Роль ядра у зміні генетичної функції в ході диференціації. Зовнішній та внутрішній механізми проліферації клітин
ЗМІСТ
1. Клітина – найменша одиниця живого
2. Клітинне ядро, його будова
3. Диференціація клітин
Роль цитоплазми у процесі диференціації
На відміну від хромосом, які під час мітозу клітин на ранніх стадіях розвитку зародка розподіляються між дочірніми клітинами порівну так, що дві клітини отримують однакові набори хромосом, цитоплазма не завжди розподіляється між дочірніми клітинами рівномірно ні за кількістю, ні за якістю. Відомо, що дочірні клітини, які утворюються в результаті мітозу на ранньому етапі ембріонального розвитку, можуть мати неоднакову кількість цитоплазми. Крім того, встановлено, що нерівномірний розподіл різних ділянок цитоплазми заплідненого яйця між дочірніми клітинами пов'язаний з диференціацією їх на клітини різного типу.
Вважають, що на пізніших стадіях ембріонального чи постнатального розвитку під час поділу будь-якої клітини утворюються дві дочірні, які є ідентичними між собою і щодо материнської клітини. Вважають також, що якщо пізніше між дочірніми клітинами з'явилися відмінності, то це зумовлюється різним мікрооточенням.
Якщо зовнішнє середовище здатне впливати на диференціацію певної клітини, то воно може здійснювати свій вплив тільки додаючи щось до цитоплазми або викликаючи в ній зміни опосередковано. При цьому в цитоплазмі починає діяти якийсь механізм, що впливає на ядро, щоб зумовити експресію певних генів, які до цього не виявляли активності. Однак з правила, згідно з яким утворені дочірні клітини мають бути ідентичними, є винятки.
У минулому існувала концепція, згідно з якою інколи відбувається диференційний поділ, який приводить до утворення дочірніх клітин, що різняться між собою. Вважають, що це зумовлюється нерівномірним розподілом генетичного матеріалу. Насправді в цих випадках здійснюється нерівномірний розподіл цитоплазми. Отже, те, що можна було б пояснити за допомогою диференціального поділу, насправді зумовлено відмінностями в цитоплазмі на двох полюсах клітини. Цитоплазма на одному полюсі клітини здатна активізувати гени, які спричинюють диференціацію певної клітини, тоді як цитоплазма на другому полюсі не чинить такої дії. Це доведено на дослідах при вивченні поділу нейробластів (родоначальні клітини деяких типів нервових клітин) у прямокрилих. У цих комах одна з дочірніх клітин завжди диференціюється, перетворюючись на дозрілу нервову клітину, а інша завжди залишається на стадії нейробласта. За допомогою тоненької голки вдалося повернути метафазне веретено поділу, яке утворилося в нейробласті коника зеленого, так, що хроматиди, які за звичайних умов спрямувалися б до одного з полюсів клітин, що ділиться, спрямувалися до іншого, і навпаки. Коли процес мітозу наблизився до кінця, то з'ясувалося, що дочірня клітина, яка утворилася на тому полюсі клітини, на якому за звичайних умов (якби веретено поділу не повертали) утворився б нейробласт, так і залишилася нейробластом, а дочірня клітина на другому полюсі розвинулася у нервову клітину, так як це було б і без втручання.
Цей експеримент довів, що цитоплазма здатна впливати на експресію генів. Отже, встановлено, в якому саме періоді клітинного циклу це відбувається. Тому вплив цитоплазми, очевидно, відбувається після того, як веретено поділу повернули. Інакше результати виявилися б протилежними. Оскільки на жодному з двох наборів метафазних хромосом, повернутих до різних кінців клітини, цей вплив не виявлявся доти, доки веретено поділу не було повернуте, малоймовірно, щоб цитоплазма діяла на метафазні хромосоми. Очевидно, вона діє тоді, коли ділянки конденсованого хроматину анафазних хромосом починають деконденсуватися, переходячи в тело-фазу, і готуються до транскрипції, потрібної для синтезу білка. Можливо, тому між двома дочірніми клітинами під час мітозу є деякі відмінності щодо того, які ділянки хроматид перебувають у деконденсованому стані.
На пізніших стадіях ембріогенезу та на постнатальних стадіях цитоплазма стає більш важливим фактором, який вмикає і вимикає гени, що знаходяться в ядрі.
Вплив мікрооточення клітини на гени може здійснюватися кількома способами. Можливо, цитоплазма починає поглинати з середовища будь-який новий фактор або в самому мікрооточенні виникають зміни концентрацій, які зумовлюють зміни метаболізму клітини.
Для того щоб будь-який зовнішній вплив міг ефективнозумовлювати експресію генів чи їх репресію, клітина повинна мати відповідну інформацію. Клітина, яка здатна реагувати на дію середовища, перетворюючись на клітину будь-якого іншого типу, називається компетентною щодо реакції на конкретну дію. Клітина, яка не реагує на дії мікрооточення і не стає відмінною від клітин типу, до якого вона належить, називається детермінованою. Клітини зовнішнього шару шкіри детерміновані. Це інколи створює труднощі при пластичних операціях. Так, під час пересаджування цілісного клаптика шкіри з однієї частини тіла на іншу трансплантат на новому місці виявляє ті самі особливості, які він мав на попередньому місці, наприклад покривається волоссям. Однак тканина, з якої, якби вона на ранніх стадіях ембріонального розвитку залишалася на своєму звичному місці, розвинулася шкіра певного типу, при пересаджуванні на іншу ділянку дає покривну тканину того типу, який виникає в нормі на цій (другій) ділянці. Таку тканину, наприклад шкіру ембріона, називають компетентною, оскільки вона реагує на дії на неї середовища, а отже, експресія її генів відрізняється від тієї, якою вона була б, якби тканина залишалася на своєму звичному місці.
Вплив цитоплазми на диференціацію клітин спостерігається у процесах розвитку зародка. Внаслідок послідовних поділів з яйця утворюється багатоклітинна бластула. Однак за складністю і неоднорідністю цитоплазми яйця генетичне ідентичні ядра бластомерів виявляються в неоднаковому цитоплазматичному середовищі й можуть реагувати на це середовище по-різному. Тому активація генів і диференціація клітин відбуваються різними способами.
В усіх випадках вплив чинників мікрооточення на експресію чи репресію гена здійснюється через цитоплазму.
Слід зазначити, що до цього розглядали лише передавання генетичної інформації з ядра в цитоплазму. Однак інформація, що є в цитоплазмі, має як-небудь спричинити реакцію ядра. Встановлено, що під час пересаджування ядер в яйця амфібій цитоплазматичні білки дійсно локалізуються в ядрах, що утворюються у процесі поділу цих яєць. Подібна міграція білків з цитоплазми в ядро виявлена в амеби. Пересаджуванням ядра з клітин, які постачалися міченими амінокислотами в немічені клітини, показано, що деякі ядерні білки швидко переходять у цитоплазму, а потім нагромаджуються в ядрі клітини-господаря. Природу цих білків поки що не з'ясовано, але не виключено, що такі переміщення пов'язані з диференціальною генною активністю.
Прикладом активації певного гена внаслідок переміщення молекул з цитоплазми в ядро може бути реакція клітин яйцепроводу курки па введення одного зі стероїдних гормонів — прогестерону. Обробка прогестероном стимулює синтез білка авідину келихоподібними клітинами яйцепроводу. Встановлено, Ідо цей гормон проникає в клітину, де утворює комплекс з одним із білків цитоплазми. Цей комплекс потім надходить в ядро, безпосередньо досягаючи хромосом, і дає початок синтезу авідинспецифічної і РНК.
У цьому процесі беруть участь негістонові білки, які пов'язані зі специфічністю, що характеризує транскрипцію генів.
Кожний етап диференціації клітин супроводжується певною втратою їх потенцій і ступінь детермінованості такої клітини підвищується. Отже, детермінація, як і диференціація, відбувається поетапно. Клітина, детермінована в певному напрямі, утворює клітини, які детерміновані так само. Нині це пояснюють не репродукцією генів у S-періоді,а ідентичністю цитоплазматичного середовища двох дочірніх клітин, що утворюються під час мітозу, середовищу материнської клітини. Після закінчення S-періоду це середовище вмикає або вимикає самі гени, які були ввімкнені чи вимкнені в материнській клітині. Тому детермінованість у різних клітинних лініях, очевидно, залежить від постійності цитоплазми впродовж послідовних поколінь клітин. Якби цитоплазматичні фактори не контролювали експресію генів, то диференційоване ядро, перенесене в енуклейовану яйцеклітину, не могло б дати початок повністю розвиненій жабі.
Література:
1.Трускавецький “ Цитологія”
2.“гістологія” під редакцією В. Г. Єлісєєва
3.“ Цитологія, гістологія, ембріологія” І. Ф. Шванов
4.“Цитологія” Г. Біліч