ДЕЛЕНЕ, ДИФЕРЕНЦИРАНЕ И СМЪРТ НА КЛЕТКИТЕ В ОРГАНИЗМА
При едноклетъчните клетката е същевременно и организъм
и винаги действа според своите интереси. Многоклетъчният организъм обаче може
да живее само ако отделните клетки подчинят цялата си съдба на неговите интереси.
В този раздел ще видим как нуждите на животинския организъм определят жизнения
път на неговите клетки.
1. Детерминиране и диференциране
В хода на зародишното развитие една клетка – зиготата, трябва да даде всичките разнообразни типове клетки, които изграждат нашите тъкани. Обвързването на клетката с определен път на развитие се нарича детерминиране (от лат. determino – определям).
Има два начина за детерминиране. Първият се основава на градиенти от мРНК, оставени в яйчената цитоплазма. Бластомерите се детерминират според това каква част от цитоплазмата на зиготата (и съответно от майчините мРНК) попада в тях при дробенето. Така например при жабата се "набелязват" клетките, които трябва да започнат гаструлацията. Този начин на детерминиране обаче не действа при бозайниците, защото техните яйца са малки и запасите от мРНК в тях не са от съществено значение.
Другият начин на детерминиране е чрез сигнали, които клетките на зародиша си изпращат една на друга. Например в ранното развитие на жабата ектодермалните клетки от гръбната страна на зародиша стават нервни клетки под влияние на сигнал, получен от клетките на хордата (вж. предишния раздел). Зародишните клетки на бозайниците се детерминират изцяло по този механизъм.
Независимо кой начин е бил използван, детерминацията, веднъж създадена, се самоподдържа в поколението на клетката. Тя се установява чрез опити с присаждане и други специални методи, защото не личи външно. На снимките на неврули (вж. например http://nte-serveur.univ-lyon1.fr/nte/embryon/tp2000/grenouille/corrig%E9_s%E9ance%20grenouille/neurula%20tn%20ouvert.jpg) вече можем да означим хорда, нервна тръба и други органи, а всички клетки изглеждат практически еднакви. Ако не знаехме, че между клетките от нервната тръба има бъдещи неврони, никога не бихме го отгатнали по вида им.
Действителното осъществяване на приетата програма за развитие се нарича клетъчно диференциране. То обикновено настъпва доста време след детерминирането. За разлика от детерминацията диференцировката е ярко изразено, добре видимо състояние. Клетките са ясно различими една от друга и специализирани както по устройство, така и по функции. За да се установи дали някаква клетка е диференцирана и в каква посока, е достатъчен един поглед през светлинен микроскоп. В животинския организъм има четири основни тъкани: епителна, съединителна, мускулна и нервна. Всяка от тези тъкани е изградена от набор от диференцирани клетки. Някои от тях, например невроните, след диференцирането изцяло губят способността да се делят.
Отдавна се знае, че с много малки изключения дори и най-диференцираните клетки са с непокътнат наследствен материал. Следователно детерминирането и диференцирането са въпрос само на генна активност. Детерминирането е трайно набелязване на гените, които ще се експресират в дадената клетка, а диференцирането е резултатът от действителната експресия на този списък от гени.
След като детерминирането и диференцирането не променят клетъчната ДНК, следва да се запитаме дали не можем по желание да "обърнем" тези процеси. Знаем, че генната експресия се регулира от белтъци, а те като всички белтъци се синтезират в цитоплазмата. Дали не можем да променим детерминираното състояние на клетката, като пренесем с микроманипулатор ядрото й в чужда цитоплазма?
Извършени са много такива опити, като най-често в цитоплазма на яйце се слага ядро от диференцирана клетка. Резултатите са различни според вида на изследваното животно, но винаги получената "сборна" клетка има много по-големи възможности за развитие от диференцираната клетка, от която е взето ядрото. В някои случаи дори се развива видимо пълноценен организъм, т.е. постига се клониране. Това показва, че диференцирането и дори детерминирането поне в някои случаи са обратими.
Времето ще покаже дали тази обратимост може да се използва практически, за да се лекуват хора чрез заместване на някакви техни увредени тъкани. В естествени условия в организма обаче детерминирането е необратимо. Например при мозъчна травма или инфекция загубата на неврони може да причини смъртта на организма, но не може да накара нито останалите неврони да се делят, нито някакви други клетки да се диференцират до неврони.
В последно време започват да се разкриват гените и регулаторните последователности, свързани с детерминирането. Те образуват каскада, на върха на която стоят малък брой главни контролни гени. Например зрелите напречно-набраздени мускулни клетки синтезират широк набор тъканно-специфични белтъци. Предшествениците на муксулните клетки, наречени миобласти, имат по-малко такива белтъци, но те са по-"издигнати" в регулационната каскада. Един от тях е транскрипционен активатор, означаван с myoD1. Ако в култивирани фибробласти (т.е. съединително-тъканни клетки) изкуствено се предизвиква експресия на myoD1, те се предръщат в миобласти. След това се сливат и образуват зрели мускулни влакна. Можем да заключим, че myoD1 е главният ген-регулатор, чиято експресия детерминира клетката да стане мускулна. Мускулната и съединителната тъкан имат общ мезомермален произход, но родословието им се разделя много рано в зародишното развитие. Забележително е, че myoD1 не само налага детерминация за мускулна тъкан, а и отменя съществуващата детерминация за съединителна тъкан.
2. Регулация на клетъчния цикъл. Рак
Клетките-организми се делят винаги, когато могат. Клетките в многоклетъчния организъм се делят тогава, когато на организма трябват още клетки от техния тип и на тяхното място. Следователно в многоклетъчния организъм действа някакъв "обществен контрол" на клетъчния цикъл. Можем да предположим два възможни принципа за такъв контрол: (1) Клетките да бъдат склонни да се делят, стига да не получат забранителен сигнал. (2) Клетките да не бъдат склонни да се делят, докато не получат разрешителен сигнал.
Макар че са открити отделни белтъци, служещи за забранителни сигнали, като цяло се осъществява вторият начин. С други думи, клетъчното делене е под разрешителен режим. Зиготата и бластомерите са единствените нормални клетки, за които е установено, че се делят без нужда от външни сигнали. Вероятно причината е особеният състав на яйчената цитоплазма и по-точно оставените там майчини мРНК. Останалите клетки се делят само ако получат "разрешително" от организма.
Разрешителното е сигнал или съчетание от сигнали, които се получават от най-близкото обкръжение. Тези сигнали се приемат на клетъчната повърхност и оттам се изпращат към ядрото, което отговаря чрез активиране на съответни гени.
Много от данните за клетъчния цикъл и регулацията му са получени от клетки, отглеждани извън организма. Едно от първите неща, научени за тях, е нуждата от телешки фетален серум в използваната хранителна среда. Ако клетките се отглеждат без фетален серум, те живеят известно време, но не се делят. Интересно е, че серумът не може да се замени с кръвна плазма, макар че тя има почти същия състав. И серумът, и плазмата са извънклетъчната течност на кръвта, но плазма се получава от несъсирена, а серум – от съсирена кръв. Оказало се е, че при съсирването кръвните плочки (тромбоцитите) отделят белтък, действащ на фибробластите и гладкомускулните клетки като сигнал за делене. Белтъците с подобно действие общо се наричат растежни фактори. Този конкретен белтък се нарича растежен фактор с тромбоцитен произход (съкратено PDGF – platelet-derived growth factor). Известни са няколко десетки растежни фактори. Те се отделят от определени типове клетки и действат върху други типове клетки, които носят върху мембраната си рецептори за тях.
Тъй като нормално съсирването е следствие от рана, растежният фактор с тромбоцитен произход трябва да помогне за зарастването на увредените тъкани. Изобщо нараняванията стимулират деленето в околността на раната.
Разбира се, растежни фактори се отделят не само при нараняване. Зародишът, с изключение на най-ранните етапи, е пълен с всякакви растежни фактори. Затова при култивирането се използва не говежди серум, а фетален телешки серум; той доставя и други фактори освен онзи с тромбоцитен произход. След като организмът стане възрастен, в него се отделят по-малко растежни фактори, но все пак те могат да се намерят около всички делящи се клетки.
Когато в даден орган се натрупат достатъчно клетки от даден тип, секрецията на растежни фактори за тях намалява или спира. Щом повърхността на клетката обеднее откъм свързани растежни фактори, тази вест се предава навътре. Клетъчният цикъл доближава точката на обвързване в края на G1, но не може да я премине и "замръзва". Клетката излиза от цикъла, т.е. престава да се подготвя за митоза. Това ново състояние често се означава с G0 и за разлика от фазите на митотичния цикъл продължава неопределено време. Може да се разглежда като видоизменено G1-състояние, но да се върне клетка от G0 обратно в клетъчния цикъл е много по-трудно, отколкото да се прекара клетка в G1 през точката на обвързване. Например зрелите лимфоцити, ако не участват в имунен отговор, са в G0. За да се върнат в G1, е нужен съответен антиген и няколко белтъчни сигнала, отделени от други клетки на имунната система.
Някои диференцирани клетки остават в G0 до края на живота си, който може да трае колкото живота на организма. Те не навлизат в митоза нито при нормални обстоятелства, нито при патология, нито при досега измислените експериментални обработки. Такива клетки се наричат постмитотични. В нашето тяло постмитотични са например нервните, мастните и мускулните клетки.
Останалите ни типове клетки се наричат обновяващи се. При тях било самите диференцирани клетки, било техните предшественици, наречени стволови клетки, могат да се делят. Способността за делене обаче не е неограничена. Това личи при отглеждане в култура на извадени от организма клетки. Дори и при идеални условия след известен брой деления клетките отказват да се делят повече. Казваме, че те са остарели.
Етапът, на който настъпва клетъчното стареене, зависи от възрастта на донора. При човека зародишните фибробласти издържат 60-80 деления, фибробластите, взети от млади хора – 20-40 деления, а от стари хора – 10-20 деления. Остарелите клетки имат скъсени теломери, което сочи, че стареенето настъпва не заради самото преживяно време, а заради многото навъртени деления.
Когато вместо нормални клетки от организма са изолирани ракови, техните култури не стареят. Клетъчната линия HeLa, получена от тумор на матката, се отглежда в култура вече над половин век. Клетките са кръстени на своя донор – Хенриета Лакс, умряла от въпросния тумор на 31-годишна възраст (повече за HeLa клетките можете да прочетете на адрес http://www.microscopyu.com/galleries/dicphasecontrast/helasmall.html). Следователно клетъчното стареене е приспособление за избягване на рака.
Контролът на клетъчния цикъл е тясно свързан с рака. Раковите клетки са клетки от многоклетъчен организъм, които се делят без разрешение. Нормалната клетка тръгва по пътя към рака, когато престане да се нуждае от разрешителен сигнал или започне да си го осигурява сама. Не е задължително такава клетка веднага да започне да се дели презглава и да образува тумор. Важното е, че тя е отхвърлила подчинението си на интересите на организма.
Поемайки сама решенията относно митозата си, клетката заприличва на едноклетъчен организъм. За потомците й влизат в сила законите на Дарвиновата еволюция. Преуспяват тези ракови клетки, които растат по-бързо, разпространяват се по-надалеч и се делят при по-малко количество растежни фактори – често толкова нищожно количество, че може да се намери навсякъде в организма. Клетките, придобили допълнителни промени в тази посока, стават по-приспособени и изместват сестрите си. Нещастните нормални клетки, нагодени към алтруистичните отношения в многоклетъчния организъм, изобщо не могат да бъдат конкуренция. Късните етапи на този еволюционен процес се проследяват по историята на болестта. Туморът първоначално се вижда като малко доброкачествено образувание. По-късно нараства и заставя нормалните тъкани да осигурят кръвоснабдяването му. След това навлиза в околната нормална тъкан, като я атакува с протеази, за да си отвори място. Не след дълго туморът чрез същите протеази разяжда стените на кръвоносните съдове, при което някои ракови клетки попадат в кръвообращението, достигат отдалечени места и дават вторични тумори (разсейки, метастази). Тези и други промени възникват постепенно, често в течение на години. Най-много левкемии в Хирошима и Нагасаки са регистрирани през деветата година след атомната бомбардировка.
Повечето видове рак имат генетична първопричина. Раковите клетки се различават от нормалните или по включване на вирусен геном в някоя хромозома, което е по същество мутация, или по "обикновена" мутация. Едни и същи фактори на средата причиняват и мутации, и рак (т.е. канцерогените са и мутагени и обратно). Болните с какъвто и да е наследствен дефект на ДНК-репликацията или репарацията са податливи на рак. И мутагенът, и дефектът правят по-вероятна първата решаваща мутация, а по-късно улесняват трупането на още мутации в "еволюционното" развитие на тумора.
Да започнем с вирусите. Тези от тях, които могат да причинят рак, се наричат онкогенни. Понеже онкогенните РНК-вируси (ретровирусите) изискват твърде много обяснения, ще разгледаме само ДНК-вирусите. Някои от тях като маймунския вирус SV40 са онкогенни поради своята стратегия на възпроизводство. Те нямат собствени репликационни ензими, а използват тези на клетката-гостоприемник. Въпросните ензими обаче се синтезират само през S-фазата, а малко клетки в организма са в S-фаза. Затова вирусът е снабден с белтък, който кара клетката да премине точката на обвързване. Започва "изкуствена" S-фаза и покрай клетъчната ДНК се реплицира и вирусната. Ако всичко върви нормално, ще се получат многобройни нови вируси, които ще убият клетката. Ако обаче стане някаква засечка във възпроизводството на вируса, клетката оцелява. Клетъчният цикъл достига М-фазата и организмът вместо с клетка по-малко се оказва с клетка в повече. Вирусният ген, чийто продукт тласка към репликация, продължава да работи, така че клетката се дели отново и отново и дава тумор. Такива гени, които са способни да превърнат нормална клетка в ракова и действат доминантно, се наричат онкогени.
Други онкогенни вируси водят до рак, като причиняват хромозомни мутации в клетката-гостоприемник. Например вирусът на Епщайн-Бар, който се възпроизвежда в В-лимфоцити, предизвиква транслокация между 8. хромозома, носеща гена c-myc, и 14. хромозома, в която са гените за тежката имуноглобулинова верига. В резултат c-myc се оказва под влияние на силните имуноглобулинови енхансери и експресията му се усилва. Това кара клетката да се дели безконтролно и се стига до рак, наречен Бъркитова лимфома.
В случая един клетъчен ген, след като бъде "изкуствено" активиран, превръща клетката в ракова, т.е. действа като онкоген. Такива гени, които са част от нормалния геном, но могат да станат онкогени при доминантна мутация или свръхекспресия, се наричат протоонкогени. Лесно е да се досетим, че нормалната функция на протоонкогените е да регулират клетъчния цикъл. Те сигнализират на клетката, че организмът разрешава делене. При рак съответните онкогени сигнализират същото, макар че разрешението всъщност е отказано. За да стане даден протоонкоген онкоген, не е непременно необходима намесата на вирус. И обикновени мутации могат да свършат работа.
Протоонкогените кодират различни белтъци, участващи в регулацията на клетъчното делене: растежни фактори, техни мембранни рецептори, цитоплазмени белтъци, пренасящи сигнала от мембраната до ядрото, и ядрени белтъци – транскрипционни регулатори. Белтъкът c-myc е от последната група.
Както вече споменахме, протоонкогените действат доминантно. В диплоидна клетка е достатъчно единият алел да получи мутация, която да усили функцията му, за да се объркат нещата. Има обаче и гени с рецесивно действие. Те предразполагат към рак, когато мутират и двата им алела. Явно тези мутации инактивират белтъци, които пречат клетката да стане ракова. Затова съответните гени се наричат туморни супресори. Те кодират белтъци-регулатори, които при нужда задържат клетката в контролните точки на клетъчния цикъл.
Ретинобластомата е злокачествено израждане на клетките на ретината – рядък вид рак, който се проявява в ранното детство. Характерен симптом е "котешкото око" – засегнатата ретина добре отразява светлината (снимки са показани например на http://www.sgrh.com/dept/oph/cases/paediatric.htm). Ретинобластомата бива спорадична и наследствена, като втората форма се унаследява доминантно, проявява се по-рано и често засяга и двете очи. Дължи се на мутация на гена Rb, кодиращ туморен супресор. Функцията му е да спира в прехода G1 – S клетките, които нямат разрешение да се делят. Хомозиготите по нормалния алел имат във всяка клетка по две работещи копия от гена, така че дори нещо да се случи с едното, другото остава. Хетерозиготите обаче имат във всяка клетка само по един нормален алел и ако соматична мутация го инактивира, клетката поема пътя към рака. Туморният супресор Rb е най-важен за ретинобластите, но ако хетерозиготният човек преживее критичния период за ретинобластомата (първите 5 години), често в по-късна възраст се развива рак на други тъкани.
3. Апоптоза
При наблюдения на умиращи клетки са били разграничени два типа клетъчна смърт, наречени съответно некроза и апоптоза. При некроза клетката набъбва, мембраните й се разрушават (лизиране) и съдържимото й се отделя в околната течност. При апоптозата (от гр. апоптозис – окапване) клетката, обратно, се свива. Ядрото се уплътнява и се раздробява на части. Самата клетка също се разкъсва на части, при което обаче клетъчната мембрана запазва целостта си до последна възможност. Накрая останките на клетката се поглъщат от най-близките фагоцити.
По-късно се установява, че типът клетъчна смърт
зависи от обстоятелствата. Некрозата е резултат от непосилно за клетката външно
увреждане (физично или химично). Апоптозата понякога също се задейства от увреждане,
но то може да бъде учудващо леко, например неголяма доза мутаген. В много случаи
обаче не се забелязват никакви предшестващи дефекти. Със или без увреждания,
клетките в апоптоза си приличат по едно: те не са полезни на своя организъм.
С течение на времето става ясно, че апоптозата е самоубийство на клетката заради
интересите на многоклетъчния организъм. Затова апоптозата се нарича още програмирана
клетъчна смърт. Организмът престава да си иска клетката, когато тя стане (1)
излишна, (2) функционално непълноценна или (3) опасна.
Случаят (1), когато се бракува здрава и дотогава полезна клетка, се наблюдава най-вече в зародишното развитие. Някои клетки не са нужни за окончателния облик на даден орган, но присъстват в началото по технически причини. Например зачатъците на дланите и стъпалата отначало са цялостни и за да имаме отделни пръсти, клетките между пръстите трябва да умрат. Понякога ненужни стават цели органи и части от тялото, например опашката на поповата лъжичка при превръщането й в жаба.
(2) Друго основание за апоптоза имат клетките, които са получили някакъв дефект, макар и съвместим с живота. (Ако е прекалено тежък, клетката би претърпяла некроза.) Такава леко увредена клетка би могла да оздравее, но това не е гарантирано. Много е възможно тя да остане непълноценна, затова организмът се застрахова и я кара да се самоубие. Дефектът може да бъде например повреда в ДНК или неправилен строеж на делителното вретено. Затова апоптоза на отделни клетки се наблюдава във всички тъкани, където протича делене.
(3) Чрез апоптоза се отстраняват и потенциално опасните за организма клетки, например заразени с вирус и такива, които се опитват да станат ракови. За съжаление клетките, които действително успяват да станат ракови, се научават да избягват апоптозата.
Подобно на другите важни за клетката процеси апоптозата се осъществява чрез ензими. Ключова роля имат група протеази, наречени каспази. Те се съдържат в цитозола и нормално са неактивни. Ако се получи сигнал за апоптоза, каспазите се активират. Те са специфични – не режат белтъците наред до малки пептиди и аминокиселини, а разпознават определени белтъци-субстрати и ги срязват само на 1-2 определени места.
Белтъците-субстрати на каспазите са различни: нуклеази, ензими, участващи в репарацията на ДНК или в снаждането на РНК, цитоскелетни белтъци и др. Срязването от каспазата инактивира някои субстрати и активира други. Логично е да се инактивират някои белтъци, които иначе биха се опитали да поправят уврежданията и изобщо да продължат живота. От друга страна, следва да се мобилизират белтъци, които да осигурят бърза смърт.
Разграждането на ДНК от нуклеазите улеснява предстоящото смилане на клетката, а и обезврежда вирусната ДНК, ако има такава. Накрая фагоцитите поглъщат загиващата клетка. Вероятно за тяхно улеснение тя се разделя на части с последно усилие на цитоскелета. Фагоцитозата решава проблема с трупа, докато при некрозата освободеното клетъчно съдържимо се изчиства трудно и предизвиква възпаление.
Деленето, диференцирането и апоптозата са необходими, за да се изгради от отделни клетки цялостен висш организъм. По израза на Г. Марков тези три взаимно допълващи се процеса образуват "вълшебен триъгълник", на който се основава многоклетъчният живот.
Основни източници
Гилберт С. Биология развития.
1. т. Мир, Москва, 1993.
Alberts B., D. Bray, J. Lewis,
M. Raff, K. Roberts, J.D. Watson. Molecular Biology of the Cell. 3rd Edition.
Garland Publishing Inc., New York, London, 1994. [Online] http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?call=bv.View..ShowSection&rid=cell
За стареенето:
J. Campisi (1996). Replicative senescence: an old lives’ tale? Cell 84: 497-500.
За апоптозата:
Fraser A., G. Evan (1996). A license to kill. Cell
85: 781-784.
Jacobson M.D., M. Weil, M.C. Raff (1997). Programmed
cell death in animal development. Cell 88: 347-354.
Kroemer G., P. Petit, N. Zamzami, J.-L. Vayssiere,
B. Mignotte (1995). The biochemistry of programmed cell death. FASEB J. 9: 1277-1287.
Salvesen G.S., V.M. Dixit (1997). Caspases: Intracellular
signaling by proteolysis. Cell 91: 443-446.
Steller H. (1995). Mechanisms and genes of cellular
suicide. Science 267: 1445-1449.
Copyright © Майя Маркова
| Предишен раздел | Начало |