Роль цитоскелета в дифференцировке

Роль клеточной мембраны в дифференцировке

1. Основное свойство мембран – наличие специфических мембранных рецепторов (гликопротеины с углеводными хвостами, встроенные в липидный матрикс). Рецепторы меняют свою конформацию при контакте с соответствующими эффекторами (гормонами, витаминами, другими мембранами, вирусами и т.д.). Через мембрану эти изменения передаются в клетку, запуская каскады внутриклеточных реакций.

2. В состав мембран также входят ионные каналы (транспорт по градиенту) и ионные насосы (транспорт против градиента). Они очень подвижны: легко концентрируются, рассеиваются, деградируют, возникают заново. Таким образом, надмолекулярная организация мембран очень подвижна. В ней постоянно происходят встраивание элементов мембраны (экзоцитоз) и их деградация (эндоцитоз). Все эти процессы активно идут в дифференцирующихся клетках и обусловливают возникновение различий.

Элементы цитоскелета: микротрубочки и микрофиламенты. Микротрубочки собираются и разбираются за несколько минут. Они поддерживают полярность клетки, способствуют определенному положению в клетке аппарата Гольджи, осуществляют транспорт некоторых белков. Микрофиламенты (актин, миозин и некоторые другие белки) осуществляют поддержание характерной формы клеток, передвижение внутри органных органелл и мембранных пузырьков. Например:

–дифференцировка всасывающих клеток эпителия кишечника и почек связана со сборкой мощных пучков актиновых микрофиламентов (образующих основу микроворсинок);

– у фоторецепторов под поверхностью каждой клетки упакованы сотни тысяч микроворсинок (взаимно перпендикулярных в соседних рядах).

Особо сложные типы клеточной дифференцировки, такие как образование стрекательной клетки – результат координированной активности мембраны, микротрубочек, клеточного центра, аппарата Гольджи, т.е. многих внутриклеточных структур.

Элементы цитоскелета связывают наружную мембрану клетки с ядерной мембраной и даже через поры проникают внутрь ядра.

Нити ДНК также прикреплены к внутренним участкам ядерной мембраны и «запоминают» свое положение в период митозов. Центромеры хромосом на протяжении всей интерфазы прикреплены к ядерной мембране и нередко ориентированы к одному из полюсов.

Группы генов в ДНК также расположены не случайно:

а) центроны (занимают центральные участки хромосом);

б) медоны (располагаются посередине между центром и краевыми участками);

в) телоны – находятся на краевых участках – теломерах. Например, гены р­РНК –телоны; других видов ДНК – центроны.

Таким образом, через рецепторы информация с поверхности клетки может передаваться элементам цитоскелета, а через них – ДНК, которая реагирует активацией или репрессией определенных групп генов.

УРОВНИ РЕГУЛЯЦИИ КЛЕТОЧНОЙ ДИФФЕРЕНЦИРОВКИ

В основе – процессы транскрипции и трансляции в синтезе белка.

Первые научные гипотезы о механизме клеточной дифференцировки высказали в конце ХIХ в. Негели, В. Ру, А Вейсман.

1. Уровень соматических мутаций – непосредственные изменения в первичной структуре транскрибируемой ДНК. Действительно, были обнаружены примеры, когда различия в клеточных типах были обусловлены именно возникающими различиями в ДНК:

а) диминуция (открыта Т. Бовери) – отторжение части хроматина в соматических клетках у лошадиной аскариды (в половых этот хроматин сохраняется). Именно этот факт лег в основу теории зародышевой плазмы Вейсмана.

б) элиминация целых хромосом (например, у некоторых видов комаров у самцов в соматических клетках элиминируются три аутосомы и обе половые хромосомы, у самок – одна половая хромосома; у некоторых сумчатых в соматических клетках элиминируются половые хромосомы).

в) перестройка иммуноглобулиновых генов в связи с дифференцировкой В-лимфоцитов. Суть: разные участки генов кодирующих антитела, располагаются в разных участках ДНК. При дифференцировке лимфоцита промежутки между частями генов ДНК элиминируются, и они соединяются в целый ген, причем у разных типов лимфоцитов эти участки дают разные сочетания. Отсюда и многообразие антител.

г) инактивация одной из половых хромосом в соматических клетках (у мышей). Хромосома не элиминируется, но остаются неактивной.

д) инверсия (поворот) или перемещение определенных участков ДНК.

Таковы сравнительно немногочисленные примеры изменения первичной структуры ДНК, лежащие в основе возникновения различий между клетками. В целом же, геномы большинства соматических клеток эквивалентны (что доказано методом молекулярной гибридизации нуклеиновых кислот). Самым же ярким доказательством эквивалентности геномов дифференцированных клеток служат эксперименты по клонированию (пересадка ядер соматических клеток в энуклеированные яйцеклетки и получение организмов, идентичных донорскому).

Таким образом, разнообразие белков в разных клеточных типах определяется не изменениями ДНК.

2. Уровень транскрипции = дифференциальной активности генов.

При идентичной ДНК клетки могут различаться по набору i- (m-) РНК. Это происходит, если некоторые гены (различные в разных клетках) будут закрыты для транскрипции, а другие – открыты.

Известно, что количество активно работающих генов уменьшается по ходу развития. Например, у позвоночных в ооцитах проявляют хотя бы слабую активность от 70 до 100% генов, а в дифференцированных клетках не более 20%.

Доказано, что существуют строгие временные и пространственные правила экспрессии генов, тесно связанные с формирующимся планом строения зародыша. При этом действует общая закономерность: развитие идет от общего к частному. Обнаружены гены, экспрессия которых обеспечивает общий план строения эмбриона. Белки, которые они кодируют, располагаются в ядре и регулируют транскрипцию других генов в ходе онтогенеза. Это гены гомеобокса (=сегментации) и гены гомейозиса.

Дата добавления: 2014-01-20