Specializzazione cellulare (differenziazione). Struttura del gene. Idee moderne sul gene e sul genoma

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Che cosa sono un gene e un genotipo?

Che cosa ne sai di conquiste moderne nel campo della genetica?

Nel 1988 negli Stati Uniti, su iniziativa del vincitore premio Nobel James Watson e nel 1989 in Russia, sotto la guida dell'accademico Alexander Aleksandrovich Baev, iniziarono i lavori per l'attuazione del grandioso progetto mondiale "Genoma umano". In termini di entità del finanziamento, questo progetto è paragonabile ai progetti spaziali. L'obiettivo della prima fase del lavoro era determinare la sequenza completa dei nucleotidi nel DNA umano. Centinaia di scienziati provenienti da molti paesi in tutto il mondo lavorano da 10 anni per risolvere questo problema. Tutti i cromosomi sono stati “divisi” tra i team scientifici dei paesi partecipanti al progetto. La Russia ha ricevuto il terzo, il tredicesimo e il diciannovesimo cromosomi per la ricerca.

Nella primavera del 2000, i risultati della prima fase furono riassunti nella città canadese di Vancouver. È stato annunciato ufficialmente che la sequenza nucleotidica di tutti i cromosomi umani era stata decifrata. È difficile sopravvalutare l'importanza di questo lavoro, data la conoscenza della struttura genetica corpo umano ci permette di comprendere i meccanismi del loro funzionamento e, quindi, di determinare l'influenza dell'ereditarietà sulla formazione di caratteristiche e proprietà del corpo, sulla salute e sull'aspettativa di vita. Durante la ricerca sono stati scoperti molti nuovi geni, il cui ruolo nella formazione dell'organismo dovrà essere studiato più in dettaglio in futuro. Lo studio dei geni porta alla creazione di strumenti diagnostici e metodi di trattamento fondamentalmente nuovi malattie ereditarie.

Secondo gli scienziati, se il XX secolo è stato il secolo della genetica, allora il XXI secolo sarà il secolo della genomica (il termine è stato introdotto nel 1987).

La genomica è una scienza che studia l'organizzazione strutturale e funzionale del genoma, ovvero l'insieme di geni ed elementi genetici che determinano tutte le caratteristiche di un organismo.

Ma le informazioni ottenute erano importanti non solo per la biologia e la medicina. Sulla base della conoscenza della struttura del genoma umano, è possibile ricostruire la storia della società umana e dell'evoluzione umana specie biologiche. Confronto dei genomi tipi diversi organismi ci permette di studiare l'origine e l'evoluzione della vita sulla Terra.

Qual è il genoma umano?

Genoma umano. Conosci già i concetti di “gene” e “genotipo”. Termine "genoma" fu introdotto per la prima volta nel 1920 dal botanico tedesco Hans Winkler, che lo caratterizzò come un insieme di geni caratteristici di insieme aploide cromosomi di una data specie di organismo. A differenza del genotipo, il genoma è una caratteristica di una specie, non di un individuo. Ciascun gamete di un organismo diploide, che trasporta un corredo cromosomico aploide, contiene essenzialmente un genoma caratteristico di quella specie. Ricorda l'eredità dei tratti nei piselli. Ogni pianta possiede geni per il colore del seme, la forma del seme e il colore del fiore; questi sono indispensabili per la sua esistenza e sono inclusi nel genoma di questa specie. Ma in ogni pianta di pisello, come in tutti gli organismi diploidi, ci sono due alleli per ciascun gene, situati sui cromosomi omologhi. In una pianta questi possono essere gli stessi alleli responsabili del colore giallo dei piselli, in un'altra possono essere diversi, causando il giallo e il verde, in una terza entrambi gli alleli determineranno lo sviluppo del colore verde dei semi, e così via per tutte caratteristiche. Queste differenze individuali sono caratteristiche genotipo un individuo specifico, non un genoma. Quindi, il genoma è una “lista” di geni necessari per funzionamento normale corpo.

La decodifica della sequenza completa dei nucleotidi nel DNA umano ha permesso di stimarla numero totale geni che compongono il genoma. Si è scoperto che ce ne sono solo circa 30-40mila, anche se il numero esatto non è ancora noto. In precedenza, si presumeva che il numero di geni negli esseri umani fosse 3-4 volte maggiore - circa 100mila, quindi questi risultati diventarono una sorta di sensazione. Ognuno di noi ha solo 5 volte più geni del lievito e solo 2 volte più della Drosophila. Rispetto ad altri organismi, non abbiamo molti geni. Forse ci sono alcune caratteristiche nella struttura e nel funzionamento del nostro genoma che consentono a una persona di essere una creatura complessa?

La struttura del gene eucariotico. In media, in un cromosoma umano ci sono circa 50mila nucleotidi per gene. Ci sono geni molto corti. Ad esempio, la proteina encefalina, che è sintetizzata nei neuroni del cervello e influenza la formazione del nostro emozioni positive, è costituito da soli 5 aminoacidi. Di conseguenza, il gene responsabile della sua sintesi contiene solo circa due dozzine di nucleotidi. E il gene più lungo, che codifica per una delle proteine ​​muscolari, è costituito da 2,5 milioni di nucleotidi.

Nel genoma umano, così come in altri mammiferi, le regioni del DNA codificanti proteine ​​rappresentano meno del 5% della lunghezza totale dei cromosomi. Il riposo maggior parte Un tempo il DNA veniva chiamato ridondante, ma ora è diventato chiaro che svolge funzioni regolatrici molto importanti, determinando in quali cellule e quando determinati geni dovrebbero funzionare. Negli organismi procarioti organizzati più semplicemente, il cui genoma è rappresentato da una molecola di DNA circolare, la parte codificante rappresenta fino al 90% dell'intero genoma.

Non tutte le decine di migliaia di geni funzionano contemporaneamente in ogni cellula di un organismo multicellulare; ciò non è richiesto. La specializzazione esistente tra le cellule è determinata dal funzionamento selettivo di alcuni geni. Una cellula muscolare non ha bisogno di sintetizzare la cheratina e una cellula nervosa non ha bisogno di sintetizzare la cheratina. proteine ​​muscolari. Anche se va notato che ce ne sono abbastanza grande gruppo geni che funzionano quasi costantemente in tutte le cellule. Questi sono i geni che codificano informazioni sulle proteine ​​necessarie per le funzioni vitali. funzioni importanti cellule, come la duplicazione, la trascrizione, la sintesi di ATP e molti altri.

In conformità con il moderno idee scientifiche, gene cellule eucariotiche, che codifica per una proteina specifica, è sempre costituito da diversi elementi richiesti. Di norma, all'inizio e alla fine del gene ce ne sono di speciali regioni normative; determinano quando, in quali circostanze e in quali tessuti questo gene funzionerà. Tali regioni regolatorie possono inoltre trovarsi all'esterno del gene, trovandosi piuttosto lontano, ma, tuttavia, partecipando attivamente al suo controllo.

Oltre alle zone regolamentari, ci sono parte strutturale gene, che in realtà contiene informazioni sulla struttura primaria della proteina corrispondente. Nella maggior parte dei geni eucariotici è significativamente più corta della zona regolatoria.

Interazione genica.È necessario comprendere chiaramente che il lavoro di un gene non può essere svolto isolatamente da tutti gli altri. L'influenza reciproca dei geni è diversa, e non uno o due, ma dozzine di solito prendono parte alla formazione della maggior parte delle caratteristiche di un organismo. geni diversi, ciascuno dei quali apporta il proprio contributo specifico a questo processo.

Riso. 73. Schema di formazione del pigmento nei piselli dolci

Secondo il Progetto Genoma Umano, per sviluppo normale cellule lisce tessuto muscolare necessario lavoro armonioso 127 geni e nella formazione dello striato fibra muscolare sono coinvolti i prodotti di 735 geni.

Come esempio di interazione genetica, considera come viene ereditato il colore dei fiori in alcune piante. Nelle cellule della corolla dei piselli dolci viene sintetizzata una certa sostanza, il cosiddetto propigment, che, sotto l'azione di uno speciale enzima, può trasformarsi in pigmento antocianico, provocando il colore viola del fiore. Ciò significa che la presenza del colore dipende dal normale funzionamento del almeno due geni, uno dei quali è responsabile della sintesi del propigmentazione e l'altro della sintesi dell'enzima (Fig. 73). Un'interruzione nel funzionamento di uno qualsiasi di questi geni porterà a un'interruzione nella sintesi dei pigmenti e, di conseguenza, alla mancanza di colore; in questo caso la corolla dei fiori sarà bianca.

A volte si verifica la situazione opposta, quando un gene influenza lo sviluppo di diversi tratti e proprietà dell'organismo. Questo fenomeno si chiama pleiotropia o azione genetica multipla. Di norma, tale effetto è causato da geni per i quali il funzionamento è molto importante fasi iniziali ontogenesi. Negli esseri umani, un esempio simile è un gene coinvolto nella formazione tessuto connettivo. Un'interruzione del suo funzionamento porta allo sviluppo di diversi sintomi contemporaneamente: lunghe dita "a ragno", molto crescita elevata a causa del forte allungamento degli arti, dell'elevata mobilità articolare, della rottura della struttura del cristallino e dell'aneurisma (sporgenza della parete) dell'aorta.

Rivedi domande e compiti

1. Cos'è un genoma?

2. Cosa determina l'attuale specializzazione delle cellule?

3. Quali elementi essenziali sono inclusi in un gene eucariotico?

4. Fornisci esempi di interazione genetica.

Domanda 1. Cos'è un genoma?
Genomaè un insieme di geni caratteristici dell'insieme aploide dei cromosomi di una data specie biologica. Il genoma, a differenza del genotipo, è una caratteristica di una specie, non di un individuo, poiché descrive un insieme di geni caratteristici questa specie, e non i loro alleli che causano differenze individuali singoli organismi. Il grado di somiglianza tra i genomi di specie diverse riflette la loro parentela evolutiva.
Domanda 2. Cosa determina la specializzazione esistente delle cellule?
La specializzazione delle cellule del corpo è determinata dal funzionamento selettivo dei geni. In ogni cellula funzionano i geni caratteristici di questo particolare tipo di tessuto e organo: nelle cellule muscolari - geni per le proteine ​​​​muscolari, nelle cellule delle pareti dello stomaco - geni enzimi digestivi ecc. La maggior parte dei geni rimanenti sono bloccati e la loro attivazione può portare allo sviluppo di malattie gravi (ad esempio la comparsa di un tumore canceroso).

Domanda 3. Quali elementi essenziali sono inclusi nel gene di una cellula eucariotica?
Gli elementi obbligatori di un gene eucariotico sono:
1. regioni regolatrici situate all'inizio e alla fine del gene, e talvolta anche all'esterno del gene (a una certa distanza da esso). Determinano quando, in quali circostanze e in quali tipi di tessuti funzionerà questo gene (elementi regolatori sinistro, intermedio e destro).
2. una sezione di DNA che codifica il trascritto primario, inclusa la sequenza nucleotidica presente nelle molecole di RNA; introni (per mRNA), sequenze intermedie - distanziatori (per rRNA). Gli introni e gli spaziatori vengono rimossi durante l'elaborazione delle trascrizioni primarie; sequenze nucleotidiche non tradotte.
3. Sequenze minime richieste per l'inizio della trascrizione (promotore) e la fine della trascrizione (terminatore).
4. Sequenze che regolano la frequenza di inizio della trascrizione; responsabile dell'inducibilità e della repressione della trascrizione, nonché della specificità cellulare, tissutale e temporale della trascrizione. Sono diversi per struttura, posizione e funzioni.
5. Questi includono potenziatori (dall'inglese potenziare - rafforzare) e silenziatori (dall'inglese silenzio - soffocare) - si tratta di sequenze di DNA situate in migliaia di coppie di nucleotidi dal promotore di un gene eucariotico e che hanno un'influenza remota sul suo trascrizione.
6. Sono incluse sequenze di DNA che influenzano la configurazione spaziale del gene nella cromatina, sequenze che ne regolano la topologia.
La figura (Fig. 3) mostra un diagramma della struttura di un gene eucariotico responsabile della codifica della sintesi proteica.

Riso. 3. Struttura di un gene eucariotico che codifica per una proteina.
+1 - punto di inizializzazione della trascrizione; 5" - NTR e 3" - NTR:
5" e 3" sono sequenze non tradotte.

Domanda 4. Fornisci esempi di interazione genetica.
Un esempio di interazione genetica è la pigmentazione (colore) della pelliccia di un coniglio. La formazione di un certo colore è regolata da due geni. Uno di questi (chiamiamolo A) è responsabile della presenza del pigmento e se il lavoro di questo gene viene interrotto (allele recessivo), la pelliccia del coniglio sarà bianco(genotipo aa). Il secondo gene (chiamiamolo B) è responsabile della colorazione non uniforme del mantello. Nel caso del normale funzionamento di questo gene (allele dominante), il pigmento sintetizzato si accumula alla base del pelo e il coniglio ha un colore grigio (genotipi AaBb, AABb, AaBB, AABB). Se il secondo gene è rappresentato solo da alleli recessivi, il pigmento sintetizzato è distribuito uniformemente. Questi conigli hanno il pelo nero (genotipi Aabb, AAbb).

Perché, dati gli stessi geni, le cellule di uno stesso organismo a volte differiscono tra loro più delle cellule di specie diverse - per colore, forma, dimensione e dozzine di altre caratteristiche? Anche lo scopo vitale delle diverse cellule è diverso: alcune trasportano l'ossigeno attraverso il sangue, altre producono la bile nel fegato e altre ancora rivestono la superficie del corpo e proteggono il corpo dalle influenze esterne. Nel frattempo, tutte queste cellule hanno avuto origine da un'unica cellula, che ha gettato le basi dell'intero organismo. Il processo mediante il quale i discendenti di una cellula diventano diversi l'uno dall'altro è chiamato differenziazione (dalla parola latina differentia - differenza, differenza). Grazie ad esso, invece di un ammasso di cellule identiche, nasce un organismo complesso con un sistema di tessuti e organi specializzati.

Tipicamente, la differenziazione avviene dopo che la cellula smette di dividersi. Ma questo non significa che una cellula indifferenziata e in divisione non “sappia” ancora cosa diventerà. Ciò è chiaramente visibile negli esperimenti su cellule che crescono in colture di tessuti (vedi Colture di cellule e tessuti). Ad esempio, in tali condizioni le cellule muscolari si fondono rapidamente, formando qualcosa di simile ai muscoli.

Tuttavia, è possibile ritardare questa differenziazione costringendo le cellule a moltiplicarsi. Esperimenti simili sono stati eseguiti con cellule cartilaginee e ossee.

Le cellule che hanno intrapreso la via della differenziazione, ma non hanno ancora dimostrato esteriormente la loro specializzazione, sono chiamate determinate (dalla parola latina determinans - determinante).

Sebbene organi e tessuti specializzati compaiano già nel sviluppo embrionale organismo, il processo di differenziazione può continuare per tutta la sua vita. Ciò accade, ad esempio, con le cellule del sangue: eritrociti e leucociti. Nel sangue compaiono continuamente nuove cellule differenziate. Provengono da cellule staminali indifferenziate che sono costantemente presenti nell'organismo. Dopo la divisione, alcuni dei loro discendenti si differenziano, mentre altri rimangono cellule staminali.

Come avviene la differenziazione? Non esiste ancora una risposta esatta a questa domanda. Tuttavia, sappiamo che in cellule diversamente differenziate funzionano diversi gruppi di geni e quindi vengono sintetizzati varie proteine. Ad esempio, durante la formazione dei globuli rossi nelle cellule, vengono attivati ​​i geni che assicurano la sintesi dell'emoglobina, nelle cellule pancreatiche questi geni non funzionano, ma sono attivi i geni per gli enzimi digestivi, ecc. i geni attivati ​​e disattivati ​​non sono ancora del tutto noti.

Quando una cellula normale si trasforma in una cellula cancerosa, di solito perde la sua specializzazione e comincia a moltiplicarsi di nuovo. È possibile che in questo caso la regolazione della divisione delle cellule staminali venga interrotta: tutti i loro discendenti continuano a dividersi come cellule staminali invece di differenziarsi. In questo caso, è importante disporre di un mezzo per forzare le cellule a differenziarsi. Il problema della differenziazione cellulare attende la sua soluzione.

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Che cosa sono un gene e un genotipo?

Un gene è un frammento (sezione o segmento) di DNA contenente informazioni su una molecola proteica. Un genotipo è l’insieme di tutti i geni di un organismo.

Cosa sai dei progressi moderni nel campo della genetica?

– Prospettive terapia genetica nel trattamento dell'aterosclerosi dei vasi degli arti inferiori.

– Utilizzo di marcatori genetici molecolari per diagnosticare una serie di malattia mentale

- Trattamento forma rara paralisi mediante terapia genica

– La genetica entra nella battaglia contro l’invecchiamento

– La genetica per aiutare gli antropologi

– Progressi nella terapia staminale

– Scoperta del gene responsabile dello sviluppo della sindrome di Usher di tipo 1

– Nuovo modo diagnosticare qualsiasi tipo di cancro utilizzando un esame del sangue

Rivedi domande e compiti

1. Cos'è un genoma? Scegli i tuoi criteri di confronto e confronta i concetti di “genoma” e “genotipo”.

Genoma: insieme di geni contenuti in un unico insieme di cromosomi di un dato organismo. Ad esempio, il genoma umano ha il cromosoma 23. Un genotipo è l'insieme di tutti i geni di un organismo in uno stato diploide, ad esempio il genotipo umano ha 46 cromosomi.

2. Cosa determina l'attuale specializzazione delle cellule?

Il ruolo principale nella differenziazione cellulare nelle prime fasi dello sviluppo dell'embrione è svolto dal citoplasma e dallo strato superficiale dell'uovo, che ha una struttura eterogenea. Tutte le cellule dell'embrione allo stadio di blastula sono simili nella composizione genetica (genotipo), ma le differenze nella composizione del citoplasma assicurano la differenziazione cellulare, quindi, allo stadio di gastrula, le cellule dell'embrione sono specializzate. È importante sottolineare che il meccanismo di ulteriore specializzazione e formazione di tessuti e organi diventa più complesso ed è determinato dall'interazione parti differenti embrione.

3. Quali elementi essenziali sono inclusi nella composizione genetica di una cellula eucariotica?

Se un gene è un pezzo di DNA, significa che è costituito da nucleotidi collegati tra loro.

Secondo i moderni concetti scientifici, un gene nelle cellule eucariotiche che codifica per una determinata proteina è sempre costituito da diversi elementi essenziali. Di norma, regioni regolatrici speciali si trovano all'inizio e alla fine del gene; determinano quando, in quali circostanze e in quali tessuti questo gene funzionerà. Tali regioni regolatrici possono inoltre trovarsi all'esterno del gene, trovandosi piuttosto lontano, ma partecipando comunque attivamente al suo controllo. Oltre alle zone regolatorie, esiste una parte strutturale del gene, che, infatti, contiene informazioni sulla struttura primaria della proteina corrispondente. Nella maggior parte dei geni eucariotici è significativamente più corta della zona regolatoria.

4. Fornisci esempi di interazione genetica.

Come esempio di interazione genetica, considera come viene ereditato il colore dei fiori in alcune piante. Nelle cellule della corolla del pisello dolce viene sintetizzata una certa sostanza, il cosiddetto propigmentazione, che, sotto l'azione di uno speciale enzima, può

trasformarsi in pigmento antocianico, facendo diventare viola il fiore. Ciò significa che la presenza del colore dipende dal normale funzionamento di almeno due geni, uno dei quali è responsabile della sintesi del propigmentazione e l'altro della sintesi dell'enzima. Un'interruzione nel funzionamento di uno qualsiasi di questi geni porterà all'interruzione della sintesi dei pigmenti e, di conseguenza, alla mancanza di colore; in questo caso la corolla dei fiori sarà bianca. A volte si verifica la situazione opposta, quando un gene influenza lo sviluppo di diversi tratti e proprietà dell'organismo. Questo fenomeno è chiamato pleiotropia o azione genica multipla. Di norma, tale effetto è causato da geni il cui funzionamento è molto importante nelle prime fasi dell'ontogenesi. Negli esseri umani, un esempio simile è un gene coinvolto nella formazione del tessuto connettivo. Un'interruzione del suo funzionamento porta allo sviluppo di diversi sintomi contemporaneamente (sindrome di Marfan): lunghe dita "a ragno", crescita molto elevata dovuta al forte allungamento degli arti, elevata mobilità articolare, rottura della struttura del cristallino e aneurisma ( sporgenza della parete) dell'aorta.

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1. I mitocondri contengono DNA, i cui geni codificano la sintesi di molte proteine ​​necessarie per la costruzione e il funzionamento di questi organelli. Considera come verranno ereditati questi geni extranucleari.

Nella maggior parte degli organismi studiati, i mitocondri contengono solo molecole di DNA circolari; in alcune piante sono presenti anche molecole di DNA circolari. I geni codificati nel DNA mitocondriale appartengono al gruppo dei plasmageni situati all'esterno del nucleo (all'esterno del cromosoma). L'insieme di questi fattori ereditari, concentrati nel citoplasma della cellula, costituisce il plasmone di un dato tipo di organismo (in opposizione al genoma). Maggior parte organismi multicellulari Il DNA mitocondriale viene ereditato attraverso la linea materna. Un ovulo contiene diversi ordini di grandezza in più di copie di DNA mitocondriale rispetto a uno spermatozoo. Di solito non ci sono più di una dozzina di mitocondri in uno spermatozoo (negli esseri umani c'è un mitocondrio attorcigliato a spirale), nelle piccole uova riccio di mare- diverse centinaia di migliaia, e negli ovociti di rana di grandi dimensioni - decine di milioni. Inoltre, la degradazione dei mitocondri spermatici avviene solitamente dopo la fecondazione.

3. Crea un portfolio sull'argomento "Ricerca sul DNA umano: speranze e paure".

Il primo digitalizzato al mondo genoma umanoè stata costituita in 15 anni ed è costata 3 miliardi di dollari. Ora puoi ottenere un passaporto genetico in 1 giorno e per 1 mila dollari. Tuttavia, dopo aver ricevuto il genoma, è necessario memorizzarlo da qualche parte (e pesa 1000 GB) e in qualche modo analizzarlo.

L'analisi genetica del DNA è lo studio del genoma umano per diagnosticare e determinare rischio individuale sviluppo di malattie e tolleranza medicinali, nonché per ottenere informazioni su caratteristiche genetiche, inclinazioni e capacità di una persona. Ogni persona ha un insieme unico di geni (genotipo), che determina la sua individualità e predisposizione a una particolare malattia.

Perché ne ho bisogno analisi genetica? Forse tra un paio d'anni questa domanda ti sembrerà stupida. Non sei sorpreso ora quando un medico ti chiede di fare un esame del sangue, vero? E molto presto verranno effettuate le analisi genetiche obbligatorio ogni bambino nell'ospedale di maternità e ogni paziente che è venuto in clinica. Perché il tuo DNA può determinare a quali malattie sei predisposto e quali farmaci sono più efficaci per te.

Preoccupazioni.

Lo hanno intrapreso alcuni scienziati genetici degli Stati Uniti, utilizzando la tecnologia di editing genetico di precisione un altro tentativo modificare il DNA di un ovulo umano. Questo esperimento è stato effettuato con l'obiettivo di liberare la futura prole dalle malattie ereditarie trasmesse all'embrione dai genitori. Numerosi esperti biologici si sono opposti a tale ricerca. Nel Regno Unito, come in molti altri paesi, l'alterazione dei cromosomi nell'ovulo o nello sperma di una persona per creare un embrione inseminato artificialmente è illegale a causa del timore che venga messa in pratica l'"ingegneria infantile".

1.2.1.5. Specializzazione e integrazione delle cellule negli organismi multicellulari

Gli organismi multicellulari sono costituiti da cellule e hanno una struttura fondamentalmente identica. Tuttavia modulo, la dimensione e la struttura delle cellule dipendono dalle funzioni che svolgono (Fig. 1.18). Ad esempio, le cellule muscolari sono allungate, le cellule del tessuto epiteliale si trovano sulla membrana basale, strettamente adiacenti l'una all'altra e non c'è quasi alcuna sostanza interstiziale. Le cellule nervose, a causa del gran numero di processi, hanno acquisito una forma a stella. I leucociti sono mobili, di forma rotonda, possono acquisire forma ameboide, ecc. Inoltre, cellule funzionalmente specializzate tipi diversi e le specie hanno struttura, forma e dimensioni simili.

Riso. 1.18. Principali tipi di cellule umane:

a - cellule del tessuto adiposo; b - cellule tessuto cartilagineo; c - cellule tessuto osseo; d - cellule del sangue (leucociti ed eritrociti);

d - fibre (simplastiche) del tessuto muscolare; - cellule tessuto nervoso; E - epitelio colonnare; e - epitelio ciliato.

Pertanto, le cellule animali sono molto diverse per dimensioni, struttura e funzioni che svolgono. Tuttavia, tutte le cellule devono avere componenti di base: una membrana citoplasmatica, citoplasma e nucleo (ad eccezione degli eritrociti e delle piastrine, che sono privi di nucleo).

Principali tipi di cellule umane. Le cellule umane hanno dimensioni microscopiche. Il diametro della cella varia da 0,01 a 0,1 mm (o da 10 a 100 µm). Il volume della maggior parte delle cellule umane rientra nell'intervallo 20015000 µm 3. Il diametro delle cellule umane più piccole (eritrociti, piastrine) è di 4-5 micron (Fig. 1.18 d). Tuttavia, sono note anche cellule abbastanza grandi da poter essere viste ad occhio nudo. La dimensione delle cellule dipende dalle funzioni che svolgono. Quindi, le uova, a causa dell'accumulo in esse nutrienti raggiungono dimensioni fino a 150-200 micron.

Le dimensioni delle cellule non sono direttamente correlate alla dimensione dell'organismo. Pertanto, le cellule del fegato e dei reni negli esseri umani, nei cavalli, nei bovini e nei topi hanno all'incirca le stesse dimensioni. La dimensione degli organi, come la dimensione dell'intero organismo animale e vegetale, dipende dal numero di cellule. Il numero di cellule che compongono il corpo varia: da una (negli organismi unicellulari) a piccola quantità(nei rotiferi e nei nematodi) fino a molti miliardi, come nella maggior parte degli organismi multicellulari. Un neonato contiene circa 2 trilioni di cellule, un adulto - 60-100 trilioni. Un donatore che dona il sangue perde 5-6 miliardi di cellule. Ogni giorno il nostro corpo perde e ripristina l'1% delle sue cellule, cioè circa 600 miliardi.

Nel corpo umano ci sono varie cellule che differiscono per dimensioni, struttura e funzione. Cellule simili per struttura e funzione, collegate da un'origine comune, formano i tessuti. Le cellule specializzate formano quattro tipi di tessuti: epiteliale, connettivo, m "ulcera, nervoso. Le cellule trattengono tratti caratteriali ogni tipo di tessuto, può variare ampiamente a seconda struttura, e per le funzioni. Inoltre, la natura delle differenze cambia nel processo di sviluppo individuale dell'organismo. Un fattore importante La caratteristica strutturale e funzionale è l'interazione della cellula con altre cellule, tessuti o remoti sistemi cellulari Attraverso sistema nervoso o connessione umorale. Ogni tessuto contiene cellule che mantengono la capacità di dividersi. Alcuni di essi, dopo la separazione, iniziano a differenziarsi e a sostituire le cellule dei tessuti che muoiono. La seconda parte delle cellule rimane indifferenziata, capace di ulteriori divisioni (cellule staminali).

Cellule staminali e loro utilizzo in medicina.

Studio dei meccanismi sottili dello sviluppo embrionale del corpo dei mammiferi a partire da una singola cellula e dei processi di sostituzione delle cellule danneggiate cellule sane nel corpo adulto si è sviluppato intensamente negli ultimi 20 anni del secolo scorso. Al centro di questa direzione necessaria c’è la ricerca sulle cellule staminali.

Le cellule staminali (SC) sono considerate cellule indifferenziate capaci di autorinnovarsi e produrre almeno un tipo di discendenti altamente differenziati.

Esistono due tipi di cellule staminali: le cellule staminali embrionali pluripotenti (ESC), ottenute dalle blastocisti, e le cellule staminali adulte, limitate ad esse (multipotenti e unipotenti), che si trovano in vari tessuti. Questi gruppi di SC differiscono tra loro e dai loro discendenti per molte caratteristiche morfologiche, localizzazione, recettori di superficie e fattori di trascrizione.

Tutti gli SC, indipendentemente dalla loro origine, hanno proprietà generali: capaci di scindersi e di autorinnovarsi in un lungo periodo di tempo, non sono specializzati, possono dar luogo a specializzati tipi di cellule.

A differenza di cellule nervose, che di solito non si riproducono, le SC possono essere ripristinate molte volte. Il processo di ripristino ripetuto delle cellule è chiamato proliferazione. La popolazione iniziale di SC, proliferando per molti mesi in laboratorio, può formare milioni di cellule. Se le cellule finali continuano a non essere specializzate, come le SC parentali, allora sono considerate capaci di auto-rinnovamento a lungo termine.

Una delle proprietà principali della SC è Quello, che non hanno alcun tessuto specifico strutture, che consentirebbe loro di svolgere funzioni specializzate. Il CS non può, come una cellula del muscolo cardiaco, interagire con altre cellule per fornire sangue ai vasi; non può trasportare molecole di ossigeno come i globuli rossi; e non conduce segnali elettrochimici da altre cellule (come le cellule nervose).

Gli scienziati sono alla ricerca di fattori che consentano alle SC di rimanere indifferenziate. Ci sono voluti molti anni ed errori per imparare a coltivare le SC in laboratorio e a prevenirle spontaneo differenziazione in cellule specifiche. Solo 20 anni dopo la creazione delle condizioni di laboratorio per la coltivazione di SC di topo, hanno imparato a coltivare SC di embrioni umani. Un'importante area di ricerca scientifica è lo studio dei segnali nei tessuti e negli organi dell'organismo adulto che portano alla proliferazione della popolazione SC e le lasciano indifferenziate finché non diventano necessarie per la rigenerazione di un tessuto specifico. Questo è necessario per crescere un gran numero di SC in laboratori non specializzati per la conduzione di esperimenti.

I processi durante i quali le SC non specializzate danno origine a cellule specializzate sono chiamati differenziazione. Solo adesso si comincia a studiare i segnali che innescano questo processo. Si dividono in interni ed esterni. I segnali interni sono controllati dai geni della cellula, che trasportano istruzioni codificate per tutte le strutture e funzioni cellulari. I segnali esterni includono sostanze chimiche da altre cellule, contatto fisico con cellule vicine, alcune molecole dell'ambiente extracellulare. Lo studio dei segnali di differenziazione delle SC è importante perché con il loro aiuto gli scienziati possono coltivare cellule o tessuti che possono essere utilizzati per trattare molte malattie.

Le SC mature producono cellule di un tessuto specifico in cui si trovano. Ad esempio, le SC mature nel midollo osseo danno origine a molti tipi di cellule del sangue. Fino a poco tempo fa si credeva che le SC ematopoietiche non potessero dare origine a cellule differenziate di altri tessuti, ad esempio i nervi. Dietro l'anno scorso Numerosi esperimenti hanno dimostrato che le SC originano da un tessuto, ma danno origine a cellule di un tessuto completamente diverso. Questo fenomeno è chiamato plasticità. Così, le cellule emopoietiche danno origine ai neuroni o alle cellule del muscolo cardiaco, le cellule del fegato si trasformano in cellule produttrici di insulina. La possibilità di utilizzare SC mature nella pratica clinica è oggetto di studio attivo.

Esiste un’ampia varietà di aree in cui le SC umane possono essere utilizzate nella ricerca sperimentale e clinica. Ma ci sono molti ostacoli tecnici tra il potenziale delle cellule staminali e la realizzazione del loro utilizzo, che potranno essere superati solo con uno studio lungo e intenso.

Lo studio delle SC degli embrioni umani può fornire informazioni su processi complessi che si verificano durante lo sviluppo umano. L'obiettivo di questo lavoro è scoprire come le cellule staminali indifferenziate si differenziano. La conversione dei geni in attivi e inattivi è importante in questo processo. Alcuni dei più gravi condizioni mediche, come il cancro e i difetti dello sviluppo, è una conseguenza della divisione e differenziazione cellulare anomala. Comprendere i regolatori genetici e molecolari di questi processi può fornire informazioni su come si manifestano tali malattie e suggerire nuove strategie terapeutiche. Un ostacolo significativo all’uso delle SC è che i segnali che contribuiscono alla transizione di alcuni geni in uno stato attivo e inattivo, così come quelli che influenzano la differenziazione delle cellule staminali, non sono completamente compresi.

Le SC possono essere utilizzate anche per testare nuovi farmaci. Ad esempio, la sicurezza di nuovi farmaci potrebbe essere testata utilizzando cellule differenziate derivate da linee cellulari pluripotenti umane. Altri tipi di linee cellulari vengono già utilizzate in clinica. Cellula cancerosa forme, ad esempio, dipendenza dai farmaci antitumorali. Ma la presenza di SC pluripotenti consentito effettuerebbe test di farmaci in più Largo gamma di tipi di cellule. Per testare efficacemente i farmaci è necessario creare condizioni identiche per il confronto vari farmaci. Nonostante ciò, gli scienziati dovranno essere in grado di controllare con precisione la differenziazione delle SC nel tipo cellulare specifico su cui verranno testati i farmaci. La conoscenza dei segnali che controllano la differenziazione non è sufficiente per poterli imitare accuratamente al fine di ottenere una differenziazione cellulare identica e coerente per tutti medicinale, che è in corso di verifica.

Forse l’applicazione potenziale più importante delle SC umane è il recupero di cellule e tessuti che potrebbero essere utilizzati per terapie cellulari. Oggi, gli organi e i tessuti donati vengono spesso utilizzati per sostituire tessuti malati o distrutti, ma la domanda di tessuti e organi per il trapianto supera l’offerta disponibile. Le SC dirette a differenziarsi in tipi cellulari specifici possono ripristinare fonti di sostituzione cellulare e tissutale per il trattamento di malattie, in particolare morbo di Parkinson e Alzheimer, lesioni del midollo spinale, contusioni, ustioni, malattie cardiache, diabete, osteoartrite e artrite reumatoide.

Ad esempio, è possibile creare cellule muscolari cardiache sane in laboratorio e poi trapiantarle in pazienti con insufficienza cardiaca cronica. Precedenti studi su topi e altri animali indicano che KS midollo osseo, che sono stati trapiantati in un cuore danneggiato, possono creare cellule muscolari cardiache e ripopolare con successo il tessuto cardiaco. Altri studi recenti su sistemi di coltura cellulare indicano il possibile targeting di SC germinali differenziate o cellule mature del midollo osseo verso le cellule del muscolo cardiaco.

Nelle persone con diabete di tipo 1, le cellule del pancreas che normalmente producono insulina vengono distrutte da sole sistema immunitario paziente. Una nuova ricerca indica che è possibile dirigere la differenziazione delle SC della linea germinale umana in struttura cellulare con l’obiettivo di formare cellule produttrici di insulina che potrebbero essere utilizzate nella terapia di trapianto per pazienti con diabete.

Per realizzare nuove promettenti terapie cellulari per il trattamento di malattie comuni e debilitanti, i professionisti devono essere in grado di farlo facilmente e produttivo gestire le cellule staminali in modo che abbiano le caratteristiche necessarie per il successo della differenziazione, del trapianto e dell'attecchimento. Andando avanti, saranno necessarie tappe successive basate sulle cellule per guidare l’introduzione di tali trattamenti nella clinica. Per il trapianto, le cellule staminali devono avere le seguenti proprietà:

Proliferano ampiamente e producono una quantità sufficiente di tessuto;

Differenziare nei tipi cellulari desiderati;

Mantenere la vitalità dopo il trapianto;

Integrazione con i tessuti circostanti dopo il trapianto;

Funzione per continuare la vita del destinatario;

Non danneggiare in alcun modo il destinatario.

Inoltre, per evitare il problema del rigetto immunitario, si stanno sperimentando diverse strategie di generazione dei tessuti.

Pertanto, il trattamento con cellule staminali è promettente. il loro uso è limitato ragioni tecniche e costi elevati, ma i risultati accumulati lasciano credere che questi limiti verranno superati.