Регуляція клітинного поділу у багатоклітинних організмів. Проблема клітинного поділу Стимуляція клітинного поділу

До кінця ХІХ ст. цитологи мали майже вичерпні знання про морфологічний бік мітозу. Подальше поповнення даних про клітинному розподілі йшло головним чином за рахунок вивчення найпримітивніших організмів.

Був детально вивчений процес поділу у прокаріотних (яких не мають оформленого ядра) організмів (бактерій), генетично близький до мнтозу (М. А. Пєшков, 1966), а також мітоз у найпростіших (І. Б. Райков, 1967), де були знайдені вкрай своєрідні форми цього процесу. У вищих організмів морфологічне вивчення мітозу йшло переважно з лінії дослідження цього процесу у поступовій динаміці на живих об'єктах з допомогою мікрокінозйомки. У цьому відношенні велике значення мали роботи А. Байєра та Дж. Моле-Байєр (1956, 1961), виконані на клітинах ендосперму деяких рослин.

Проте переважна більшість робіт XX ст. стосувалося фізіології клітинного поділу, і саме в цьому розділі проблеми було досягнуто найбільших успіхів. По суті, невивченим залишалося питання про причини та контролюючі фактори мітозу. Основоположником цього напряму досліджень був А. Г. Гурвіч.

Вже в монографії «Морфологія і біологія клітини» (1904) Гурвіч висловив думку, що повинні існувати фактори, що зумовлюють виникнення мітозу, причому вони швидше за все пов'язані зі станом клітини, що сама приступає до поділу. Ці ще дуже загальні уявлення отримали розвиток у серії подальших досліджень Гурвіча, узагальнених у монографії «Проблема клітинного поділу з фізіологічної погляду» (1926). Першим важливим теоретичним висновком Гурвіча стало уявлення про дуалізм факторів, що викликають мітоз тільки при їх поєднанні. Один із цих факторів (або група факторів) пов'язаний з ендогенними процесами підготовки клітини до поділу (фактор можливості або готовності). Інший є екзогенним по відношенню до цієї клітини (фактор здійснення). Подальші дослідження Гурвіча були присвячені переважно вивченню другого чинника.

Експерименти та теоретичні міркування привели Гурвіча у 1923 р. до відкриття, що більшість екзотермічних реакцій як в організмі, так і в пробірці супроводжується УФ-випромінюванням. Найважливішим біологічним наслідком такого явища виявилася стимуляція клітинних поділів, чому ці промені одержали назву мітогенетичних, тобто викликають мітози. Протягом наступних років Гурвічем (1948, 1959) та його співробітниками було виконано велику кількість досліджень, присвячених проблемі мітогенетичного випромінювання. Стимулюючий вплив випромінювання було з'ясовано найрізноманітніших об'єктах - від бактерій і дріжджових грибків до зародків і клітин культури тканини ссавців (А. А. Гурвич, 1968).

У першій чверті XX ст. стали накопичуватися дані щодо впливу на мітоз зовнішніх впливів – променистої енергії, різних хімічних речовин, температури, концентрації водневих іонів, електричного струму тощо. буд. Особливо багато досліджень було виконано на культурі тканини. В даний час встановлено, що мітотичний поділ є наслідком довгого ланцюга причин.

На противагу цитології початкового періоду, яка приділяла основну увагу самому мітозу, сучасна цитологія набагато більше цікавиться інтерфазою. Користуючись термінологією Гурвіча, можна сказати, що на першому плані стоїть вивчення факторів готово-

сті, що забезпечують можливість вступу клітини у розподіл.

Це стало можливим завдяки новим методам дослідження, насамперед завдяки радіоавтографії.

А. Говард та С. Пелк (1951) запропонували весь мітотичний цикл розбити на чотири періоди: постмітотичний, або пресинтетичний (Gi); синтетичний (S), під час якого відбувається реплікація ДНК; постсинтетичний, чи премітотичний (G2); і, нарешті, мітоз (М). Накопичено великий фактичний матеріал за тривалістю у різних організмів окремих періодів і всього мітотичного циклу загалом у нормі і за впливу різноманітних зовнішніх і внутрішніх чинників - променистої енергії, вірусів, гормонів тощо.

Ряд досліджень (М. Суонн, 1957, 1958) присвячений енергетиці клітинного поділу, і хоча багато деталей залишаються ще нез'ясованими, стало очевидним, що важлива роль належить у цьому відношенні макро-ергічних сполук, зокрема АТФ. Ця речовина не тільки бере участь у підготовці клітини до поділу, але, за даними Г. Гофман-Берлінга (1959, 1960), відповідальна за механічні процеси, що лежать в основі розходження хромосом до полюсів.

У з'ясуванні механізму різних етапів клітинного поділу особливо велику роль зіграли роботи американського дослідника Д. Мезія (1961), який вивчав різні сторони фізіології мітозу, особливо роль мітотичного апарату, що здійснює процес поділу. Створено різні уявлення про механізм поділу клітинного тіла та про фізико-хімічні зміни клітин при розподілі. Вивчення хромосом виросло в самостійну галузь досліджень, яка виявилася органічно пов'язаною з генетикою та дала початок цитогенетиці.

Поряд з вивченням окремих мітозів значна кількість досліджень була присвячена з'ясуванню закономірностей мітотичної активності тканин, зокрема вивченню залежності клітинної проліферації від фізіологічного стану організму та впливу різних ендогенних та екзогенних факторів.

Перші дослідження такого характеру були виконані на рослинних об'єктах на початку XX ст. у зв'язку з вивченням періодичності біологічних процесів (А. Льюїс, 1901; В. Келлікот, 1904). У 20-х роках з'явився ряд фундаментальних досліджень, присвячених добовому ритму клітинних поділів у проростку рослин (Р. Фрізнер, 1920; М. Столфелд, 1921). У 30-40-х роках була проведена серія досліджень (А. Карлетон, 1934; Ч. Блюменфельд, 1938, 1943; 3. Купер, Г. Франклін, 1940; Г. Блюменталь, 1948; та ін), в яких вивчалася Мітотична активність у вогнищах клітинного розмноження різних лабораторних тварин. Значно менше таких робіт виконано на осередках клітинного розмноження людини (3. Купер, А. Шифф, 1938; А. Бродерс, В. Дублін, 1939; та ін).

У СРСР перше дослідження щодо впливу на мітотичний режим фізіологічних факторів було опубліковано у 1947 р. Г. К. Хрущовим. Починаючи з 50-х років інтерес до проблеми мітотичного режиму організму значно зріс (С. Я. Залкінд, І. А. Уткін, 1951; С. Я. Залкінд, 19,54, 1966; В. Н. Доброхотов, 1963; І .А. Алов, 1964; та ін). Найбільш повно було вивчено добовий ритм мітотичної активності у ссавців.

Перші спроби проаналізувати механізми, що регулюють мітотичну активність, були зроблені в 1948 англійським дослідником В. Буллоу. Радянські цитологи (JI. Я. Бляхер, 1954; І. А. Уткін, 1959; Г. С. Стрелін, В. В. Козлов, 1959) приділили велику увагу нейрогуморальної регуляції мітотичної активності, встановивши рефлекторний характер регуляції клітинних ділень. Виявилося, що вплив на нервову систему впливає опосередковано через зсув гормональної рівноваги. З'ясувалося також, що при цьому різко посилюється секреція адреналіну, що гальмує активність мітотику. Видалення надниркових залоз призводить до виключення ефекту гальмування мітозів (А. К. Рябуха, 1955, 1958). Ряд досліджень присвячений вивченню складних взаємин між мітотичною та фізіологічною активністю організму (С. Я. Залкінд, 1952; І. А. Алов, 1964).

Підвищення інтересу до проблеми мітотичних циклів та широке застосування радіоавтографії призвело до того, що в даний час переважна більшість робіт присвячена вивченню закономірностей мітотичного циклу, аналізу закономірностей переходу з одного періоду до іншого, впливу на мітоз різноманітних ендогенних та екзогенних факторів. Це, безсумнівно, один із найбільш перспективних напрямів у вивченні проблеми клітинної проліферації (О. І. Єпіфанова, 1973).

Цитологія спадковості

У першій половині XX ст. у зв'язку з розквітом генетики інтенсивно розроблялися цитологічні проблеми щодо спадковості. Так виникла нова галузь цитології – каріологія.

Піонером каріологічних досліджень був російський ботанік

С. Г. Навашин. Навашин по справедливості може бути названий творцем цитогенетики, не випадково перший період розвитку цієї науки часто називають «російським» або «навашинським». Вже в класичних роботах з ембріології рослин, особливо з цитології запліднення (1898), він зосередив свою увагу на морфології хромосом у деяких клітинах лілейних, зокрема, кінського гіацинту (Galtonia candicans). У 1916 р. Навашин опублікував роботу, де навів ретельний опис хромосомного набору цієї рослини. Йому вдалося знайти на хромосомі (в центрі або на її полюсі) особливу незабарвлену ділянку (названу ним «хроматичною перервою»), що називається зараз центроміром або кінетохором, в області якого хромосома прикріплюється до веретена. Центромірам належить надзвичайно важлива роль у процесі розщеплення хромосом та їх розбіжності до полюсів клітини, що ділиться. Навашин вперше показав, що будова хромосом зовсім не є незмінною, але схильна до змін у філогенезі і за деяких особливих умов існування (наприклад, у клітинах насіння при їх тривалому зберіганні). На низці рослинних об'єктів (Crepis, Vicia, Muscari та ін.) учні Навашина показали, що каріолотичний аналіз може бути використаний для філогенетичних висновків. Дещо пізніше почалися каріологічні дослідження на клітинах тварин і людини. У цих роботах також брав участь Навашин. Вже після його смерті, в 1936 р., було опубліковано працю, присвячену зменшенню (димінуції) хроматину при розвитку яйця кінської аскариди, що підтвердила висновки Т. Бовері (1910).

Грунтовні каріологічні роботи були виконані в 20-30-х роках радянським цитологом П. І. Живаго. Він та його співробітники досліджували каріотип свійських птахів (кури, індички; 1924, 1928), дрібної рогатої худоби (1930) та людини (1932). Живаго не тільки з'ясував низку каріо-типів, а й почав розробку питання про сталість числа хромосом у межах одного організму. На підставі літературних даних (за двокрилими) і дослідження низки об'єктів (ему, нанду, людина) Живаго (1934) дійшов висновку, що у окремих клітинах і цілих тканинах (особливо в ембріонів) спостерігаються значні коливання серед хромосом. Він надавав цим відмінностям велике значення, оскільки вони ведуть зміну геному, отже, і спадкових властивостей організму. Він висловлював також припущення, що наявність клітин з різним числом хромосом може мати пристосувальне значення, оскільки збільшує можливі варіанти каріотипів для подальшого відбору. Ця думка, висловлена ​​понад 30 років тому, розділяється нині багатьма дослідниками.

Велику роль розвитку розглянутого напрями зіграла книга До. Белара «Цитологічні основи спадковості» (1928, російський переклад 1934). Розділу, присвяченому зв'язку хромосом зі спадковістю, передують власне цитологічні розділи, що містять дані про будову ядра та цитоплазми, про клітинний поділ, запліднення та дозрівання статевих клітин, про партеногенез. Дуже детально й у порівняльному аспекті розглядається будова хромосом у вищих хребетних, а й безхребетних, найпростіших і рослин. Містяться цінні дані, що стосуються індивідуальності та мінливості хромосом, обміну фрагментами при кросинговері, димінуції хроматину, патології мітозу. Книга Белара протягом тривалого часу залишалася найкращою монографією з цитології спадковості.

Поступово, у зв'язку з інтенсивним розвитком генетики, цитологія спадковості перетворилася на цитогенетику, історію якої коротко викладено разом із історією генетики (див. глави 13 і 24). У другій половині XX ст. виникло кілька абсолютно нових, перспективних напрямів досліджень.

Насамперед слід назвати цитоекологію, вивчає роль клітинного рівня організації у пристосуванні організму до умов середовища. У цей напрям, тісно пов'язане з біохімією клітини і особливо з вивченням властивостей клітинних білків, набув широкого розвитку на роботах У. Я. Александрова і Б. П. Ушакова.

За останні 10-20 років велику увагу привертає вивчення загальної фізіології клітини і, зокрема, закономірностей синтезу та витрачання речовин, що беруть участь в основних життєвих процесах, так і є її специфічними продуктами (секрети). До цього ж кола питань відноситься вивчення відновлювальних процесів у клітині, тобто фізіологічної регенерації, що забезпечує відновлення зруйнованих або втрачених клітинних структур і речовин, що відбувається на молекулярному рівні.

Велике значення у цитології набули проблеми детермінації, диференціації та дедиференціації клітин. Вони відіграють важливу роль в ембріональних клітинах та різних категоріях клітин, що культивуються поза організмом (А. Де-Рейк, Дж. Найт, 1967; С. Я. Залкінд, Г. Б. Юровська, 1970).

Своєрідний розділ цитології склала цитопатологія - область, прикордонна із загальною патологією і зробила значні успіхи останні десятиліття XX ст. Термін «цитопатологія» використовується для позначення галузі біології, в якій вивчення загальнопатологічних процесів ведеться на клітинному рівні, і як система знань про патологічні зміни окремої клітини. Щодо першого напряму, то після класичних робіт Р. Вірхова спроби звести сутність патологічного процесу до зміни мікроскопічних та субмікроскопічних структур робилися неодноразово. Багато прикладів подібного використання цитологічного аналізу розуміння патологічних процесів у організмі міститься у роботах Р. Камерона (1956, 1959).

Другий напрямок може розглядатися як суто цитологічний. Воно ставить за мету вивчення патології самої клітини та її органоїдів, т. е. морфологічних, біохімічних і фізіологічних відхилень від норми, що спостерігаються при різних патологічних процесах, що відбуваються в клітині, незалежно від їх впливу на стан тканини, органу або всього організму. Розвиток цього напряму пов'язаний насамперед із накопиченням даних про зміну клітин, що відбувається внаслідок їх природного старіння, а також різних різких цитопатологічних змін, що спостерігаються при впливі тих чи інших несприятливих факторів (фізичних, хімічних, біологічних) зовнішнього середовища. Особливо значний розвиток набуло вивчення патологічних змін під впливом несприятливих впливів на клітину в експерименті та дослідження механізму дії таких факторів. Ці дослідження набули широкого розвитку насамперед у радіобіології, де всебічне вивчення реакції клітини на вплив променистої енергії можливе як на клітинному чи субклітинному, а й на молекулярному рівні.

Проти моєї хвороби — псоріазу, але так само по кілька разів на рік з'являються червоні плями. Потім вони проходять після двох-трьох тижнів. Через якийсь час все знову повторюється. Розкажіть докладніше про цю хворобу і про те, як її позбутися", — просить читачка MedPulse. Що відповість лікар-дерматолог?

Лікар-дерматолог, к. м.н., Олексій Левін

З чого починається псоріаз?

Псоріаз - хронічне, незаразне захворювання шкіри, відоме ще в допетровській Русі, де цей дерматоз називали "трояндами диявола". Але не стільки через високу небезпеку для життя (навіть сверблячка тут з'являється не у всіх пацієнтів, а серйозні ускладнення — менш ніж у 10% разі), скільки через надзвичайно підступний і завзятий характер цієї недуги. Шкірні "троянди" можуть раптом зникнути, потім спати роками і раптом розпуститися знову. І досі псоріаз залишається одним із найзагадковіших недуг.

Наприклад, вже давно припустили, що це аутоімунне захворювання. Але нещодавно американські вчені відкрили два гени, відповідальні за поділ епідермальних клітин. Мутації у цих генах, на думку дослідників, і порушують порядок клітинного поділу, що призводить до утворення бляшок. Ось вам ще одна можлива причина – генетична. Але хіба не може бути й інша інфекційно-вірусна? Шведські вчені виділили ретровірус, які вважають специфічним збудником псоріазу. Словом, причина хвороби поки невідома.

У групі найбільшого ризику - недовірливі, тривожні люди з підвищеною емоційністю, які і до початку псоріазу у відповідь на стрес "зривалися" на якісь захворювання. Тому, якщо говорити про профілактику недуги, то порадив би таким людям простіше ставитися до життєвих проблем.
У північних країнах цей дерматоз зустрічається вдвічі частіше, ніж у південних. Таку залежність пов'язують із кількістю сонячного світла. Тому ще одна порада, як уберегтися від псоріазу — не перестаратися у захисті від сонячних променів. Існують гігієнічні правила здорової та безпечної природної засмаги. Слідуйте їм, але й не ховайтеся від сонця як Снігуронька!

Стіна висока, але квола

При псоріазі клітини верхнього епідермального шару шкіри поділяються на 30 швидше ніж у нормі. Але дозрівати не встигають, через що між ними не встановлюються міцні зв'язки. У результаті шкіра при псоріазі нагадує поспіхом побудовану цегляну стіну, високу, та неміцну.

Зовні ця "стінка" виглядає як сріблясто-білі бляшки. Якщо їх потерти, вони легко зіскоблюються, як краплі стеаринової свічки. Це називають симптомом стеаринової плями. При подальшому пошкрібанні виділяються точкові крапельки крові (симптом кров'яної роси). Він обумовлений тим, що епідерміс був зішкріб до поверхневих судин шкіри. У глибших шарах при псоріазі відбувається запалення та розширюються судини шкіри. Цим зумовлений рожевий чи червоний колір бляшок.

Звичайний (бляшковий) псоріаз, якому і присвячена наша стаття, зустрічається в більшості (85%) випадків. Інші форми, разом узяті, становлять близько 15%. Ці різновиди не схожі на звичайний псоріаз, і в їхньому лікуванні є багато особливостей. Але у будь-яких видів цієї недуги найчастіше ускладнення — псоріатичний артрит. Якщо його не лікувати, хворий стає інвалідом. Пам'ятайте про це, і не рідше, ніж раз на рік здайтеся артролога або ортопеда.

Вперше почувши діагноз "псоріаз", багато людей відчувають потрясіння та почуття приреченості. Що ж, їх можна зрозуміти... Адже повністю викорчувати "троянди диявола" медицина ще не вміє. І такі хворі скрізь стають об'єктом стривожених поглядів, оскільки захворювання очевидно для оточуючих через явні зовнішні прояви.

Моїм пацієнтам я даю спеціальні поради щодо адаптації до хвороби:
- Дізнайтеся про неї якомога більше, більше спілкуйтеся з іншими хворими на псоріаз,
— не соромтеся розповідати людям про своє захворювання, завжди починаючи з того, що воно незаразне,
- знайдіть лікаря, з яким у вас встановився хороший психологічний контакт, лікуйтеся тільки у нього, і ставтеся критично до обіцянок інших лікарів, а тим більше знахарів, повністю позбавити вас псоріазу,
- не таїться від друзів і сім'ї, заспокойте їх, пояснивши, що псоріаз, якщо його ретельно лікувати, небезпечний для життя,

- Якщо Ви не справляєтеся з переживаннями з приводу недуги, зверніться до психотерапевта негайно, адже на тлі псоріазу розвиваються особливо швидко, часто у важких формах.

Як лікують псоріаз

Найбільш уживані проти псоріазу – препарати зовнішнього застосування, і серед них кортикостероїди. Ці гормональні ліки, що зменшують запалення та пригнічують аутоімунні реакції у шкірі, випускаються у формі мазей, кремів, лосьйонів. Кортикостероїди починають діяти швидко, проте згодом втрачають ефект. Тому вони добре підходять для короткочасного лікування, а за тривалого — обов'язково зробіть перерву на кілька тижнів. Корисні у боротьбі з псоріазом і креми, що включають кальципотріол. За хімічною будовою – це похідне вітаміну D. Препарат зменшує швидкість поділу клітин шкіри, нормалізує їх дозрівання. Найдавнішим засобом народної медицини для лікування псоріазу є дьоготь (кам'яновугільний або березовий), який зараз входить до складу кремів та шампунів.

Проти псоріазу застосовують також штучне ультрафіолетове опромінення. Залежно від довжини хвилі воно ділиться на УФ-А та УФ-В.

Джерела УФ-В-випромінювання є лише у спеціалізованих центрах для лікування псоріазу. Це дуже ефективний, але, на жаль, дорогий метод.

Не входить до стандартів державної страхової медицини та ПУВА-терапії, тобто УФ-А у поєднанні з прийомом фотосенсибілізуючих (збільшують чутливість до сонця) речовин. Але джерела УФ-А найбільш поширені та доступні. Саме УФ-А викликає засмагу. Тому лампи соляріїв та побутових ультрафіолетових ламп випромінюють УФ-А. Однак при псоріазі це світлолікування стає дієвим лише при комбінації його з фотосенсибілізуючими ліками.

Не забувайте і про можливі побічні ефекти світлолікування. Це передчасне старіння шкіри та збільшення ризику раку шкіри.

З ліків для прийому внутрішньо та ін'єкцій сильним дієм мають метотрексат - цитостатичний препарат, що пригнічує прискорене поділ клітин шкіри при псоріазі; ацитретин, що відноситься до похідних вітаміну А і нормалізує поділ клітин шкіри; нарешті, циклоспорин. Це найпотужніший імунодепресант, який, зокрема, застосовують при пересадці органів для запобігання їх відторгненню.

Але ці препарати мають цілу низку побічних ефектів, про які вас повинен попередити лікар, причому частину їх можна послабити, проте інші неминучі.

Потрібні розвантажувальні дні

Щоб зменшити ризик загострень псоріазу, треба пам'ятати про кілька правил.

Приймаючи душ або ванну, використовуйте не жорстку губку або мочалку, як і тверде мило, а тільки м'яку губку або бавовняну серветку. Після душу застосуйте пом'якшувальний крем, щоб шкіра була гладкою. Носіть легкий, просторий, бавовняний одяг.

Влітку обмежте час, що проводиться в умовах кондиціювання. Якщо ж ви повинні знаходитися в такому приміщенні, то поставте біля себе ємність з водою.

Захищайте шкіру від порізів та пошкоджень, оскільки вони можуть стати причиною загострення захворювання, зведіть до мінімуму стресові ситуації.

Ваше харчування має бути багатим тваринними білками, вітамінами і виключати занадто жирне, гостре та солоне. Під час загострень не можна приймати антибіотики, спиртні напої, а також продукти, які можуть спричинити алергію (яйця, копченості, цитрусові, мед, спеції).

Віддайте перевагу вегетаріанським супам, а ось другі страви нехай будуть м'ясними (краще відварена або тушкована кролятина, курятина, індичка). Також корисні молочні продукти, причому звичайній (2,5-3,0%) жирності. Доповніть основне меню гречаною, перловою та рисовою кашами. На гарнір найкраще картопля, квасоля, капуста, але не борошнисті продукти. Сирі овочі та фрукти повинні бути присутніми на столі щодня протягом усього року: яблука, огірки, помідори, морква, буряк, цибуля, свіжий часник, кріп, петрушка.

Дуже корисні при псоріазі 2 розвантажувальні дні на тиждень. Меню у такі дні можна урізноманітнити.

М'ясний день: 400 г відвареної яловичини ділять на 5 прийомів. Додатково 2 рази на день по 100 г гарніру (сира білокачанна капуста, морква, огірки) та 2 склянки відвару шипшини.

Сирно-кефірний день: 400 г сиру та 500 г кефіру приймаються протягом дня у 5 прийомів.

Яблучний день: 1,5 кг яблук, краще за кислі сорти (антонівські) протягом дня. Нічого пити цього дня не можна.

Кефірний день: 1,5л кефіру протягом дня.

Овочевий день: 1,5 кг овочів (за винятком картоплі) краще у тушкованому вигляді. Додатково - 2 склянки відвару шипшини або неміцного несолодкого чаю. Овочі поділяються на 5 прийомів.

Якщо у вас є досвід лікування народними засобами, будь ласка, пишіть у коментарях нижче.

З розвитком кількість клітин, у тому числі складається зародок, збільшується. Розподіл клітин (дроблення яйця) на ранніх стадіях розвитку відбуваються рівномірно (синхронно). Але в одних видів раніше, в інших пізніше ця синхронність порушується і клітини, з яких утворюються зачатки різних органів, починають ділитися з різною швидкістю. Ці відмінності у швидкості поділу можна як одне з перших проявів їх диференціювання.

У зародків ссавців вже після стадії 16-32 бластомерів більшість клітин починає ділитися швидше і утворює трофобласт - зачаток майбутньої плаценти. Сам майбутній зародок складається з цих ранніх стадіях лише з кількох клітин. Однак пізніше в ході розвитку та зростання зародок і потім плід стають у багато разів більшими за плаценту.

У амфібій на стадії бластули, що складається з кількох тисяч клітин, майбутня мезодерма становить менше третини всіх клітин. Але в міру розвитку мезодермальні похідні - всі м'язи, майже весь скелет, система кровообігу, нирки та ін - займають не менше 80% всієї маси пуголовка.

Особливо наочний неоднаковий темп розподілу клітин у морфогенезі багатьох безхребетних. У видів з мозаїчним розвитком вже на стадії 30-60 клітин зачатки всіх основних органів визначені і представлені небагатьма клітинами (іноді всього двома). Далі поділу клітин у кожному зачатку суворо програмуються. Так, наприклад, ранній зародок асцидій містить 52 клітини ектодерми, 10 клітин ентодерми та всього 8 клітин мезодерми. Протягом подальшого розвитку число клітин ектодерми зростає у 16 ​​разів, ентодерми – у 20, а мезодерми – у 50. Завдяки програмованості поділів кількість клітин у деяких дорослих безхребетних (наприклад, у нематод) строго постійно і кожен орган представлений певною кількістю клітин. Не завжди місце розташування органу і місце, де діляться складові його клітини, збігаються. Часто мітози відбуваються тільки в особливій зоні розмноження і звідти клітини мігрують до свого диференціювання. Приклади такого роду ми вже бачили при розгляді системи стовбурових клітин. Те саме відбувається, наприклад, і за розвитку головного мозку.

Програма клітинних поділів не завжди дуже строга і визначає точне число. Найчастіше, ймовірно, розподіли відбуваються до тих пір, поки кількість клітин або розмір органу не досягне певної величини. Йдеться, таким чином, про два принципово різні механізми регуляції клітинних поділів.

В одному випадку (як у яйцях з мозаїчним розвитком) він, мабуть, укладений у клітині, що сама ділиться, яка повинна «вміти відраховувати» свої поділки. В іншому випадку повинна існувати деяка «петля зворотного зв'язку», коли маса органу або кількість клітин, досягаючи деякої величини, починає гальмувати подальші поділу.

Виявилося, що кількість поділів у нормальних клітинах, не трансформованих у злоякісні, взагалі не безмежна і зазвичай не перевищує 50-60 (більшість клітин ділиться менше, оскільки якби яйце рівномірно розділилося 60 разів, то число клітин в організмі (260) виявилося б у тисячі разів вище, ніж насправді). Однак ні механізм такої межі числа клітинних поділів (називається на ім'я вченого, що його відкрив, межа Хайфліка), ні його біологічний сенс поки незрозумілий.

Що ж є «датчиком» у системі регуляції – розмір органу чи кількість клітин? Однозначну відповідь на це питання дають досліди з отриманням тварин із зміненою плоїдністю – гаплоїдні, триплоїдні чи тетрапоїдні. Їхні клітини відповідно в 2 рази менші або в 1,5 або 2 рази більші за нормальні диплоїдні. Тим не менш і розмір самих тварин, і розмір їх органів, як правило, нормальні, тобто вони містять більше або менше клітин, ніж норма. Регульованою величиною, отже, не кількість клітин, а маса органу чи всього організму.

Інакше справа у рослин. Клітини тетраплоїдних рослин, як і у тварин, відповідно більше диплоїдних. Але й розміри частин тетраплоїдних рослин – листя, квіток, насіння – часто виявляються більшими за звичайні майже в 2 рази. Схоже, що з рослин «датчиком» щодо кількості клітинних поділів не розмір органу, а саме число клітин.

Механізми, що регулюють клітинні поділу - проліферацію клітин, вивчаються дуже інтенсивно і з різних боків. Одним із стимулів такої активності вчених є те, що відмінності ракових клітин від нормальних багато в чому полягають у порушенні регуляції клітинних поділів, у виході клітин з-під такої регуляції.

Прикладом однієї з механізмів регуляції клітинних поділів може бути поведінка клітин, посіяних на дно флакона з живильним середовищем, – клітинної культури. Їхні поділки в хороших умовах відбуваються до тих пір, поки вони не покриють все дно і клітини не торкнуться одна одної. Далі настає так зване контактне гальмування, або гальмування, залежне від густини клітин. Його можна порушити, як це робив Ю. М. Васильєв, розчистивши від клітин невелике віконце лежить на поверхні скла. У це віконце з усіх боків спрямовуються клітини, навколо нього проходить хвиля клітинних поділів. Можна думати, що і в організмі контакти із сусідніми клітинами є механізмом, що стримує клітинні поділки.

У пухлинних клітин ця регуляція порушується - вони не підкоряються контактному гальмування, а продовжують ділитися, нагромаджуючись один на одного. Аналогічно, на жаль, вони поводяться і в організмі.

Але контактне гальмування не є єдиним механізмом регуляції: її бар'єр може бути подоланий і у цілком нормальних клітин. Так, наприклад, щільно притиснуті один до одного клітини печінки у молодої тварини проте діляться і печінка росте разом із зростанням всієї тварини. У дорослих тварин ці поділи практично припиняються. Однак якщо дві частки печінки видалити, то в частці, що залишилася, дуже швидко почнуться масові поділу клітин - регенерація печінки. Якщо видалити одну нирку, то протягом кількох днів друга нирка за рахунок клітинних поділів збільшиться вдвічі. Очевидно, що в організмі існують механізми, здатні стимулювати клітинні поділи в органі, активувати його зростання і наводити розміри органу тим самим у кількісну відповідність з розмірами всього організму.

У цьому випадку діють не контактні механізми, а якісь хімічні фактори, які можуть бути пов'язані з функцією печінки або нирок. Можна уявити, що недостатність функції цих органів, при віддаленні їх частини або при відставанні їх зростання від зростання всього організму, так порушує весь метаболізм в організмі, що це викликає компенсаторну стимуляцію клітинних поділів саме в цих органах. Є й інші гіпотези, які пояснюють, наприклад, подібні явища дією спеціальних інгібіторів клітинних поділів – кейлонів, що виділяються самим органом; якщо орган менший, то менше і кейлонів і більше клітинних поділів у цьому органі. Якщо такий механізм і існує, то він діє не скрізь. Наприклад, втрата однієї ноги не призводить сама по собі до збільшення розмірів іншої ноги.

Розподіли стовбурових і диференційованих клітин крові стимулюються гормонами, такими, як, наприклад, еритропоетин. Гормони стимулюють клітинні поділу та у багатьох інших випадках. Наприклад, стимуляція зростання кількості клітин яйцеводи у курей активується жіночим статевим гормоном. Існують хімічні чинники – зазвичай це невеликі білки, які діють не як гормони, тобто не розносяться з кров'ю по всьому організму, а впливають більш обмежено на сусідні тканини. Це відомі зараз чинники зростання – епідермальний та інших. Проте найчастіше конкретні хімічні чинники регуляції клітинних поділів і механізми їхньої дії нам невідомі.

Ще менше ми знаємо про регулювання клітинних поділів під час основних процесів морфогенезу – в ембріональному розвитку. Ми вже говорили, що тут здатність одних клітин ділитися швидше за інші є проявом їх диференціювання. У той самий час мушу помітити, що диференціювання і клітинні поділу у сенсі протистоять одне одному і іноді навіть виключають одне одного. У деяких випадках це пов'язано з неможливістю розподілу при далеко зайшлий, термінальної диференціювання клітин. Чи може, наприклад, розділитися еритроцит з його спеціалізованою структурою, жорсткою оболонкою і майже повною втратою більшості клітинних функцій, а в ссавців ще й із втратою ядра? Нервові клітини хоч і зберігають дуже високий темп метаболізму, але їх довгий аксон і дендрити, пов'язані з іншими клітинами, є очевидними перешкодами до поділу. Якби такий поділ у нервової клітини все ж таки відбувся, це призвело б до втрати зв'язку цієї клітини з іншими і, отже, до втрати її функції.

Тому звичайною послідовністю подій є спочатку період проліферації клітин, а потім диференціювання, що носить термінальний характер. Більше того, ряд вчених припускають, що саме під час клітинних поділів хромосоми як би «звільняються» для наступного етапу диференціювання, – останньому мітозу перед диференціюванням надається особливе значення. Ці уявлення носять поки що багато в чому умоглядний характер не мають на молекулярному рівні хороших експериментальних підстав.

Але і не знаючи конкретних механізмів регуляції клітинних поділів, ми маємо право розглядати їх програмований характер як такий самий прояв програми розвитку, яким є й інші його процеси.

На закінчення ми коротко зупинимося і явище, хіба що зворотному розмноженню клітин, – їх загибелі, що у певних випадках формоутворення є необхідним етапом розвитку. Так, наприклад, при утворенні пальців у зачатках кисті передніх і задніх кінцівок клітини мезенхіми збираються в щільні тяжі, з яких формуються потім хрящі фаланг. Серед клітин, що залишилися між ними, відбувається масова загибель, за рахунок якої частково пальці відокремлюються один від одного. Щось схоже відбувається і при диференціювання зачатку крила у птахів. Механізми загибелі клітин у випадках – чинники, зовнішні стосовно клітин, і події всередині клітин – залишаються маловідомими. А. С. Уманський передбачає, наприклад, що загибель клітини починається з деградації її ДНК.

Розмноження клітин, незважаючи на всю його важливість, не можна вважати основним механізмом морфогенезу: у створенні форми воно бере все ж таки побічно, хоча такі важливі параметри, як загальна форма органу та його відносні розміри, можуть регулюватися саме на рівні клітинних поділів. Ще меншу роль грає у морфогенезі програмована загибель клітин. Проте вони є в нормальному розвитку абсолютно необхідними компонентами. У регуляції цих явищ беруть участь практично всі компоненти клітини та її генетичний апарат. Це показує нам, що у розвитку немає простих процесів. Спроба остаточно розібратися у кожному їх змушує нас звертатися до основним молекулярним механізмам роботи клітини. А тут ще багато невирішеного.

Для того щоб оцінити всю складність розвитку багатоклітинного організму, треба уявити цей процес, що відбувається як би в багатовимірному просторі. Одну вісь складає довгий ланцюг етапів реалізації генетичної інформації - від гена до ознаки. Другою такою віссю можна назвати всю сукупність генів у хромосомах. У результаті розвитку продукти різних генів взаємодіють друг з одним. Розгортання подій але двом осям утворює мережу на площині. Однак існує п третя вісь - різноманітність подій, що відбуваються в різних частинах зародка. Ці події можуть відбуватися відносно автономно, як у тварин з мозаїчним розвитком. Але частково і в них, а повною мірою у видів з регуляційним типом розвитку між частинами організму здійснюються більші або менші взаємодії та завжди складні переміщення клітин. Розглядати їх усі як одну вісь можна лише йдучи на значні спрощення. І нарешті, весь розвиток (гаметогенез, ембріогенез та постембріональний розвиток) відбувається в часі, масштаб якого зовсім інший, ніж час, що вимірюється на шляху від гена до білка. По цій (умовно четвертій) осі вся багатовимірна картина радикально змінюється - яйце перетворюється на організм, що розмножується. Ця багатовимірність ілюструє складність всіх процесів та їх взаємовідносин та труднощі їхнього розуміння.

У частини вірусів роль спадкової речовини виконує не ДНК, а подібна до неї за будовою РНК.

Розподіл клітинграє велику роль процесах онтогенезу. По-перше, завдяки поділу із зиготи, що відповідає одноклітинній стадії розвитку, виникає багатоклітинний організм. По-друге, проліферація клітин, що відбувається після стадії дроблення, забезпечує зростання організму. По-третє, вибірковому розмноженню клітин належить помітна роль забезпеченні морфогенетичних процесів. У постнатальному періоді індивідуального розвитку завдяки клітинному поділу здійснюється оновлення багатьох тканин у процесі життєдіяльності організму, і навіть відновлення втрачених органів, загоєння ран.

Зигота, бластомери та всі соматичні клітини організму, за винятком статевих клітин, у періоді дозрівання гаметогенезу діляться мітозом. Клітинний поділ як такий є однією з фаз клітинного циклу. Від тривалості інтерфази (G 1 + S + G 2 -періоди) залежить частота послідовних поділів у ряді клітинних поколінь. У свою чергу інтерфаза має різну тривалість залежно від стадії розвитку зародка, локалізації та функції клітин.

Так, у періоді дроблення ембріогенезу клітини діляться швидше, ніж в інші, пізніші періоди. Під час гаструляції та органогенезу клітини діляться вибірково у певних областях зародка. Помічено, що, де швидкість клітинного розподілу висока, відбуваються якісні зміни у структурі ембріональної закладки, тобто. органогенетичні процеси супроводжуються активним розмноженням клітин. Показано, що розтяг клітин при їх русі стимулює клітинний поділ. У сформованому організмі деякі клітини, наприклад нейрони, взагалі не діляться, тоді як у кровотворній та епітеліальній тканинах триває активне розмноження клітин. Клітини деяких органів дорослого організму в звичайних умовах майже не діляться (печінка, нирка), але за наявності стимулу у вигляді впливу гормональних або внутрішньотканинних факторів частина з них може вступити в розподіл.

При вивченні розташування клітин, що діляться в тканинах виявлено, що вони групуються гніздами. Саме собою розподіл клітин не надає ембріональному зачатку певної форми, і нерідко ці клітини розташовуються безладно, але в результаті їх перерозподілу і міграції зачаток набуває форми. Так, наприклад, у зачатку головного мозку поділ клітин зосереджено виключно в тому шарі стінки, який належить до порожнини невроцелю. Потім клітини пересуваються із зони розмноження до зовнішньої сторони пласта і утворюють ряд випинань, так званих мозкових пухирів. Таким чином, клітинний поділ в ембріогенезі має вибірковий і закономірний характер. Про це ж свідчить відкрита в 60-х роках добова періодичність кількості клітин, що діляться в оновлюваних тканинах.

В даний час відомий ряд речовин, які спонукають клітини до поділу, наприклад фітогемагглютинін,деякі гормони, а також комплекс речовин, що виділяються у разі пошкодження тканин. Відкриті також і тканеспецифічні інгібіториклітинного поділу - кейлони.Їхня дія полягає в придушенні чи уповільненні швидкості поділу клітин у тих тканинах, які їх виробляють. Наприклад, епідермальні кейлони діють лише епідерміс. Будучи тканинними, кейлони позбавлені видової специфічності. Так, епідермальний кейлон тріски діє і на епідерміс ссавця.

За останні роки встановлено, що багато структур зародка утворюються клітинами, що походять від невеликої кількості або навіть однієї клітини. Сукупність клітин, що є нащадками однієї родоначальної клітини, називають клоном.Показано, наприклад, великі за обсягом ділянки центральної нервової системи формуються з певних клітин раннього зародка. Поки не ясно, в який саме термін відбувається відбір родоначальних клітин,який механізм цього відбору. Важливим наслідком такої селекції є те, що багатьом клітинам раннього зародка не судилося брати участь у подальшому розвитку. У дослідах на мишах показано, що організм розвивається всього із трьох клітин внутрішньої клітинної маси на стадії, коли бластоциста складається з 64 клітин, а сама внутрішня клітинна маса містить приблизно 15 клітин. Клональні клітини можуть бути причиною мозаїцизму, коли великі групи клітин відрізняються за набором хромосом або алельного складу.

Очевидно, кількість циклів клітинних поділів під час онтогенезу генетично зумовлено. Разом з тим відома мутація, що змінює розміри організму за рахунок додаткового клітинного поділу. Це мутація gt (giant), описана у Drosophila melanogaster.Вона успадковується за рецесивним зчепленим із підлогою типу. У мутантів gt розвиток відбувається нормально протягом усього ембріонального періоду. Однак у той момент, коли нормальні особини заляльковуються і починають метаморфоз, особини gt продовжують залишатися в личинковому стані ще додатково 2-5 діб. За цей час у них відбувається одне, а можливо, і два додаткові поділки в імагінальних дисках, від кількості клітин яких залежить розмір майбутньої дорослої особини. Потім мутанти утворюють лялечку вдвічі більшу за звичайну. Після метаморфозу кілька подовженої за часом стадії лялечки світ з'являється морфологічно нормальна доросла особина подвоєного розміру.

У мишей описаний ряд мутацій, що зумовлюють зниження проліферативної активності і фенотипічні ефекти, що за цим слідують. До них відносять, наприклад, мутацію or (ocular retardation), що зачіпає сітківку ока починаючи з 10-х діб ембріонального розвитку і призводить до мікрофтальмії (зменшення розмірів очних яблук), і мутацію tgia, що стосується центральної нервової системи з 5-6-х після народження і що призводить до відставання зростання та атрофії деяких внутрішніх органів.

Таким чином, розподіл клітин є надзвичайно важливим процесом в онтогенетичному розвитку. Воно протікає з різною інтенсивністю в різний час і в різних місцях, носить клональний характер і схильне до генетичного контролю. Все це характеризує клітинний поділ як найскладнішу функцію цілісного організму, що підпорядковується регулюючим впливам різних рівнях: генетичному, тканинному, онтогенетическом.

Миттєве загоєння ран та блискавичний розвиток ембріонів – ці картини із фантастичних фільмів можуть стати реальністю.

Численні дослідження, які зараз ведуть вчені, вже показали, що ключову роль при ембріональному розвитку та регенерації тканин відіграють біоелектричні сигнали, що генеруються за участю клітинної мембрани. Наприклад, на моделі загоєння рани рогівки було показано, що коливання мембранного потенціалу, які у тканини електричні поля, регулюють міграцію клітин, їх поляризацію і частоту поділів, тобто відновлення пошкодженої тканини. Потенціал клітинної мембрани формується за участю наявних у ній іонних каналів. Іонні струми, як свідчать дослідження, мають значення для поділу (диференціювання) клітин - міобластів, кардіоміоцитів, нейронів. За її розподілі та злитті потенціал мембрани змінюється від -10 до -70 мВ, тобто. мембрана стає більш негативно зарядженою (гіперполяризується). Однак що тут слідство, а що причина: чи електросигнали – наслідок клітинних змін, чи навпаки, досі було неясно.

Група дослідників з Університету Тафтса в Медфорді (Tufts University, Medford, Массачусетс, США) вивчила вплив зміни мембранного потенціалу на здатність клітин ММСК (мультипотентних мезенхімальних стромальних клітин) кісткового мозку людини до поділу. Спочатку вони досліджували, чи зміна мембранного потенціалу клітин залежить від стадії їх поділу. Щоб запустити поділ клітин, автори дослідження впливали на них хімічно, за допомогою двох речовин (дексаметазону та індометацину), а потім відстежували зміну яскравості забарвлення флуоресцентного барвника, що реагує на величину мембранного потенціалу (деполяризацію клітини). З'ясувалося, що флуоресценція з диференціювання клітини зменшується, тобто. потенціал знижується та відбувається гіперполяризація клітинної мембрани. Відбувається це поступово – протягом другого, третього тижня і досягає максимуму до четвертого тижня диференціювання клітин.

Далі дослідники перевірили, як впливатиме на поділ клітин штучне зменшення гіперполяризації мембрани клітини. Деполяризацію клітинної мембрани вони викликали, підвищивши концентрацію іонів калію серед культивування клітин. Результат такого впливу оцінювали за появою маркерів - характерних генів, що виникають при диференціювання клітин, що досліджуються. Також клітинні колонії забарвлювали специфічним для певного виду клітин барвником. Виявилося, що деполяризація клітинної мембрани пригнічує розподіл клітин, причому оборотно. При поверненні до стандартних умов стовбурові клітини кісткового мозку відновлювали свою здатність до поділу через три тижні. Мембранний потенціал при цьому повертався до початкового рівня.

Тоді дослідники вирішили провести зворотний експеримент – збільшити гіперполяризацію клітинної мембрани. Для цього клітини піддали впливу відповідних речовин (пінацидилу та діазоксиду). Через сім діб оцінка ефективності диференціювання клітин показала, що експресія генів-маркерів підвищується у 2-4 рази! Причому підвищення концентрації речовин-поляризаторів збільшувалася і експресія маркерних генів.

Таким чином, групі з Університету Тафтса в Медфорді вдалося довести, що зміна мембранного потенціалу у бік гіперполяризації передує диференціювання клітин, і що за його допомогою можна збільшувати ефективність диференціювання ММСК під дією відповідних речовин.

Наразі дослідники займаються вивченням механізму впливу мембранного потенціалу на диференціювання клітин. Вони впевнені, що в майбутньому контроль потенціалу мембрани буде широко використовуватися для стимулювання диференціювання різних типів стовбурових клітин у потрібному напрямку.