Во время внутриутробного развития строение клеток и особенности их клеточного цикла значительно отличаются от таковых после рождения.
Клетки зародыша являются полипотенгными, то есть способны формировать разные органы и ткани. Они обладают значительной пластичностью. Эмбриональные клетки способны к быстрому делению. Наименее дифференцированной является зигота — одноклеточный зародыш, из которого затем формируется целый организм. В эмбриогенезе происходит ряд важных процессов, в основе которых лежат механизмы развития, обеспечивающие морфогенез.
Морфогенез. Это формирование пространственной ориентации организма и его частей, а также дифференцировка его клеточных и тканевых элементов. В основе морфогенеза лежат следующие важные процессы.
Коммитирование. Это «программирование» на определенное направление развития или дифференцировки генома клетки. Коммитирование происходит во время детерминации или обеспечивает его, являясь механизмом детерминации.
Детерминация. Это процесс выбора клеточной или тканевой системой одного из направлений развития, что сопровождается блокированием генных структур, которые могут контролировать созревание клеток в ту или иную сторону. Морфологически клетки могут не отличаться от родственных популяций, так как эти различия возникают на следующем этапе — дифференцировке.
Выделяют обратимую и необратимую детерминации. При обратимой детерминации программирование клетки не завершено и при изменении условий клетки с одной специализацией могут превращаться в другие, например, при пересадке клеток зоны глазной плакоды в область образования кожи получают кожу, а не хрусталик.
Дифференцировка. Это специализация клетки, заключающаяся в том, что клетка приобретает способность выполнять определенную функцию и иметь специализированные структуры. В ходе дифференцировки у клетки появляется характерная форма, органеллы, набор ферментов, что позволяет морфологически отличить ее от других. Эмбриональные клеточная и тканевая дифференцировки включают несколько периодов.
Оотипическая дифференцировка завершается образованием зиготы. Сущность оотипической дифференцировки заключается в сперматогенезе, оогенезе (овогенезе), слиянии мужской и женской половых клеток (оплодотворении) или партеногенезе.
В ходе сперматогенеза выделяют несколько стадий. В стадию размножения образуются мелкие, малодифференцированные клетки — сперматогонии. Они имеют диплоидный набор хромосом и ДНК. Созревание при сперматогенезе и есть мейоз. Результатом сперматогенеза является образование множества спермиев.
Несколько иначе происходит оогенез. В процессе размножения число будущих половых клеток (оогоний) также возрастает. Затем в процессе роста количество ооцитов I порядка прогрессирующе уменьшается. Созревание женской половой клетки фактически сопровождается изменением ее размеров без увеличения количества клеток. В результате яйцеклетка имеет огромные размеры с высоким содержанием трофических включений в цитоплазме. После оплодотворения образуется зигота — одноклеточный, одноядерный зародыш, способный сформировать сложнейший многоклеточный организм взрослого животного. По сути, это стволовая клетка всего организма.
Во время бластомерной дифференцировки материал будущих зачатков распределен в бластомерах дробящихся зародышей. К концу бластомерной дифференцировки зародыш формирует бластулу. В отличие от зиготы клетки, прошедшие бластомерную дифференцировку, не могут образовать целый зародыш, а лишь его части или внезародышевые органы.
Зачатковая дифференцировка — период формирования зародышевых листков и зачатков осевых органов. Включает в себя гаструляцию — обособление трех зародышевых листков и развитие закладок осевых органов — пресомитный период, или так называемая поздняя гаструляция. В первую стадию гаструляции у птиц и млекопитающих образуются:
эпибласт — поверхностный листок, который является предшественником первичной эктодермы, хордомезодермы и зародышевой энтодермы;
гипобласт — внутренний листок, прилежащий к бластоцели. Из его клеточного материала развивается внезародышевая энтодерма.
Во вторую стадию гаструляции развиваются первичная эктодерма — наружный листок, мезодерма — средний листок и зародышевая энтодерма — внутренний листок.
В позднюю гаструляцию у зародыша позвоночных животных появляется хорда, идет нейруляция — образование нервной трубки, начинает оформляться туловищная складка и первичная кишка (архентерон). Туловищная складка у млекопитающих, в отличие от животных с полилецитальными яйцеклетками (птицы), видна на более ранних стадиях развития. Она отделяет эмбрион от внезародышевых (презумптивных) органов.
Период гистогенеза и органогенеза: гистогенез — дифференцировка зародышевых тканей; органогенез — закладка и формирование органов эмбриона. Период условно подразделяют на две стадии: формирования сомитов и собственно гистогенез и органогенез. Во время этих стадий происходит системогенез — закладка систем органов (нервной, пищеварительной и др.).
Во время стадии формирования сомитов происходит сегментация мезодермы с формированием сомитов. Сомиты — скопления клеток зародыша, формирующиеся из мезодермы и располагающиеся по бокам от нервной трубки. Состоят из сегментированной — тело сомита и несегментированной части — ножки и спланхнотома. Тело сомита образовано дерматомом — закладкой соединительнотканных структур кожи; миотомом — из него развиваются скелетные мышцы; склеротомом — закладкой костных структур осевого скелета. Ножки сомита, или нефротом, — закладка почек. Спланхнотом состоит из висцерального и париетального листков, которые окружают полость — целом. Из спланхнотома образуются серозные оболочки — брюшина, перикард, плевра.
Собственно гистогенез и органогенез — на этой стадии происходит оформление анатомических структур крупных органов, а макроанатомия эмбриона к концу этого периода становится близкой к взрослому организму.
Период клеточной и молекулярной дифференцировки совпадает с плодным периодом и сопровождается первоначальной пролиферацией с последующей дифференцировкой основных клеточных популяций взрослого организма, что обеспечивает жизнеспособность плода после рождения. Характерен такой период для пресмыкающихся, птиц и млекопитающих. В данный период органы достигают такой степени зрелости, что могут обеспечить жизнеспособность плода в условиях внешней среды.
Рост. Это увеличение массы и, как правило, линейных размеров за счет увеличения количества и объема клеток, морфофункциональных единиц органов и т. д. В рост входят два основных процесса — пролиферация и гипертрофия.
Пролиферация — это быстрое митотическое деление малодифференцированных (камбиальных) клеток, которое приводит к увеличению размеров зародыша. Пролиферация наиболее выражена на ранних стадиях внутриутробного развития и сопровождается бурным увеличением размеров зародыша. В поздние сроки скорость пролиферации многих клеточных популяций замедляется, а часто и прекращается. Клетки начинают дифференцироваться.
Гипертрофия — увеличение размеров клеток без увеличения их количества. Возрастают количество органелл, специфическая активность клетки. Примером гипертрофии может служить увеличение размеров кардиомиоцитов после потери ими способности к митотическому делению. Суть различия гипертрофии и пролиферации в том, что количество клеток при гипертрофии не увеличивается, но резко возрастают их размеры, а при пролиферации наоборот. Впрочем, эти процессы могут сочетаться или следовать друг за другом.
Направленная клеточная миграция клеток (иммиграция). Это процесс перемещения клеток из места возникновения в области, где они созревают и функционируют (закладки формируемых ими органов).
Иммиграция лежит в основе развития большого числа органов и систем. Примером иммиграции служат:
перемещение клеток из первичной полоски эпибласта зародыша млекопитающего в пространство между эпибластом и гипобластом с формированием мезодермы и первичной эктодермы;
выселение клеток из эмбриобласта в бластоцель с последующим превращением этих клеток во внезародышевую мезенхиму (малодифференцированную зародышевую соединительную ткань преимущественно мезодермального происхождения, характеризующуюся отростчатыми клетками, рыхло лежащими в гомогенном межклеточном матриксе);
проникновение гонобластов (предшественников половых клеток) из желточного мешка в половые валики (закладки яичек и яичников);
миграция клеток нервного гребня в закладки нервных узлов и мозгового вещества надпочечников;
образование мышечных тканей мимической мускулатуры и мышц конечностей из миотомов сомитов.
Эпиболия как специфический вариант направленного движения клеток представляет собой обрастание одного зародышевого образования другим. Эпиболия возникает в результате ускоренного роста одного зачатка по отношению к другому. Быстро развивающаяся закладка обрастает (окружает) медленно пролиферирующие клетки соседней. Примером эпиболии является вторая стадия гаструляции у земноводных: клетки анимального полюса окружают висцеральный полюс зародыша. У млекопитающих по типу эпиболии происходит формирование эпителия желточного мешка и амниона.
Инвагинация — один из способов направленного движения клеток. Заключается в погружении зачатка одного из органов в структуру второго. Инвагинация как процесс у млекопитающих и птиц лежит в основе закладки некоторых органов и систем: нервной трубки; эктодермальных плакод (впячиваний) закладок внутреннего уха, хрусталика глаза и др.; ротовой бухты и др.
Деляминация — это направленное деление клеток по какой-либо из осей или плоскостей зародыша. Она возникает в результате различий метаболизма и клеточных взаимодействий. Примером деляминации у млекопитающих и человека служит упорядоченное деление внутренней клеточной массы по сагиттальной плоскости эмбриобласта с образованием первых двух зародышевых листков: эпибласта и гипобласта.
Эмбриональная клеточная индукция и межклеточные взаимодействия. В эмбриогенезе клетки взаимодействуют между собой, контролируя развитие. Это взаимодействие предполагает: обмен биологически активными веществами через щелевидные контакты; метаболические взаимодействия; механическое давление и др.
Положение (позиция) клетки в пространственных структурах эмбриона с определенными особенностями ее питания и межклеточных взаимодействий приводит к детерминации этой клетки в том или ином направлении. Такое положение клетки называется морфогенетическим полем.
Например, клетки, краевые и центрально расположенные, эпибласта птиц различаются по характеру питания и оказываемому на них воздействию, в результате они имеют разную скорость деления. Блокируются зоны генома, которые контролируют развитие клеток в различных направлениях. А это ведет к тому, что области эпибласта детерминируются в различных направлениях: разные участки формируют закладки разнообразных органов. Особое значение такая детерминация имеет у хордовых, у которых направление дальнейшей дифференцировки часто не является строго определенным. Если переместить клетки, находящиеся на стадии обратимой детерминации, в другие области зародыша, то его дальнейшее формирование может подвергнуться значительной модификации и сформировать другие клеточные популяции и органы.
Процесс воздействия клеток одного из зачатков (источник) на клетки другого зачатка (мишень), приводящий к коммитированию клеток мишеней в направлении развития той или иной ткани или структуры, называется индукцией.
Клетки-индукторы контролируют и «программируют» развитие индуцируемого органа (мишени).
Весь эмбриогенез — это непрерывная череда индукционных взаимодействий. Впервые индукция была выявлена Гансом Шпеманом на примере индуцирующего влияния хордомезодермы на формирование нервной трубки. Эту индукцию условно называют первичной индукцией. Первичная эмбриональная индукция хордой закладки нервной трубки — это в основном историческое понятие, и индукция как таковая наблюдается у позвоночных уже на стадиях бластомеров, то есть очень рано. Индуцирующее влияние закладки хорды на нервную пластинку обусловлено влиянием биологически активных факторов: ацетилхолина, норадреналина и адреналина, серотонина, а также сложного воздействия метаболических факторов. Межклеточные взаимодействия в эмбриогенезе не ограничиваются только индукцией, а включают в себя сложную гамму связей.
I. Односторонние (как индукция).
II. Реципрокные (двусторонние).
1. Агрегация и адгезия.
2. Активная комплементация биомолекул.
3. Дезадгезия.
4. Переход молекул из одной клетки в другую:
а) односторонний транспорт;
б) двусторонний транспорт.
5. Контактное торможение движения:
а) активно ингибирующая движение клетка;
б) взаимно ингибирующие друг друга клетки.
6. Передача молекул через кровоток:
а) стимулирующее или тормозящее действие эндокринной клетки;
б) действие по принципу обратной связи, когда эффект действия гормона на клетку-мишень вторично тормозит эндокринную клетку.
Генетически запрограммированная гибель клеток. Способ ее реализации — апоптоз. Уже в момент оплодотворения запрограммированная гибель спермиев обеспечивает стимуляцию метаболических процессов в зародыше, и при недостаточном их количестве оплодотворение вообще невозможно. Примерами апоптоза в эмбриогенезе млекопитающих служат: гибель эпителиальных структур межпальцевых промежутков кистей и стоп; гибель части эпителия ротовой бухты перед сращением твердого нёба, а также верхней губы и др.
Нарушения в процессах апоптоза и в других механизмах ведут к врожденным порокам развития — тератогенезу.
У животных разного возраста существуют различные уровни дифференцировки не только органов и тканей, но и клеток. У новорожденных, особенно у незрелородящихся животных (собака, кошка, кролик), даже дифференцированные клетки значительно уступают по степени зрелости и размерам клеткам взрослого. Так, нейроны, кардиомиоциты новорожденных меньше по размерам, степени развития органелл и др., чем у взрослых.
Клетки детенышей грудного возраста значительно более пластичны, легче регенерируют и быстрее делятся. В целом, скорость обменных процессов в раннем возрасте значительно выше, чем во взрослом, анаболизм преобладает над катаболизмом, а пролиферация преобладает над гибелью клеток.
Рецепторный аппарат к гормонам и к другим биологически активным веществам у новорожденных может значительно отличаться от такового в старшем возрасте. Нередко наблюдается сниженная чувствительность клеток к некоторым воздействиям (к соматотропному гормону до момента рождения, к гипоксии) и, наоборот, высокая чувствительность к другим факторам (к половым гормонам). Часть клеток вырабатывает рецепторы, которые у взрослого организма отсутствуют или заменяются, что ведет к различным физиологическим реакциям на воздействие одного и того же вещества у новорожденных в сравнении со взрослыми.
При старении снижается активность анаболических процессов, уменьшается общее число клеток в некоторых популяциях, что компенсируется гипертрофией оставшихся (кардиомиоциты, нейроны). В органах изменяется соотношение клеточных популяций: в нервной системе становится больше глиоцитов по отношению к нейронам; в паренхиматозно-эпителиальных органах увеличивается содержание клеток фибробластического ряда в сравнении с эпителиоцитами.
У старых животных часть органов атрофируется и наблюдаются массовые апоптозы некоторых популяций: половых клеток, гормонопродуцирующих клеток семенников и яичников и др.). При старении уменьшается количество стволовых клеток и снижается их способность к делению. Это характерно для популяций эпителия желудка и кишечника, кроветворных клеток. Встречаются явления дистрофии органов с накоплением избыточного количества веществ, которые в молодом организме встречаются лишь при патологии (липофусцин, гемосидерин, кальцинаты).
В целом, в клетках уменьшается регенераторная способность, катаболические процессы преобладают над анаболическими. Снижается активность части ферментативных процессов, в то время как у других ферментов она повышается, что приводит к дисбалансу обменных процессов. В старческом возрасте нередко изменяется соотношение различных популяций клеток: увеличивается содержание клеток соединительной ткани в сравнении с клетками паренхимы органов.
Если выращивать клетки животных разных сроков индивидуального (онтогенетического) развития, то обнаружится, что клетки одной и той же ткани неодинаковы. Прежде всего они различаются числом возможных делений перед гибелью популяции. Если у зародыша и новорожденного число таких делений максимально, то с возрастом оно прогрессирующе снижается. Все это позволило предположить, что старение соматических клеток происходит не только в целом организме, но и в отдельных клетках и клеточных популяциях.
Причины старения до настоящего времени точно не установлены. Существуют как теории, объясняющие механизмы старения через закономерные изменения регуляции, происходящие в целом организме, так и процессы, происходящие на уровне отдельных клеток. Остановимся лишь на некоторых из них, касающихся отдельных клеток, не рассматривая эти процессы на уровне многоклеточного организма.
Одна из теорий старения указывает на изменения в теломерных зонах ДНК. Это явление сродни 3′-нетраслируемому участку и поли (А)-фрагменту иРНК. Разрушение этих зон иРНК определяет срок ее жизни. Нечто подобное имеется и на хромосомах эукариот. Общая длина теломерных участков ДНК различна и, в частности, у человека составляет около 10…15 тыс. нуклеопротеидов. Замечено, что при каждом делении длина участка уменьшается на 50…100 нуклеопротеидов.
При преждевременном старении укорочение теломер происходит быстрее. Восстановление теломерных участков возможно в половых клетках, после прохождения ими митоза. Поэтому если набор хромосом не прошел мейоза, что наблюдается у животных при клонировании, такой организм стареет гораздо быстрее, чем в норме. Однако теломерные участки ДНК довольно длинные и даже в старческом возрасте возможное число делений далеко не исчерпано.
Еще одна гипотеза указывает на снижение метилированных участков ДНК у клеток старых организмов в сравнении с молодыми. В первую очередь метилируется нуклеотид цитозин. Метилирование ДНК имеет несколько значений. В частности, оно играет роль в регуляции активности генов, репарации поврежденных последовательностей ДНК. С возрастом снижается активность метилаз, что может привести к нарушению как структуры генома, так и его функционирования. Это активизирует процессы апоптоза, ведет к дисбалансу регуляторных систем, гибели клеток. Показано также, что мейоз увеличивает уровень метилирования ДНК.
Следующая из гипотез указывает на накопление мутаций в геноме. Причиной этих нарушений может быть влияние радиации, избыток кислорода (окислительные процессы в молекуле ДНК), действие других мутагенных факторов. Накопление мутаций может активировать процессы апоптоза.
Таким образом, клетки, образующие организм плода, и клетки стареющего организма значительно отличаются между собой как по степени зрелости, так и по способности к делению, содержанию на поверхности рецепторных комплексов, зон активной ДНК, особенностям межклеточных взаимодействий. Такие различия сопровождаются колебаниями в функциональных реакциях на аналогичные воздействия. Так, индифферентные и незначительно изменяющие жизнедеятельность зрелой клетки взрослого организма воздействия могут самым неожиданным образом изменить развитие клеток зародыша. Могут встречаться и парадоксальные реакции, когда введение препарата взрослому и новорожденному сопровождается противоположными функциональными феноменами.