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.
|
|