§ 28. Дифференцировка клеток

Определения и обозначения

Дифференцировка клеток — процесс, в ходе которого клетки приобретают особенности строения и функций. Например, клетка может стать частью ткани и выполнять характерную для неё работу. Это понятие помогает объяснить, как из клеток одного организма возникают разные типы клеток.

Специализация клеток — приспособленность клетки к выполнению определённой функции. Она складывается в ходе дифференцировки: клетка приобретает свойства, полезные для конкретной работы. Так, специализация объясняет, почему клетки одной ткани устроены не так, как клетки другой.

Стволовая клетка — клетка, способная делиться и давать начало клеткам разных типов. При этом возможности её потомков могут быть ограничены: не каждая стволовая клетка образует любые клетки организма. Это понятие важно для понимания обновления тканей и появления специализированных клеток.

Потенция клетки — её способность давать начало клеткам разных типов. Чем меньше ограничен выбор возможных потомков, тем шире потенция; по мере дифференцировки она обычно сужается. Понятие позволяет сравнивать клетки по тому, в какие типы клеток они могут развиться.

Как это устроено

Клетки многоклеточного животного происходят от одной исходной клетки, но в ходе развития становятся неодинаковыми. Причина в том, что клетки оказываются в разных условиях и получают разные сигналы, поэтому проходят разные этапы развития. В результате одни становятся частью нервной ткани, другие — кожи, мышц или иных тканей.

Дифференцировка обычно не означает утрату генов. В большинстве клеток сохраняется одна и та же наследственная информация, полученная от исходной клетки. Различия возникают главным образом из-за того, что разные участки этой информации используются неодинаково. Поэтому клетки могут иметь общий набор генов, но развиваться по-разному.

Активные гены служат инструкциями для образования белков. Поскольку в разных клетках активны разные гены, в них формируются разные наборы белков. Белки влияют на внутреннее устройство клетки, её форму и выполняемые реакции, поэтому изменения активности генов приводят к различиям в строении и работе клеток.

Направление развития клетки зависит не только от её наследственной информации. На неё воздействуют сигналы от соседних клеток и условия среды, например особенности окружения внутри ткани. Эти сигналы могут менять активность генов, помогая клетке развиваться по одному пути, а не по другому. Так клетки согласуют своё развитие с потребностями организма.

Стволовые клетки могут делиться так, чтобы сохранять собственный запас и одновременно давать начало потомкам, которые начнут специализироваться. Это сочетание поддерживает пополнение клеток в развивающемся или обновляющемся организме. По мере развития и дифференцировки выбор возможных направлений обычно становится уже, поэтому потенция клеток сужается.

Сравнение стволовых и дифференцированных клеток

Таблица помогает сопоставить клетки по степени специализации, способности делиться и возможностям образовывать потомков. Стволовая клетка обычно менее специализирована, а дифференцированная приспособлена к определённой работе. Эти признаки не означают, что все клетки одной группы ведут себя совершенно одинаково: возможности зависят от типа клетки.

Разбор задач

Задача 1. Объясните, почему нейрон и клетка кожи одного организма различаются по строению и функциям, хотя содержат одинаковую наследственную информацию.

1. Установим, что сравниваются клетки одного организма. Поэтому обычно они сохраняют общий набор генов.
2. Затем вспомним, что в разных клетках активны разные участки генома. Значит, нейрон и клетка кожи производят неодинаковые наборы белков.
3. Свяжем белки со свойствами клеток: они влияют на строение и работу, поэтому клетки приобретают особенности, подходящие для разных функций.

Ответ: клетки различаются потому, что в них активны разные гены и образуются разные белки, хотя наследственная информация обычно одинакова.

Задача 2. Клетка-предшественник делится: одна дочерняя клетка сохраняет свойства исходной, а другая начинает превращаться в клетку крови. Объясните значение такого деления.

1. Определим судьбу первой дочерней клетки: она сохраняет свойства исходной, значит, поддерживает запас клеток-предшественников.
2. Рассмотрим вторую клетку: она начинает дифференцироваться и становится источником специализированного потомства.
3. Сделаем вывод: такое деление одновременно сохраняет возможность дальнейшего пополнения клеток и обеспечивает образование нужных клеток крови.

Ответ: деление сочетает самообновление клеточного запаса с появлением клетки, которая будет специализироваться.

Задача 3. В эксперименте клетки одной ткани поместили в условия, отличные от обычных. Предложите, что проверить, чтобы выяснить, изменилось ли направление их дифференцировки.

1. Подготовим контрольную группу таких же клеток, оставленных в обычных условиях. Сравнение покажет, связаны ли изменения именно с новой средой.
2. Проверим активность генов, характерных для исходной ткани и возможных новых направлений развития. Изменения активности могут указывать на перестройку работы генома.
3. Сопоставим строение и функции клеток в обеих группах. Вывод о смене направления будет убедительнее, если различия проявятся и в активности генов, и в свойствах клеток.

Ответ: сравнить экспериментальные клетки с контрольными по активности характерных генов, строению и функциям.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что у клеток разных тканей разные гены. Это представление возникает потому, что клетки выполняют разные задачи и выглядят неодинаково. Обычно различается не набор генов, а активность их участков; проверьте себя вопросом, объясняет ли ответ различия работой генов или ошибочно предполагает потерю части наследственной информации.

Ошибка: представлять дифференцировку как простое увеличение размера клетки. Размер может меняться, но сам по себе он не показывает, какую функцию клетка приобрела. Проверка: назовите новые особенности строения и работы клетки; если назвать нечего, одного изменения размера недостаточно для вывода о дифференцировке.

Ошибка: считать, что любая стволовая клетка образует клетку любого типа. Так думают, смешивая способность к развитию с неограниченным выбором потомков. Потенция зависит от типа клетки и этапа развития; проверьте себя, указав, какие именно типы клеток ей доступны.

Ошибка: полагать, что специализация всегда полностью прекращает деление. Такое впечатление может возникнуть, если судить по отдельным примерам клеток. Возможности деления различаются; проверяйте утверждение для конкретного типа клеток, не распространяя его на все специализированные клетки.

Связь с другими темами

Для понимания дифференцировки нужны знания о клетке, генах, наследственной информации и синтезе белка. Именно связь генов с образованием белков помогает объяснить, откуда берутся различия между клетками. Тема продолжает изучение эмбрионального развития: дифференцировка участвует в образовании тканей и органов. Она также связана с медициной, где исследуют стволовые клетки и их возможное применение.

Что запомнить

• Дифференцировка приводит к различиям в строении и функциях клеток.
• Большинство клеток организма сохраняет одинаковую наследственную информацию.
• Клетки различаются тем, какие участки генома активны.
• Активность генов влияет на набор белков и свойства клетки.
• Стволовые клетки способны к самообновлению и образованию клеток-потомков.
• По мере дифференцировки возможности клетки обычно становятся более ограниченными.