Термины и понятия: клеточная дифференциация; тотипо- тентность; стволовые клетки; клеточная терапия; регенерация; клонирование; близнецы; эмбриотехнологии.
Понятие тотипотентности. Как вам хорошо известно, любой организм, состоящий из миллиардов и триллионов разнообразно функционирующих и внешне совсем не похожих клеток, происходит от одной оплодотворённой яйцеклетки — зиготы. Это значит, что из одной неспециализированной очень крупной клетки вначале путём дробления образуются сотни и тысячи таких же неспециализированных, но только гораздо более мелких клеток. Затем по мере последующих делений постепенно изменяются форма и размеры клеток, и они начинают специализироваться. Из них образуются зародышевые листки, в которых происходит дальнейшая специализация клеток, в результате чего формируются те или иные органы тела и получается многоклеточный организм.
Все эти последовательные этапы индивидуального развития являются следствием клеточной дифференциации — образования из одной общей родительской клетки огромного количества разнообразных по строению и функциям так называемых специализированных клеток. В основе этого процесса лежит механизм реализации наследственной информации, заключающийся в том, что на разных этапах развития организма в тех или иных его клетках активны разные группы генов.
Свойство зиготы или других клеток давать начало новому организму называют тотипотентностью (от лат. тотус — весь, целый, потентиа — сила, мощь). Дело в том, что они не просто имеют полный набор генетического материала (им располагает каждая неполовая клетка организма), но в отличие от остальных соматических клеток взрослого организма, у которых одни гены активны и на них идёт синтез иРНК, а другие репрессированы, в них все гены сохраняют потенциальную активность. Это состояние клеток, например у млекопитающих, остаётся неизменным до стадии морулы (вспомните, сколько клеток у зародыша на стадии морулы), а у многих просто организованных многоклеточных животных и некоторых растений даже во взрослом состоянии организма клетки сохраняют тотипотентность.
Именно из тотипотентности клеток возникает способность некоторых организмов к вегетативному размножению. Причём именно его возможность у разных групп организмов доказывает, что в каждой клетке тела хранится весь генетический материал. Вегетативное размножение обычно присуще грибам, водорослям и многим видам семенных растений, среди которых проявляется в разных формах (вспомните способы вегетативного размножения цветковых растений). У животных размножение частями своего тела в природных условиях встречается только у довольно низкоорганизованных существ — губок, кишечнополостных, плоских и некоторых многощетинковых червей.
Стволовые клетки. На стадии бластулы клетки зародышей млекопитающих теряют свойство тотипотентности, превращаясь в плюропотентные (от лат. pluralis — множественный и потенция). Такие клетки ещё сохраняют способность пойти по тому или иному пути развития, из них могут формироваться разные клетки, ткани и органы, но новый организм из них образоваться уже не может. Интересно, что немногочисленные плюропотентные клетки сохраняются и во взрослом организме человека. Называются они стволовыми клетками (поскольку являются как бы стволом, из которого вырастают разнообразные клетки всего организма). Именно из них постоянно образуются клетки, необходимые для обновления организма. Стволовые клетки, в отличие от остальных клеток организма человека, могут делиться бесконечно долго (информация к размышлению: клетки эпителиальной ткани могут делиться не более 50—55 раз). При этом одна из дочерних клеток остаётся стволовой, а вторая дифференцируется, .превращаясь в функционирующую клетку, например лимфоцит или эритроцит. За счёт этого, в частности, и происходит постоянное обновление клеточного состава крови. Не случайно термин «стволовая клетка» в 1908 г. впервые применил к кроветворным клеткам русский гистолог Александр Александрович Максимов (1874—1928). Однако, как сейчас выяснилось, функции их в организме гораздо шире, чем образование форменных элементов крови. Из стволовых клеток может образоваться любая из примерно 350 типов клеток организма человека.
Стволовые клетки в тканях человеческого эмбриона встречаются одна на 10 тысяч обычных клеток, а у пожилого человека в возрасте 60—80 лет — одна на девять миллионов. Именно поэтому так медленно у пожилых людей происходят восстановительные процессы. Большинство делящихся клеток взрослого организма относятся к унипотентным (от лат. уникус — единый в своём роде и потенция), так как способны развиваться в клетки одного какого-либо типа. К этой группе относятся, например, клетки, из которых образуются сперматозоиды.
В настоящее время использование стволовых клеток или их продуктов в медицине, получившее название клеточной терапии, считается перспективным способом преодоления последствий многих очень тяжёлых болезней: злокачественных новообразований, нарушений функций иммунной системы, патологий обмена веществ и других. При этом их роль заключается не в лечении как таковом, а в восстановлении функций костного мозга, крови и иммунной системы пациента после проведения лечения.
Оптимистически настроенные исследователи даже считают, что из стволовых клеток со временем можно будет создавать ткани и даже выращивать целые органы для использования трансплантатов взамен донорских органов. Выращенные из клеток самого пациента, трансплантаты не будут отторгаться иммунной системой.
Вместе с тем массовое применение стволовых клеток вызывает и определённые опасения. Дело в том, что при клеточной терапии в организм человека вводят тысячи клеток, способных к бесконечному числу делений, а ведь именно таким свойством характеризуются раковые клетки. Поэтому возникает опасение, что «лечение» стволовыми клетками не только омолаживает организм или стимулирует иммунитет, но и может привести к возникновению онкологических заболеваний. Кроме того, получение стволовых клеток связано с использованием человеческих органов. Всё это вместе налагает серьёзные моральные, а во многих странах и юридические ограничения на манипуляции со стволовыми клетками.
Регенерация как следствие тотипотентности клеток В каждом организме на протяжении всей жизни идут процессы обновления или восстановления частей или органов тела. У человека, например, постоянно возрождается наружный слой кожи. Птицы и млекопитающие линяют, пернатые сбрасывают перья и отращивают новые, а звери меняют шерстный покров. У листопадных деревьев листья осенью опадают, а весной вырастают новые. Все животные и растения могут заживлять раны и таким образом устранять последствия травм, а некоторые способны даже заново в полном объёме «отстраивать» утраченные органы. Все эти процессы, связанные с восстановлением организмом тела, называют регенерацией (от лат. регенерацио — возрождение, возобновление).
Чем проще по своему строению организм, тем больше у него выражена способность к регенерации. Так, гидра или планария могут не только с лёгкостью восстановить утраченные органы, но и решить обратную задачу — возродить организм из крохотной частицы тела (вспомните, почему гидра полупила своё название). Таким же свойством обладают и многие виды растении. Бегония может восстановить целое растение из кусочка листа, а роза или смородина — превратиться в куст из небольшого черенка (побега с двумя-тремя листочками).
Позвоночные животные такими феноменальными способностями не обладают, однако могут восстанавливать некоторые части тела. Рыбы без проблем регенерируют плавники или чешую, хвостатые амфибии — конечности (рис. 100), а ящерицы — хвост. У млекопитающих способность к регенерации не утратили только ткани, в которых постоянно происходят клеточные деления, — соединительная и эпителиальная. Поэтому у человека регенерирует кожа и печень, срастаются кости, но вырастить не то, чтобы ногу, но и даже новый палец не удаётся.
Рис. 100. Постепенная регенерация конечности аксолотля.
Клонирование в природе. Клонирование (от греч. клон — побег, отпрыск) — процесс получения генетически идентичного потомства путём бесполого размножения или партеногенезом — достаточно часто встречается в природе. Присущ почти всем одноклеточным организмам, у которых отсутствует половой процесс, вегетативно размножающимся или партеногенетическим растениям и животным, у которых не бывает самцов. Развитие новых организмов начинается с неоплодотворённых яйцеклеток, которые образуются с нарушениями мейоза, а потому диплоидны или триплоидные.
Но природа многогранна, и потому даже у млекопитающих, в частности у человека, в редчайших случаях может происходить бесполое размножение и клонирование. Таким исключением являются однояйцевые близнецы, которые развиваются из одной оплодотворённой зиготы — их ещё называют монозиготными. Генетически они абсолютно идентичны, относятся к одному полу, а значит, по всем критериям могут считаться клонированными организмами. Чаще рождается два однояйцевых близнеца, реже три, ещё реже четыре и так до шести — чем не клоны? Причиной образования монозиготных близнецов является спонтанное разделение зародыша на первых этапах дробления на части, из которых образуется плод. Однако в 75 % случаев близнецы людей — разнояйцевые (полизиготные), поскольку происходят от разных зигот. Они могут быть одного или разных полов, а по своему генетическому составу быть идентичными в среднем на 50 %.
Искусственное клонирование. В настоящее время микрохирургическая техника достигла таких высот, что без особого труда удаётся разделить дробящийся эмбрион млекопитающего на несколько частей, из которых вырастить новые организмы.
Для этого следует проделать несколько операций. Вначале эмбрион на ранней стадии развития необходимо извлечь из материнского организма, микрохирургическим путём разделить его на несколько частей, а затем либо подсадить — имплантировать (от лат. им — в и плантаре — сажать) в слизистую оболочку матки, либо в случае отсутствия подходящего реципиента до поры до времени заморозить в жидком азоте при температуре -190 °С. Исследования криобиологов (от греч. криос — холод, мороз, лёд и биология) — учёных, занимающихся вопросами воздействия на организм низких и сверхнизких температур, показали, что при сверхнизких температурах 92 % эмбрионов сохраняют жизнеспособность и их потом можно успешно имплантировать в организм особи женского пола, создав таким образом клон. Разнообразные микрооперации на эмбрионах с последующей их подсадкой в женский организм с целью вырастить новый нормальный организм получили название эмбриотехнологии. Они широко применяются при разведении ценных пород животных, а также в медицине при лечении женского бесплодия.
Впервые искусственное клонирование было осуществлено еще в 50-х годах XX столетия. С этой целью из клеток эпителия кишечника головастика лягушки извлекали ядра, которые дотом подсаживали в яйцеклетки лягушки, из которых предварительно удаляли ядра (рис. 101). Если операция проходила успешно, то яйцеклетки начинали дробиться, из них развивались головастики, в некоторых случаях дораставшие до взрослых лягушек. Однако большинство таких «гибридных» яйцеклеток имели явные аномалии развития и довольно низкую жизнеспособность.
Казалось бы, такие манипуляции с клетками амфибий, которые ныне стали обычными в хорошо оснащённых цитологических лабораториях, можно наладить в значительных масштабах, причём на других объектах, в частности на млекопитающих и человеке. Однако большинство таких попыток и теперь остаются напрасными. Например, пересадка ядра эпителиальной клетки в яйцеклетку млекопитающих с последующим развитием зародыша и его успешным рождением оказалась очень сложной процедурой не только в техническом отношении, но ещё и в биологическом.
Рис.101. Клонирование зелёных лягушек:
1 — неоплодотворённое яйцо; 2 — ультрафиолетовое излучение, которым уничтожают ядро; 3 — головастик; 4 — кишечник головастика; 5 — клетки кишечника; 6 — микропипетка; 7 — ядро клетки кишечника; 8 — яйцо-реципиент; 9 — бластула; 10 — развитие не происходит; 11 — ненормальный эмбрион; 12 — лягушонок.
Дело в том, что геном млекопитающего устроен значительно сложнее, чем геном амфибии, а развитие происходит внутри другого (материнского) организма. Однако и в клонировании млекопитающих есть некоторые успехи. Наиболее успешным случаем получения клонового млекопитающего из ядер соматическной ткани стала овца Долли (рис. 102). Эксперимент выглядел так. К 277 яйцеклеткам были пересажены ядра эпителиальных клеток, извлечёных из вымени этого вида животных. Таким образом получили 29 эмбрионов, один из которых выжил.
Рис. 102. Овца Долли
Как это заманчиво: таким образом получить клон из соматических клеток талантливого человека - гениального музыканта, художника или учёного и создать гениев уровня Леонардо да Винчи, «штамповать» Рафаэлей или Шаляпиных. Но, к сожалению, сегодня это нереально. А многие учёные считают, что невозможно в принципе. Ведь в соматических клетках за период их жизни накапливается столько мутаций, что даже если бы суррогатные матери и выносили детей из клеток гениев, то такие потомки не просто были бы мало похожи на своих гениальных родителей, а, скорее всего оказались бы уродами, которые долго не прожили бы. Как это и случилось с овцой Долли, прожившей всего 6,5 лет.
Для всех многоклеточных организмов характерна регенерация — способность обновлять или восстанавливать части тела после травм. Регенерационные процессы очень легко происходят у низкоорганизованных животных и у большинства растений, у которых соматические клетки могут давать начало новым организмам. Высокоорганизованные животные, в частности позвоночные, способны только восстанавливать некоторые части тела или обновлять клетки отдельных тканей.
Проверьте себя
1. Что такое тотипотентность? 2*. Каковы свойства стволовых клеток? 3. Чем отличаются регенерационные процессы примитивных и высокоорганизованных животных? 4. Как получаются монозиготные близнецы? 5. У каких организмов в природных условиях зазмножение происходит клонированием? б. Что такое искусственное клонирование?
Как вы считаете?
1. Почему соматические клетки млекопитающих в отличие от клеток гидры теряют тотипотентность? 2. Какие моральные проблемы возникают при клонировании человека?