoja apoptoze, njihov sadržaj se ne oslobađa u međućelijski prostor. Naprotiv, tokom nekroze, njihove aktivne intracelularne komponente se akumuliraju oko umirućih ćelija, a okolina postaje zakiseljena. Zauzvrat, to doprinosi smrti drugih stanica i razvoju upale. Komparativne karakteristike apoptoze i ćelijske nekroze date su u tabeli 1. Tabela 1. Komparativne karakteristike apoptoze i ćelijske nekroze Znak Apoptoza Nekroza Prevalencija Jedna ćelija Grupa ćelija Pokretački faktor Aktiviran fiziološkim ili patološkim stimulusom Brzina razvoja, sati 1-12 Unutar 1 Promjena veličine ćelije Smanjenje Povećanje Promjene na ćelijskoj membrani Gubitak mikroresica, formiranje otoka, integritet nije narušen Narušavanje integriteta Promene u jezgru Kondenzacija hromatina, piknoza, fragmentacija Oticanje Promene u citoplazmi Kondenzacija cito plazme, zbijanje granula Liza granula Lokalizacija primarnog oštećenja U jezgruU membrani Uzroci ćelijske smrti, degradacija energije ćelije DNK degradacija energije degradacije membrane DNK puca sa formiranjem prvo velikih, a zatim malih fragmenata Poremećena degradacija Energetska zavisnost Zavisi Ne zavisi Upalni odgovor Nema Obično prisutno Uklanjanje mrtvih ćelija Fagocitoza od strane susednih ćelija Fagocitoza od strane neutrofila i makrofaga Primeri manifestacija Metamorfoza Ćelija do smrti od hipoksije Apoptoza je univerzalno rasprostranjena u svijetu višećelijskih organizama: slične manifestacije opisane su kod kvasca, tripanosoma i nekih drugih jednoćelijskih organizama. Apoptoza se smatra uslovom za normalno postojanje organizma. U tijelu apoptoza obavlja sljedeće funkcije: § održavanje konstantnog broja ćelija. Najjednostavnija ilustracija važnosti apoptoze za višećelijski organizam su podaci o ulozi ovog procesa u održavanju konstantnog broja ćelija u nematodi Caenorhabditis elegans. § zaštita organizma od uzročnika zaraznih bolesti, posebno od virusa. Mnogi virusi uzrokuju tako duboke poremećaje u metabolizmu zaražene ćelije da ona na te poremećaje reagira pokretanjem programa smrti. Biološko značenje ove reakcije je da će smrt zaražene ćelije u ranoj fazi spriječiti širenje infekcije po cijelom tijelu. Istina, neki virusi su razvili posebne adaptacije za suzbijanje apoptoze u inficiranim stanicama. Stoga, u nekim slučajevima, genetski materijal virusa kodira tvari koje djeluju kao ćelijski anti-apoptotički regulatorni proteini. U drugim slučajevima, virus stimulira ćeliju da sintetizira vlastite anti-apoptotske proteine. Time se stvaraju preduslovi za nesmetanu reprodukciju virusa. § uklanjanje genetski defektnih ćelija. Apoptoza je najvažnije sredstvo prirodne prevencije raka. Postoje posebni geni koji kontrolišu poremećaje u genetskom materijalu ćelije. Ako je potrebno, ovi geni pomjeraju ravnotežu u korist apoptoze, a potencijalno opasna stanica umire. Ako takvi geni mutiraju, tada se u stanicama razvijaju maligne neoplazme. § određivanje oblika organizma i njegovih dijelova; § osiguravanje ispravnog omjera broja ćelija različitih tipova; Intenzitet apoptoze je veći u početnim periodima ontogeneze, posebno tokom embriogeneze. U tijelu odrasle osobe apoptoza nastavlja igrati glavnu ulogu samo u tkivima koja se brzo obnavljaju. diferencijacija tumora ćelija 3. Tumorska transformacija ćelija Naučili smo mnogo o tome kako ćelije žive i evoluiraju, ali ne dovoljno o tome kako spriječiti rak. Upravo suprotno: vidjeli smo razne faktore i mehanizme koji ga izazivaju, a to slabi nadu u univerzalne metode terapije. Stoga mi na pamet padaju riječi Propovjednikove: u mnogo mudrosti mnogo je tuge; a ko povećava znanje, povećava tugu. Ali naučnici rade." Khesin R.B., sovjetski naučnik Problem raka je jedan od glavnih za savremeno društvo. Prema prognozama Svjetske zdravstvene organizacije, incidencija i smrtnost od raka širom svijeta će se udvostručiti od 1999. do 2020. godine (sa 10 na 20 miliona novih slučajeva i sa 6 na 12 miliona registrovanih smrtnih slučajeva). Tumor je prekomjerni patološki rast tkiva koji se sastoji od kvalitativno promijenjenih ćelija tijela koje su izgubile svoju diferencijaciju. Izraz "rak" došao je do nas od davnina. U to vrijeme bolest se nazivala glavnim, najuočljivijim znakom bolesti. Po analogiji između rasta malignog tumora u okolna tkiva i udova raka, ova bolest se naziva rak (na latinskom rak). Ovaj drevni izraz danas je svima dobro poznat i svakoga plaši. Bolje ga je ne koristiti u komunikaciji s pacijentima. U nastanku tumora odlučujuća su dva faktora: pojava izmenjene ćelije (transformacija) i postojanje uslova za njen nesmetan rast i reprodukciju u organizmu. Tokom života u višećelijskom organizmu dolazi do ogromnog broja deoba ćelija. Na primjer, u ljudskom tijelu ovaj broj je otprilike 10 16. Povremeno se javljaju mutacije u somatskim stanicama, uključujući i one koje mogu dovesti do stvaranja tumorskih stanica. Štaviše, što je ćelija prošla kroz više ciklusa deobe, veća je verovatnoća da će se defektne ćelije pojaviti u njenom potomstvu. Ovo objašnjava nagli porast vjerovatnoće raka s godinama. Više od 50% svih slučajeva raka otkriveno je kod ljudi starijih od 65 godina. Statistike pokazuju da ako stopu smrtnosti od raka u dobi od 20 godina uzmemo kao jedan, onda će se nakon 50 godina rizik od umiranja od ove bolesti udeseterostručiti. Tijelo se bori protiv nastalih defektnih ćelija uz pomoć imunološkog sistema. Budući da je pojava defektnih ćelija neizbježna, po svoj prilici, upravo su poremećaji imunološkog sistema presudni u nastanku tumora. Koncept uloge imunoloških mehanizama u nastanku malignih neoplazmi iznio je Ehrlich još 1909. godine. Nedavne studije potvrdile su značajnu ulogu stanja imunodeficijencije u nastanku tumora. Očigledno, što se više defektnih ćelija pojavljuje u telu, veća je verovatnoća da će takve ćelije propustiti imuni sistem. Ćelijska transformacija je uzrokovana kancerogenim faktorima. Karcinogeni faktori su faktori spoljašnje i unutrašnje sredine koji mogu izazvati nastanak i razvoj tumora. Faktori unutrašnjeg okruženja uključuju uslove lokacije ćelije, genetsku predispoziciju organizma. Dakle, što je ćelija u nepovoljnijim uslovima, veća je verovatnoća da će se desiti greške tokom njene deobe. Traumatizacija kože, sluzokože ili drugih tkiva tijela bilo kojim mehaničkim ili hemijskim iritansima dovodi do povećanog rizika od razvoja tumora na ovom mjestu. To je ono što određuje povećan rizik od raka kod onih organa čije su sluzokože izložene najintenzivnijem prirodnom stresu: karcinom pluća, želuca, debelog crijeva, itd. do intenzivne diobe ćelija u nepovoljnim uslovima i povećao ovaj rizik. Genetski faktori igraju važnu ulogu u nastanku nekih tumora. Kod životinja je eksperimentalno potvrđena uloga genetske predispozicije na primjeru sojeva miševa sa visokim i niskim nivoom raka. Vanjski karcinogeni faktori mogu se podijeliti u tri glavne grupe: fizičke, hemijske i biološke. Fizički faktori uključuju jonizujuće zračenje - zračenje. Posljednjih decenija kontaminacija Zemlje radionuklidima kao rezultat ljudske ekonomske aktivnosti pojavila se i dostigla velike razmjere. Do oslobađanja radionuklida dolazi kao posljedica nesreća u nuklearnim elektranama i nuklearnim podmornicama, ispuštanja niskoaktivnog otpada iz nuklearnih reaktora u atmosferu itd. Hemijski faktori uključuju različite kemikalije (komponente duhanskog dima, benzopirena, naftilamina, neke herbicidi i insekticidi, azbest itd.). Izvor većine hemijskih kancerogena u životnoj sredini su industrijske emisije. Biološki faktori uključuju viruse (virus hepatitisa B, adenovirus i neki drugi). Na osnovu prirode i brzine rasta, uobičajeno je razlikovati benigne i maligne tumore. Benigni tumori rastu relativno sporo i mogu postojati godinama. Okruženi su sopstvenom školjkom. Kako tumor raste, on odbacuje okolna tkiva bez njihovog uništavanja. Ćelije benignog tumora se neznatno razlikuju od normalnih ćelija iz kojih se tumor razvio. Stoga su benigni tumori nazvani prema tkivima iz kojih su se razvili, uz dodatak sufiksa „oma“ od grčkog izraza „oncoma“ (tumor). Na primjer, tumor iz masnog tkiva naziva se lipom, iz vezivnog tkiva - fibrom, iz mišićnog tkiva - fibroidi itd. Uklanjanje benignog tumora sa njegovom membranom dovodi do potpunog izlječenja pacijenta. Maligni tumori rastu mnogo brže i nemaju svoju membranu. Tumorske ćelije i njihove vrpce prodiru u okolna tkiva i oštećuju ih. Urastajući u limfni ili krvni sud, mogu se transportovati krvlju ili limfnim tokom do limfnih čvorova ili udaljenih organa sa formiranjem sekundarnog žarišta tumorskog rasta - metastaze. Zloćudne tumorske ćelije se značajno razlikuju od ćelija iz kojih su se razvile. Zloćudne tumorske ćelije su atipične, njihova ćelijska membrana i citoskelet su promijenjeni, zbog čega imaju manje ili više zaobljen oblik. Tumorske ćelije mogu sadržavati nekoliko jezgara koje nisu tipične po obliku i veličini. Karakteristična karakteristika tumorske ćelije je gubitak diferencijacije i, kao rezultat, gubitak specifične funkcije. Naprotiv, normalne ćelije imaju sva svojstva potpuno diferenciranih ćelija koje obavljaju specifične funkcije u telu. Ove ćelije su polimorfne i njihov oblik je određen strukturiranim citoskeletom. Normalne ćelije u telu obično se dele dok ne uspostave kontakt sa susednim ćelijama, nakon čega deoba prestaje. Ovaj fenomen je poznat kao kontaktna inhibicija. Izuzetak su embrionalne ćelije, crevni epitel (stalna zamena umirućih ćelija), ćelije koštane srži (hematopoetski sistem) i tumorske ćelije. Dakle, najvažnija razlikovna karakteristika tumorskih ćelija je nekontrolisana proliferacija, koja se smatra Transformacija normalne ćelije u transformisanu je proces u više faza. 1.Iniciranje. Gotovo svaki tumor počinje oštećenjem DNK u jednoj ćeliji. Ovaj genetski defekt može biti uzrokovan kancerogenim faktorima, kao što su komponente duhanskog dima, UV zračenje, rendgenske zrake i onkogeni virusi. Očigledno, tokom ljudskog života, značajan broj tjelesnih ćelija od ukupno 10 14podliježe oštećenju DNK. Međutim, samo oštećenje protoonkogena je važno za početak tumora. Ova oštećenja su najvažniji faktor koji određuje transformaciju somatske ćelije u tumorsku. Oštećenje antionkogena (tumorski supresorski gen) također može dovesti do inicijacije tumora. 2.Promocija tumora je preferencijalna proliferacija izmijenjenih stanica. Ovaj proces može trajati godinama. .Progresija tumora je proces proliferacije malignih ćelija, invazije i metastaza, što dovodi do pojave malignog tumora.
Diferencijacija je proces kojim se ćelija specijalizuje, tj. poprima hemijske, morfološke i funkcionalne karakteristike. U najužem smislu, to su promjene koje se dešavaju u ćeliji tokom jednog, često terminalnog, ćelijskog ciklusa, kada počinje sinteza glavnih funkcionalnih proteina specifičnih za određeni tip ćelije. Primjer bi bio Diferencijacija epidermalnih ćelija ljudske kože, u kojoj se u ćelijama koje se kreću od bazalnog ka spinoznom, a zatim sukcesivno u druge, površnije slojeve, akumulira keratohialin, koji u ćelijama stratum pellucida prelazi u eleidin, a zatim u keratin u stratum corneum. Istovremeno se mijenja oblik ćelija, struktura ćelijskih membrana i skup organela.
Proces kojim pojedina tkiva dobijaju svoj karakterističan izgled tokom diferencijacije naziva se histogeneza. Diferencijacija ćelija, histogeneza i organogeneza se dešavaju zajedno, u određenim delovima embriona iu određeno vreme. Ovo je veoma važno jer ukazuje na koordinaciju i integraciju embrionalnog razvoja.
Embrionalna indukcija
Embrionalna indukcija je interakcija dijelova embrija u razvoju u kojoj jedan dio embrija utječe na sudbinu drugog dijela. Fenomen embrionalne indukcije od početka 20. veka. proučava eksperimentalnu embriologiju.
Genetička kontrola razvoja
Očigledno je da genetska kontrola razvoja postoji, jer kako onda razumjeti zašto se krokodil razvija iz krokodilskog jajeta, a čovjek iz ljudskog jajeta? Kako geni određuju razvojni proces? Ovo je centralno i veoma složeno pitanje kojem naučnici počinju da pristupaju, ali nema dovoljno podataka da se na njega odgovori sveobuhvatno i uvjerljivo. Glavna tehnika koju koriste naučnici koji proučavaju genetiku individualnog razvoja je upotreba mutacija. Nakon što je identificirao mutacije koje mijenjaju ontogenezu, istraživač upoređuje fenotipove mutiranih pojedinaca sa normalnim. Ovo pomaže da se shvati kako gen utiče na normalan razvoj. Koristeći brojne složene i domišljate metode, pokušavaju odrediti vrijeme i mjesto djelovanja gena. Analiza genetske kontrole je komplikovana zbog nekoliko pitanja.
Prije svega, uloga gena je drugačija. Dio genoma se sastoji od gena koji određuju takozvane vitalne funkcije i odgovorni su, na primjer, za sintezu tRNA ili DNK polimeraze, bez kojih nijedna stanica ne može funkcionirati. Ovi geni se nazivaju geni za održavanje kuće. Drugi dio gena je direktno uključen u determinaciju, diferencijaciju i morfogenezu, tj. njihova funkcija je očigledno specifičnija, ključna. Za analizu genetske kontrole potrebno je znati i mjesto primarnog djelovanja datog gena, tj. slučajeve relativne ili zavisne pleiotropije treba razlikovati od direktne ili prave pleiotropije. U slučaju relativne pleiotropije, kao što je, na primjer, kod anemije srpastih stanica, postoji jedno primarno mjesto djelovanja mutantnog gena - hemoglobin u crvenim krvnim zrncima, i svi ostali simptomi koji se kod njega uočavaju, kao što su poremećena mentalna i fizička aktivnost , zatajenje srca, lokalni poremećaji cirkulacije, povećanje i fibroza slezene i mnogi drugi, nastaju kao posljedica abnormalnog hemoglobina. U direktnoj pleiotropiji, svi različiti defekti koji se javljaju u različitim tkivima ili organima uzrokovani su direktnim djelovanjem istog gena na ovim različitim mjestima.
INTEGRITET ONTOGENEZE
Odlučnost
Determinacija (od latinskog determinatio - ograničenje, definicija) je nastanak kvalitativnih razlika između dijelova organizma u razvoju, koje predodređuju buduću sudbinu ovih dijelova prije nego što se među njima pojave morfološke razlike. Determinacija prethodi diferencijaciji i morfogenezi.
Glavni sadržaj problema determinacije je otkrivanje razvojnih faktora, sa izuzetkom genetskih. Istraživače obično zanima kada se determinacija javlja i šta je uzrokuje. Istorijski gledano, fenomen determinacije je otkriven i aktivno razmatran krajem 19. stoljeća. Godine 1887. V. Roux je vrućom iglom ubo jedan od prva dva blastomera žabljeg embriona. Mrtvi blastomer je ostao u kontaktu sa živim. Iz živog blastomera se razvio embrion, ali ne u potpunosti i samo u obliku jedne polovine. Iz rezultata eksperimenta Roux je zaključio da je embrij mozaik blastomera, čija je sudbina unaprijed određena. Kasnije je postalo jasno da je u opisanom eksperimentu Rua ubijeni blastomer, iako je ostao u kontaktu sa živim, služio kao prepreka razvoju potonjeg u potpuno normalan embrion.
Šta je diferencijacija ćelija tokom embrionalnog razvoja?
odgovori:
Diferencijacija ili diferencijacija je proces nastanka i rasta strukturnih i funkcionalnih razlika između pojedinačnih ćelija i dijelova embrija. Sa morfološke tačke gledišta, to se izražava u činjenici da se formira nekoliko stotina vrsta ćelija specifične strukture, koje se međusobno razlikuju. Iz nespecijalizovanih ćelija blastule postepeno nastaju epitelne ćelije kože, pojavljuju se nervne ćelije, mišićne ćelije itd. Sa biohemijske tačke gledišta, specijalizacija ćelija leži u njihovoj sposobnosti da sintetišu određene proteine koji su karakteristični samo za datu. tip ćelije. Limfociti sintetiziraju zaštitne proteine - antitijela, mišićne ćelije - kontraktilni protein miozin. Svaka vrsta ćelije proizvodi sopstvene proteine, jedinstvene za nju. Biohemijska specijalizacija ćelija osigurava se selektivnom aktivnošću gena, odnosno u ćelijama različitih zametnih slojeva - rudimentima određenih organa i sistema - počinju funkcionirati različite grupe gena.