Клеточная специализация (дифференцировка). Структура гена. Современные представления о гене и геноме

Вспомните!

Что такое ген и генотип?

Что вам известно о современных достижениях в области генетики ?

В 1988 г. в США по инициативе лауреата Нобелевской премии Джеймса Уотсона и в 1989 г. в России под руководством академика Александра Александровича Баева были начаты работы по реализации грандиозного мирового проекта «Геном человека». По масштабам финансирования этот проект сравним с космическими проектами. Целью первого этапа работы было определение полной последовательности нуклеотидов в ДНК человека. Сотни ученых многих стран мира в течение 10 лет трудились над решением этой задачи. Все хромосомы были «поделены» между научными коллективами стран-участниц проекта. России для исследования достались третья, тринадцатая и девятнадцатая хромосомы .

Весной 2000 г. в канадском городе Ванкувере подвели итоги первого этапа. Было официально объявлено, что нуклеотидная последовательность всех хромосом человека расшифрована. Трудно переоценить значение этой работы, так как знание структуры генов человеческого организма позволяет понять механизмы их функционирования и, следовательно, определить влияние наследственности на формирование признаков и свойств организма, на здоровье и продолжительность жизни. В ходе исследований было обнаружено множество новых генов, чью роль в формировании организма в дальнейшем предстоит изучить более подробно. Изучение генов ведет к созданию принципиально новых средств диагностики и способов лечения наследственных заболеваний.

По мнению ученых, если XX век был веком генетики , то XXI век будет веком геномики (термин введен в 1987 г.).

Геномика – наука, которая изучает структурно-функциональную организацию генома, представляющего собой совокупность генов и генетических элементов, определяющих все признаки организма.

Но не только для биологии и медицины оказались важны полученные сведения. На основе знаний структуры генома человека можно реконструировать историю человеческого общества и эволюцию человека как биологического вида. Сравнение геномов разных видов организмов позволяет изучать происхождение и эволюцию жизни на Земле.

Что же представляет собой геном человека?

Геном человека. Вам уже известны понятия «ген» и «генотип». Термин «геном» впервые был введен немецким ботаником Гансом Винклером в 1920 г., который охарактеризовал его как совокупность генов, характерных для гаплоидного набора хромосом данного вида организма. В отличие от генотипа, геном является характеристикой вида, а не отдельной особи. Каждая гамета диплоидного организма, несущая гаплоидный набор хромосом, по сути, содержит геном, характерный для данного вида. Вспомните наследование признаков у гороха. Гены окраски семени, формы семени, окраски цветка есть у каждого растения, они являются обязательными для его существования и входят в геном данного вида. Но у любого растения гороха, как у всех диплоидных организмов, существует два аллеля каждого гена, расположенные в гомологичных хромосомах. У одного растения это могут быть одинаковые аллели, отвечающие за желтую окраску горошин, у другого – разные, обусловливающие желтую и зеленую, у третьего – оба аллеля будут определять развитие зеленой окраски семян, и так по всем признакам. Эти индивидуальные отличия являются характеристикой генотипа конкретной особи, а не генома. Итак, геном – это «список» генов, необходимых для нормального функционирования организма.

Расшифровка полной последовательности нуклеотидов в ДНК человека позволила оценить общее число генов, составляющих геном. Оказалось, что их всего около 30–40 тыс., хотя точное число пока не известно. Раньше предполагали, что количество генов у человека раза в 3–4 больше – около 100 тыс., поэтому данные результаты стали своего рода сенсацией. У каждого из нас генов всего в 5 раз больше, чем у дрожжей, и всего в 2 раза больше, чем у дрозофилы. По сравнению с другими организмами, мы имеем не так уж много генов. Может быть, существуют какие-то особенности в строении и функционировании нашего генома, которые позволяют человеку быть сложноорганизованным существом?

Строение гена эукариот. В среднем на один ген в хромосоме человека приходится около 50 тыс. нуклеотидов. Существуют очень короткие гены. Например белок энкефалин, который синтезируется в нейронах головного мозга и влияет на формирование наших положительных эмоций, состоит всего из 5 аминокислот. Следовательно, ген, отвечающий за его синтез, содержит всего около двух десятков нуклеотидов. А самый длинный ген, кодирующий один из мышечных белков, состоит из 2,5 млн нуклеотидов.

В геноме человека, так же как и у других млекопитающих, участки ДНК, кодирующие белки, составляют менее 5 % от всей длины хромосом. Остальную, большую часть ДНК раньше называли избыточной, но теперь стало ясно, что она выполняет очень важные регуляторные функции, определяя, в каких клетках и когда должны функционировать те или иные гены. У более просто организованных прокариотических организмов, геном которых представлен одной кольцевой молекулой ДНК, на кодирующую часть приходится до 90 % от всего генома.

Все десятки тысяч генов не работают одновременно в каждой клетке многоклеточного организма, этого не требуется. Существующая специализация между клетками определяется избирательным функционированием определенных генов. Мышечной клетке не надо синтезировать кератин, а нервной – мышечные белки. Хотя надо отметить, что существует довольно большая группа генов, которые работают практически постоянно во всех клетках. Это гены, в которых закодирована информация о белках, необходимых для осуществления жизненно важных функций клетки, таких, как редупликация, транскрипция, синтез АТФ и многие другие.

В соответствии с современными научными представлениями, ген эукариотических клеток, кодирующий определенный белок, всегда состоит из нескольких обязательных элементов. Как правило, в начале и в конце гена располагаются специальные регуляторные участки; они определяют, когда, при каких обстоятельствах и в каких тканях будет работать этот ген. Подобные регуляторные участки дополнительно могут находиться и вне гена, располагаясь достаточно далеко, но, тем не менее, активно участвуя в его управлении.

Кроме регуляторных зон существует структурная часть гена, которая собственно и содержит информацию о первичной структуре соответствующего белка. У большинства генов эукариот она существенно короче регуляторной зоны.

Взаимодействие генов. Необходимо отчетливо представлять себе, что работа одного гена не может осуществляться изолированно от всех остальных. Взаимовлияние генов многообразно, и в формировании большинства признаков организма обычно принимает участие не один и не два, а десятки разных генов, каждый из которых вносит свой определенный вклад в этот процесс.

Рис. 73. Схема образования пигмента у душистого горошка

По данным проекта «Геном человека», для нормального развития клетки гладкой мышечной ткани необходима слаженная работа 127 генов, а в формировании поперечно-полосатого мышечного волокна участвуют продукты 735 генов.

В качестве примера взаимодействия генов рассмотрим, как наследуется окраска цветка у некоторых растений. В клетках венчика душистого горошка синтезируется некое вещество, так называемый пропигмент, который под действием специального фермента может превратиться в антоциановый пигмент, вызывающий пурпурную окраску цветка. Значит, наличие окраски зависит от нормального функционирования по крайней мере двух генов, один из которых отвечает за синтез пропигмента, а другой – за синтез фермента (рис. 73). Нарушение в работе любого из этих генов приведет к нарушению синтеза пигмента и, как следствие, к отсутствию окраски; при этом венчик цветков будет белый.

Иногда встречается и противоположная ситуация, когда один ген влияет на развитие нескольких признаков и свойств организма. Такое явление называют плейотропией или множественным действием гена. Как правило, такое действие вызывают гены, функционирование которых очень важно на ранних стадиях онтогенеза. У человека подобным примером может служить ген, участвующий в формировании соединительной ткани. Нарушение в его работе приводит к развитию сразу нескольких симптомов: длинные «паучьи» пальцы, очень высокий рост из-за сильного удлинения конечностей, высокая подвижность суставов, нарушение структуры хрусталика и аневризма (выпячивание стенки) аорты.

Вопросы для повторения и задания

1. Что такое геном?

2. Чем определяется существующая специализация клеток?

3. Какие обязательные элементы входят в состав гена эукариот?

4. Приведите примеры взаимодействия генов.

Вопрос 1. Что такое геном?
Геном - это совокупность генов, характерных для гаплоидного набора хромосом данного биоло-гического вида. Геном, в отличие от генотипа, является характеристикой вида, а не особи, поскольку описывает набор генов, свойственных данному виду, а не их аллели, обуславливающие индивидуальные отличия отдельных организмов. Степень сходства геномов разных видов отражает их эволюционное родство.
Вопрос 2. Чем определяется существующая специализация клеток?
Специализация клеток организма опредееяется избирательным функционированием генов. В каждой клетке работают гены, характерные именно для данного типа тканей и органов: в клетках мускулатуры - гены мышечных белков, в клетках стенок желудка - гены пищеварительных ферментов и т. д. Большинство остальных генов при этом заблокировано, и их активация может привести к развитию серьезнейших заболеваний (например, к появлению раковой опухоли).

Вопрос 3. Какие обязательные элементы входят в состав гена эукариотической клетки?
Обязательными элементами гена эукариот являются:
1. регуляторные участки, расположенные в начале и конце гена, а также иногда вне гена (на некотором удалении от него). Они определяют, когда, при каких обстоятельствах и в каких типах тканей будет работать этот ген (левые, промежуточные и правые регуляторные элементы).
2. участок ДНК, кодирующий первичный транскрипт, включающий последовательность нуклеотидов, обнаруживаемую в молекулах РНК; интроны (для мРНК), промежуточные последовательности - спейсеры (для рРНК). Интроны и спейсеры удаляются в ходе процессинга первичных транскриптов; нетранслируемые последовательности нуклеотидов.
3. Минимальные последовательности, необходимые для начала транскрипции (промотор) и конца транскрипции (терминатор).
4. Последовательности, регулирующие частоту инициации транскрипции; ответственные за индуцибельность и репрессию транскрипции, а также клеточную, тканевую и временную специфичность транскрипции. Они разнообразны по строению, положению и функциям.
5. К их числу относятся энхансеры (от англ. еnhаnсе - усиливать) и сайленсеры (от англ. silence - заглушать) - это последовательности ДНК, расположенные в тысячах пар нуклеотидов от промотора эукариотического гена и оказывающие дистанционное влияние на его транскрипцию.
6. включены последовательности ДНК, которые влияют на пространственную конфигурацию гена в хроматине, последовательности, которые регулируют его топологию.
На рисунке (рис.3) показана схема строения эукариотического гена, отвечающего за кодирование синтеза белка.

Рис. 3. Структура эукариотического гена, кодирующего белок.
+1 - точка инициализации транскрипции; 5" - НТР и 3" - НТР:
5" и 3" - нетранслируемые последовательности.

Вопрос 4. Приведите примеры взаимодействия генов.
Примером взаимодействия генов может служить пигментация (окраска) шерсти у кролика. Формирование определенной окраски регулируется двумя генами. Один из них (назовем его А) отвечает за наличие пигмента, и в случае, если работа данного гена нарушена (рецессивный аллель), шерсть кролика будет белого цвета (генотип аа). Второй ген (назовем его В) отвечает за неравномерность окрашивания шерсти. В случае нормального функционирования этого гена (доминантный аллель), синтезируемый пигмент скапливается у основания волоса, и кролик имеет серую окраску (генотипы АаВb, ААВb, АаВВ, ААВВ). Если же второй ген представлен только рецессивными аллелями, то синтезируемый пигмент распределяется равномерно. У таких кроликов шерсть черного цвета (генотипы Ааbb, ААbb).

Почему при одинаковых генах клетки одного организма отличаются порой друг от друга больше, чем клетки разных видов, - по цвету, форме, размерам и еще десяткам других признаков? Жизненное назначение разных клеток тоже разное: одни разносят кислород по крови, другие производят в печени желчь, а третьи выстилают поверхность тела и защищают организм от внешних воздействий. А между тем все эти клетки произошли от одной-единствен-ной, положившей начало всему организму. Процесс, в результате которого потомки одной клетки становятся отличными друг от друга, называется дифференцировкой (от латинского слова differentia - разность, различие). Благодаря ей вместо скопления одинаковых клеток возникает сложный организм с системой специализированных тканей и органов.

Как правило, дифференцировка наступает после того, как клетка перестает делиться. Но это не значит, что делящаяся, недифференцированная клетка еще не «знает», кем она станет. Наглядно это видно в опытах на клетках, растущих в культуре ткани (см. Культура клеток и тканей). Например, мышечные клетки в таких условиях быстро сливаются, образуя подобие мышц.

Однако можно задержать эту дифференцировку, заставив клетки размножаться. Подобные опыты ставили с хрящевыми и костными клетками.

Клетки, вставшие на путь дифференцировки, но внешне не проявившие еще своей специализации, называются детерминированными (от латинского слова determinans - определяющий).

Хотя специализированные органы и ткани появляются уже в эмбриональном развитии организма, процесс дифференцировки может продолжаться в течение всей его жизни. Так происходит, например, с клетками крови - эритроцитами и лейкоцитами. Новые дифференцированные клетки появляются в крови все время. Происходят они от постоянно присутствующих в организме недифференцированных стволовых клеток. После деления некоторые из их потомков дифференцируются, а другие - так и остаются стволовыми клетками.

Как происходит дифференцировка? Точного ответа на этот вопрос пока нет. Тем не менее мы знаем, что в различно дифференцированных клетках работают разные наборы генов, а поэтому синтезируются различные белки. Так, например, при образовании эритроцитов в клетках включаются гены, обеспечивающие синтез гемоглобина, в клетках поджелудочной железы эти гены не работают, но зато активны гены пищеварительных ферментов и т. д. Однако механизмы включения и выключения генов до конца пока неизвестны.

Когда нормальная клетка превращается в раковую, она обычно утрачивает свою специализацию и вновь начинает размножаться. Не исключено, что при этом нарушается регуляция деления стволовых клеток: все их потомки продолжают вместо дифференцировки делиться как стволовые. В этом случае важно иметь средство, заставляющее клетки дифференцироваться. Проблема клеточной дифференцировки ждет своего решения.

Вспомните!

Что такое ген и генотип?

Ген – это фрагмент (участок или отрезок) ДНК, содержащий информацию об одной молекуле белка. Генотип – это набор всех генов в организме.

Что вам известно о современных достижениях в области генетики?

– Перспективы генной терапии в лечении атеросклероза сосудов нижних конечностей.

– Использование молекулярно-генетических маркеров для диагностики ряда психических заболеваний

– Лечение редкой формы паралича при помощи генной терапии

– Генетика выходит на битву со старением

– Генетика в помощь антропологам

– Успехи стволовой терапии

– Открытие гена, ответственного за развитие синдрома Ашера первого типа

– Новый способ диагностировать рак любого вида по анализу крови

Вопросы для повторения и задания

1. Что такое геном? Выберите самостоятельно критерии сравнения и сравните понятия «геном» и «генотип».

Геном – совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом данного организма. Например, у человека геном 23 хромосомы. Генотип – это набор всех генов в организме в диплоидном состоянии, например, генотип человека 46 хромосом.

2. Чем определяется существующая специализация клеток?

Ведущую роль в дифференцировке клеток на первых стадиях развития зародыша играют цитоплазма и поверхностный слой яйцеклетки, которая неоднородна по строению. Все клетки зародыша на стадии бластулы сходны по составу генов (генотипу), но различия в составе цитоплазмы обеспечивают дифференцировку клеток, поэтому на стадии гаструлы клетки зародыша оказываются специализированными. Важно подчеркнуть, что механизм дальнейшей специализации, образования тканей и органов усложняется, определяется взаимодействием разных частей зародыша.

3. Какие обязательные элементы входят в состав гена эукариотической клетки?

Если ген – это отрезок ДНК, значит состоит из нуклеотидов, соединенных между собой.

В соответствии с современными научными представлениями ген эукариотических клеток, кодирующий определённый белок, всегда состоит из нескольких обязательных элементов. Как правило, в начале и в конце гена располагаются специальные регуляторные участки; они определяют, когда, при каких обстоятельствах и в каких тканях будет работать этот ген. Подобные регуляторные участки дополнительно могут находиться и вне гена, располагаясь достаточно далеко, но тем не менее активно участвуя в его управлении. Кроме регуляторных зон существует структурная часть гена, которая, собственно, и содержит информацию о первичной структуре соответствующего белка. У большинства генов эукариот она существенно короче регуляторной зоны.

4. Приведите примеры взаимодействия генов.

В качестве примера взаимодействия генов рассмотрим, как наследуется окраска цветка у некоторых растений. В клетках венчика душистого горошка синтезируется некое вещество, так называемый пропигмент, который под действием специального фермента может

превратиться в антоциановый пигмент, вызывающий пурпурную окраску цветка. Значит, наличие окраски зависит от нормального функционирования по крайней мере двух генов, один из которых отвечает за синтез пропигмента, а другой - за синтез фермента. Нарушение в работе любого из этих генов приведёт к нарушению синтеза пигмента и, как следствие, к отсутствию окраски; при этом венчик цветков будет белый. Иногда встречается и противоположная ситуация, когда один ген влияет на развитие нескольких признаков и свойств организма. Такое явление называют плейотропией или множественным действием гена. Как правило, такое действие вызывают гены, функционирование которых очень важно на ранних стадиях онтогенеза. У человека подобным примером может служить ген, участвующий в формировании соединительной ткани. Нарушение в его работе приводит к развитию сразу нескольких симптомов (синдром Марфана): длинные «паучьи» пальцы, очень высокий рост из-за сильного удлинения конечностей, высокая подвижность суставов, нарушение структуры хрусталика и аневризма (выпячивание стенки) аорты.

Подумайте! Вспомните!

1. Митохондрии содержат ДНК, гены которой кодируют синтез многих белков, необходимых для построения и функционирования этих органоидов. Подумайте, как будут наследоваться эти внеядерные гены.

У большинства изученных организмов митохондрии содержат только кольцевые молекулы ДНК, у некоторых растений одновременно присутствуют и кольцевые. Гены, закодированные в митохондриальной ДНК, относятся к группе плазмагенов, расположенных вне ядра (вне хромосомы). Совокупность этих факторов наследственности, сосредоточенных в цитоплазме клетки, составляет плазмон данного вида организмов (в отличие от генома). У большинства многоклеточных организмов митохондриальная ДНК наследуется по материнской линии. Яйцеклетка содержит на несколько порядков больше копий митохондриальной ДНК, чем сперматозоид. В сперматозоиде обычно не больше десятка митохондрий (у человека - одна спирально закрученная митохондрия), в небольших яйцеклетках морского ежа - несколько сотен тысяч, а в крупных ооцитах лягушки - десятки миллионов. Кроме того, обычно происходит деградация митохондрий сперматозоида после оплодотворения.

3. Создайте портфолио по теме «Исследования ДНК человека: надежды и опасения».

Первый в мире оцифрованный человеческий геном формировали в течении 15 лет, и это стоило $3 млрд. Сейчас получить генетический паспорт можно за 1 день и за 1 тысячу долларов. Однако, получив геном, вам нужно его где-то хранить (а он весит 1000 Гб) и как-то анализировать.

Генетический анализ ДНК - это исследование генома человека для диагностики и определения индивидуального риска развития заболеваний и переносимости лекарственных препаратов, а также для получения данных о генетических особенностях, склонностях и способностях человека. Каждый человек имеет уникальный набор генов (генотип), определяющий его индивидуальность и предрасположенность к тому или иному заболеванию.

Зачем мне нужен генетический анализ? Возможно, уже через пару лет этот вопрос покажется вам глупым. Вы же не удивляетесь сейчас, когда врач просит вас сдать анализ крови? А уже очень скоро генетический анализ будет делаться в обязательном порядке каждому ребенку в роддоме и каждому пациенту, который обратился в клинику. Потому что по вашему ДНК можно определить, к каким заболеваниям у вас есть предрасположенность и какие лекарства для вас более эффективны.

Опасения.

Учёные-генетики из США при помощи технологии точного редактирования генов предприняли очередную попытку видоизменить ДНК яйцеклетки человека. Данный эксперимент был проведён с целью избавления будущего потомства от наследственных заболеваний, передающихся эмбриону от родителей. Ряд экспертов-биологов выступили против подобных исследований. В Великобритании, как и во многих других странах, изменение хромосом в яйцеклетке или сперматозоидах человека с целью получения искусственно оплодотворённого эмбриона запрещено законом из-за опасений, что «конструирование младенцев» будет поставлено на поток.

1.2.1.5. Специализация и интеграция клеток многоклеточных организмов

Многоклеточные организмы состоят из клеток, имеют принципиально одинаковое строение. Однако форма, размеры и структура клеток зависят от функций, которые они выполняют (рис. 1.18). Например, мышечные клетки удлиненные, клетки эпителиальной ткани расположены на базальной мембране, плотно прилегают друг к другу, міжклітинна вещество почти отсутствует. Нервные клетки благодаря большому количества отростков приобрели звездчатой формы. Лейкоциты подвижны, округлой формы, могут приобретать амебоїдної формы и т.д. Причем функционально специализированные клетки разных типов и видов имеют сходные структуру, форму и размеры.

Рис. 1.18. Основные типы клеток человека:

а - клетки жировой ткани; б - клетки хрящевой ткани; в - клетки костной ткани; г - клетки крови (лейкоциты и эритроциты);

д - волокна (симпласти) мышечной ткани; - клетки нервной ткани; ж - цилиндрический эпителий; е - реснитчатый эпителий.

Таким образом, клетки животных очень разнообразные по размерам, структуре и функциям, которые они выполняют. Однако все клетки обязательно должны основные компоненты: цитоплазматическую мембрану, цитоплазму и ядро (за исключением эритроцитов и тромбоцитов, в которых ядро отсутствует).

Основные типы клеток человека. Клетки человека - микроскопических размеров. Диаметр клеток коливаєть ся от 0,01 до 0,1 мм (или от 10 до 100 мкм). Объем большинства клеток человека находится в пределах 20015000 мкм 3 . Диаметр мельчайших клеток человека (эритроциты, тромбоциты) равна 4-5 мкм (рис. 1.18 г). Однако известны и достаточно большие клетки, которые можно увидеть невооруженным глазом. Величина клеток зависит от функций, которые они выполняют. Так, яйцеклетки благодаря накоплению в них питательных веществ достигают размеров до 150-200 мкм.

Размеры клеток прямо не связанные с размером организма. Так, клетки печени и почек у человека, лошади, большой рогатого скота и мыши имеют примерно одинаковый размер. Размеры органов, как и размеры целого организма животных и растений, зависят от количества клеток. Количество клеток, составляющих организм, различна: от одной (у одноклеточных) или небольшого количества (у коловраток и круглых червей) до многих миллиардов, как у большинства многоклеточных. Новорожденный человек содержит примерно 2 триллионы клеток, взрослый - 60-100 триллионов. Донор, который сдает кровь, теряет 5-6 млрд. клеток. Ежедневно наш организм теряет и восстанавливает один процент своих клеток, то есть примерно 600 миллиардов.

В организме человека есть различные клетки, которые отличаются размерами, структурой и функциями. Подобные по структуре и функциями клетки, связанные единством происхождения, образуют ткани. Специализированные клетки образуют четыре типа тканей: эпителиальную, соединительную, м "язову, нервную. Клетки сохраняют характерные черты каждого типа ткани, могут в широких пределах изменяться как по структуре, так и за функциями. Причем характер различий меняется в процессе индивидуального развития организма. Важным фактором структурно- функциональных особенностей является взаимодействие клетки с другими клетками, тканями или удаленными клеточными системами через нервную систему или гуморальный связь. В каждой ткани есть клетки, которые сохраняют способность к делению. Часть из них после разделения начинает дифференцироваться и замещает клетки ткани, которые отмирают. Вторая часть клеток остается недифференцированной, способной к следующих разделов (стволовые клетки).

Стволовые клетки и их использование в медицине.

Изучение тонких механизмов эмбрионального развития организма млекопитающих из единственной клетки и процессов замещения поврежденных клеток здоровыми клетками во взрослом организме интенсивно развивалось за последние 20 лет прошлого столетия. В основе этого необходимого направлении исследования стволовых клеток.

Стволовыми клетками (СК) считают недифференцированные клетки, способные к самообновлению и продуцирования хотя бы одного типа высокодифференцированных потомков.

Различают два типа СК - плюрипотентные эмбриональные стволовые клетки (ЭСК), которые получают из бластоцисты, и взрослые стволовые клетки - ограничены ими (мультипотентные и уніпотентні), которые обнаружены в различных тканях. Эти группы СК отличаются друг от друга и от их потомков по многим морфологическим признакам, локализации, рецепторами поверхности, факторами транскрипции.

Все СК, независимо от их происхождения, имеют общие свойства: способны к делению и самообновлению на протяжении длительного времени, они не специализированные, могут давать начало специализированным типам клеток.

В отличие от нервных клеток, которые обычно не размножаются, СК могут восстанавливаться много раз. Процесс многократного восстановления клеток называют пролиферацией. Начальная популяция СК, пролиферируют в течение многих месяцев в лаборатории, может образовать миллионы клеток. Если конечные клетки продолжают быть неспециализированными, подобно родительских СК, то они считаются способными к длительному самовосстановлению.

Одно из основных свойств СК - то, что они не имеют никаких тканинноспецифічних структур, которые позволили бы им выполнять специализированные функции. СК не может, как клетка сердечной мышцы, взаимодействовать с другими клетками, чтобы поставлять кровь к сосудам; она не может переносить молекулы кислорода, как эритроциты; и она не проводит электрохимические сигналы других клеток (подобно нервных клеток).

Ученые ищут факторы, которые позволяют СК оставаться недиференційованими. Нужно было много лет и ошибок, чтобы научиться культивировать СК в условиях лаборатории, препятствовать их спонтанной дифференцировке в определенные клетки. Только через 20 лет после создания лабораторных условий для выращивания СК мыши, научились выращивать зародышевые СК человека. Важным участком научных исследований является изучение сигналов в тканях и органах взрослого организма, которые приводят к пролиферации популяции СК и оставляют их недиференційованими до тех пор, пока они не станут нужны для регенерации определенной ткани. Это необходимо для того, чтобы вырастить большое количество СК в неспециализированных лабораториях для проведения экспериментов.

Процессы, во время которых неспециализированные СК дают начало специальным клеткам, называются дифференциацией. Только сейчас начинается изучение сигналов, которые запускают этот процесс. Их разделяют на внутренние и внешние. Внутренние сигналы контролируются генами клетки, несущие закодированные инструкции для всех структур и функций клеток. Внешние сигналы включают химические вещества из других клеток, физический контакт с соседними клетками, некоторые молекулы внеклеточного среды. Исследование сигналов дифференцировки СК необходимо, поскольку с их помощью ученые могут вырастить клетки или ткани, которые можно использовать для лечения многих заболеваний.

Зрелые СК продуцируют клетки определенной ткани, в которых они находятся. Например, зрелые СК в костном мозга дают начало многим типам клеток крови. До недавнего времени считалось, что гемопоэтические СК не могут давать начало дифференцированным клеткам других тканей, например, нервных. За последние годы многочисленными экспериментами показано, что СК происходят из одной ткани, а дают начало клеткам совсем другой ткани. Такой феномен получил название пластичности. Так, кроветворные клетки дают начало нейронам или клеткам сердечной мышцы, клетки печени трансформируются в клетки, продуцирующие инсулин. Активно изучается возможность использование зрелых СК в клинической практике.

Существует большое разнообразие направлений, в которых СК человека могут использоваться в экспериментальном и клиническом исследованиях. Но есть много технических препятствий между потенциалом стволовых клеток и реализацией его использования, которые будут преодолены только длительным, интенсивным изучением.

Изучение СК человеческих зародышей может дать информацию о сложные процессы, происходящие на протяжении развития человека. Цель этой работы заключается в том, чтобы выяснить, как недифференцированные стволовые клетки становятся дифференцированными. Преобразования генов на активные и неактивные есть важным в этом процессе. Некоторые из наиболее серьезных медицинских состояний, таких, как рак и пороки развития, является следствием патологического деления и дифференцировки клеток. Понимание генетических и молекулярных регуляторов этих процессов может дать информацию о том, как возникают такие заболевания, и предложить новые стратегии для терапии. Существенным препятствием использования СК является то, что не до конца выяснено сигналы, которые способствуют переходу определенных генов в активный и неактивное состояние, а также те, что влияют на дифференцировку стволовых клеток.

СК также могут использоваться для проверки новых лекарственных препаратов. Например, новые медикаментозные препараты могли бы быть проверены на безопасность с помощью дифференцированных клеток, полученных от человеческих плюрипотентных линий клеток. Другие виды линий клеток уже применяются в клинике. Раковая клетка формирует, например, привыкание к лекарственным антиопухолевых препаратов. Но наличие плюрипотентных СК позволило бы осуществить проверку препаратов в более широком диапазоне типов клеток. Для эффективной проверки препаратов необходимо создать идентичные условия при сравнении различных лекарств. Несмотря на это, ученые должны будут точно уметь управлять дифференцировкой СК в определенный тип клеток, на которых будут проверены лекарства. Знание сигналов, контролирующих дифференцировку, недостаточно для того, чтобы суметь точно их сымитировать с целью получения последовательного идентичного дифференцировка клеток для каждого лекарственного средства, что проверяется.

Возможно, наиболее важным потенциальным применением человеческих СК является восстановление клеток и тканей, которые могли бы использоваться для терапии, основанной на клетках. На сегодня донорские органы и ткани часто используются, чтобы изменить больного или разрушенную ткань, но потребность в тканях и органах для трансплантации превышает их доступное поставки. СК, направленные к дифференцировке в определенные типы клеток, позволяют восстанавливать источники замены клеток и тканей с целью лечение заболеваний, в частности болезней Паркинсона и Альцгеймера, повреждения спинного мозга, синяков, ожогов, заболевания сердца, диабета, остеоартрита и ревматоидного артрита.

Например, возможно создание здоровых клеток сердечной мышцы в лаборатории с последующей трансплантацией их пациентам с хронической сердечной недостаточностью. Предыдущие исследования на мышах и других животных указывают на то, что СК костного мозга, которые были трансплантированы в поврежденное сердце, могут создавать клетки сердечной мышцы и успешно повторно заселять сердечную ткань. Другие недавние исследования в системах клеточных культур указывают на возможное направление дифференцированных зародышевых СК или зрелых клеток костного мозга к клеткам сердечной мышцы.

У людей, больных диабетом первого типа, клетки поджелудочной железы, которые обычно продуцируют инсулин, разрушены собственной иммунной системой пациента. Новые исследования указывают, что можно направлять дифференцировку человеческих зародышевых СК в клеточной структуре с целью формирования инсулин - продуцирующих клеток, которые могли бы использоваться в трансплантаційній терапии больных диабетом.

Для реализации многообещающих новых методов лечения, основанных на клетках, с целью лечения распространенных и истощающих заболеваний, специалисты должны обладать способностью легко и продуктивно управлять стволовыми клетками так, чтобы они имели необходимые характеристики для успешного дифференцирования, трансплантации и приживления. В дальнейшем нужны последовательные этапы успешного использование, основанные на клетках, чтобы контролировать введение такого лечение в клинике. Для трансплантации стволовые клетки должны иметь такие свойства:

Экстенсивно пролиферировать и продуцировать достаточное количество тканей;

Дифференцироваться в желаемые типы клеток;

Сохранять жизнеспособность после трансплантации;

Объединяться с окружающими тканями после трансплантации;

Функционировать для продолжения жизнь реципиента;

Не причинять вреда реципиенту любым образом.

Кроме того, чтобы избежать проблемы иммунного отторжения, экспериментируют с различными стратегиями создания тканей.

Таким образом, лечение стволовыми клетками перспективное. их применение ограничено техническими причинами и дороговизной, но накопленные результаты дают возможность считать, что эти ограничения будут преодолены.