Стимуляция клеточного деления. Регуляция клеточного деления у многоклеточных организмов

Мгновенное заживление ран и молниеносное развитие эмбрионов – эти картины из фантастических фильмов могут стать реальностью.

Многочисленные исследования, которые сейчас ведут учёные, уже показали, что ключевую роль при эмбриональном развитии и регенерации тканей играют биоэлектрические сигналы, генерирующиеся с участием клеточной мембраны. Например, на модели заживления раны роговицы было показано, что колебания мембранного потенциала, создающие в ткани электрические поля, регулируют миграцию клеток, их поляризацию и частоту делений, то есть восстановление поврежденной ткани. Потенциал клеточной мембраны формируется при участии имеющихся в ней ионных каналов. Ионные токи, как показывают исследования, имеют огромное значение для деления (дифференцировки) клеток - миобластов, кардиомиоцитов, нейронов. При их делении и слиянии потенциал мембраны изменяется от -10 до -70 мВ, т.е. мембрана становится более отрицательно заряженной (гиперполяризуется). Однако что тут следствие, а что причина: то ли электросигналы – следствие клеточных изменений, то ли наоборот, до сих пор было неясно.

Группа исследователей из Университета Тафтса в Медфорде (Tufts University, Medford, Массачусетс, США) изучили влияние изменения мембранного потенциала на способность клеток ММСК (мультипотентных мезенхимальных стромальных клеток) костного мозга человека к делению. Сначала они исследовали, зависит ли изменение мембранного потенциала клеток от стадии их деления. Чтобы запустить деление клеток, авторы исследования воздействовали на них химически, с помощью двух веществ (дексаметазона и индометацина), и затем отслеживали изменение яркости окраски флуоресцентного красителя, реагирующего на величину мембранного потенциала (деполяризацию клетки). Выяснилось, что флуоресценция по мере дифференцировки клетки уменьшается, т.е. потенциал снижается и происходит гиперполяризация клеточной мембраны. Происходит это постепенно – в течение второй, третьей недели, и достигает максимума к четвертой неделе дифференцировки клеток.

Далее исследователи проверили, как будет влиять на деление клеток искусственное уменьшение гиперполяризации мембраны клетки. Деполяризацию клеточной мембраны они вызвали, повысив концентрацию ионов калия в среде культивирования клеток. Результат такого воздействия оценивали по появлению маркеров – характерных генов, возникающих при дифференцировке исследуемых клеток. Также клеточные колонии окрашивали специфичным для определенного вида клеток красителем. Оказалось, что деполяризация клеточной мембраны подавляет деление клеток, причем обратимо. При возвращении в стандартные условия стволовые клетки костного мозга восстанавливали свою способность к делению спустя три недели. Мембранный потенциал при этом возвращался к исходному уровню.

Тогда исследователи решили провести обратный эксперимент – увеличить гиперполяризацию клеточной мембраны. Для этого клетки подвергли воздействию соответствующих веществ (пинацидила и диазоксида). Через семь суток оценка эффективности дифференцировки клеток показала, что экспрессия генов-маркеров повышается в 2-4 раза! Причем с повышением концентрации веществ-поляризаторов увеличивалась и экспрессия маркерных генов.

Таким образом группе из Университета Тафтса в Медфорде удалось доказать, что изменение мембранного потенциала в сторону гиперполяризации предшествует дифференцировке клеток, и что с его помощью можно увеличивать эффективность дифференцировки ММСК под действием соответствующих веществ.

Сейчас исследователи занимаются изучением механизма влияния мембранного потенциала на дифференцировку клеток. Они уверены, что в будущем контроль потенциала мембраны будет широко использоваться для стимулирования дифференцировки различных типов стволовых клеток в нужном направлении.

XXI столетие ознаменовалось наступлением новой эры в области диетологии, продемонстрировавшей огромную пользу, которую может принести здоровью человека правильный подбор рациона. С этой точки зрения поиски секрета «таблеток от старости» уже не выглядят несбыточной мечтой. Последние открытия ученых указывают на то, что определенным образом подобранное питание может, по крайней мере частично, изменить ход биологических часов организма и замедлить его старение. В данной статье современная информация, полученная специализирующимися в области диетологии учеными, проанализирована в контексте улучшения состояния теломер, являющегося ключевым механизмом замедления старения в буквальном смысле этого слова.

Теломеры – это повторяющиеся последовательности ДНК, локализующиеся на концах хромосом. При каждом делении клетки теломеры укорачиваются, что в конечном итоге приводит к утрате клеткой способности к делению. В результате клетка вступает в фазу физиологического старения, ведущую к ее гибели. Накопление таких клеток в организме повышает риск развития заболеваний. В 1962 году Леонард Хейфлик (Leonard Hayflick) совершил революцию в биологии, разработав теорию известную как теория предела Хейфлика. Согласно этой теории, максимальная потенциальная продолжительность жизни человека составляет 120 лет. Согласно теоретическим подсчетам, именно к этому возрасту в организме становится слишком много клеток, не способных делиться и поддерживать его жизнедеятельность. Пятьдесят лет спустя появилось новое направление науки о генах, открывшее человеку перспективы оптимизации его генетического потенциала.

Различные стрессовые факторы способствуют преждевременному укорочению теломер, что, в свою очередь, ускоряет биологическое старение клеток. Многие пагубные для здоровья возрастные изменения организма ассоциированы с укорочением теломер. Доказано существование взаимосвязи между укорочением теломер и заболеваниями сердца, ожирением, сахарным диабетом и дегенерацией хрящевой ткани. Укорочение теломер снижает эффективность функционирования генов, что влечет за собой триаду проблем: воспаление, окислительный стресс и снижение активности иммунных клеток. Все это ускоряет процесс старения и повышает риск развития возрастных болезней.

Еще одним важным аспектом является качество теломер. Например, пациенты с болезнью Альцгеймера далеко не всегда имеют короткие теломеры. В то же время их теломеры всегда демонстрируют выраженные признаки функциональных нарушений, коррекции которых способствует витамин Е. В определенном смысле теломеры являются «слабым звеном» ДНК. Они легко повреждаются и нуждаются в восстановлении, однако не располагают мощными репарационными механизмами, используемыми другими регионами ДНК. Это приводит к накоплению частично поврежденных и плохо функционирующих теломер, низкое качество которых не зависит от их длины.

Одним из подходов к замедлению процесса старения является применение стратегий, замедляющих процесс укорочения теломер, одновременно защищающих их и устраняющих возникающие повреждения. В последнее время специалисты получают все больше данных, согласно которым этого можно добиться путем правильного подбора рациона питания.

Еще одной привлекательной перспективой является возможность удлинения теломер с одновременным поддержанием их качества, что в прямом смысле позволит повернуть стрелки биологических часов вспять. Этого можно добиться путем активизации фермента теломеразы, способного восстанавливать утраченные фрагменты теломер.

Базовое питание для теломер

Активность генов проявляет определенную гибкость, и питание является превосходным механизмом компенсирования генетических недостатков. Многие генетические системы закладываются в течение первых недель внутриутробного развития и формируются в раннем возрасте. После этого они подвергаются влиянию широкого спектра факторов, в т.ч. пищевых. Это влияние можно назвать «эпигенетическими настройками», определяющими то, как гены проявляют заложенные в них функции.

Длина теломер также регулируется эпигенетически. Это означает, что на нее оказывает влияние рацион питания. Плохо питающиеся матери передают детям неполноценные теломеры, что в будущем повышает риск развития заболеваний сердца (для клеток пораженных атеросклерозом артерий характерно большое количество коротких теломер). Напротив, полноценное питание матери способствует формированию у детей теломер оптимальной длины и качества.

Для полноценного функционирования теломер необходимо их адекватное метилирование. (Метилирование – это химический процесс, заключающийся в присоединении к нуклеиновому основанию ДНК метильной группы (-CH3).) Основным донором метильных групп в клетках человека является кофермент S-аденозилметионин, для синтеза которого организм использует метионин, метилсульфонилметан, холин и бетаин. Для нормального протекания процесса синтеза этого кофермента необходимо присутствие витамина В12, фолиевой кислоты и витамина В6. Фолиевая кислота и витамин В12 одновременно вовлечены во многие механизмы, обеспечивающие стабильность теломер.

Наиболее важными пищевыми добавками для поддержания теломер являются качественные витаминные комплексы, принимаемые на фоне рациона, содержащего адекватное количество белков, в особенности серосодержащих. В такой рацион должны входить молочные продукты, яйца, мясо, курица, бобовые, орехи и зерновые. Яйца являются наиболее богатым источником холина.

Для поддержания хорошего настроения мозгу также требуется большое количество метильных доноров. Хронический стресс и депрессия часто свидетельствуют о дефиците метильных доноров, что означает плохое состояние теломер и их подверженность преждевременному укорочению. Это является основной причиной того, что стресс старит человека.

Результаты исследования с участием 586 женщин показали, что теломеры участниц, регулярно принимавших мультивитамины, были на 5% длиннее теломер женщин, не принимавших витамины. У мужчин наиболее высокие уровни фолиевой кислоты соответствовали более длинным теломерам. Еще одно исследование с участием людей обоих полов также выявило положительную взаимосвязь между содержанием фолиевой кислоты в организме и длиной теломер.

Чем большую нагрузку вы испытываете и/или чем хуже себя чувствуете эмоционально или психически, тем больше внимания вам следует уделять получению достаточного количества базовых питательных веществ, которые помогут не только вашему мозгу, но и вашим теломерам.

Минералы и антиоксиданты способствуют сохранению стабильности генома и теломер

Питание является превосходным механизмом замедления износа организма. Многие питательные вещества защищают хромосомы, в том числе теломеразную ДНК, и повышают эффективность работы механизмов восстановления ее повреждений. Недостаток антиоксидантов ведет к увеличению количества повреждений под действием свободных радикалов и повышению риска деградации теломер. Например, теломеры пациентов с болезнью Паркинсона короче, чем теломеры здоровых людей такого же возраста. При этом степень деградации теломер непосредственно зависит от выраженности свободно-радикальных повреждений, ассоциированных с заболеванием. Также показано, что женщины, употребляющие с пищей мало антиоксидантов, имеют короткие теломеры и входят в группу повышенного риска развития рака молочной железы.

Для функционирования многих ферментов, вовлеченных в копирование и восстановление повреждений ДНК, необходим магний. Одно из исследований на животных показало, что недостаток магния ассоциирован с увеличением выраженности свободно-радикальных повреждений и укорочением теломер. Эксперименты на клетках человека продемонстрировали, что отсутствие магния приводит к стремительной деградации теломер и подавляет деление клеток. В день, в зависимости от интенсивности нагрузки и уровня стресса, организм человека должен получать 400-800 мг магния.

Цинк играет важную роль в функционировании и восстановлении ДНК. Недостаток цинка приводит к появлению большого количества разрывов цепочек ДНК. У пожилых людей недостаток цинка ассоциирован с короткими теломерами. Минимальное количество цинка, которое человек должен получать в день, составляет 15 мг, а оптимальные дозировки составляют около 50 мг в день для женщин и 75 мг – для мужчин. Получены данные, согласно которым новый цинкосодержащий антиоксидант карнозин уменьшает скорость укорочения теломер в фибробластах кожи, одновременно замедляя их старение. Карнозин также является важным антиоксидантом для мозга, что делает его хорошим помощников в борьбе со стрессом. Многие антиоксиданты способствуют защите и восстановлению ДНК. Например, установлено, что витамин С замедляет укорочение теломер в клетках сосудистого эндотелия человека.

Впечатляет тот факт, что одна из форм витамина Е, известная как токотриенол, способна восстанавливать длину коротких теломер в фибробластах человека. Также есть данные о способности витамина С стимулировать активность удлиняющего теломеры фермента теломеразы. Эти данные свидетельствуют в пользу того, что употребление определенных продуктов питания способствует восстановлению длины теломер, что потенциально является ключом к обращению процесса старения вспять.

ДНК находится под непрерывной атакой свободных радикалов. У здоровых полноценно питающихся людей система антиоксидантной защиты частично предотвращает и восстанавливает повреждения ДНК, что способствует сохранению ее функций.

По мере старения человека его здоровье постепенно ухудшается, в клетках происходит накопление поврежденных молекул, запускающих процессы свободно-радикального окисления и препятствующих восстановлению повреждений ДНК, в том числе теломер. Этот процесс, нарастающий по принципу «снежного кома», может усугубляться такими состояниями, как ожирение.

Воспаление и инфекции способствуют деградации теломер

На современном уровне понимания биологии теломер наиболее реалистичной перспективой является разработка методов замедления процесса их укорочения. Возможно, со временем человеку удастся достичь своего предела Хейфлика. Это возможно только в том случае, если мы научимся препятствовать износу организма. Сильные стрессы и инфекции являются двумя примерами причин такого износа, ведущего к укорочению теломер. Оба воздействия имеют выраженный воспалительный компонент, стимулирующий продукцию свободных радикалов и вызывающий повреждения клеток, в том числе теломер.

В условиях сильного воспалительного стресса гибель клеток стимулирует их активное деление, что, в свою очередь, ускоряет деградацию теломер. Кроме того, формирующиеся при воспалительных реакциях свободные радикалы также повреждают теломеры. Таким образом, мы должны прикладывать максимальные усилия к подавлению как острых, так и хронических воспалительных процессов и предотвращению инфекционных заболеваний.

Однако полное исключение из жизни стрессов и воспалительных реакций является невыполнимой задачей. Поэтому хорошей идеей при травмах и инфекционных заболеваниях является добавление в рацион витамина D и докозагексаеновой кислоты (омега-3 жирной кислоты), способных оказать поддержку теломерам в условиях воспаления.

Витамин D модулирует количество тепла, генерируемого иммунной системой в ответ на воспаление. При дефиците витамина D существует опасность перегрева организма, синтеза огромного количества свободных радикалов и повреждения теломер. Способность переносить стресс, в том числе инфекционные заболевания, во многом зависит от уровня витамина D в организме. В исследовании с участием 2 100 близнецов женского пола в возрасте 19-79 лет ученые продемонстрировали, что наиболее высокие уровни витамина D ассоциированы с наиболее длинными теломерами, и наоборот. Разница в длине теломер при наиболее высоких и наиболее низких уровнях витамина D соответствовала примерно 5 годам жизни. Еще одно исследование показало, что употребление взрослыми с избыточной массой тела 2 000 МЕ витамина D в день стимулирует активность теломеразы и способствует восстановлению длины теломер, несмотря на метаболический стресс.

Подавление воспалительных процессов естественным образом путем коррекции рациона питания является ключом к сохранению теломер. Немаловажную роль в этом могут сыграть омега-3 жирные кислоты – докозагексаеновая и эйкозапентаеновая. Наблюдение за группой пациентов с заболеваниями сердечно-сосудистой системы в течение 5 лет показало, что наиболее длинные теломеры были у пациентов, употреблявших большее количество этих жирных кислот, и наоборот. При проведении еще одного исследования было установлено, что повышение уровня докозагексаеновой кислоты в организме пациентов с умеренными нарушениями познавательной функции снижало скорость укорочения их теломер.

Существует очень большое количество пищевых добавок, подавляющих активность воспалительного сигнального механизма, опосредуемого ядерным фактором каппа-би (NF-kappaB). Экспериментально доказано положительное влияние на состояние хромосом, оказываемое посредством запуска этого противовоспалительного механизма, таких природных соединений, как кверцетин, катехины зеленого чая, экстракт виноградных косточек, куркумин и ресвератрол. Обладающие этим свойством соединения также содержатся во фруктах, овощах, орехах и цельном зерне.

Одним из наиболее активно изучаемых природных антиоксидантов является куркумин, придающий ярко-желтую окраску приправе карри. Разные группы исследователей изучают его способность стимулировать восстановление повреждений ДНК, в особенности эпигенетических нарушений, а также предотвращать развитие рака и повышать эффективность его лечения.
Еще одним многообещающим природным соединением является ресвератрол. Результаты исследований на животных свидетельствуют о том, что ограничение калорийности рациона при сохранении его питательной ценности сохраняет теломеры и увеличивает продолжительность жизни за счет активации гена sirtuin 1 (sirt1) и повышению синтеза белка сиртуина-1. Функция этого белка заключается в «настройке» систем организма на работу в «режиме экономии», что очень важно для выживания вида в условиях недостатка питательных веществ. Ресвератрол напрямую активирует ген sirt1, что положительно сказывается на состоянии теломер, в особенности в отсутствие переедания.

На сегодняшний день очевидно, что короткие теломеры являются отражением низкого уровня способности систем клетки к восстановлению повреждений ДНК, в том числе теломер, что соответствует повышенному риску развития рака и болезней сердечно-сосудистой системы. В рамках интересного исследования с участием 662 человек у участников с детского возраста до 38 лет регулярно оценивали содержание в крови липопротеинов высокой плотности (ЛПВП), известных как «хороший холестерин». Наиболее высокие уровни ЛПВП соответствовали наиболее длинным теломерам. Исследователи считают, что причина этого кроется в менее выраженном накоплении воспалительных и свободно-радикальных повреждений.

Резюме

Основной вывод из всего вышеперечисленного заключается в том, что человек должен вести образ жизни и соблюдать рацион питания, минимизирующие износ организма и предотвращающие повреждения, вызываемые свободными радикалами. Важным компонентом стратегии защиты теломер является употребление продуктов, подавляющих воспалительные процессы. Чем лучше состояние здоровья человека, тем меньше усилий он может предпринимать, и наоборот. Если вы здоровы, ваши теломеры будут укорачиваться в результате нормального процесса старения, поэтому для минимизации этого влияния вам достаточно по мере взросления (старения) увеличивать поддержку теломер с помощью пищевых добавок. Параллельно этому следует вести сбалансированный образ жизни и избегать видов деятельности и употребления веществ, оказывающих отрицательное влияние на здоровье и ускоряющих деградацию теломер.

Более того, при неблагоприятных стечениях обстоятельств, таких как несчастные случаи, заболевания или эмоциональные травмы, теломерам следует обеспечивать дополнительную поддержку. Затяжные состояния, такие как посттравматический стресс, чреваты укорочением теломер, поэтому очень важным условием для любого типа травмы или неблагоприятного воздействия является полное восстановление.

Теломеры отражают жизнеспособность организма, обеспечивающую его способность справляться с различными задачами и требованиями. При укорочении теломер и/или их функциональных нарушениях организму приходится прилагать бОльшие усилия для того, чтобы выполнять повседневные задачи. Такая ситуация приводит к накоплению в организме поврежденных молекул, что затрудняет процессы восстановления и ускоряет старение. Это является предпосылкой развития целого ряда заболеваний, указывающих на «слабые места» организма.

Состояние кожи является еще одним показателем статуса теломер, отражающим биологический возраст человека. В детстве клетки кожи делятся очень быстро, а с возрастом скорость их деления замедляется в стремлении сэкономить утрачивающие способность к восстановлению теломеры. Лучше всего биологический возраст оценивать по состоянию кожи предплечий рук.

Сохранение теломер является исключительно важным принципом сохранения здоровья и долголетия. Сейчас перед нами открывается новая эра, в которой наука демонстрирует все новые способы замедления старения с помощью продуктов питания. Никогда не поздно и не рано начать вносить в свой образ жизни и рацион питания изменения, которые направят вас в нужном направлении.

Евгения Рябцева
Портал «Вечная молодость» по материалам NewsWithViews.com:

К концу XIX в. цитологи располагали почти исчерпывающими знаниями о морфологической стороне митоза. Дальнейшее пополнение данных о клеточном делении шло главным образом за счет изучения наиболее примитивных организмов.

Был детально изучен процесс деления у прокариотных (не имеющих оформленного ядра) организмов (бактерий), генетически близкий к мнтозу (М. А. Пешков, 1966), а также митоз у простейших (И. Б. Райков, 1967), где были найдены крайне своеобразные формы этого процесса. У высших организмов морфологическое изучение митоза шло в основном по линии исследования этого процесса в динамике на живых объектах с помощью микрокиносъемки. В этом отношении большое значение имели работы А. Байера и Дж. Моле-Байер (1956, 1961), выполненные на клетках эндосперма некоторых растений.

Однако подавляющее большинство работ XX в. касалось физиологии клеточного деления, и именно в этом разделе проблемы были достигнуты наибольшие успехи. В сущности, неизученным оставался вопрос о причинах и контролирующих факторах митоза. Основоположником этого направления исследований был А. Г. Гурвич.

Уже в монографии «Морфология и биология клетки» (1904) Гурвич высказал мысль, что должны существовать факторы, обусловливающие возникновение митоза, причем они скорее всего связаны с состоянием самой приступающей к делению клетки. Эти пока еще очень общие представления получили развитие в серии дальнейших исследований Гурвича, обобщенных в монографии «Проблема клеточного деления с физиологической точки зрения» (1926). Первым важным теоретическим выводом Гурвича явилось представление о дуализме факторов, вызывающих митоз только при их сочетании. Один из этих факторов (или группа факторов) связан с эндогенными процессами подготовки клетки к делению (фактор возможности или готовности). Другой является экзогенным по отношению к данной клетке (фактор осуществления). Дальнейшие исследования Гурвича были посвящены главным образом изучению второго фактора.

Эксперименты и теоретические рассуждения привели Гурвича в 1923 г. к открытию, что большинство экзотермических реакций как в организме, так и в пробирке сопровождается УФ-излучением. Важнейшим биологическим следствием такого явления оказалась стимуляция клеточных делений, почему эти лучи получили название митогенетических, т. е. вызывающих митозы. В течение последующих лет Гурвичем (1948, 1959) и его сотрудниками было выполнено большое число исследований, посвященных проблеме митогенетического излучения. Стимулирующее влияние излучения было выяснено на самых разнообразных объектах - от бактерий и дрожжевых грибков до зародышей и клеток культуры ткани млекопитающих (А. А. Гурвич, 1968).

В первой четверти XX в. стали накапливаться данные относительно влияния на митоз внешних воздействий - лучистой энергии, различных химических веществ, температуры, концентрации водородных ионов, электрического тока и т. д. Особенно много исследований было выполнено на культуре ткани. В настоящее время установлено, что митотическое деление является следствием длинной цепи причин.

В противоположность цитологии начального периода, которая уделяла основное внимание самому митозу, современная цитология гораздо больше интересуется интерфазой. Пользуясь терминологией Гурвича, можно сказать, что сейчас на первом плане стоит изучение факторов готовно-

сти, обеспечивающих возможность вступления клетки в деление.

Это стало возможным благодаря новым методам исследования, в первую очередь благодаря радиоавтографии.

А. Говард и С. Пелк (1951) предложили весь митотический цикл разбить на четыре периода: постмитотический, или пресинтетический (Gi); синтетический (S), во время которого происходит репликация ДНК; постсинтетический, или премитотический (G2); и, наконец, митоз (М). Накоплен большой фактический материал по продолжительности у самых различных организмов отдельных периодов и всего митотического цикла в целом в норме и при воздействии разнообразных внешних и внутренних факторов - лучистой энергии, вирусов, гормонов и т. д.

Ряд исследований (М. Суонн, 1957, 1958) посвящен энергетике клеточного деления, и хотя многие детали остаются еще невыясненными, стало очевидным, что важная роль принадлежит в этом отношении макро- эргическим соединениям, в частности АТФ. Это вещество не только участвует в подготовке клетки к делению, но, по данным Г. Гофман- Берлинга (1959, 1960), ответственно за механические процессы, лежащие в основе расхождения хромосом к полюсам.

В выяснении механизма различных этапов клеточного деления особенно большую роль сыграли работы американского исследователя Д. Мезия (1961), изучавшего различные стороны физиологии митоза, в особенности роль митотического аппарата, осуществляющего самый процесс деления. Созданы различные представления о механизме разделения клеточного тела и о физико-химических изменениях клеток при делении. Изучение хромосом выросло в самостоятельную область исследований, которая оказалась органически связанной с генетикой и дала начало цитогенетике.

Наряду с изучением отдельных митозов значительное число исследований было посвящено выяснению закономерностей митотической актив ности тканей, в частности изучению зависимости клеточной пролиферации от физиологического состояния организма и влияния различных эндогенных и экзогенных факторов.

Первые исследования такого характера были выполнены на растительных объектах в самом начале XX в. в связи с изучением периодичности биологических процессов (А. Льюис, 1901; В. Келликот, 1904). В 20-х годах появился ряд фундаментальных исследований, посвященных суточному ритму клеточных делений в проростке растений (Р. Фризнер, 1920; М. Столфелд, 1921). В 30-40-х годах была проведена серия исследований (А. Карлетон, 1934; Ч. Блюменфельд, 1938, 1943; 3. Купер, Г. Франклин, 1940; Г. Блюменталь, 1948; и др.), в которых изучалась митотическая активность в очагах клеточного размножения различных лабораторных животных. Значительно меньше таких работ выполнено на очагах клеточного размножения человека (3. Купер, А. Шифф, 1938; А. Бродерс, В. Дублин, 1939; и др.).

В СССР первое исследование по влиянию на митотический режим физиологических факторов было опубликовано в 1947 г. Г. К. Хрущовим. Начиная с 50-х годов интерес к проблеме митотического режима организма значительно возрос (С. Я. Залкинд, И. А. Уткин, 1951; С. Я. Залкинд, 19,54, 1966; В. Н. Доброхотов, 1963; И. А. Алов, 1964; и др.). Наиболее полно был изучен суточный ритм митотической активности у млекопитающих.

Первые попытки проанализировать механизмы, регулирующие митотическую активность, были предприняты в 1948 г. английским исследователем В. Буллоу. Советские цитологи (JI. Я. Бляхер, 1954; И. А. Уткин, 1959; Г. С. Стрелин, В. В. Козлов, 1959) уделили большое внимание ней- рогуморальной регуляции митотической активности, установив рефлекторный характер регуляции клеточных делений. Оказалось, что воздействие на нервную систему влияет опосредованно - через сдвиг гормонального равновесия. Выяснилось также, что при этом резко усиливается секреция адреналина, тормозящего митотическую активность. Удаление надпочечников приводит к выключению эффекта торможения митозов (А. К. Рябуха, 1955, 1958). Ряд исследований посвящен изучению сложных взаимоотношений между митотической и физиологической активностью организма (С. Я. Залкинд, 1952; И. А. Алов, 1964).

Повышение интереса к проблеме митотических циклов и широкое применение радиоавтографии привело к тому, что в настоящее время подавляющее большинство работ посвящено изучению закономерностей митотического цикла, анализу закономерностей перехода из одного периода в другой, влиянию на митоз разнообразных эндогенных и экзогенных факторов. Это, несомненно, одно из наиболее перспективных направлений в изучении проблемы клеточной пролиферации (О. И. Епифанова, 1973).

Цитология наследственности

В первой половине XX в. в связи с расцветом генетики интенсивно разрабатывались цитологические проблемы, касающиеся наследственности. Так возникла новая область цитологии - кариология.

Пионером кариологических исследований был русский ботаник

С. Г. Навашин. Навашин по справедливости может быть назван создателем цитогенетики, не случайно первый период в развитии этой науки часто называют «русским» или «навашинским». Уже в классических работах по эмбриологии растений, в особенности по цитологии оплодотворения (1898), он сосредоточил свое внимание на морфологии хромосом в клетках некоторых лилейных, в частности, конского гиацинта (Galtonia candicans). В 1916 г. Навашин опубликовал работу, в которой привел тщательное описание хромосомного набора этого растения. Ему удалоеь найти на хромосоме (в центре или на ее полюсе) особый неокрашенный участок (названный им «хроматическим перерывом»), именуемый сейчас центромерой или кинетохором, в области которого хромосома при- .крепляется к веретену. Центромерам принадлежит чрезвычайно важная роль в процессе расщепления хромосом и их расхождения к полюсам делящейся клетки. Навашин впервые показал, что строение хромосом вовсе не является неизменным, но подвержено изменениям в филогенезе и при некоторых особых условиях существования (например, в клетках семян при их длительном хранении). На ряде растительных объектов (Crepis, Vicia, Muscari и др.) ученики Навашина показали, что ка- риолотический анализ может быть использован для филогенетических выводов. Несколько позже начались кариологические исследования на клетках животных и человека. В этих работах также участвовал Навашин. Уже после его смерти, в 1936 г., была опубликована работа, посвященная уменьшению (диминуции) хроматина при развитии яйца лошадиной аскариды, подтвердившая выводы Т. Бовери (1910).

Обстоятельные кариологические работы были выполнены ъ 20-30-х годах советским цитологом П. И. Живаго. Он и его сотрудники исследовали кариотип домашних птиц (куры, индейки; 1924, 1928), мелкого рогатого скота (1930) и человека (1932). Живаго не только выяснил ряд карио- типов, но и начал разработку вопроса о постоянстве числа хромосом в пределах одного организма. На основании литературных данных (по двукрылым) и исследования ряда объектов (эму, нанду, человек) Живаго (1934) пришел к заключению, что в отдельных клетках и целых тканях (особенно у эмбрионов) наблюдаются значительные колебания в числе хромосом. Он придавал этим различиям большое значение, так как они ведут к изменению генома, а следовательно, и наследственных свойств организма. Он высказывал также предположение, что наличие клеток с различным числом хромосом может иметь приспособительное значение, так как увеличивает возможные- варианты кариотипов для последующего отбора. Эта точка зрения, высказанная свыше 30 лет тому назад, разделяется в настоящее время многими исследователями.

Большую роль в развитии рассматриваемого направления сыграла книга К. Белара «Цитологические основы наследственности» (1928, русский перевод 1934). Разделу, посвященному связи хромосом с наследственностью, предшествуют собственно цитологические главы, содержащие данные о строении ядра и цитоплазмы, о клеточном делении, оплодотворении и созревании половых клеток, о партеногенезе. Очень детально и в сравнительном аспекте рассматривается строение хромосом не только у высших позвоночных, но и у беспозвоночных, простейших и растений. Содержатся ценные данные, касающиеся индивидуальности и изменчивости хромосом, обмена фрагментами при кроссинговере, диминуции хроматина, патологии митоза. Книга Белара в течение долгого времени оставалась лучшей монографией по цитологии наследственности.

Постепенно, в связи с интенсивным развитием генетики, цитология наследственности превратилась в цитогенетику, история которой кратко изложена вместе с историей генетики (см. главы 13 и 24). Во второй половине XX в. возникло несколько совершенно новых, весьма перспективных направлений исследований.

В первую очередь следует назвать цитоэкологию, изучающую роль клеточного уровня организации в приспособлении организма к условиям среды. В СССР это направление, тесно связанное с биохимией клетки и особенно с изучением свойств клеточных белков, получило широкое развитие в работах В. Я. Александрова и Б. П. Ушакова.

За последние 10-20 лет большое внимание привлекает изучение общей физиологии клетки и, в частности, закономерностей синтеза и расходования веществ, как участвующих в основных жизненных процессах, так и являющихся ее специфическими продуктами (секреты). К этому же кругу вопросов относится изучение восстановительных процессов в клетке, т. е. физиологической регенерации, обеспечивающей восстановление разрушенных или утраченных клеточных структур и веществ и совершающейся на молекулярном уровне.

Большое значение в цитологии приобрели проблемы детерминации, дифференциации и дедифференциации клеток. Они играют важную роль в эмбриональных клетках и различных категориях клеток, культивируемых вне организма (А. Де-Рейк, Дж. Найт, 1967; С. Я. Залкинд, Г. Б. Юровская, 1970).

Своеобразный раздел цитологии составила цитопатология - область, пограничная с общей патологией и сделавшая значительные успехи в последние десятилетия XX в. Термин «цитопатология» используется для обозначения отрасли биологии, в которой изучение общепатологических процессов ведется на клеточном уровне, и как система знаний о патологических изменениях отдельной клетки. Что касается первого направления, то после классических работ Р. Вирхова попытки свести сущность патологического процесса к изменению микроскопических и суб- микроскопических структур предпринимались неоднократно. Много примеров подобного использования цитологического анализа для понимания патологических процессов в организме содержится в работах Р. Камерона (1956, 1959).

Второе направление может рассматриваться как чисто цитологическое. Оно ставит своей целью изучение патологии самой клетки и ее органоидов, т. е. морфологических, биохимических и физиологических отклонений от нормы, наблюдаемых при происходящих в клетке различных патологических процессах, независимо от их влияния на состояние ткани, органа или всего организма. Развитие этого направления связано прежде всего с накоплением данных об изменении клеток, происходящем вследствие их естественного старения, а также различных резких цитопатологических изменений, наблюдаемых при воздействии тех или иных неблагоприятных факторов (физических, химических, биологических) внешней среды. Особенно значительное развитие получило изучение патологических изменений под влиянием неблагоприятных воздействий на клетку в эксперименте и исследование механизма действия таких факторов. Эти исследования получили широкое развитие в первую очередь в радиобиологии, где всестороннее изучение реакции клетки на воздействие лучистой энергии возможно не только на клеточном или субклеточном, но и на молекулярном уровне.

У одноклеточных организмов, таких как дрожжи, бактерии или простейшие, отбор благоприятствует тому, чтобы каждая отдельная клетка росла и делилась как можно быстрее. Поэтому скорость деления клеток обычно лимитируется только скоростью поглощения питательных веществ из окружающей среды и переработки их в вещество самой клетки. В отличие от этого у многоклеточного животного клетки специализированы и образуют сложное сообщество, так что главная задача здесь - выживание организма, а не выживание или размножение отдельных его клеток. Для того чтобы многоклеточный организм выжил, некоторые его клетки должны воздержаться от деления, даже если нет недостатка в питательных веществах. Но когда возникает надобность в новых клетках, например при репарации повреждения, ранее не делившиеся клетки должны быстро переключаться на цикл деления; а в случаях непрерывного «износа» ткани скорости новообразования и отмирания клеток всегда должны быть сбалансированы. Поэтому здесь должны существовать сложные регуляторные механизмы более высокого уровня, чем тот, который действует у таких простых организмов, как дрожжи. Этот раздел и посвящен такому «социальному контролю» на уровне отдельной клетки. В гл. 17 и 21 мы познакомимся с тем, как он функционирует в многоклеточной системе для поддержания и обновления тканей тела и какие его нарушения происходят при раке, а в гл. 16 увидим, как еще более сложная система управляет клеточным делением в процессах индивидуального развития.

13.3.1. Различия в частоте деления клеток обусловлены разной длительностью паузы после митоза

Клетки человеческого тела, число которых достигает 1013, делятся с весьма разными скоростями. Нейроны или клетки скелетной мышцы не делятся совсем; другие, например клетки печени, обычно делятся только раз в один или два года, а некоторые эпителиальные клетки кишечника,

Рис. 13-22. Деление и миграция клеток в эпителиальной выстилке тонкой кишки мыши. Все клеточные деления происходят только в нижней части трубчатых впячиваний эпителия, называемых криптами. Новообразованные клетки перемешаются вверх и образуют эпителий кишечных ворсинок, где они осуществляют переваривание и всасывание питательных веществ из просвета кишки. Большая часть эпителиальных клеток имеет короткий период жизни и слущивается с кончика ворсинки не позднее чем через пять дней после выхода из крипты. Однако кольцо примерно нз 20 медленно делящихся «бессмертных» клеток (их ядра выделены более темным цветом) остаются связанными с основанием крипты.

Эти так называемые стволовые клетки дают при делении две дочерние клетки: в среднем одна из них остается на месте и далее снова функционирует как недифференцированная стволовая клетка, а другая мигрирует наверх, где дифференцируется и входит в состав эпителия ворсинки. (С изменениями из С. S. Pptten, R. Schofield, L G. Lajtha, Biochim. Biophys. Acta 560: 281-299, 1979.)

чтобы обеспечить постоянное обновление внутренней выстилки кишки, делятся чаще чем два раза в сутки (рис. 13-22). Большинство клеток позвоночных располагается где-то в этих временных пределах: они могут делиться, но обычно делают это не так часто. Почти все различия в частоте деления клеток обусловлены разницей в длине промежутка между митозом и S-фазой; медленно делящиеся клетки останавливаются после митоза на недели и даже годы. Наоборот, время, за которое клетка проходит ряд стадий от начала S-фазы до окончания митоза, очень коротко (у млекопитающих обычно от 12 до 24 ч) и удивительно постоянно, каким бы ни был интервал между последовательными делениями.

Время нахождения клеток в непролиферирующем состоянии (так называемой фазе G0) меняется в зависимости не только от их типа, но и от обстоятельств. Половые гормоны побуждают клетки в стенке матки быстро делиться на протяжении нескольких дней в каждом менструальном цикле, чтобы замещать ткань, утраченную при менструации; потеря крови стимулирует пролиферацию предшественников кровяных клеток;

повреждение печени заставляет выжившие клетки этого органа делиться раз или два в сутки, пока не будет возмещена потеря. Точно так же эпителиальные клетки, окружающие рану, приступают к усиленному делению для восстановления поврежденного эпителия (рис. 13-23).

Для регулирования пролиферации клеток каждого типа в соответствии с потребностью существуют тщательно отлаженные и высокоспецифичные механизмы. Однако, хотя важность такой регуляции

Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К. Уотсон Дж. Д. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. 2-е изд. перераб. и доп. Т. 2.: Пер. с англ. – М.: Мир, 1993. – 539 с.

Рис. 13-23. Пролиферация клеток эпителия в ответ на ранение. Эпителий хрусталика повреждали с помощью иглы и спустя определенное время добавляли 3Н-тимидин для мечения клеток в фазе S (выделены цветом); затем вновь фиксировали и приготовляли препараты для р.диоавтографии. На схемах слева участки с клетками в фазе S выделены цветом, а с клетками в фазе М - отмечены крестиками; черное пятно в центре - место нанесения раны. Стимуляция клеточного деления постепенно распространяется от раны, вовлекая в деление покоящиеся клетки в фазе G0, я это приводит к необычно сильной реакции на относительно малое повреждение. На 40-часовом препарате клетки, далеко отстоящие от раны, вступают в фазу S первого цикла деления, тогда как клетки около самой раны вступают в S-фазу второго цикла деления. Рисунок справа соответствует участку, заключенному на схеме слева в прямоугольник; он сделан по фотографии 36-часового препарата, окрашенного для выявления клеточных ядер. (По С. Harding, J. R. Reddan, N.J. Unakar, M. Bagchi, Int. Rev. Cytol. 31: 215-300, 1971.)

очевидна, ее механизмы трудно анализировать в сложном контексте целого организма. Поэтому детальное изучение регуляции клеточного деления обычно проводят на культуре клеток, где легко изменять внешние условия и длительное время наблюдать за клетками.

13.3.2. Когда условия для роста становятся неблагоприятными, клетки животных, так же как и дрожжевые клетки, останавливаются в критической точке в G1 - в точке рестрикции

При изучении клеточного цикла in vitro в большинстве случаев используются стабильные клеточные линии (разд. 4.3.4), способные размножаться неопределенно долго. Это линии, специально отобранные для поддержания в культуре; многие из них - так называемые нетрансформированные клеточные линии - широко используются в качестве моделей пролиферации нормальных соматических клеток.

Фибробласты (такие, как различные типы мышиных клеток ЗТЗ) обычно делятся быстрее, если расположить их в культуральной чашке не слишком плотно и использовать культуральную среду, богатую питательными веществами и содержащую сыворотку - жидкость, получаемую при свертывании крови и очищенную от нерастворимых сгустков и кровяных клеток. При нехватке каких-либо важных питательных веществ, например аминокислот, или при добавлении в среду ингибитора белкового синтеза клетки начинают вести себя примерно так же, как описанные выше дрожжевые клетки при недостатке питания: средняя продолжительность фазы Gt возрастает, но на остальной части клеточного цикла все это почти не сказывается. Как только клетка прошла через G1, она уже неизбежно и без задержки проходит фазы S, G2 и М независимо от условий среды. Эту точку перехода в поздней фазе G1 часто называют точкой рестрикции (R), потому что именно здесь клеточный цикл еще может приостановиться, если внешние условия препятствуют его продолжению. Точка рестрикции соответствует точке старта в клеточном цикле дрожжей; так же как и у дрожжей, она может отчасти служить механизмом, регулирующим размеры клетки. Однако у высших эукариот ее функция более сложна, чем у дрожжей, и в фазе G 1 может быть несколько слегка различающихся точек рестрикции, связанных с различными механизмами контроля клеточной пролиферации.

Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К. Уотсон Дж. Д. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. 2-е изд. перераб. и доп. Т. 2.: Пер. с англ. – М.: Мир, 1993. – 539 с.

Рис. 13-24. Разброс величин длительности клеточного цикла, наблюдаемый обычно в гомогенной популяции клеток in vitro. Такие данные получают, наблюдая отдельные клетки под микроскопом и прямо отмечая время между последовательными делениями.

13.3.3. Длительность цикла пролиферирующих клеток, по-видимому, имеет вероятностный характер

Индивидуальные клетки, делящиеся в культуре, можно непрерывно наблюдать с помощью цейтраферной киносъемки. Такие наблюдения показывают, что даже у генетически идентичных клеток длительность цикла весьма изменчива (рис. 13-24). Количественный анализ показывает, что время от одного деления до следующего содержит случайно меняющуюся компоненту, причем изменяется она главным образом за счет фазы G1. По-видимому, по мере того как клетки приближаются к точке рестрикции в GJ (рис. 13-25), они должны некоторое время «выждать», прежде чем перейти к оставшейся части цикла, причем для всех клеток вероятность в единицу времени пройти точку R примерно одинакова. Таким образом, клетки ведут себя подобно атомам при радиоактивном распаде; если в первые три часа через точку R прошла половина клеток, в следующие три часа через нее пройдет половина оставшихся клеток, еще через три часа - половина тех, что останутся, и т. д. Возможный механизм, объясняющий такое поведение, был предложен ранее, когда речь шла об образовании активатора S-фазы (разд. 13.1.5). Однако случайные изменения длительности клеточного цикла означают, что первоначально синхронная клеточная популяция через несколько циклов утратит свою синхронность. Это неудобно для исследователей, но может быть выгодно для многоклеточного организма: в противном случае большие клоны клеток могли бы проходить митоз одновременно, а поскольку клетки во время митоза обычно округляются и утрачивают прочную связь друг с другом, это серьезно нарушало бы целостность ткани, состоящей из таких клеток.

Деление клеток играет большую роль в процессах онтогенеза. Во-первых, благодаря делению из зиготы, которая соответствует одноклеточной стадии развития, возникает многоклеточный организм. Во-вторых, пролиферация клеток, происходящая после стадии дробления, обеспечивает рост организма. В-третьих, избирательному размножению клеток принадлежит заметная роль в обеспечении морфогенетических процессов. В постнатальном периоде индивидуального развития благодаря клеточному делению осуществляется обновление многих тканей в процессе жизнедеятельности организма, а также восстановление утраченных органов, заживление ран.

Зигота, бластомеры и все соматические клетки организма, за исключением половых клеток, в периоде созревания гаметогенеза делятся митозом. Клеточное деление как таковое является одной из фаз клеточного цикла. От продолжительности интерфазы (G­ 1 + S + G 2 -периоды) зависит частота последовательных делений в ряду клеточных поколений. В свою очередь интерфаза имеет разную продолжительность в зависимости от стадии развития зародыша, локализации и функции клеток.

Так, в периоде дробления эмбриогенеза клетки делятся быстрее, чем в другие, более поздние периоды. Во время гаструляции и органогенеза клетки делятся избирательно в определенных областях зародыша. Замечено, что там, где скорость клеточного деления высокая, происходят и качественные изменения в структуре эмбриональной закладки, т.е. органогенетические процессы сопровождаются активным размножением клеток. Показано, что растяжение клеток при их движении стимулирует клеточное деление. В сформировавшемся организме некоторые клетки, например нейроны, вообще не делятся, в то время как в кроветворной и эпителиальной тканях продолжается активное размножение клеток. Клетки некоторых органов взрослого организма в обычных условиях почти не делятся (печень, почка), но при наличии стимула в виде воздействия гормональных или внутритканевых факторов, часть из них может вступить в деление.

При изучении расположения делящихся клеток в тканях обнаружено, что они группируются гнездами. Само по себе деление клеток не придает эмбриональному зачатку определенной формы, и нередко эти клетки располагаются беспорядочно, но в результате последующего их перераспределения и миграции зачаток приобретает форму. Так, например, в зачатке головного мозга деление клеток сосредоточено исключительно в том слое стенки, который прилежит к полости невроцеля. Затем клетки передвигаются из зоны размножения к наружной стороне пласта и образуют ряд выпячиваний, так называемых мозговых пузырей. Таким образом, клеточное деление в эмбриогенезе носит избирательный и закономерный характер. Об этом же свидетельствует открытая в 60-х годах суточная периодичность количества делящихся клеток в обновляющихся тканях.

В настоящее время известен ряд веществ, которые побуждают клетки к делению, например фитогемагглютинин, некоторые гормоны, а также комплекс веществ, выделяющихся при повреждении тканей. Открыты также и тканеспецифичные ингибиторы клеточного деления - кейлоны. Их действие заключается в подавлении или замедлении скорости деления клеток в тех тканях, которые их вырабатывают. Например, эпидермальные кейлоны действуют только на эпидермис. Будучи тканеспецифичными, кейлоны лишены видовой специфичности. Так, эпидермальный кейлон трески действует и на эпидермис млекопитающего.

За последние годы установлено, что многие структуры зародыша образуются клетками, происходящими от небольшого числа или даже одной клетки. Совокупность клеток, являющихся потомками одной родоначальной клетки, называют клоном. Показано, например, что большие по объему участки центральной нервной системы формируются из определенных клеток раннего зародыша. Пока не ясно, в какой именно срок происходит отбор родоначальных клеток, каков механизм этого отбора. Важным следствием такой селекции является то, что многим клеткам раннего зародыша не суждено участвовать в дальнейшем развитии. В опытах на мышах показано, что организм развивается всего из трех клеток внутренней клеточной массы на стадии, когда бластоциста состоит из 64 клеток, а сама внутренняя клеточная масса содержит примерно 15 клеток. Клональные клетки могут быть причиной мозаицизма, когда большие группы клеток отличаются по набору хромосом или аллельному составу.

По-видимому, количество циклов клеточных делений в ходе онтогенеза генетически предопределено. Вместе с тем известна мутация, изменяющая размеры организма за счет одного дополнительного клеточного деления. Это мутация gt (giant), описанная у Drosophila melanogaster. Она наследуется по рецессивному сцепленному с полом типу. У мутантов gt развитие протекает нормально на протяжении всего эмбрионального периода. Однако в тот момент, когда нормальные особи окукливаются и начинают метаморфоз, особи gt продолжают оставаться в личиночном состоянии еще дополнительно 2-5 сут. За это время у них происходит одно, а может быть, и два дополнительных деления в имагинальных дисках, от количества клеток которых зависит размер будущей взрослой особи. Затем мутанты образуют куколку вдвое крупнее обычной. После метаморфоза несколько удлиненной по времени стадии куколки на свет появляется морфологически нормальная взрослая особь удвоенного размера.

У мышей описан ряд мутаций, обусловливающих снижение пролиферативной активности и следующие за этим фенотипические эффекты. К ним относят, например, мутацию or (ocular retardation), затрагивающую сетчатку глаза начиная с 10-х суток эмбрионального развития и приводящую к микрофтальмии (уменьшению размеров глазных яблок), и мутацию tgia, затрагивающую центральную нервную систему с 5-6-х суток после рождения и приводящую к отставанию роста и атрофии некоторых внутренних органов.

Таким образом, деление клеток является чрезвычайно важным процессом в онтогенетическом развитии. Оно протекает с разной интенсивностью в разное время и в разных местах, носит клональный характер и подвержено генетическому контролю. Все это характеризует клеточное деление как сложнейшую функцию целостного организма, подчиняющегося регулирующим влияниям на различных уровнях: генетическом, тканевом, онтогенетическом.