Факты самых последних лет подтверждают эти представления: содержание метилцитозина намного ниже в активных генах в клетках многих животных. Более того, подтвержден и механизм репликации метилированных состояний, т. е, поддержания метилированных оснований в ряду клеточных поколений. Однако получены и другие факты: в ядрах дрозофилы ДНК оказалась совершенно неметилированной.
Если изменения первичной структуры ДНК путем замещения отдельных нуклеотидов остаются проблемой и, во всяком случае, требуют подтверждений, то изменения путем переноса больших участков ДНК и, может быть, потери некоторых последовательностей определенно доказаны. В последнее время обнаружено, что в развитии дрозофилы происходит, по-видимому, случайный перенос участков ДНК в другие части хромосомы, что сказывается на проявлении действия генов. Ho наиболее убедительными являются изменения строения генов иммуноглобулинов, для которых было показано, что при дифференцировке лимфоцитов происходит закономерное сближение нескольких районов ДНК. Подробнее мы рассмотрим этот вопрос в следующей главе. Если такие переносы или делеции показаны для одних случаев дифференцировки, то мы вправе ожидать, что и в других случаях события такого порядка тоже возможны.
Среди структурных механизмов эпигенетического наследования можно говорить также о «недо- и перерепликации» ДНК. Известно, что при образовании политенных хромосом у насекомых некоторые их участки реплицируются меньшее число раз, чем остальные части хромосом. Наоборот, при амплификации ДНК в ооцитах группа рибосомных генов реплицируется избирательно. Возможность подобных явлений позволяет предположить и такие способы изменения генома. Изменения «высших» структур ДНК, т. е. изменения характера ее спирализации или укладки в хромосоме, изменения характера связи ДНК с белками и т. д., также могут выдвигаться в качестве эпигенетических механизмов. Так, в ряде работ болгарского ученого Цанева и американца Вайнтрауба обсуждаются возможности сохранения в процессе репликации ДНК особенностей строения нуклеосом. Авторы этих гипотез предполагают, что местные модификации гистонов путем, например, их фосфорилирования или ацетилирования (такие модификации гистонов действительно происходят при активировании репликации или транскрипции) могут передаваться на обе вновь образующиеся молекулы ДНК и таким образом размножать раз созданные отличия гистонов, лежащих в районе того или иного гена. Эти представления, однако, встречают пока много трудностей и не получили еще надежного экспериментального подтверждения.
Мы можем заключить эту главу приблизительно тем же, с чего она началась. Эпигенетическая наследственность, или, иначе, сохранение дифференцировки в ходе клеточных делений, — факт, требующий своего объяснения. Несмотря на всю привлекательность «метаболических» гипотез, они не могут объяснить ряд фактов, что заставляет прибегать к созданию гипотез о «структурном» механизме эпигенетического наследования. И хотя сегодня мы не располагаем надежными экспериментальными данными о «структурных» механизмах такого наследования (что верно и для «метаболических» гипотез), некоторые гипотезы об изменении структуры ДНК не кажутся совсем невероятными.
Дифференцированные клетки взрослого организма отличаются одна от другой не только строением и функциями. Они отличаются и временем жизни. Некоторые из них, например нервные, обычно живут столько, сколько живет сам организм. Клетки крови или эпителия кожи существуют значительно меньше — их время жизни измеряется неделями или месяцами. Наконец, эпителиальные клетки кишечника сохраняются не более одного-двух дней.
Если почему-либо погибают нервные клетки (например, при мозговой травме), их уже невозможно восстановить: нервные клетки, как известно, не делятся. При потере части клеток печени (это бывает не только при хирургическом удалении доли печени, но и при некоторых тяжелых отравлениях и болезнях) происходит полное восстановление нормального числа клеток за счет деления оставшихся. В отличие от нервных клеток дифференцированные клетки печени сохраняют полную способность к делениям, хотя в норме почти не делятся.
Поддержание постоянного количества дифференцированных клеток крови, таких, например, как эритроциты, за счет деления их самих совершенно невозможно. У млекопитающих эритроциты вообще лишены ядра, но и ядерные эритроциты у других позвоночных настолько специализированны, что необратимо потеряли способность к делению. Также не способны делиться наполненные кератином клетки поверхностных слоев эпителия кожи и обращенные в полость кишки клетки, лежащие на концах ворсинок. Поддержание нормального числа специализированных клеток во всех этих случаях, а также во многих других происходит путем их постоянной дифференцировки из менее дифференцированных делящихся клеток. В различных органах содержится запас таких малодифференцированных клеток. Некоторая их часть дифференцируется и при этом теряет способность к делению, а часть делится и этим поддерживает постоянное число малодифференцированных клеток.
Если эти процессы изобразить схематически, они будут выглядеть, как дерево с прямым стволом и боковыми ветвями. Ствол — это ряд непрерывно делящихся малодифференцированных клеток, а боковые ветви — это клетки, вступившие на путь дифференцировки и после нескольких делений превращающиеся в полностью дифференцированные клетки, которые через некоторое время погибают. Эта схема привела к термину «стволовые клетки», которым и называют малодифференцированные клетки, способные к делению и к дифференцировке в одном или нескольких направлениях. Раньше в этих случаях обычно использовали ботанический термин — «камбиальные клетки».
Внешне стволовые клетки трудно или даже невозможно отличить от других малодифференцированных клеток, уже начавших свою дифференцировку. В случае эпителия кожи или кишечника эта задача решается проще и не требует специальных методов.
1. Эпителий кожи и кишечника
Эпителий кожи многослойный, и его стволовые клетки находятся в нижнем (базальном) слое, лежащем на мембране, отделяющей эпителий от соединительной ткани. Клеточные деления происходят в базальном слое, и часть клеток при этом вытесняется в верхние слои, вступая тем самым на путь терминальной дифференцировки. Эта дифференцировка в основном состоит в накоплении нерастворимого белка кератина, который постепенно заполняет всю клетку, превращая ее в часть роговой чешуйки, которая слущивается с наружной поверхности кожи. Одна стволовая клетка делится несколько раз и образует в базальном слое группу из 8—10 клеток, которые затем передвигаются в сторону поверхности кожи и в конце концов образуют одну роговую чешуйку.
Кишечный эпителий образует ворсинки, выдающиеся в полость кишки. Дифференцированные клетки нескольких типов выстилают поверхность ворсинки, контактируют с пищей, способствуют ее перевариванию и осуществляют всасывание растворимых пищевых веществ. На кончике ворсинки клетки сохраняются не более одного дня, затем они погибают и отторгаются. На смену им вдоль боковых стенок ворсинки движутся эпителиальные клетки, которые дифференцируются из стволовых клеток.
Между ворсинками в стенке кишки находятся углубления — крипты, около дна которых располагаются и делятся стволовые клетки. После деления, очевидно случайно, одна из клеток оказывается ближе к краю крипты — она и вступает на путь дальнейшей, терминальной дифференцировки. В начале дифференцировки клетка проходит еще несколько делений, так что число дифференцирующихся потомков одной стволовой клетки увеличивается во много раз. Ta же клетка, которая после деления исходной стволовой клетки случайно оказывается вблизи дна крипты, сохраняет свой малодифференцированный характер, т. е. остается стволовой. Немногие клетки в результате деления попадают на самое дно крипты. Они дифференцируются в особые клетки Пеннета.
В результате делений число клеток в крипте увеличивается, их избыток переходит в ворсинку, движется вдоль нее от основания к верхушке, и на этом пути клетки завершают свою дифференцировку. Деление клеток, попавших в ворсинку, прекращается. Дифференцировка их выражается в основном биохимически: в клетках транскрибируются долгоживущие мРНК, а на них транслируются пищеварительные ферменты. Скорость трапскрипции в ядрах по мере дифференцировки замедляется.
В ворсинках эпителия кишечника дифференцировка происходит в нескольких направлениях. Основным видом клеток являются каемчатые клетки. На их наружной поверхности, обращенной в полость кишки, вырастают микроворсинки (их длина 1–1,5 мкм, а диаметр — менее 0,10 мкм), между ними и происходит основная часть пищеварения. Ho кроме того, в эпителии встречаются и особые бокаловидные клетки, выделяющие слизь, а также энтероэндокринные клетки. Все они, по-видимому, образуются из одних и тех же стволовых клеток, каждая из которых, следовательно, может дифференцироваться в одном из четырех направлений или оставаться стволовой. Когда дифференцированные клетки, достигнув вершины ворсинки, отторгаются, они попадают в полость кишки и погибают, а пищеварительные ферменты, освободившиеся из них, начинают функционировать.
