Пролиферативный режим и дифференцировка клеток в гистогенезах

1. ТЕМА 2 ПРОЛИФЕРАТИВНЫЙ РЕЖИМ И ДИФФЕРЕНЦИРОВКА КЛЕТОК В ГИСТОГЕНЕЗАХ

2.

1. Изменение параметров пролиферации в
онтогенезе
• В онтогенезе происходит закономерное
изменение (главным образом, снижение) темпов
клеточного размножения (= темпов пролиферации).
• Существуют 3 способа (причины) снижения темпов
пролиферации:
1. Изменение параметров цикла (удлинение цикла,
увеличение Т). Результат – замедление делений клеток.
2. Временный выход в состояние покоя G0. Результат –
снижение пролиферативного пула (% циклирующих клеток).
3. Выход части клеток из цикла в дифференцировку, как правило,
необратимый. Результат – снижение пролиферативного пула.
• Т.о., по мере индивидуального развития:
- доля делящихся клеток (пролиферативный пул) уменьшается;
- продолжительность митотических циклов увеличивается.
При старении темп размножения клеток снижается во всех тканях.
• Проследим эти важные закономерности в онтогенезе.

3.

1.1. Ранний эмбриогенез
• Первые циклы зиготы (дробление)
В цитоплазме яйца (ооплазме) есть все предшественники и регуляторы
для репликации ДНК. Запас нуклеотидов в 1000-100000 раз больше,
чем в соматической клетке. Но ядро яйцеклетки блокировано на
границе G1/S. Не хватает активирующего фактора (контакт со
спермием, кортикальная реакция).
После оплодотворения в мужском и женском пронуклеусах синхронно
начинается синтез ДНК, который длится обычно до 20 мин (редко до
1-2 ч).
После короткого G2-периода или сразу после S оба пронуклеуса
синхронно вступают в митоз (NB: должен быть цитоплазматический
стимул на митоз!).

4.

• Циклы первых делений дробления:
Объект
Т (мин)
tG1
tS
tG2
tM
Насекомое Leptinotarsa
120
0
20
85
15
Морской ёж Strongylocentrotus
110
0
55
0
55
Моллюск Lymnaea
83
0
22
21
40
Рыба Misgurnus
30
0
5
10
15
Рыба Salmo
365
0
120
100
145
Лягушка Xenopus
30
0
15
0
15
• Видны общие закономерности первых циклов:
- Первые циклы наиболее короткие.
- Отсутствует G1-период (универсально!); у млекопитающих до 32 бл-меров.
- Минимально короткий S-период (до 5-7 мин; мухи, некоторые рыбы и др.).
Высокий пул нуклеотидов и полная синхронизация репликонов.
- Высокая синхронность циклов дробления – активность цитоплазматических
активаторов SPF и MPF. Синхронность продолжается даже после
разобщения бластомеров.
• NB: На стадии бластулы сформирован фонд эмбриональных стволовых
клеток (embryonic stem cells) – тотипотентных, способных к любым
дифференцировкам.

5.

• Гаструляция
К стадии 32-64 бластомеров (± видоспецифично) появляется
асинхронность делений бластомеров. Запас внутриклеточных
стимуляторов митоза снижается. Синтез новых регуляторов МЦ
начинает контролироваться экзогенно (индукция от соседних клеток).
Возобновляется морфогенетическая функция ядер бластомеров –
транскрипционная активность, направленная на синтез структурных
белков и белков-регуляторов цикла и дифференцировки. До сих пор в
ядре происходила только репликация ДНК.
В это время и появляется G1-период – перерыв между М и S.

6.

Образование G1-периода в раннем эмбриогенезе морского ежа (Андреева и др., 1990)
До 10-го цикла G1 и G2 отсутствуют,
скорость S между митозами постоянная.
Начиная с 11-го цикла, в первой половине
интерфазы скорость репликации ДНК
постепенно снижается в результате
конкуренции ауто- и гетеросинтезов.
На основе этого и формируется G1-период.
Типичная структура цикла (G1-S-G2-M)
складывается к 14-му делению дробления,
хотя G2 еще слабо выражен.
Т.о., G1 и G2 формируются постепенно, по
мере включения гетеросинтезов – синтезов
РНК и белков для дифференцировки клеток и
эмбриональных зачатков.

7.

• Гаструла
Сформированы нормальные циклы, хорошо
выражен G1-период.
У мыши: Т = 6-7 ч, tS = 4 ч;
пролиферативный пул (Р) = 95-100 %;
интенсивное размножение и миграция клеток.
• Нейрула и ранний органогенез
Дальнейшая пролиферация и перемещение клеточных масс.
Нормальные циклы, удлинение G1 и G2 в результате усиления
гетеросинтезов.
В зачатках органов наблюдается устойчивое снижение Р – до 90-80 %.
Т.е. часть клеток выходит в дифференцировку или в апоптоз. Это –
начало гистогенезов.
• NB: С началом эмбриональных гисто- и органогенезов уменьшаются
потенции эмбриональных стволовых клеток – переход от
титипотентности к плюрипотентности.

8.

1.2. Становление дефинитивных циклов в тканевых камбиях
Колоссальная работа 60-70-х годов по выявлению кинетики клеточных
популяций в онтогенезах млекопитающих, других животных, растений,
а также в клеточных культурах (3Н-тимидиновая авторадиография).
В России – А.А. Заварзин (мл.), П.П. Румянцев, А.К. Дондуа, О.И.
Епифанова и др.
Установлено, что в ходе эмбриональных и постэмбриональных гистогенезов
происходят изменения не только пролиферативного пула, но и
параметров митотических циклов, времени жизни клеток.
Это связано с переходом от эмбриональных к «взрослым», тканевым
стволовым клеткам (edalt stem cells) – мульти-, олиго- и унипотентным.
В циклах наиболее стабильные периоды G2 и М, менее стабилен S, самый
изменчивый G1-период.

9.

• G1-период
Обычно G1-период постепенно удлиняется по мере развития зачатков и
дифференциации клеток – до 6-12 ч и более. Происходят задержки до
нескольких суток - это уход в G0-период.
В разных зачатках удлинение G1-периода происходит
в разных пропорциях относительно других периодов.
В популяции разновозрастных клеток имеем
гетерогенность по G1-периоду – сочетание циклов с
короткими и длинными G1 (см. стадии 2 и 3 в зачатке
спинного мозга).
1, 2, 3, 4 – шаги к выходу их цикла в дифференцировку.

10.

• S-период – более стабильный, но в развитии зачатков закономерно
изменяется. Его длительность определяется степенью синхронности
репликации отдельных репликонов: при полной синхронности S = 5-7 мин
(период дробления зиготы), при десинхронизации – несколько часов.
У млекопитающих средний S = 6-9 ч, в отдельных случаях 3-4 или 12 ч и более.
Асинхронность репликации и удлинение S возникают с началом
дифференцировки клеток в популяции, при включении гетеросинтезов,
совмещенных с аутосинтезами.
Сочетание ауто- и гетеросинтезов и удлинение S характерно для тканей без
оформленного камбий, где нет сильной конкуренции между этими
синтезами (печень, различные железы, миокард в эмбриогенезе).

11.

• Индукция дифференцировки – многофакторное явление. Велика роль
гормонов из эндокринных желез и местных источников (например,
влияние соединительной ткани на развитие эпителиев).
На определенных этапах гистогенеза S-период может временно
сокращаться. Например:
- В эпителии молочной железы при беременности S сокращается с 20 до 8
ч (действие гормона пролактина);
- В эпителии спинки языка (эмбрион мыши) между 16 и 18 днями S
сокращается с 7 до 5 ч, потом восстанавливается. Причина: на 17-й
день начинается кератинизация эпителия, формируются сосочки и
усиливается действие индукторов соединительной ткани.
Влияют также внешние факторы, например, температура среды.
У новорожденных крысят заметно снижается температура тела, так как
еще отсутствует терморегуляция. Поэтому в кожном эпителии, железах,
нефронах скорость синтеза ДНК замедляется – S-период удлиняется с
7-8 до 10 ч.

12.

• G2-период
Наиболее стабильный период (3-4 ч), так как все готово к митозу, идут
лишь стандартные процессы подготовки профазы. Но и здесь могут
быть задержки – могут формироваться G2-популяции клеток, готовые
быстро вступить в митоз (например, в печени).
Причина задержки G2 – блокирование контрольной точки (check point) в
регуляторном механизме цикла.

13.

1.3. Соотношение пролиферации и дифференцировки клеток
Аутосинтезы (синтез ДНК, РНК и белков для митоза) и гетеросинтезы
(РНК, белки и др. для дифференцировки и работы клетки)
взаимоконкурентны, так как требуют одной и той же матрицы,
рибосом, АТФ, предшественников.
Тем не менее, абсолютного антагонизма между ними нет, возможно их
совмещение. Дифференцировка клеток детерминируется и даже
начинает реально осуществляться в ходе митотических циклов.
При развитии печени, сердца, крови первые признаки специализации
клеток проявляются в ходе митотических циклов (появляются тканевые
белки, цитоскелетные структуры, органеллы). При этом удлиняется Sпериод (см. выше). То же происходит в дефинитивных тканях при их
физиологической и репаративной регенерации. Более того,
подавление митозов вызывает и остановку дифференцировки клеток.
Т.о., старое представление об антагонизме и несовместимости
пролиферации и работы клеток неверно. На определенных этапах
развития совмещение возможно и даже необходимо.
Тканеспецифичная экспрессия генов начинается уже в делящихся
клетках.

14.

• Однако терминальная дифференцировка, как правило, приводит к
прекращению делений – клетки выходят из цикла. (Искусственная
стимуляция синтеза тканевого белка в делящихся клетках (например,
гемоглобина в клетках эритролейкемии), т.е. ускорение дифференцировки,
приводит к досрочному прекращению делений – через 2-5 циклов.)
• Выход клетки из митотического цикла
происходит в точке r (точка рестрикции,
check point), чувствительной к
молекулярным регуляторам репродукции
и дифференцировки. Рецепция сигнала
(фиксация гормона на плазмалемме)
возможна в любом периоде цикла (G1, S,
G2), но реакция на него – выход из цикла –
только в r. К этому времени собираются и
активируются сигнальные пути клетки –
рецепторный комплекс и цепь вторичных
(цитоплазматических) месенджеров.
Обычно выход происходит через несколько циклов после получения сигнала,
в разных тканях по-разному: от 1-2 до 10 и более циклов. Это зависит не
столько от силы сигнала, сколько от возраста клеток – их удаления от
«ствола» и приобретения компетентности к дифференцировке.

15.

Схема развития клеточных дифферонов кишечного эпителия млекопитающих
3. Терминально
дифференцированные клетки.
Гетеросинтезы, работа, смерть.
2. Прогениторные коммитированные
клетки (клетки-предшественницы).
Приобретение унипотентности.
Совмещение репродукции и
дифференцировки клеток
(ауто- и гетеросинтезы).
Формирование клеточных клонов.
(= Полустволовые клетки)
1. Мульти(Олиго)потентные стволовые клетки.
«Глухие» аутосинтетические циклы,
преобладает G0-период.

16.

• Выделяют следующие клеточные сообщества:
1) Дифферон – совокупность клеток разных стадий и направлений
развития, происходящих из 1 тканевой стволовой клетки.
2) Клеточный клон – группа однородных клеток определенной
специализации, развивающихся из прогениторной унипотентной
клетки. Клон – часть дифферона.
3) Клеточная субпопуляция – совокупность однотипных клеток (клонов),
происходящих из множества дифферонов (= морфофункциональный
клеточный тип).
4) Клеточная популяция – сумма всех клеток однотипных дифферонов,
т.е. происходящих из определенного типа тканевых стволовых клеток.
Могут быть гомогенные (эпидермис) и гетерогенные (кишечный
эпителий, кровь) клеточные популяции.
5) Ткань – совокупность клеток и межклеточного вещества,
происходящих из нескольких, иногда одного (эпидермис), типов СК и
объединенных выполнением общей функции.
• 1 – 4 – категории гистогенетические, 5 – морфофункциональная.

17.

2. Редукция митоза в клеточном цикле.
Многоядерность, полиплоидия и политения
• Как было видно, при совмещенных ауто- и гетеросинтезах (т.е. при
одновременном протекании процессов пролиферации и
дифференцировки) изменяются параметры клеточного цикла: удлинение
G1 и S, задержки G0 и G2.
• С дифференцировкой клеток связаны и более радикальные изменения
цикла - исключение митоза или его отдельных стадий (редукция митоза,
митотический блок) с возможностью перехода в следующий цикл.
• Т.о., происходят неполные циклы (эндоциклы) – умножение числа
геномов без разделения клеточного тела = эндорепродукция клеток в
той или иной форме.
• Результат – многоядерность, полиплоидия или политения – зависит от
стадии митоза, на которой происходит блокирование, и от числа
пройденных эндоциклов. Эндорепродукция сопровождается ростом
клеточного тела.

18.

2.1. Механизмы эндорепродукции (в порядке углубления аномалий митоза)
(1) Ацитокинетический митоз (блок цитокинеза) в результате неполной
подготовки микрофиламентов и (или) дисфункции аппарата Гольджи.
• Результат – двуядерная клетка (2n + 2n), при повторениях – многоядерная
клетка.
Это обычная картина во многих тканях у животных и растений, когда
дифференцировка накладывается на цикл (у млекопитающих – печень,
сердце, гладкие мышцы, железы, фибробласты, макрофаги и др.).
За двуядерностью может
последовать нормальный
митоз с образованием двух
4n-клеток, снова двуядерность и т. д. Типично для
гепатоцитов мыши.
4с
2с
4с
По: Ченцов (2004)
2с
4с
2с
4с
8с
4с

19.

(2) Мета-, ана-фазный блок (К-митоз, полиплоидизирующий митоз)
в результате нарушения работы, недостаточной подготовки или
полного отсутствия веретена, нерасхождения центриолей
(униполярный, триполярный митоз).
• Результат – 1-ядерная полиплоидная (4n-, 8n-, 16n) клетка,
гантелевидные или многолопастные ядра, 2-3 ядерная клетка с
неравными ядрами (имитация амитоза).
Аномальный (верхний ряд) и нормальный
(нижний ряд) митоз в белковой железе улитки.
Трехполюсный митоз в культуре клеток HeLa –
результат нарушения дупликации и расхождения
центриолей.

20.

NB: Сочетания
ацитокинезов и метаанафазных блоков
дают полиморфные
гетероплоидные
клеточные популяции.
Типичный пример –
культура клеток HeLa.
Многоядерная клетка HeLa.
Фазовый контраст; ядрышки
окрашены AgNO3.
Мосты, полиплоидные митозы, многоядерность
в культуре клеток HeLa.

21.

(3) Эндомитоз – митоз
внутри ядра, без
разрушения ядерной
оболочки и ядрышка,
без формирования
веретена. Хромосомы
в интерфазе
реплицируются, потом
спирализуются
(эндопрофаза),
свободно и
беспорядочно лежат в
ядре (эндометафаза),
расщепляются
(эндоанафаза) и
деспирализуются
(эндотелофаза).
Циклы повторяются
многократно.

22.

Ультраструктура
эндомитоза в
клетках белковой
железы улитки:
отсутствие веретена,
сохранение ядерной
оболочки,
митотическая
конденсация
хромосом.
Но: сохраняется
слабая транскрипция
(до 3% от
интерфазного
максимума).

23.

NB: Эндомитотическая (соматическая) полиплоидия ведет к клеточному
гигантизму. Размеры клеток, масса и синтез РНК, белков, гликогена,
активность ферментов и другие свойства возрастают примерно
пропорционально уровню плоидности ядра.
Клетки HeLa: 2n, 4n, 8n, 16n.
Церебральный (А) и педальный (В)
ганглии улитки. Гигантские нейроны.

24.

(4) Политения – возникает в результате
многократной эндоредупликации хромонем
без их разделения. Митоза вообще нет.
Образуются гигантские политенные
хромосомы (до 512-1024с и более).
Их число остается 2n (или n при конъюгации
гомологов). Хромосомы активные, так как
все происходит в интерфазе. Транскрипция
выявляется в пуфах (кольцах Бальбиани).
4 политенные хромосомы (1n)
дрозофилы. В кружке 2n митоз.
Ченцов (2004)
Эндоредупликация хромонем.
Хромомеры складываются в диски.
Активные хромомеры дают
петельные домены, получается пуф.
Преобразование диска в пуф под действием
гормона линьки экдизона у дрозофилы.

25.

Т.о., соматическая полиплоидия и политения возникают в результате той
или иной аномалии митоза, его преждевременного завершения или
полного выпадения с досрочным переходом в новую интерфазу.
По степени редукции митоза,
способы эндорепродукции и
последующие состояния клетки
подразделяются на:
1 - ацитокинетический митоз
(=многоядерность);
2 – мета-анафазный блок
(=полиплоидия, многоядерность);
3 – эндомитоз (=полиплоидия);
4 – эндоредупликация хромонем
(=политения).
Размер и биопродукция клетки
пропорционально возрастают.
Это возможно потому, что клеточный цикл включает три относительно
самостоятельных цикла: хромосомный, центросомный и
цитокинетический. Возможно их рассогласование и разобщение.

26.

2.2. Распространение соматической полиплоидии и политении в
эволюции
Это важно знать для выяснения причин и биологического значения
соматической полиплоидии, ее роли в эволюции морфогенезов.
Соматическая полиплоидия (не путать с генеративной, организменной
полиплоидией!) и политения возникали как вариации механизмов роста и
гистогенеза в разных группах.
• Бактерии.
Бактерии (включая архей) – гаплоидные одноклеточные прокариоты (одна
хромосома). Но циклы репликации ДНК могут опережать циклы деления
клетки (растяжения мембраны). Новая репликация может начинаться,
когда еще не завершилась предыдущая. В итоге клетки содержат более 1с
ДНК (до 5-10 крат). Это полиплоидия.
• Протисты.
Ядра радиолярий – полиплоидные (тысячи n).
Опалина и др. – многоядерные клетки (десятки, сотни ядер; митоз без
цитокинеза).
Инфузории – гигантский полиплоидный макронуклеус (до 100 тыс. с ДНК;
сочетание полиплоидии, политении и частичной редукции хроматина).
Водоросли – широко распространена многоядерность, симпластичные
талломы.

27.

• Растения.
По мохообразным, папоротникам и голосеменным информации нет.
У покрытосеменных в большинстве тканей (эпидермис, проводящие,
паренхима и др.) преобладают диплоидные клетки, но есть также 2ядерные и полиплоидные (2n+2n, 3n, 4n, 6n, 8n), образующиеся
посредством неполных митозов. Бывает также эндоредупликация
(политения). Гигантская политения, причем облигатная (во всех
клетках), типична для некоторых тканей цветка и эндосперма
эмбрионов (тысячи гаплоидных значений ДНК).
• Животные.
• Кишечнополостные. У гидр и медуз не известно (по-видимому, нет).
У полиподиума (паразит икринок осетровых рыб) трофическая клетка
многократно полиплоидизируется (механизм неясен).

28.

• Гребневики, плоские черви и другие «низшие» – информации нет.
• Нематоды. Характерна эутелия. У свободноживущих в основном клетки
диплоидные; есть отдельные случаи 4-8с-клеток (факультативно).
• У паразитов (аскарида) гигантская полиплоидия в пищеводных железах
(всего 3 клетки по 130-260 тыс. с), в эпителии матки (двуядерность, ядра
до 1024с) – облигатно! Даже в кишечном эпителии на фоне общей
диплоидности появляются 4-8-16-32с-клетки в результате аномалий
митоза (блок цитокинеза, анафазы или метафазы).
Рис. Пищевода, матки, кишки аскариды

29.

• Ракообразные – низшие и высшие. В разных железах, нейронах – до
128-264с и более. Механизмы не известны.
• Насекомые. Клопы, бабочки и др. Различные железы, трофоциты
яичников, жировое тело, эпидермис и др. Митотические блоки (до 816n), переходящие в эндомитоз (до 64-128n и даже до 1024n).
• Рекорд – слюнные железы гусеницы шелкопряда – гигантские
разветвленные ядра, содержащие до 1-2 млн гаплоидных значений ДНК.
• Двукрылые (мухи, в т.ч. дрозофила, хирономус и др.). Типична политения
разной степени в разных тканях личинок – 1024-2048с.
• NB: эндомитоз и политения в этих случаях облигатны,
полиплоидизируются все клетки данного типа (вся субпопуляция).
рис.

30.

• Моллюски.
Двустворчатые – полиплоидия практически отсутствует.
Переднежаберные гастроподы – факультативно и в малой степени (4-8-16с).
Легочные и заднежаберные гастроподы – облигатно, в нейронах сотни тыс. с.

31.

У легочных моллюсков полиплоидия – норма гистогенезов многих органов.
Механизмы – неполный полиплоидизирующий митоз и эндомитоз.
Улитка Succinea
lauta:
А - эпидермальные
железы;
В – слюнная
железа;
С – пищеварительная железа;
D – кишечный
эпителий;
E – белковая
железа;
F – предстательная
железа;
G – нервный
ганглий.

32.

Типичные гистограммы распределения клеточных ядер по массе ДНК при
развитии соматической полиплоидии в разных тканях (улитка Succinea lauta).

33.

• Млекопитающие.
В большинстве нормальных тканей и опухолей диплоидный гистогенез
дает факультативно 1-5% тетра-октаплоидных клеток, в т.ч.
двуядерных (нарушения митоза).
Печень, сердце – до 50-80% полиплоидных (в т.ч. двуядерных) клеток: 48-16-32n.
Мегакариоциты красного костного мозга – облигатная полиплоидия до 816-32-64n (видоспецифично), но сохраняется 2n камбий (стволовые
клетки).
Гигантские клетки трофобласта – нарушения митоза, эндомитоз,
политения до 2048-4096с!
Аналогии с полиподиумом, нематодами, моллюсками, насекомыми и др.

34.

• 2.3. Причины возникновения полиплоидных клеток в гистогенезах
1) Неполноценная подготовка клеток к митозу из-за конкуренции ауто- и
гетеросинтезов.
2) Перестройки цитоскелета, связанные с дифференцировкой клеток,
препятствующие нормальному митозу.
3) Программированное (?) выключение генов MPF, управляющих митозом.
Возможно, в разных случаях выступают разные причины.
• 2.4. Значение и биологический смысл соматической полиплоидии
Эмпирических исследований значения соматической полиплоидии
(эндополиплоидии) в гистогенезах нет. Учитывая распространенность
этого явления, можно лишь предполагать те или иные преимущества
(тот или иной смысл) полиплоидных гистогенезов по сравнению с
обычными диплоидными.
В интересах универсального толкования феномена полиплоидная клетка
рассматривается нами как эндоклон, а эволюционное преобразование
диплоидно-клеточных клонов в полиплоидные эндоклоны как
олигомеризация на клеточно-тканевом уровне (Анисимов, 1999,
Anisimov, 2005).

35.

• В соответствии с теорией олигомеризации (Догель, 1956)
нами рассматриваются свойства олигомерных систем, они
же – особенности полиплоидной стратегии роста:
- интенсификация функций,
- функциональная экономичность,
- упрощение внутрисистемной и надсистемной регуляций,
- повышение надежности геномов,
- ускорение развития.
С этими универсальными свойствами соматическая
полиплоидия выступает как форма онтогенетических
корреляций и филогенетических координаций
(в понимании И.И. Шмальгаузена, …..).

36.

• Таким образом, эндополиплоидия представляет собой
морфогенетический фактор, и ее значение надо
рассматривать в двух аспектах:
1) Умеренная (обычно до 4-8n) факультативная
полиплоидия возникает у отдельных видов
филогенетической группы как алломорфные адаптации,
связанные с некоторой интенсификацией клеточных
функций.
2) Облигатная полиплоидия высоких степеней (сотни и
тысячи n), характерная для больших групп, может нести
все выше обозначенные преимущества олигомерных
систем и выступает в качестве закономерных, более или
менее ароморфных изменений онтогенеза.

37.

3. Пролиферативный режим дефинитивных
тканей
Давняя проблема – классифицировать ткани взрослого организма по их
митотической (=пролиферативной) активности.
Биццоцерро, начало 20-го века: неизменные, стабильные и лабильные
ткани.
Леблон (Leblond,1964): стабильные, растущие, обновляющиеся.
Камерон (Cameron, 1970): статические, обновляющиеся (частично,
медленно и быстро обновляющиеся), неопластические
(=трансформированные, злокачественные, раковые).
Сегодня: акцент на наличие СК и их потенции к дифференцировке, но
важны также темпы пролиферации.

38.

• Критерии оценки пролиферативных свойств клеточных популяций.
Способность к делению клеток вообще (наличие или отсутствие тканевых
СК) в ткани, органе.
Скорость и полнота обновления клеточной популяции.
• Методы оценки.
1. Определение динамики численности клеток в популяции: по
приращению суммарной ДНК в органе, прямым счетом числа клеток в
проточнике или на микропрепарате. Зная возрастную динамику числа
клеток на каком-то периоде роста органа, можно рассчитать суточный
прирост числа клеток, ΔN.
2. Определение скорости клеточных
делений: 3Н-тимидин, колхицин,
БДУ и др. маркеры. Можно
рассчитать суточное число
митозов, ΔМ.
3. Определение массы ДНК в ядрах
на возможную полиплоидию и др.
(Leblond,1964)

39.

3.1. Быстро обновляющиеся клеточные популяции
Эпителий пищеварительного тракта, легкие, тимус и др. у взрослых, но еще
медленно растущих крыс (240 г, 3 мес.) (Leblond, 1964):
Показатель
Кишка
Легкое
Тимус
Суточный прирост числа клеток ΔN
1%
0,5 %
0%
Суточное число митозов ΔМ
68 %
5%
22 %
Митозов происходит гораздо больше, чем необходимо для прироста числа клеток.
Клеток образуется много, но сохраняется лишь малая часть; в тимусе прироста нет.
Следовательно, большинство или даже все новообразующиеся клетки куда-то
уходят – дегенерируют, мигрируют. Установлено, что уходят (отмирают,
мигрируют) зрелые клетки, а молодые их замещают. (В отдельных случаях
происходит апоптоз – гибель избыточных, даже молодых, клеток).
• Т.о., происходит обновление клеток (= физиологическая регенерация).
Можно различать:
- быстро обновляющиеся ткани (менее 30 сут),
- медленно обновляющиеся ткани (более 30 сут, но полностью),
- частично обновляющиеся ткани (не полное обновление).
• Характерный признак обновляющихся популяций – наличие обособленного
камбия, системы стволовых клеток. У беспозвоночных обычен диффузный
камбий и возможна пролиферация дедифференцирующихся клеток.

40.

Примеры быстро обновляющихся тканей
• Кишечный эпителий млекопитающих.
Однослойный эпителий, организован в системе «криптаворсинка». Размножение клеток происходит в криптах –
кольцо СК на дне крипты. Клетки (всасывающие, бокаловидные, энтерохромаффинные) мигрируют на ворсинки,
где сползают еще живыми. Клетки Панета остаются на
дне крипты. СК – мульти(олиго)потентные.
Скорость обновления очень высокая – 2-3 сут.
По расчетам:
У 3-месячных крыс в пищеварительном тракте имеется 4 млрд клеток.
Только в тонкой кишке ежедневно отмирает 1.4 млрд клеток, а в расчете на
весь ПВ тракт – более 2 млрд. Без пролиферации всего запаса клеток
хватило бы на 2 дня! (Это и происходит при острой лучевой болезни). Но
идет пролиферация СК со скоростью, равной скорости слущивания клеток.
Т.о., клеточная популяция находится в равновесном состоянии.
• Аналогичная организация кишечного эпителия характерна для птиц,
рыб и многих беспозвоночных (камбиальные гнезда у насекомых,
время обновления – 2 сут).
• Типичный пример гистологических параллелизмов (акад.Заварзин).

41.

• Эпидермис млекопитающих.
Многослойный ороговевающий эпителий.
СК унипотентные, залегают в базальном
слое, мозаично. Митозы продолжаются в
шиповатом слое, терминальная дифференцировка клеток происходит в зернистом
слое, ороговение и отмирание –
в блестящем и роговом.
Образуются колончатые диффероны.
Полное обновление эпидермиса за 7-10 сут.
• (Популяция меланобластов-меланоцитов (М) в базальном слое –
самоподдерживающаяся, происходит из нервного гребня эмбриона).
• Альвеолярный эпителий легких.
Однослойный плоский эпителий.
Клетки мигрируют пластом из альвеол в альвеолярные ходы, далее –
в бронхи и трахею. Сбрасываются в пищевод.
Время обновления – несколько суток.

42.

• Кровь и лимфа.
Диффузная «жидкая» ткань. Система СК и бластов – в красном костном
мозге. Лимфобласты пролиферируют также в периферических органах
(тимус, селезенка, лимфоузлы).
СК – плюрипотентные, мезенхимного происхождения.
Время обновления лейкоцитов – 10-15 сут, эритроцитов – 100-120 сут.
• По расчетам: у человека всего 20 млрд эритроцитов. В каждую секунду
в кровь поступает более 2 тысяч клеток и столько же гибнет.
___________ «» __________
NB: Интенсивное обновление клеток имеет большой биологический смысл.
В эпидермисе – рост барьерной ткани навстречу внешней среде,
упреждение износа, загрязнения, инфицирования. При травме - быстрое
автоматическое заживление.
В кишечнике, легких – то же, с учетом химически и биологически
агрессивной среды.
В крови и лимфе – возможность быстрого иммунного ответа, рост на
опережение с инфекционными и инвазивными агентами.
Организм растет навстречу внешней среде! Это гарантия защиты от
вредных факторов.

43.

• 3.2. Медленно и частично обновляющиеся клеточные популяции
Паренхима печени, почек, надпочечника, поджелудочной, щитовидной и др.
желез, мышцы, соединительные ткани.
Как и в быстро обновляющихся тканях,
количество ДНК в органе экспоненциально
увеличивается, т.е. растет и число клеток
(хотя часто возникают 4-8n-клетки).
Митозы есть, но их мало, нет четкого камбия.
СК разбросаны поодиночке, диффузно.
Возможна дедифференцировка и деление
зрелых клеток.
• В надпочечнике 3-месячных крыс: ΔN = 0,23 %, ΔМ = 0,22 %.
Т.е. количество митозов таково, что обеспечивает лишь прирост числа
клеток, происходит рост органа без обновления?
Леблон определил эти слабо пролиферирующие ткани как растущие
клеточные популяции. Клетки после деления долго остаются в ткани,
никуда не мигрируют и не погибают. Жизнь клеток неограниченно долгая.
Позднее выяснилось, что у взрослых крыс, при стабильном числе клеток (в
отсутствие прироста) митозы все же идут. Таким образом, это слабо
обновляющиеся клеточные популяции или частично обновляющиеся.

44.

• Печень – полное обновление за несколько месяцев.
СК – «овальные клетки» возле артериол
в междольковых триадах.
Но при повреждениях (токсикоз,
гепатэктомия) возможно резкое усиление
пролиферации (репаративная регенерация
печени) с активизацией СК.
Частая регенерация – путь к
злокачественной трансформации клеток.
• Скелетная мускулатура.
Ткань образована гигантскими многоядерными симпластами –
поперечнополосатыми мышечными волокнами. Однако сохраняется
фонд СК – «клетки-сателлиты»,
тесно прилежащие к волокнам.
СК обеспечивают полную
регенерацию мышцы при
травме, после хирургических
операций.

45.

• Соединительная ткань.
• Рыхлая и плотная соединительные ткани
сохраняют СК-перициты – в контакте с
капиллярами. Дают фибробласты и, далее,
фиброциты.
• Хрящевая ткань – тот же источник в
надхрящнице – хондробласты и хондроциты.
• Костная ткань – аналогично в надкостнице:
остеобласты , остеоциты.
• Гладкая мускулатура и т.п. производные мезенхимы – медленно или
частично обновляемые ткани. Все они хорошо регенерируют.
• Эпителий мочевого пузыря.
СК хорошо обособлены (базальные клетки), но деления
очень редкие. Частично обновляемая ткань.
NB: у беспозвоночных часто выражена сезонная динамика
пролиферативной активности, всплески обновления весной после зимней
спячки или осенью после нереста. Ритмы поддерживаются гормонами.
Большие регенераторные потенции на основе стволовых и
дедифференцирующихся клеток.

46.

• 3.3. Стабильные клеточные популяции
Нейроны ЦНС, кардиомиоциты
млекопитающих, эутелические органы
беспозвоночных.
Леблоном (1964) в мозжечке крысы
выявлено постоянство количества ДНК от
рождения до 3 мес. Тимидин или БДУ не
включаются. Митозы даже с колхицином
не выявляются. Размножение клеток
заканчивается в эмбриональном развитии.
Но орган растет за счет роста самих клеток.
Эутелия у нематод, коловраток, некоторых насекомых означает строгую
стабилизацию числа клеток в каждом органе (результат
детерминативного пути развития).
Т.о., постнатальный рост органов, образованных стабильными
клеточными популяциями, идет без пролиферации – только за счет
увеличения размеров клеток. Резерв СК не сохраняется! Часто рост
дополняется эндорепродукцией: многоядерность (кардиомиоциты),
полиплоидия (многие нейроны), политения (у мух) и др.
Обновление структур – внутриклеточное (протеасомы, лизосомы).

47.

NB: абсолютного запрета на пролиферацию для нейронов нет!
• Многие чувствительные нейроны у млекопитающих, членистоногих,
моллюсков увеличивают свою численность с ростом животных и
способны к регенерации.
• У низшие брюхоногих моллюсков регенерируют даже целые ганглии
после их удаления (СК в коже). У высших улиток эта способность
утрачивается.
• Обнаружены СК в мозге млекопитающих , в подкорковых областях.
Сохраняют способность к делению даже после смерти организма.
• Получены делящиеся нейробласты в культуре.
• «Запрет» на пролиферацию в стабильных тканях обусловлен
особенностями их функционирования. Нейроны ЦНС и
кардиомиоциты образуют протяженные сетевые электропроводящие
системы (возбудимые ткани). Пролиферативное обновление ткани не
совместимо с поддержанием функциональной стабильности таких
сетей, так как митоз выключает клетку из системы межклеточных
контактов. Это нарушало бы электропроводимость сетей и работу
жизненно важных органов (мозга, сердца).

48. 4. Покоящиеся (G0) клетки

4.1. Открытие G0-периода
• Уже в первых работах 1960-х годов показана
большая гетерогенность клеток по G1-периоду –
от нескольких часов до многих суток.
Стало ясно, что клетки выходят из цикла или
задерживаются в G1 на неопределенное время.
Возникло представление о периоде покоя – G0. Куда выход и зачем?
• NB: G1 – «узкое место» цикла, так как в нем, через 3-4 ч после очередного
митоза открывается окно чувствительности клетки к внешним
регуляторам – точка r – restrict point, check point (точка ограничения,
контрольная точка, точка принятия решения и т.п.).
• В r-точке клетка чувствительна к ростовым факторам, ингибиторам,
аминокислотному голоданию, контакту с другими клетками, понижению
температуры и др. факторам.
• Т.о., сформулировано одно из фундаментальных свойств клетки –
отвечать на внешний сигнал в определенной фазе цикла.
• Возможные пути: в новый цикл, в дифференцировку, в апоптоз, в покой.

49.

4.2. Свойства G0-клеток
• Модель G0-клеток – стационарная
фаза роста клеточной культуры при
недостатке сыворотки (ростовых
факторов), пониженной температуре,
контактном торможении (полном
покрытии субстрата).
• При добавлении сыворотки, нормализации температуры, пересеве на
свободный субстрат через некоторое время (= пререпликативный период)
клетки вступают в S-период нового цикла (=индуцированная пролиферация).
• Время пререпликативного периода
обычно = 10-20 ч, но сильно зависит от
длительности предшествующего покоя.
Чем дольше клетки находились в
стационарной (G0) фазе, тем больше
требовалось времени для вхождения в
новый цикл (= тем дольше был
пререпликативный период) и слабее
был пролиферативный ответ (пул, %).
(по: Епифанова и др., 1983)

50.

• Т.о., происходит не просто переход, а постепенное
углубление клеток в состояние покоя.
Установлено, что G0 – качественно новое состояние,
другие белки и процессы.
• - По мере углубления в G0:
- Снижается транскрипция.
- Повышается концентрация цАМФ и, соответственно,
снижается чувствительность клетки к стимуляторам и
к повреждающим факторам.
- Усиливаются катаболитические процессы, специальные синтезы
РНК и белков для поддержания метаболизма покоя. Белок р27.
- Усиливается блокирование ориджин-ДНК на ядерном матриксе.
- Усиливается прикрепление микротрубочек и микрофиламентов
к плазмалемме, а сама клетка распластывается на субстрате.

51.

• 4.3. Выход клеток из G0
При стимуляции G0-клеток, на протяжении пререпликативного периода
происходят структурно-биохимические изменения и приобретение
компетенции к синтезу ДНК – реакции плейотипического
(множественного) ответа:
- Изменение проницаемости
плазмалеммы, перестройка ионного
гомеостаза, снижение концентрации
цАМФ.
- Повышение активности РНК-пол.
- 2-фазный рост синтезов РНК и белка:
первая фаза –плейотипическая реакция
(на старых рибосомах), вторая фаза для прохождения нового цикла
(требуется активация ядрышек и
образование новых рибосом).
- Синтез мембранных липидов и др.
синтезы.
В целом – радикальное изменение
(по: Епифанова и др., 1983)
всего метаболизма.

52.

• 4.4. Биологический смысл состояний покоя
1. Переживание неблагоприятных условий среды.
G0-клетки способны переживать недостаток питательных веществ и
энергии, низкие температуры и др. неблагоприятные факторы.
Особенно типично для бактерий и протистов. Споры и цисты разных
организмов, зимние и летние спячки животных, семена растений,
любой другой анабиоз.
2. Эмбриональная диапауза на стадии бластулы.
В эмбриогенезе многоклеточных животных, на стадии бластулы, когда
впервые появляется G1-период, появляется и первая возможность
перехода в G0.
У млекопитающих она используется для задержки развития
бластоциста и его имплантации в стенку матки (до нескольких
месяцев) при неблагоприятных условиях для беременности, при
перенаселении популяции и других стрессах.
Эмбриональная диапауза воспроизводится in vitro при
культивировании бластоцист на среде без сыворотки крови.

53.

3. Переход клеток в G0-период как
фактор морфогенеза, регулирующий
сбалансированный рост зачатков.
Пример: рост роговицы глаза
согласован с закладкой и ростом век.
Временная остановка пролиферации.
4. G0-резерв дифференцированных клеток.
Например, ооциты млекопитающих – резерв на всю жизнь. Возможно,
такие G0-блокированные зрелые клетки есть в печени и др. органах.
5. G0-резерв стволовых клеток.
Все СК основное время своей жизни находятся в G0-периоде – гарантия
сохранности и защищенности от мутаций.
У животных это первичные половые клетки
(до заселения гонад), гонии, тканевые СК.
У растений – СК меристем (покоящиеся центры в
кончиках корней между чехликом и основной
меристемой, то же на верхушках побега).
Дремлющие почки в тканях луба.