Дифференцировка

Термин дифференцировка (от лат. differentia — различие) был введен для обо­значения процесса приобретения различий между клетками (тканями, органа­ми, системами органов и т.д.). Предполагается, что есть начальное недифферен­цированное состояние, когда наблюдатель не может установить различий между клетками, затем появляются видимые различия клеток и они становятся диф­ференцированными. Традиционно недифференцированными считают: делящи­еся клетки эмбриона; меристематические клетки апексов корня и стебля, кам­бия, феллогена, интеркалярных меристем; клетки, неорганизованно делящиеся в экспериментальных условиях (суспензионная и каллусная культура in vitro).

Клетки, покинувшие зону деления, приступают к дифференцировке. Ре­зультат этого процесса можно увидеть, например, при образовании проводя­щей системы: возникает прокамбий, который дифференцируется на флоэму, ксилему и камбий. Во флоэме дифференцируются ситовидные элементы и клет­ки-спутницы, в ксилеме — паренхимные клетки и трахеиды. Проводящий пу­чок может быть усилен дифференцирующимися механическими тканями и т. д. В данном примере клетки поэтапно приобретают анатомические различия в связи с выполняемыми функциями, многообразие клеток растет.

Анатомической дифференцировке предшествует биохимическая дифференциров­ка, когда видимых различий между клетками мало, но они не одинаковы по содержанию тех или иных веществ. Удобнее следить за дифференциальной эк­спрессией генов: появлением новых или снижением уровня старых мРНК, белков. Эти данные позволяют зарегистрировать различия между клетками рань­ше, чем они станут видимыми на анатомическом уровне. Таким образом, диф­ференцировка начинается с изменения активности генома, экспрессии одних генов и подавления активности других.

При таком подходе делящиеся клетки меристемы придется считать диффе­ренцированными, так как для прохождения клеточного цикла нужна определенная активность генома, которая и будет отличать эти клетки от других. Ана­томы давно обратили внимание на неоднородность клеток меристемы. Можно сказать, что апикальная меристема корня дифференцирована на каллиптроген (инициали чехлика), дерматоген (инициали эпидермальной ткани), инициали коры, покоящийся центр и инициали осевого цилиндра. Для каждой из групп делящихся клеток характерны определенная локализация, направление вере­тена делений и тип производных клеток. Исследование меристемы методами молекулярной генетики показывает, что обнаруженная анатомами дифференцировка меристемы на зоны совпадает с зонами дифференциальной экспрес­сией определенных генов. Более того, саму меристему в целом можно доста­точно четко выделить по зонам дифференциальной экспрессии. Таким обра­зом, меристема является биохимически дифференцированной тканью.

Дифференциальная экспрессия генов — фундаментальное проявляение диф-ференцировки, и, как это ни парадоксально, недифференцированных клеток вообще не существует. Понятие «недифференцированный» хорошо работает только там, где в соответствии с задачами исследования исходные различия между клетками не учитывают (или нет методов их обнаружить).

Итак, дифференцировкой можно назвать процесс изменения профиля ген­ной активности, приводящий к дальнейшему изменению функции клеток.

7.1.4. ТОТИПОТЕНТНОСТЬ. ТЕРМИНАЛЬНАЯ ДИФФЕРЕНЦИРОВКА

В эмбриологии животных процесс дифференцировки изображают как слож­ный «ландшафт», по которому катится «шар». Шар — это символ клетки, даю­щей начало новому организму. В развилках шар «совершает выбор» и скатыва­ется по одной из нескольких возможных траекторий. Так и клетки, возникшие при делении зиготы, направляются по одному из возможных путей дифферен­цировки. При этом клетки теряют «морфогенетический потенциал». Все «тра­ектории» заканчиваются в «море», символизирующем смерть организма. Если в начале пути у «шара»-клетки много потенциальных возможностей, то по мере приближения к «морю» их становится все меньше (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Морфогенетический ландшафт Уоддингтона.

Развилки на траектории обознача­ют выбор путей дифференцировки, крестики — нереализованные пути. При «скатывании» шара к «морю» возможностей выбора становится все меньше

По имени ученого, предложившего такую аналогию, ее называют морфогенетическим ландшафтом Уоддингтона. Процесс дифференцировки равносилен потере морфогенетического потенциала.

В отличие от клеток животных большинство клеток растений после анато­мической дифференцировки легко переходят к делению. Такой процесс назы­вают дедифференцировкой (потерей специализации). При механическом повреж­дении растения, а также в условиях эксперимента дедифференцировка приво­дит к образованию каллуса — ткани, обладающей быстрым ростом, и без стро­гой пространственной организации веретен деления.

В каллусной культуре можно вызвать образование новых органов: корней, побегов, эмбриоидов (см. подразд. 7.2.3). При отсутствии видимого порядка каллусная ткань частично сохраняет профиль генной активности, характерный для исходных тканей. Так, каллусы, полученные из тканей листа, при соответ­ствующей обработке развивают вегетативные побеги, каллусы из цветоножек образуют цветки, а каллусы из стенок завязи — рыльца. Из большинства кле­ток можно получить новый организм (для клеток животных это невозможно).

Практически любая клетка многоклеточного организма содержит полный набор генов, необходимый для формирования организма, однако не каждая клетка может дать начало целому организму. Свойство клетки реализовать имеющуюся генетическую информацию и дать начало целому организму назы­вают тотипотентностъю (лат. totalis — общий, целый; potentia — способность). Тотипотентность клеток растения сравнительно легко реализовать, тогда как большинство животных клеток не могут образовать новый организм. Таким образом, понятие дифференцировки как снижения морфогенетического по­тенциала, заимствованное из эмбриологии животных, не применимо к тотипотентным растительным клеткам, так как их морфогенетический потенци­ал долго остается высоким. Тотипотентную клетку можно уподобить путнику, путешествующему в горах, которому так и не суждено увидеть море.

В растениях есть клетки, не вступающие в клеточный цикл, — это мертвые клетки ксилемы или живые клетки ситовидных элементов, потерявшие ядро. В более мягких случаях за счет эндоредупликации без деления клетка увеличи­вает плоидность. Так, у Arabidopsis в растягивающихся клетках гипокотиля со­держание ДНК повышается до 8с, у одноклеточных волосков — до 32с, а в клетках суспензора — до 1024с. Все эти клетки выполняют присущие им функ­ции и не могут дедифференцироваться. К ним применимо понятие терминаль­ной дифференцировки (необратимый процесс, после которого клетка не может дедифференцироваться и реализовать свою тотипотентность). Для клеток с тер­минальной дифференцировкой аналогия Уоддингтона оказывается справедли­вой: вместе с потерей тотипотентности снижается морфогенетический потен­циал клеток, и они гибнут.