Посттрансляционный уровень

У белков внеклеточного матрикса заключительные этапы посттрансляционной регуляции могут протекать вне клеток. Таковы, например, расщепление молекул предшественника коллагена — проколлагена и их последующая упаковка в правильные фибриллы. В этих процессах участвуют секретируемые в межклеточное пространство энзимы.

Время и место посттрансляционных превращений, как правило, строго определены. Временная задержка посттрансляционных модификаций может быть достаточно большой. Например, фермент тирозиназа появляется у зародышей амфибий еще в раннем эмбриогенезе, но переходит в активную форму лишь после вылупления зародыша. Роль посттрансляционных модификаций в регуляции клеточной дифференцировки изучена еще далеко не достаточно, но можно думать, что она весьма значительна, особенно при формировании надмолекулярной организации клеток.
Дифференцирующими, или дифференциальными, называют такие клеточные деления, которые разделяют материнскую клетку на две неравные дочерние, различающиеся между собой по составу цитоплазмы и, как правило, по величине.

Наличие дифференцирующих и квантальных клеточных делений подразумевает, что клетки зародыша делятся по четкому «расписанию». Уже давно было высказано предположение, что такое расписание и вообще направление клеточной дифференцировки может определяться составом той области цитоплазмы яйцеклетки, куда при дроблении попадает данный бластомер. Такое предположение лежало в основе одной из первых научных теорий клеточной дифференцировки — теории Дриша-Моргана (которая пришла на смену концепции неравнонаследственных делений Вейсмана).

Действительно, цитоплазма яйцеклетки оказывает несомненное воздействие на транскрипционную активность ядер. Лучше всего это показано в ставших уже классическими опытах Дж. Гердона по пересадке ядер дифференцированных клеток в энуклеированные яйцеклетки: в пересаженных ядрах начинается синтез различных видов РНК точно по тому же расписанию, что и в ядрах нормальной дробящейся яйцеклетки.

Известно также, что в яйцеклетках моллюсков вещества, содержащиеся в полярной лопасти, воздействуют на скорость протекания клеточных циклов в бластомерах, и это через ряд промежуточных звеньев может сказываться на транскрипционных процессах и других звеньях управления дифференцировкой.

Несмотря на вышеописанные примеры подчинения дифференцировки клеток «внутреннему расписанию», или ооплазматической сегрегации, основным для многоклеточных животных и растений является иной путь — дифференцировка в ответ на внешние сигналы. Именно такой путь обеспечивает гибкость и тонкую пространственно-временную координацию дифференцировок, без чего невозможно нормальное развитие.

Внешние дифференцирующие сигналы можно грубо разделить на две категории — химические факторы (называемые лигандами) и физические факторы (механические напряжения, температура, свет, электромагнитные поля). Из числа последних ниже обсуждается лишь роль механических напряжений, так как действие других физических факторов пока еще недостаточно изучено.

Рассмотрим химическую сигнализацию. Ее начальное звено — связывание молекулы лиганда с клеточным рецептором. Лиганд может продуцироваться на разной степени удаления от реагирующей клетки. Если расстояние между тканью — продуцентом лиганда — и воспринимающей его клеткой на много порядков превышает клеточный поперечник, то говорят о дистантных взаимодействиях. В этих случаях лиганд переносится с током крови или же путем диффузии по межклеточным пространствам. Классический пример дистантных взаимодействий — влияние гормонов на клетки-мишени. Иногда особо выделяют короткодистантные взаимодействия, когда расстояние между клеткой — продуцентом лиганда и воспринимающими клетками незначительно превышает клеточный поперечник. Такие случаи особенно важны для эмбриологии, поскольку сюда относят действие ньюкуповских и шпемановских индукторов.

Затем принято выделять важную категорию контактных взаимодействий, осуществляющихся между соседними клетками. При таких взаимодействиях лиганд либо диффундирует на короткие расстояния, либо он иммобилизован (встроен в мембрану своей клетки) и может перемещаться (как и рецептор) только вдоль нее. Один из примеров взаимодействий рецептора с иммобилизованным лигандом — взаимодействия эфринов с эфриновыми рецепторами в связи с формированием ретино- тектальной проекции. Заметим, что эти взаимодействия обоюдны, т.е. сигналы поступают не только в клетку-обладателя рецептора, но и в клетку — носителя лиганда.

Наконец, ряд важных дифференцировок (в частности, у клеток мезодермального происхождения) осуществляется в том случае, когда лиганд иммобилизован на компонентах межклеточного матрикса.

Дистантные взаимодействия.

Следует различать два типа лигандов. Молекулы лигандов первого типа в силу своей гидрофобности или же газовой природы свободно проникают через липидные компоненты клеточной мембраны. Сюда относятся:

1. Стероидные гормоны (эстрогены, кортизол и другие);

2. Ретиноевая кислота, играющая важную роль в дифференцировке ряда зачатков (например, конечностей);

3. Окись азота (NО) и активные формы кислорода.

Основная функция стероидных гормонов — связывание с молекулами белков-рецепторов (специфических для каждого типа гормона), которые локализованы либо в цитоплазме, либо в ядре реагирующей клетки. В отсутствие гормона эти белки-рецепторы неактивны, так как они связаны с другим белком — ингибитором. Когда же молекула гормона связывается с белком-рецептором, комплекс последней с ингибитором распадается, и белок-рецептор связывается с участком ДНК, ответственным за транскрипцию данного гена. Гормональная активация гена может протекать очень быстро: так, у дрозофилы уже через 5-10 мин после инъекции стероидного гормона линьки — экдизона — в гигантских политенных хромосомах появляются 6 новых пуфов — транскрипционно активных участков. Синтезированные на них белки индуцируют через некоторое время транскрипционную активность примерно сотни новых участков хромосом, так что в результате реакция на действие гормона во много раз усиливается.

Стероидные гормоны индуцируют синтез всех видов РНК - не только матричной, но рибосомальной и транспортной, поэтому они активируют не только транскрипцию, но и процессы трансляции. Клетки, в цитоплазме (или ядре) которых содержатся рецепторы к данному гормону, называются клетками-мишенями. Например, мишенью для действия эстрогена являются матка, влагалище, грудная железа, гипоталамус; тестостерона — семенные пузырьки, простата, семенник; к гидрокортизону — гормону надпочечника — оказались чувствительны все клетки организма. Весьма важно следующее: в разных клетках-мишенях стероидные гормоны индуцируют различные группы генов, хотя молекулы-рецепторы к данному гормону во всех клетках одни и те же. Следовательно, хроматин различных клеток-мишеней реагирует по-разному на связывание одного и того же молекулярного комплекса «гормон — рецептор».

Ко второму типу лигандов относятся белковые молекулы, которые в цитоплазму не проникают, а связываются с внешней частью клеточных рецепторов или с внеклеточными белками. Наиболее важные из них:

1. Белковые гормоны (инсулин, адренокортикотропный гормон соматотропин, эритропоэтин);

2. Ростовые факторы, стимулирующие клеточное размножение (факторы роста фибробластов, нервных клеток, опухолевых клеток и др.);

3. Факторы ньюкуповской и шпемановской эмбриональной индукции.

В ответ на связывание лигандов с внешней частью мембранных рецепторов в реагирующей клетке запускается каскад реакций, в которых могут участвовать так называемые вторичные посредники (циклическая аденозинмонофосфорная кислота — цАМФ, циклическая гуанозинмонофосфорная кислота — цГМФ, или Са²⁺). Они в свою очередь активируют протеинкиназы — энзимы, переносящие фосфатную группу с молекулы АТФ на белки. В основе передачи сигнала от комплекса лиганд-мембранный рецептор до генорегуляторных белков, связанных с ДНК, лежит, как правило, именно каскад фосфорилирования: фосфорилированный белок становится протеинкиназой для следующей молекулы белка, и так далее. В конце концов происходит фосфорилирование генорегуляторных белков, после чего они оказываются способными активировать определенные гены.

Еще в середине XX в. были получены данные, позволяющие предположить, что клеточные дифференцировки могут быть механозависимыми. Было показано, что при развитии глаз будущий пигментный эпителий расположен на той стороне глазного пузыря, которая при его преобразовании в бокал становится выпуклой и, следовательно, растягивается. Сетчатка, напротив, развивается из внутреннего, вогнутого (сжатого) слоя. При культивировании глазного зачатка в условиях, исключающих растяжение, он весь превращается в сетчатку, а в условиях распластывания — в пигментный эпителий. При нормальном развитии глазного зачатка его растяжение поддерживается силами внутриглазного давления. При устранении давления, например после прокола передней камеры глаза тонким капилляром, часть уже дифференцированного пигментного эпителия, выйдя из-под влияния сил натяжения, преобразуется в сетчатку.

Позднее механозависимость клеточных дифференцировок исследовалась уже на молекулярном уровне. Было показано, что механические напряжения непосредственно влияют также на скорость синтеза белков и нуклеиновых кислот и тем самым на процессы дифференцировки. Некоторые типы клеток (например, фибробласты, остеобласты, хондроциты) дифференцируются лишь будучи посеянными на механически растянутый субстрат и не дифференцируются, если этот же субстрат не растянут или если клетки находятся в суспензии. Напротив, эритроидные клетки синтезируют глобиновую мРНК и гемоглобин, находясь в суспензии, и не делают этого, если посажены на растянутый субстрат. В некоторых клетках (эндотелии кровеносных капилляров и легкого) для активации генов необходимы пульсирующие напряжения, аналогичные тем, которым эти клетки подвергаются в норме. Величина напряжений может быть очень малой: они порождаются периодическими изменениями скорости движения омывающей крови или заменяющей ее жидкости. В листьях Arabidopsis синтез белка кальмодулина, регулирующего работу многих ферментных систем, стимулируется даже дождем, ветром и легким надавливанием.

Механозависимым оказался по крайней мере один из генов, участвующих в развитии зародыша дрозофилы (ген Armadillo). Он экспрессируется в области эмбриональной глотки и активируется механическим давлением, которое в нормальном развитии исходит от клеток более задних отделов кишечной трубки. При устранении давления данный ген не проявляет своего действия, но его можно активировать искусственным давлением. Автор этого исследования (Э. Фарж) обнаружил также, что механическое давление способствует связыванию белка бета-катенина в клеточных ядрах. Как было показано выше, ядерный бета-катенин регулирует ряд ключевых процессов развития. В частности, он определяет дорсальную сторону зародыша амфибий и активирует гены, кодирующие факторы эмбриональной индукции. Таким образом, механические факторы участвуют в регу­ляции важнейших эмбриональных процессов.

По представлениям ряда авторов, ткани зародышей и взрослых организмов буквально «прошиты» сетью фибрилл (своеобразной«паутиной»), находящейся в напряженном состоянии. В межклеточных пространствах эта сеть состоит из элементов внеклеточного матрикса, в основном коллагена различных типов и фибронектина (последний компонент играет особую роль в тканях зародышей ранних стадий развития, где коллагена еще мало). Напряжения, возникающие во внеклеточном матриксе, через особые белки интегрины передаются на особые участки клеточной мембраны — преимущественно на так называемые фокальные контакты. Около них сосредоточены многие важные ферментные комплексы (начальные звенья внутриклеточных сигнальных последовательностей) и элементы цитоскелета — пучки микрофиламентов и промежуточных филаментов. Передающиеся на фокальные контакты механические напряжения могут запускать работу ряда внутриклеточных сигнальных путей, особенно тех, где в качестве вторичного посредника выступают ионы Са²⁺. Материальную непрерывность фибриллярных структур удается проследить и далее, вплоть до клеточного ядра: элементы цитоскелета либо связаны, либо непосредственно переходят в волокна так называемого ядреного матрикса, а последние связаны с ДНК интерфазных хромосом.

10. Некоторые сведения о регенерации
Характеристика процесса регенерации как общебиологического явления. Регенерация и онтогенез. Регенерация физиологическая и репаративная. Способы регенерации – эпиморфоз и морфолаксис, компенсаторная и регенерационная гипертрофия. Соматический эмбриогенез.
Регенерация – замещение самых разных структур – от частей клетки до частей тела как в результате нормальной жизнедеятельности, так и после случайных утрат.

Базовая, постоянная, регенерация – физиологическая. После травм – репаративная.

Существует масса подходов к классификации: по масштабу процессов (организм, органы, их части, ткани, органоиды клетки, макромолекулы), по способу (эпиморфоз и морфаллаксис) и т.д.

Физиологическая регенерация есть неотъемлемая часть онтогенеза. Это, фактически, замена износившихся деталей. Она необходима для поддержания постоянного статуса организма.

Бывает типичная (после ампутации, автономии) и атипичная. Последняя делится на

Аддиции, Гипертрофии, Гетероморфозы, Неполноценную регенерацию.

Аддиции возникают при отведении нерва, ранении или пересадке.

Гипертрофия – явление характерное для одного из парных органов, проявляющееся после удаления второго – компенсаторная. Или при уничтожении части одиночного органа напр. печени – функциональное, но не морфологическое восстановление – регенерационная. (тогда оставшиеся клетки, сохранив свою основную функцию также приобретают способность делиться)

Неполноценная регенерация – типичная, но не завершенная.

Гетероморфозы – Гомейозис(Образование не того сегмента при утрате), Извращение полярности(нарушения положения относительно осей), Атавистическая регенерация (регенерация стр-ры в той форме, в какой она была у генетического предшественника), Др. виды (Напр. Вольфовская регенерация глаза – при удалении хрусталика новый возникает из радужки( у тритона) или из роговицы (у xenopus laevis) – совсем из другого источника.
Эпиморфоз: цепь событий на раневой поверхности

1. 
   Образование фибринового сгустка, работа фагоцитов.
   
2. 
   Наползание эпителия нав раневую поверхность, закрытие её раневым эпителием (он однослойный, без базальной мембраны, похож на тот, что при норм. р-тии)
   
3. 
   Наползание останавливается по мех-му контактного торможения. Для восст-я необходимы факторы GGF, FGF-10.
   
4. 
   Под эпителием собираются клетки мезенхимы различной компетенции. (приходят из пула резервных клеток или представляют собой результат дедифференцировки)
   
5. 
   Митозы. (характерные признаки эпиморфоза – наползание эпителия и митозы)
   

Морфаллаксис:

1. 
   Без митозов
   
2. 
   Без образоавания бластемы.
   
3. 
   Перестройка из оставшегося в утраченное только за счет дедифференцировки.
   

Соматический эмбриогенез – Способность к восстановлению целого организма из его части с установлением новых осей симметрии.

Губка при отсечении от неё маленького кусочка регенерирует очень плохо, медленно, но при измельчении её, чрезвычайно быстро образуется снова – противоречие?

Нет. Просто организм стремиться сохранить уже наработанное, ценное. Ведь при реализации соматического эмбриогенеза всё это теряется.

Для губок характерен соматический Эмбриогенез, но не регенерация.

Для гидр характерно и то, и другое, как и для планарий.

Для круглых червей не характерно ни то, ни другое.
Где бы не разрезали кольчатого червя, – образуется голова сразу, с утратой промежуточных сегментов.

Правило дистализации – образуется то, что дистальнее утраченного.