Дифференцировка клеток¶

Дифференцировка клеток — это процесс превращения недифференцированной (малоспециализированной) клетки в специализированный клеточный тип с устойчивыми морфологическими, биохимическими и функциональными признаками. В ходе дифференцировки клетка приобретает набор белков, характерный для определённой ткани, и, как правило, утрачивает способность к делению. Процесс лежит в основе эмбриогенеза, роста и регенерации тканей, а его нарушения связаны с рядом заболеваний, включая рак.

¶Общие сведения

В многоклеточном организме все клетки, за редкими исключениями, содержат один и тот же набор генов (геном). Дифференцировка обеспечивается не изменением последовательности ДНК, а избирательной активностью генов: в каждой специализированной клетке работает лишь часть генома, а остальные гены транскрипционно подавлены (эпигенетически «заперты»). Этот принцип был сформулирован в работах по экспериментальной эмбриологии ещё в середине XX века и получил развитие в учении о генетической индукции.

Ключевые признаки дифференцировки:

• появление специфических структур (например, миофибрилл в мышечных клетках, ресничек в эпителии дыхательных путей);
• синтез тканеспецифических белков (гемоглобина в эритроцитах, инсулина в бета-клетках поджелудочной железы);
• изменение формы и размеров клетки;
• эпигенетические модификации хроматина (метилирование ДНК, ацетилирование гистонов);
• ограничение или утрата способности к делению (выход из клеточного цикла в фазу G0).

¶Клеточные источники и типы клеток

По способности к дифференцировке и делению выделяют несколько категорий клеток:

¶Механизмы дифференцировки

¶Морфогенетические градиенты и индукция

В раннем эмбриогенезе дифференцировка запускается сигналами от соседних клеток. Клетки-индукторы выделяют сигнальные белки (морфогены), концентрация которых формирует градиент. Классические примеры — белки семейства BMP, Wnt, Hedgehog, Notch-сигналинг. Градиент морфогена определяет, какой набор генов включится в клетке-реципиенте, и, следовательно, её дальнейшую судьбу.

¶Транскрипционные факторы

Дифференцировка контролируется семействами транскрипционных факторов, которые связываются с промоторами специфических генов. Например, MyoD запускает программу мышечной дифференцировки, GATA-1 — эритроидной, Runx2 — остеобластной. Экспериментальная трансдифференцировка — превращение одной специализированной клетки в другую без стадии стволовой — была впервые продемонстрирована в 1987 году, когда введение гена MyoD в фибробласты приводило к появлению миобластоподобных клеток.

¶Эпигенетика

Метилирование ДНК в промоторах обычно подавляет транскрипцию, а деметилирование открывает гены к активации. Модификации хистонов (ацетилирование, метилирование, фосфорилирование) упаковывают или разрыхляют хроматин. Эти метки формируют «эпигенетическую память», закрепляющую клеточную идентичность и передающуюся при делении.

¶Сигнальные пути

К основным путям, участвующим в дифференцировке, относятся:

• Notch — определяет выбор между смежными типами клеток (например, нейрон vs эпидермис);
• Wnt — участвует в паттернировании и поддержании стволовых клеток кишечника;
• Hedgehog — формирует градиенты в конечностях и нервной трубке;
• TGF-β/BMP — регулирует дифференцировку хондроцитов, остеобластов, лимфоцитов.

¶Дифференцировка в постэмбриональном периоде

Взрослый организм содержит пулы стволовых клеток в костном мозге, кишечнике, коже, печени. Они обеспечивают обновление тканей: стволовая клетка делится, одна из дочерних клеток дифференцируется, вторая остаётся в пуле. Гемопоэз — наиболее изученная модель: из гемопоэтической стволовой клетки последовательно образуются миелоидные и лимфоидные линии.

¶Реверсия дифференцировки и плюрипотентность

В 2006 году японский учёный Синъя Яманака показал, что введение четырёх факторов (Oct4, Sox2, Klf4, c-Myc) в дифференцированные фибробласты мыши возвращает их в состояние, близкое к эмбриональным стволовым клеткам. Такие клетки названы индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками (iPSC). Работа Яманаки и Джона Гёрдона (за исследования перепрограммирования) удостоена Нобелевской премии по физиологии и медицине 2012 года. Технология iPSC применяется в моделировании болезней, тестировании лекарств и разработке клеточных терапий.

¶Нарушения дифференцировки и заболевания

Нарушение процессов дифференцировки приводит к тяжёлым последствиям:

• тератомы и врождённые аномалии — следствие аномальной дифференцировки в эмбриогенезе;
• рак — опухолевые клетки часто утрачивают дифференцировку (анаплазия), что коррелирует со злокачественностью; некоторые опухоли поддаются дифференцирующей терапии (например, трансретиноевая кислота при остром промиелоцитарном лейкозе);
• дисплазии — нарушение созревания клеток в эпителии (например, шейки матки);
• нейродегенеративные заболевания — потеря специализированных функций нейронов.

¶Применение в медицине и биотехнологии

Знание механизмов дифференцировки используется для:

• получения клеточных продуктов для трансплантации (кардиомиоциты из iPSC при сердечной недостаточности, дофаминергические нейроциты при болезни Паркинсона);
• тканевой инженерии — выращивание органоидов (кишечных, почечных, ретинальных) из стволовых клеток;
• диагностики — определение степени дифференцировки опухоли (градация) влияет на тактику лечения.

¶История

Понятие дифференцировки сформировалось в эмбриологии XIX века в связи с работами Ганса Дриша (опыты над гидрой, 1900-е), заложившего основы экспериментальной эмбриологии. В 1960-е годы Джон Гёрдон показал, что ядра дифференцированных клеток лягушки сохраняют полный генетический материал, достаточный для развития всего организма — принцип тотипотентности соматических ядер. Эти работы легли в основу клонирования (овца Долли, 1996) и технологии iPSC.

Источники:

• Альбертс Б. и др. «Молекулярная биология клетки»
• Воронин Н.Н. «Эмбриология»
• Луиан И.Д. «Основы цитологии»
• Alberts B. et al. Molecular Biology of the Cell
• Takahashi K., Yamanaka S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures (Cell, 2006)