Оптимальным этапом для изучения хромосом является стадия метафазы, когда хромосомы достигают максимальной конденсации и располагаются в одной плоскости, что позволяет их идентифицировать с высокой точностью. Для изучения кариотипа требуется выполнение нескольких условий:
Стимуляция клеточных делений для получения максимального количества делящихся клеток,
- блокирование клеточного деления в метафазе;
- гипотонизацш клеток и приготовление препарата хромосом для дальнейшего исследования под микроскопом.
Для изучения хромосом можно использовать клетки из активно пролиферирующих тканей (клетки костного мозга, стенок семенников, опухолей) или клеточные культуры, которые получают путём культивирования в контролируемых условиях на специальных питательных средах клеток, выделенных из организма (клетки периферической крови*, лимфоциты Т, клетки красного костного мозга, фибробласты разного происхождения, клетки хориона, опухолевые клетки)
* Техника получения хромосомных препаратов из лимфоцитов периферической крови, культивируемых в изолированных условиях является наиболее простым методом и состоит из следующих этапов:
Забор венозной крови в асептических условиях;
Добавление гепарина для предотвращения свертывания крови;
Перенос материала во флаконы со специальной питательной средой;
Стимуляция клеточных делений добавлением фитогемагглютинина;
Инкубация культуры в течение 72 часов при температуре 37 0 С.
Блокирование клеточного деления на стадии метафазы достигается введением в среду колхицина или колцемида – веществ - цитостатиков, разрушающих веретено деления. Получение препаратов для микроскопического анализа включает следующие этапы:
- гипотонизацю клеток, которая достигается добавлением гипотонического раствора хлорида калия; это приводит к набуханию клетки, разрыву ядерной оболочки и дисперсии хромосом;
- фиксацию клеток для остановки жизнедеятельности клетки с сохранением структуры хромосом; для этого используются специальные фиксаторы, например, смесь этилового спирта и уксусной кислоты;
- окрашивание препарата по Гимзе или использование других способов окрашивания;
- анализ под микроскопом с целью выявления численных нарушений (гомогенных или в мозаике) и структурных аберраций;
- фотографирование и вырезание хромосом;
- идентификацию хромосом и составление кариограммы (идиограммы).
Этапы кариотипирования Дифференциальная окраска хромосом
В настоящее время наряду с рутинными методами изучения кариотипа используются методы дифференциальной окраски, позволяющие выявить в хроматидах чередование окрашенных и неокрашенных полос. Они называются бэндами и имеют специфическое и точное распределение, обусловленное особенностями внутренней организации хромосомы
Методы дифференциальной окраски были разработаны в начале 70-х годов ХХ-го века и стали важной вехой в развитии цитогенетики человека. Они имеют широкое практическое применение, т.к.:
Чередование полос не носит случайный характер, а отражает внутреннюю структуру хромосом, например распределение эухроматиновых и гетерохроматиновых участков, богатых AT или GC последовательностями ДНК, участков хроматина с разной концентрацией гистонов и негистонов;
Распределение бэндов идентично для всех клеток одного организма и всех организмов данного вида, что используется для точной идентификации вида;
Метод позволяет точно идентифицировать гомологичные хромосомы, которые являются одинаковыми с генетической точки зрения и имеют сходное распределение бэндов;
Метод обеспечивает точную идентификацию каждой хромосомы, т.к. разные хромосомы имеют разное распределение бэндов;
Дифференциальная окраска позволяет выявить многие структурные нарушения хромосом (делеции, инверсии), которые с трудом обнаруживаются методами простой окраски.
В зависимости от способа предобработки хромосом и техники окрашивания различают несколько методов дифференциальной окраски (G,Q,R,T,C). Используя их, можно получить чередование окрашенных и неокрашенных полос - бэндов, стабильных и специфичных для каждой хромосомы.
Характеристика различных методов дифференциальной окраски хромосом
|
Название метода |
Используемый краситель |
Природа бэндов |
Практическая роль |
|
Окрашенные - гетерохроматин; неокрашенные - эухроматин |
Выявление численных и структурных аномалий хромосом |
||
|
Куинакрин (флюоресцентный краситель) |
Окрашенные - гетерохроматин; неокрашенные - эухроматин | ||
|
Метод R (реверс) |
Окрашенные - эухроматин; неокрашенные - гетерохроматин |
Выявление численных и структурных аномалий хромосом |
|
|
Giemsa или флюоресцентный краситель |
Окрашенные центромерный гетерохроматин |
Анализ полиморфизма хромосом |
|
|
Giemsa или флюоресцентный краситель |
окрашенные - теломерный гетерохроматин |
Анализ полиморфизма хромосом |
У одноклеточных организмов, таких как дрожжи, бактерии или простейшие, отбор благоприятствует тому, чтобы каждая отдельная клетка росла и делилась как можно быстрее. Поэтому скорость деления клеток обычно лимитируется только скоростью поглощения питательных веществ из окружающей среды и переработки их в вещество самой клетки. В отличие от этого у многоклеточного животного клетки специализированы и образуют сложное сообщество, так что главная задача здесь - выживание организма, а не выживание или размножение отдельных его клеток. Для того чтобы многоклеточный организм выжил, некоторые его клетки должны воздержаться от деления, даже если нет недостатка в питательных веществах. Но когда возникает надобность в новых клетках, например при репарации повреждения, ранее не делившиеся клетки должны быстро переключаться на цикл деления; а в случаях непрерывного «износа» ткани скорости новообразования и отмирания клеток всегда должны быть сбалансированы. Поэтому здесь должны существовать сложные регуляторные механизмы более высокого уровня, чем тот, который действует у таких простых организмов, как дрожжи. Этот раздел и посвящен такому «социальному контролю» на уровне отдельной клетки. В гл. 17 и 21 мы познакомимся с тем, как он функционирует в многоклеточной системе для поддержания и обновления тканей тела и какие его нарушения происходят при раке, а в гл. 16 увидим, как еще более сложная система управляет клеточным делением в процессах индивидуального развития.
13.3.1. Различия в частоте деления клеток обусловлены разной длительностью паузы после митоза
Клетки человеческого тела, число которых достигает 1013, делятся с весьма разными скоростями. Нейроны или клетки скелетной мышцы не делятся совсем; другие, например клетки печени, обычно делятся только раз в один или два года, а некоторые эпителиальные клетки кишечника,
Рис. 13-22. Деление и миграция клеток в эпителиальной выстилке тонкой кишки мыши. Все клеточные деления происходят только в нижней части трубчатых впячиваний эпителия, называемых криптами. Новообразованные клетки перемешаются вверх и образуют эпителий кишечных ворсинок, где они осуществляют переваривание и всасывание питательных веществ из просвета кишки. Большая часть эпителиальных клеток имеет короткий период жизни и слущивается с кончика ворсинки не позднее чем через пять дней после выхода из крипты. Однако кольцо примерно нз 20 медленно делящихся «бессмертных» клеток (их ядра выделены более темным цветом) остаются связанными с основанием крипты.
Эти так называемые стволовые клетки дают при делении две дочерние клетки: в среднем одна из них остается на месте и далее снова функционирует как недифференцированная стволовая клетка, а другая мигрирует наверх, где дифференцируется и входит в состав эпителия ворсинки. (С изменениями из С. S. Pptten, R. Schofield, L G. Lajtha, Biochim. Biophys. Acta 560: 281-299, 1979.)
чтобы обеспечить постоянное обновление внутренней выстилки кишки, делятся чаще чем два раза в сутки (рис. 13-22). Большинство клеток позвоночных располагается где-то в этих временных пределах: они могут делиться, но обычно делают это не так часто. Почти все различия в частоте деления клеток обусловлены разницей в длине промежутка между митозом и S-фазой; медленно делящиеся клетки останавливаются после митоза на недели и даже годы. Наоборот, время, за которое клетка проходит ряд стадий от начала S-фазы до окончания митоза, очень коротко (у млекопитающих обычно от 12 до 24 ч) и удивительно постоянно, каким бы ни был интервал между последовательными делениями.
Время нахождения клеток в непролиферирующем состоянии (так называемой фазе G0) меняется в зависимости не только от их типа, но и от обстоятельств. Половые гормоны побуждают клетки в стенке матки быстро делиться на протяжении нескольких дней в каждом менструальном цикле, чтобы замещать ткань, утраченную при менструации; потеря крови стимулирует пролиферацию предшественников кровяных клеток;
повреждение печени заставляет выжившие клетки этого органа делиться раз или два в сутки, пока не будет возмещена потеря. Точно так же эпителиальные клетки, окружающие рану, приступают к усиленному делению для восстановления поврежденного эпителия (рис. 13-23).
Для регулирования пролиферации клеток каждого типа в соответствии с потребностью существуют тщательно отлаженные и высокоспецифичные механизмы. Однако, хотя важность такой регуляции
Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К. Уотсон Дж. Д. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. 2-е изд. перераб. и доп. Т. 2.: Пер. с англ. – М.: Мир, 1993. – 539 с.
Рис. 13-23. Пролиферация клеток эпителия в ответ на ранение. Эпителий хрусталика повреждали с помощью иглы и спустя определенное время добавляли 3Н-тимидин для мечения клеток в фазе S (выделены цветом); затем вновь фиксировали и приготовляли препараты для р.диоавтографии. На схемах слева участки с клетками в фазе S выделены цветом, а с клетками в фазе М - отмечены крестиками; черное пятно в центре - место нанесения раны. Стимуляция клеточного деления постепенно распространяется от раны, вовлекая в деление покоящиеся клетки в фазе G0, я это приводит к необычно сильной реакции на относительно малое повреждение. На 40-часовом препарате клетки, далеко отстоящие от раны, вступают в фазу S первого цикла деления, тогда как клетки около самой раны вступают в S-фазу второго цикла деления. Рисунок справа соответствует участку, заключенному на схеме слева в прямоугольник; он сделан по фотографии 36-часового препарата, окрашенного для выявления клеточных ядер. (По С. Harding, J. R. Reddan, N.J. Unakar, M. Bagchi, Int. Rev. Cytol. 31: 215-300, 1971.)
очевидна, ее механизмы трудно анализировать в сложном контексте целого организма. Поэтому детальное изучение регуляции клеточного деления обычно проводят на культуре клеток, где легко изменять внешние условия и длительное время наблюдать за клетками.
13.3.2. Когда условия для роста становятся неблагоприятными, клетки животных, так же как и дрожжевые клетки, останавливаются в критической точке в G1 - в точке рестрикции
При изучении клеточного цикла in vitro в большинстве случаев используются стабильные клеточные линии (разд. 4.3.4), способные размножаться неопределенно долго. Это линии, специально отобранные для поддержания в культуре; многие из них - так называемые нетрансформированные клеточные линии - широко используются в качестве моделей пролиферации нормальных соматических клеток.
Фибробласты (такие, как различные типы мышиных клеток ЗТЗ) обычно делятся быстрее, если расположить их в культуральной чашке не слишком плотно и использовать культуральную среду, богатую питательными веществами и содержащую сыворотку - жидкость, получаемую при свертывании крови и очищенную от нерастворимых сгустков и кровяных клеток. При нехватке каких-либо важных питательных веществ, например аминокислот, или при добавлении в среду ингибитора белкового синтеза клетки начинают вести себя примерно так же, как описанные выше дрожжевые клетки при недостатке питания: средняя продолжительность фазы Gt возрастает, но на остальной части клеточного цикла все это почти не сказывается. Как только клетка прошла через G1, она уже неизбежно и без задержки проходит фазы S, G2 и М независимо от условий среды. Эту точку перехода в поздней фазе G1 часто называют точкой рестрикции (R), потому что именно здесь клеточный цикл еще может приостановиться, если внешние условия препятствуют его продолжению. Точка рестрикции соответствует точке старта в клеточном цикле дрожжей; так же как и у дрожжей, она может отчасти служить механизмом, регулирующим размеры клетки. Однако у высших эукариот ее функция более сложна, чем у дрожжей, и в фазе G 1 может быть несколько слегка различающихся точек рестрикции, связанных с различными механизмами контроля клеточной пролиферации.
Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К. Уотсон Дж. Д. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. 2-е изд. перераб. и доп. Т. 2.: Пер. с англ. – М.: Мир, 1993. – 539 с.
Рис. 13-24. Разброс величин длительности клеточного цикла, наблюдаемый обычно в гомогенной популяции клеток in vitro. Такие данные получают, наблюдая отдельные клетки под микроскопом и прямо отмечая время между последовательными делениями.
13.3.3. Длительность цикла пролиферирующих клеток, по-видимому, имеет вероятностный характер
Индивидуальные клетки, делящиеся в культуре, можно непрерывно наблюдать с помощью цейтраферной киносъемки. Такие наблюдения показывают, что даже у генетически идентичных клеток длительность цикла весьма изменчива (рис. 13-24). Количественный анализ показывает, что время от одного деления до следующего содержит случайно меняющуюся компоненту, причем изменяется она главным образом за счет фазы G1. По-видимому, по мере того как клетки приближаются к точке рестрикции в GJ (рис. 13-25), они должны некоторое время «выждать», прежде чем перейти к оставшейся части цикла, причем для всех клеток вероятность в единицу времени пройти точку R примерно одинакова. Таким образом, клетки ведут себя подобно атомам при радиоактивном распаде; если в первые три часа через точку R прошла половина клеток, в следующие три часа через нее пройдет половина оставшихся клеток, еще через три часа - половина тех, что останутся, и т. д. Возможный механизм, объясняющий такое поведение, был предложен ранее, когда речь шла об образовании активатора S-фазы (разд. 13.1.5). Однако случайные изменения длительности клеточного цикла означают, что первоначально синхронная клеточная популяция через несколько циклов утратит свою синхронность. Это неудобно для исследователей, но может быть выгодно для многоклеточного организма: в противном случае большие клоны клеток могли бы проходить митоз одновременно, а поскольку клетки во время митоза обычно округляются и утрачивают прочную связь друг с другом, это серьезно нарушало бы целостность ткани, состоящей из таких клеток.
По мере развития количество клеток, из которых состоит зародыш, увеличивается. Деления клеток (дробление яйца) на самых ранних стадиях развития происходят равномерно (синхронно). Ho у одних видов раньше, у других позже эта синхронность нарушается и клетки, из которых образуются зачатки разных органов, начинают делиться с разной скоростью. Эти различия в скорости деления можно рассматривать как одно из первых проявлений их дифференцировки.
У зародышей млекопитающих уже после стадии 16–32 бластомеров большая часть клеток начинает делиться быстрее и образует трофобласт – зачаток будущей плаценты. Сам будущий зародыш состоит на этих ранних стадиях всего из нескольких клеток. Однако позже в ходе развития и роста зародыш и затем плод становятся во много раз больше плаценты.
У амфибий на стадии бластулы, состоящей из нескольких тысяч клеток, будущая мезодерма составляет менее одной трети всех клеток. Ho по мере развития мезодермальные производные – все мышцы, почти весь скелет, система кровообращения, почки и др. – занимают не менее 80 % всей массы головастика.
Особенно нагляден неодинаковый темп деления клеток в морфогенезе многих беспозвоночных. У видов с мозаичным развитием уже на стадии 30–60 клеток зачатки всех основных органов определены и представлены очень немногими клетками (иногда всего двумя). Далее деления клеток в каждом зачатке строго программируются. Так, например, ранний зародыш асцидий содержит 52 клетки эктодермы, 10 клеток энтодермы и всего 8 клеток мезодермы. В течение последующего развития число клеток эктодермы возрастает в 16 раз, энтодермы – в 20, а мезодермы – в 50. Благодаря программированности делений число клеток у некоторых взрослых беспозвоночных (например, у нематод) строго постоянно и каждый орган представлен определенным числом клеток. Далеко не всегда местоположение органа и место, где делятся составляющие его клетки, совпадают. Часто митозы происходят только в особой зоне размножения и оттуда клетки мигрируют к месту своей дифференцировки. Примеры такого рода мы уже видели при рассмотрении системы стволовых клеток. То же происходит, например, и при развитии головного мозга.
Программа клеточных делений не всегда очень строга и предопределяет точное их число. Чаще, вероятно, деления происходят до тех пор, пока количество клеток или размер органа не достигнет определенной величины. Речь идет, таким образом, о двух принципиально различных механизмах регуляции клеточных делений.
В одном случае (как в яйцах с мозаичным развитием) он, по‑видимому, заключен в самой делящейся клетке, которая должна «уметь отсчитывать» свои деления. В другом же случае должна существовать некоторая «петля обратной связи», когда масса органа или число клеток, достигая некоторой величины, начинает тормозить дальнейшие деления.
Оказалось, что число делений в нормальных клетках, не трансформированных в злокачественные, вообще не беспредельно и обычно не превышает 50–60 (большинство клеток делится меньше, так как если бы яйцо равномерно разделилось 60 раз, то число клеток в организме (260) оказалось бы в тысячи раз выше, чем в действительности). Однако ни механизм такого предела числа клеточных делений (называемого по имени открывшего его ученого предел Хайфлика), ни его биологический смысл пока непонятен.
Что же является «датчиком» в системе регуляции – размер органа или число клеток? Однозначный ответ на этот вопрос дают опыты с получением животных с измененной плоидностью – гаплоидные, триплоидные или тетраплоидные. Их клетки соответственно в 2 раза меньше или в 1,5 или 2 раза больше нормальных диплоидных. Тем не менее и размер самих животных, и размер их органов, как правило, нормальные, т. е. они содержат больше или меньше клеток, чем в норме. Регулируемой величиной, следовательно, является не количество клеток, а масса органа или всего организма.
Иначе обстоит дело у растений. Клетки тетраплоидных растений, как и у животных, соответственно больше диплоидных. Но и размеры частей тетраплоидных растений – листьев, цветков, семян – часто оказываются больше обычных почти в 2 раза. Похоже, что у растений «датчиком» при определении числа клеточных делений является не размер органа, а само число клеток.
Механизмы, регулирующие клеточные деления – пролиферацию клеток, изучаются очень интенсивно и с разных сторон. Одним из стимулов такой активности ученых является то, что отличия раковых клеток от нормальных во многом и состоят в нарушении регуляции клеточных делений, в выходе клеток из‑под такой регуляции.
Примером одного из механизмов регуляции клеточных делений может служить поведение клеток, посеянных на дно флакона с питательной средой, – клеточной культуры. Их деления в хороших условиях происходят до тех пор, пока они не покроют все дно и клетки не коснутся друг друга. Далее наступает так называемое контактное торможение, или торможение, зависимое от плотности клеток. Его можно нарушить, как это делал Ю. М. Васильев, расчистив от клеток небольшое окошко на поверхности стекла. В это окошко со всех сторон устремляются клетки, вокруг него проходит волна клеточных делений. Можно думать, что и в организме контакты с соседними клетками являются механизмом, сдерживающим клеточные деления.
У опухолевых клеток эта регуляция нарушается – они не подчиняются контактному торможению, а продолжают делиться, громоздясь друг на друга. Аналогично, увы, они ведут себя и в организме.
Ho контактное торможение не является единственным механизмом регуляции: ее барьер может быть преодолен и у вполне нормальных клеток. Так, например, плотно прижатые друг к другу клетки печени у молодого животного тем не менее делятся и печень растет вместе с ростом всего животного. У взрослых животных эти деления практически прекращаются. Однако если две доли печени удалить, то в оставшейся доле очень быстро начнутся массовые деления клеток – регенерация печени. Если удалить одну почку, то в течение немногих дней вторая почка за счет клеточных делений увеличится вдвое. Очевидно, что в организме существуют механизмы, способные стимулировать клеточные деления в органе, активировать его рост и приводить размеры органа тем самым в некоторое количественное соответствие с размерами всего организма.
В этом случае действуют не контактные механизмы, а какие‑то химические факторы, может быть связанные с функцией печени или почек. Можно представить, что недостаточность функции этих органов, при удалении части их или при отставании их роста от роста всего организма, так нарушает весь метаболизм в организме, что это вызывает компенсаторную стимуляцию клеточных делений именно в данных органах. Есть и другие гипотезы, объясняющие, например, подобные явления действием особых ингибиторов клеточных делений – кейлонов, выделяемых самим органом; если орган меньше, то меньше и кейлонов и больше клеточных делений в этом органе. Если такой механизм и существует, то действует он не везде. Например, потеря одной ноги не приводит сама по себе к увеличению размеров другой ноги.
Деления стволовых и дифференцирующихся клеток крови стимулируются, как мы уже говорили, гормонами, такими, как, например, эритропоэтин. Гормоны стимулируют клеточные деления и во многих других случаях. Например, стимуляция роста числа клеток яйцевода у кур активируется женским половым гормоном. Существуют химические факторы – обычно это небольшие белки, которые действуют не как гормоны, т. е. не разносятся с кровью по всему организму, а влияют более ограниченно, на соседние ткани. Это известные сейчас факторы роста – эпидермальный и др. Однако в большинстве случаев конкретные химические факторы регуляции клеточных делений и механизмы их действия нам неизвестны.
Еще меньше мы знаем о регуляции клеточных делений во время основных процессов морфогенеза – в эмбриональном развитии. Мы уже говорили, что здесь способность одних клеток делиться быстрее, чем другие, является проявлением их дифференцировки. В то же время нельзя не заметить, что дифференцировка и клеточные деления в определенном смысле противостоят друг другу и иногда даже исключают друг друга. В некоторых случаях это связано с невозможностью деления при далеко зашедшей, терминальной дифференцировке клеток. Может ли, например, разделиться эритроцит с его очень специализированной структурой, жесткой оболочкой и почти полной утратой большинства клеточных функций, а у млекопитающих еще и с потерей ядра? Нервные клетки хотя и сохраняют очень высокий темп метаболизма, но их длинный аксон и дендриты, связанные с другими клетками, служат очевидными препятствиями к делению. Если бы такое деление у нервной клетки все же произошло, это привело бы к потере связи этой клетки с другими и, следовательно, к потере ее функции.
Поэтому обычной последовательностью событий является сначала период пролиферации клеток, а уже затем дифференцировка, носящая терминальный характер. Более того, ряд ученых предполагают, что как раз во время клеточных делений хромосомы как бы «освобождаются» для следующего этапа дифференцировки, – последнему митозу перед дифференцировкой придается особое значение. Эти представления носят пока во многом умозрительный характер п не имеют на молекулярном уровне хороших экспериментальных оснований.
Ho и не зная конкретных механизмов регуляции клеточных делений, мы вправе рассматривать их программированный характер как такое же проявление программы развития, каким являются и все остальные его процессы.
В заключение мы кратко остановимся и на явлении, как бы обратном размножению клеток, – их гибели, которая в определенных случаях формообразования является необходимым этапом развития. Так, например, при образовании пальцев в зачатках кисти передних и задних конечностей клетки мезенхимы собираются в плотные тяжи, из которых потом формируются хрящи фаланг. Среди клеток, оставшихся между ними, происходит массовая гибель, за счет которой отчасти пальцы отделяются друг от друга. Нечто похожее происходит и при дифференцировке зачатка крыла у птиц. Механизмы гибели клеток в этих случаях – факторы, внешние по отношению к клеткам, и события внутри клеток – остаются малоизвестными. А. С. Уманский предполагает, например, что гибель клетки начинается с деградации ее ДНК.
Размножение клеток, несмотря на всю его важность, нельзя считать основным механизмом морфогенеза: в создании формы оно участвует все же косвенно, хотя такие важные параметры, как общая форма органа и его относительные размеры, могут регулироваться именно на уровне клеточных делений. Еще меньшую роль играет в морфогенезе программированная гибель клеток. Ho тем не менее они являются в нормальном развитии совершенно необходимыми компонентами. В регуляции этих явлений участвуют практически все компоненты клетки и ее генетический аппарат. Это показывает нам, что в развитии не бывает простых процессов. Попытка до конца разобраться в любом из них заставляет нас обращаться к основным молекулярным механизмам работы клетки. А здесь еще много нерешенного.
Для того чтобы оценить всю сложность развития многоклеточного организма, надо представить себе этот процесс происходящим как бы в многомерном пространстве. Одну ось составляет длинная цепь этапов реализации генетической информации – от гена до признака. Второй такой осью можно назвать всю совокупность генов в хромосомах. В ходе развития продукты различных генов взаимодействуют друг с другом. Развертывание событий но двум осям образует как бы сеть на плоскости. Однако существует п третья ось – разнообразие событий, происходящих в разных частях зародыша. События эти могут происходить относительно автономно, как у животных с мозаичным развитием. Ho частично и у них, а в полной мере у видов с регуляционным типом развития между частями организма осуществляются большие или меньшие взаимодействия и всегда сложные перемещения клеток. Рассматривать их все как одну ось можно, только идя на значительные упрощения. И наконец, все развитие (гаметогенез, эмбриогенез и постэмбриональное развитие) происходит во времени, масштаб которого совершенно иной, чем время, измеряемое на пути от гена до белка. По этой (условно четвертой) оси вся многомерная картина радикально изменяется – яйцо превращается в размножающийся организм. Эта многомерность иллюстрирует сложность всех процессов и их взаимоотношений и трудности их понимания.
У части вирусов роль наследственного вещества выполняет не ДНК, а сходная с ней по строению РНК.
К концу XIX в. цитологи располагали почти исчерпывающими знаниями о морфологической стороне митоза. Дальнейшее пополнение данных о клеточном делении шло главным образом за счет изучения наиболее примитивных организмов.
Был детально изучен процесс деления у прокариотных (не имеющих оформленного ядра) организмов (бактерий), генетически близкий к мнтозу (М. А. Пешков, 1966), а также митоз у простейших (И. Б. Райков, 1967), где были найдены крайне своеобразные формы этого процесса. У высших организмов морфологическое изучение митоза шло в основном по линии исследования этого процесса в динамике на живых объектах с помощью микрокиносъемки. В этом отношении большое значение имели работы А. Байера и Дж. Моле-Байер (1956, 1961), выполненные на клетках эндосперма некоторых растений.
Однако подавляющее большинство работ XX в. касалось физиологии клеточного деления, и именно в этом разделе проблемы были достигнуты наибольшие успехи. В сущности, неизученным оставался вопрос о причинах и контролирующих факторах митоза. Основоположником этого направления исследований был А. Г. Гурвич.
Уже в монографии «Морфология и биология клетки» (1904) Гурвич высказал мысль, что должны существовать факторы, обусловливающие возникновение митоза, причем они скорее всего связаны с состоянием самой приступающей к делению клетки. Эти пока еще очень общие представления получили развитие в серии дальнейших исследований Гурвича, обобщенных в монографии «Проблема клеточного деления с физиологической точки зрения» (1926). Первым важным теоретическим выводом Гурвича явилось представление о дуализме факторов, вызывающих митоз только при их сочетании. Один из этих факторов (или группа факторов) связан с эндогенными процессами подготовки клетки к делению (фактор возможности или готовности). Другой является экзогенным по отношению к данной клетке (фактор осуществления). Дальнейшие исследования Гурвича были посвящены главным образом изучению второго фактора.
Эксперименты и теоретические рассуждения привели Гурвича в 1923 г. к открытию, что большинство экзотермических реакций как в организме, так и в пробирке сопровождается УФ-излучением. Важнейшим биологическим следствием такого явления оказалась стимуляция клеточных делений, почему эти лучи получили название митогенетических, т. е. вызывающих митозы. В течение последующих лет Гурвичем (1948, 1959) и его сотрудниками было выполнено большое число исследований, посвященных проблеме митогенетического излучения. Стимулирующее влияние излучения было выяснено на самых разнообразных объектах - от бактерий и дрожжевых грибков до зародышей и клеток культуры ткани млекопитающих (А. А. Гурвич, 1968).
В первой четверти XX в. стали накапливаться данные относительно влияния на митоз внешних воздействий - лучистой энергии, различных химических веществ, температуры, концентрации водородных ионов, электрического тока и т. д. Особенно много исследований было выполнено на культуре ткани. В настоящее время установлено, что митотическое деление является следствием длинной цепи причин.
В противоположность цитологии начального периода, которая уделяла основное внимание самому митозу, современная цитология гораздо больше интересуется интерфазой. Пользуясь терминологией Гурвича, можно сказать, что сейчас на первом плане стоит изучение факторов готовно-
сти, обеспечивающих возможность вступления клетки в деление.
Это стало возможным благодаря новым методам исследования, в первую очередь благодаря радиоавтографии.
А. Говард и С. Пелк (1951) предложили весь митотический цикл разбить на четыре периода: постмитотический, или пресинтетический (Gi); синтетический (S), во время которого происходит репликация ДНК; постсинтетический, или премитотический (G2); и, наконец, митоз (М). Накоплен большой фактический материал по продолжительности у самых различных организмов отдельных периодов и всего митотического цикла в целом в норме и при воздействии разнообразных внешних и внутренних факторов - лучистой энергии, вирусов, гормонов и т. д.
Ряд исследований (М. Суонн, 1957, 1958) посвящен энергетике клеточного деления, и хотя многие детали остаются еще невыясненными, стало очевидным, что важная роль принадлежит в этом отношении макро- эргическим соединениям, в частности АТФ. Это вещество не только участвует в подготовке клетки к делению, но, по данным Г. Гофман- Берлинга (1959, 1960), ответственно за механические процессы, лежащие в основе расхождения хромосом к полюсам.
В выяснении механизма различных этапов клеточного деления особенно большую роль сыграли работы американского исследователя Д. Мезия (1961), изучавшего различные стороны физиологии митоза, в особенности роль митотического аппарата, осуществляющего самый процесс деления. Созданы различные представления о механизме разделения клеточного тела и о физико-химических изменениях клеток при делении. Изучение хромосом выросло в самостоятельную область исследований, которая оказалась органически связанной с генетикой и дала начало цитогенетике.
Наряду с изучением отдельных митозов значительное число исследований было посвящено выяснению закономерностей митотической актив ности тканей, в частности изучению зависимости клеточной пролиферации от физиологического состояния организма и влияния различных эндогенных и экзогенных факторов.
Первые исследования такого характера были выполнены на растительных объектах в самом начале XX в. в связи с изучением периодичности биологических процессов (А. Льюис, 1901; В. Келликот, 1904). В 20-х годах появился ряд фундаментальных исследований, посвященных суточному ритму клеточных делений в проростке растений (Р. Фризнер, 1920; М. Столфелд, 1921). В 30-40-х годах была проведена серия исследований (А. Карлетон, 1934; Ч. Блюменфельд, 1938, 1943; 3. Купер, Г. Франклин, 1940; Г. Блюменталь, 1948; и др.), в которых изучалась митотическая активность в очагах клеточного размножения различных лабораторных животных. Значительно меньше таких работ выполнено на очагах клеточного размножения человека (3. Купер, А. Шифф, 1938; А. Бродерс, В. Дублин, 1939; и др.).
В СССР первое исследование по влиянию на митотический режим физиологических факторов было опубликовано в 1947 г. Г. К. Хрущовим. Начиная с 50-х годов интерес к проблеме митотического режима организма значительно возрос (С. Я. Залкинд, И. А. Уткин, 1951; С. Я. Залкинд, 19,54, 1966; В. Н. Доброхотов, 1963; И. А. Алов, 1964; и др.). Наиболее полно был изучен суточный ритм митотической активности у млекопитающих.
Первые попытки проанализировать механизмы, регулирующие митотическую активность, были предприняты в 1948 г. английским исследователем В. Буллоу. Советские цитологи (JI. Я. Бляхер, 1954; И. А. Уткин, 1959; Г. С. Стрелин, В. В. Козлов, 1959) уделили большое внимание ней- рогуморальной регуляции митотической активности, установив рефлекторный характер регуляции клеточных делений. Оказалось, что воздействие на нервную систему влияет опосредованно - через сдвиг гормонального равновесия. Выяснилось также, что при этом резко усиливается секреция адреналина, тормозящего митотическую активность. Удаление надпочечников приводит к выключению эффекта торможения митозов (А. К. Рябуха, 1955, 1958). Ряд исследований посвящен изучению сложных взаимоотношений между митотической и физиологической активностью организма (С. Я. Залкинд, 1952; И. А. Алов, 1964).
Повышение интереса к проблеме митотических циклов и широкое применение радиоавтографии привело к тому, что в настоящее время подавляющее большинство работ посвящено изучению закономерностей митотического цикла, анализу закономерностей перехода из одного периода в другой, влиянию на митоз разнообразных эндогенных и экзогенных факторов. Это, несомненно, одно из наиболее перспективных направлений в изучении проблемы клеточной пролиферации (О. И. Епифанова, 1973).
Цитология наследственности
В первой половине XX в. в связи с расцветом генетики интенсивно разрабатывались цитологические проблемы, касающиеся наследственности. Так возникла новая область цитологии - кариология.
Пионером кариологических исследований был русский ботаник
С. Г. Навашин. Навашин по справедливости может быть назван создателем цитогенетики, не случайно первый период в развитии этой науки часто называют «русским» или «навашинским». Уже в классических работах по эмбриологии растений, в особенности по цитологии оплодотворения (1898), он сосредоточил свое внимание на морфологии хромосом в клетках некоторых лилейных, в частности, конского гиацинта (Galtonia candicans). В 1916 г. Навашин опубликовал работу, в которой привел тщательное описание хромосомного набора этого растения. Ему удалоеь найти на хромосоме (в центре или на ее полюсе) особый неокрашенный участок (названный им «хроматическим перерывом»), именуемый сейчас центромерой или кинетохором, в области которого хромосома при- .крепляется к веретену. Центромерам принадлежит чрезвычайно важная роль в процессе расщепления хромосом и их расхождения к полюсам делящейся клетки. Навашин впервые показал, что строение хромосом вовсе не является неизменным, но подвержено изменениям в филогенезе и при некоторых особых условиях существования (например, в клетках семян при их длительном хранении). На ряде растительных объектов (Crepis, Vicia, Muscari и др.) ученики Навашина показали, что ка- риолотический анализ может быть использован для филогенетических выводов. Несколько позже начались кариологические исследования на клетках животных и человека. В этих работах также участвовал Навашин. Уже после его смерти, в 1936 г., была опубликована работа, посвященная уменьшению (диминуции) хроматина при развитии яйца лошадиной аскариды, подтвердившая выводы Т. Бовери (1910).
Обстоятельные кариологические работы были выполнены ъ 20-30-х годах советским цитологом П. И. Живаго. Он и его сотрудники исследовали кариотип домашних птиц (куры, индейки; 1924, 1928), мелкого рогатого скота (1930) и человека (1932). Живаго не только выяснил ряд карио- типов, но и начал разработку вопроса о постоянстве числа хромосом в пределах одного организма. На основании литературных данных (по двукрылым) и исследования ряда объектов (эму, нанду, человек) Живаго (1934) пришел к заключению, что в отдельных клетках и целых тканях (особенно у эмбрионов) наблюдаются значительные колебания в числе хромосом. Он придавал этим различиям большое значение, так как они ведут к изменению генома, а следовательно, и наследственных свойств организма. Он высказывал также предположение, что наличие клеток с различным числом хромосом может иметь приспособительное значение, так как увеличивает возможные- варианты кариотипов для последующего отбора. Эта точка зрения, высказанная свыше 30 лет тому назад, разделяется в настоящее время многими исследователями.
Большую роль в развитии рассматриваемого направления сыграла книга К. Белара «Цитологические основы наследственности» (1928, русский перевод 1934). Разделу, посвященному связи хромосом с наследственностью, предшествуют собственно цитологические главы, содержащие данные о строении ядра и цитоплазмы, о клеточном делении, оплодотворении и созревании половых клеток, о партеногенезе. Очень детально и в сравнительном аспекте рассматривается строение хромосом не только у высших позвоночных, но и у беспозвоночных, простейших и растений. Содержатся ценные данные, касающиеся индивидуальности и изменчивости хромосом, обмена фрагментами при кроссинговере, диминуции хроматина, патологии митоза. Книга Белара в течение долгого времени оставалась лучшей монографией по цитологии наследственности.
Постепенно, в связи с интенсивным развитием генетики, цитология наследственности превратилась в цитогенетику, история которой кратко изложена вместе с историей генетики (см. главы 13 и 24). Во второй половине XX в. возникло несколько совершенно новых, весьма перспективных направлений исследований.
В первую очередь следует назвать цитоэкологию, изучающую роль клеточного уровня организации в приспособлении организма к условиям среды. В СССР это направление, тесно связанное с биохимией клетки и особенно с изучением свойств клеточных белков, получило широкое развитие в работах В. Я. Александрова и Б. П. Ушакова.
За последние 10-20 лет большое внимание привлекает изучение общей физиологии клетки и, в частности, закономерностей синтеза и расходования веществ, как участвующих в основных жизненных процессах, так и являющихся ее специфическими продуктами (секреты). К этому же кругу вопросов относится изучение восстановительных процессов в клетке, т. е. физиологической регенерации, обеспечивающей восстановление разрушенных или утраченных клеточных структур и веществ и совершающейся на молекулярном уровне.
Большое значение в цитологии приобрели проблемы детерминации, дифференциации и дедифференциации клеток. Они играют важную роль в эмбриональных клетках и различных категориях клеток, культивируемых вне организма (А. Де-Рейк, Дж. Найт, 1967; С. Я. Залкинд, Г. Б. Юровская, 1970).
Своеобразный раздел цитологии составила цитопатология - область, пограничная с общей патологией и сделавшая значительные успехи в последние десятилетия XX в. Термин «цитопатология» используется для обозначения отрасли биологии, в которой изучение общепатологических процессов ведется на клеточном уровне, и как система знаний о патологических изменениях отдельной клетки. Что касается первого направления, то после классических работ Р. Вирхова попытки свести сущность патологического процесса к изменению микроскопических и суб- микроскопических структур предпринимались неоднократно. Много примеров подобного использования цитологического анализа для понимания патологических процессов в организме содержится в работах Р. Камерона (1956, 1959).
Второе направление может рассматриваться как чисто цитологическое. Оно ставит своей целью изучение патологии самой клетки и ее органоидов, т. е. морфологических, биохимических и физиологических отклонений от нормы, наблюдаемых при происходящих в клетке различных патологических процессах, независимо от их влияния на состояние ткани, органа или всего организма. Развитие этого направления связано прежде всего с накоплением данных об изменении клеток, происходящем вследствие их естественного старения, а также различных резких цитопатологических изменений, наблюдаемых при воздействии тех или иных неблагоприятных факторов (физических, химических, биологических) внешней среды. Особенно значительное развитие получило изучение патологических изменений под влиянием неблагоприятных воздействий на клетку в эксперименте и исследование механизма действия таких факторов. Эти исследования получили широкое развитие в первую очередь в радиобиологии, где всестороннее изучение реакции клетки на воздействие лучистой энергии возможно не только на клеточном или субклеточном, но и на молекулярном уровне.
Против моей болезни — псориаза, но все так же по несколько раз в году появляются красные пятна. Потом они проходят, после двух-трех недель. Через какое-то время все повторяется снова. Расскажите подробнее об этой болезни и о том, как от нее избавиться", — просит читательница MedPulse. Что ответит врач-дерматолог?
Врач-дерматолог, к. м.н., Алексей Левин
С чего начинается псориаз?
Псориаз — хроническое, незаразное заболевание кожи, известное еще в допетровской Руси, где этот дерматоз именовали "розами дьявола". Но не столько из-за высокой опасности для жизни (даже зуд здесь появляется не у всех пациентов, а серьезные осложнения — менее чем в 10% случае), сколько из-за необычайно коварного и упорного характера этого недуга. Кожные "розы" могут вдруг исчезнуть, затем дремать годами и вдруг распуститься вновь. И до сих пор псориаз остается одним из самых загадочных недугов.
Например, уже давно предположили, что это — аутоиммунное заболевание. Но недавно американские ученые открыли два гена, ответственные за деление эпидермальных клеток. Мутации в этих генах, по мнению исследователей, и нарушают порядок клеточного деления, приводя к образованию бляшек. Вот вам еще одна возможная причина — генетическая. Но разве не может быть и другая — инфекционно-вирусная? Шведские ученые выделели ретровирус, которые они считают специфическим возбудителем псориаза. Словом, первопричина болезни пока неизвестна.
В группе наибольшего риска — мнительные, тревожные люди с повышенной эмоциональностью, которые и до начала псориаза в ответ на стресс "срывались" на какие -то заболевания. Поэтому, если говорить о профилактике недуга, то посоветовал бы таким людям проще относится к жизненным проблемам.
В северных странах этот дерматоз встречается в два раза чаще, чем в южных. Такую зависимость связывают с количеством солнечного света. Поэтому еще один совет, как уберечься от псориаза — не переусердствовать в защите от солнечных лучей. Существуют гигиенические правила здорового и безопасного естественного загара. Следуйте им, но и не прячьтесь от солнца как Снегурочка!
Стена высокая, но хилая
При псориазе клетки верхнего эпидермального слоя кожи делятся в 30 быстрее чем в норме. Но созревать не успевают, из-за чего между ними не устанавливается прочных связей. В итоге кожа при псориазе напоминает наспех построенную кирпичную стену, высокую, да непрочную.
Внешне эта "стенка" выглядит как серебристо-белые бляшки. Если их потереть, они соскабливаются легко, как капли стеариновой свечи. Это называют симптомом стеаринового пятна. При дальнейшем поскабливании выделяются точечные капельки крови (симптом кровяной росы). Он обусловлен тем, что эпидермис был соскоблен до поверхностных сосудов кожи. В более глубоких слоях при псориазе происходит воспаление и расширяются сосуды кожи. Этим обусловлен розовый или красный цвет бляшек.
Обычный (бляшечный) псориаз, которому и посвящена наша статья, встречается в большинстве (85%) случаев. Другие формы, вместе взятые, составляют около 15%. Эти разновидности не похожи на обычный псориаз, и в их лечении есть много особенностей. Но у любых видов этого недуга самое частое осложнение — псориатический артрит. Если его не лечить, больной становится инвалидом. Помните об этом, и не реже, чем раз в год покажитесь артрологу или ортопеду.
Впервые услышав диагноз "псориаз", многие люди испытывают потрясение и чувство обреченности. Что ж, их можно понять… Ведь полностью выкорчевать "розы дьявола" медицина еще не умеет. И такие больные везде становятся объектом встревоженных взглядов, поскольку заболевания очевидно для окружающих из-за явных внешних проявлений.
Моим пациентам я даю специальные советы по адаптации к болезни:
— узнайте о ней как можно больше, больше общайтесь с другими больными псориазом,
— не стесняйтесь рассказывать людям о своем заболевании, всегда начиная с того, что оно незаразно,
— найдите врача, с которым у вас установился хороший психологический контакт, лечитесь только у него, и относитесь критично к обещаниям других докторов, а тем более знахарей, полностью избавить вас от псориаза,
— не таитесь от друзей и семьи, успокойте их, объяснив, что псориаз, если его тщательно лечить, не опасен для жизни,
— если Вы не справляетесь с переживаниями по поводу недуга, обратитесь к психотерапевту немедленно, ведь на фоне псориаза развиваются особенно быстро, часто в тяжелейших формах.
Как лечат псориаз
Наиболее употребимые против псориаза — препараты наружного применения, и среди них кортикостероиды. Эти гормональные лекарства, уменьшающие воспаление и подавляющие аутоиммунные реакции в коже, выпускаются в форме мазей, кремов, лосьонов. Кортикостероиды начинают действовать быстро, однако со временем утрачивают эффект. Поэтому они хорошо подходят для кратковременного лечения, а при длительном — обязательно сделайте перерыв на несколько недель. Полезны в борьбе с псориазом и кремы, включающие кальципотриол. По химическому строению — это производное витамина D. Препарат уменьшает скорость деления клеток кожи, нормализует их созревание. Древнейшим средством народной медицины для лечения псориаза является деготь (каменноугольный или березовый), который сейчас входит в состав кремов и шампуней.
Против псориаза применяют также искусственное ультрафиолетовое облучение. В зависимости от длины волны оно делится на УФ-А и УФ-В.
Источники УФ-В-излучения есть только в специализированных центрах для лечения псориаза. Это весьма эффективный, но, увы, дорогой метод.
Не входит в стандарты государственной страховой медицины и ПУВА-терапия, то есть УФ-А в сочетании с приемом фотосенсибилизирующих (увеличивающих чувствительность к солнцу) веществ. Но источники УФ-А более распространены и доступны. Именно УФ-А вызывает загар. Поэтому лампы соляриев и бытовых ультрафиолетовых ламп излучают УФ-А. Однако при псориазе это светолечение становится действенным только при комбинации его с фотосенсибилиризующими лекарствами.
Не забывайте и о возможных побочных эффектах светолечения. Это преждевременное старение кожи и увеличение риска рака кожи.
Из лекарства для приема внутрь и инъекций сильным действитем обладают метотрексат — цитостатический препарат, подавляющий ускоренное деление клеток кожи при псориазе; ацитретин, относящийся к производным витамина А и нормализующий деление клеток кожи; наконец, циклоспорин. Это мощнейший иммунодепрессант, который в частности применяют при пересадке органов для предотвращения их отторжения.
Но у этих препаратов есть целый ряд побочных эффектов, о которых вас должен предупредить врач, причем часть их можно ослабить, однако другие неизбежны.
Нужны разгрузочные дни
Чтобы уменьшить риск обострений псориаза, надо помнить о нескольких правилах.
Принимая душ или ванну, используйте не жесткую губку или мочалку, как и твердое мыло, а только мягкую губку или хлопчатобумажную салфетку. После душа примените смягчающий крем, чтобы кожа была гладкой. Носите легкую, просторную, хлопчатобумажную одежду.
Летом ограничьте время, проводимое в условиях кондиционирования. Если же вы вынуждены находиться в таком помещении, то поставьте около себя емкость с водой.
Защищайте кожу от порезов и повреждений, поскольку они могут стать причиной обострения заболевании, сведите до минимума стрессовые ситуации.
Ваше питание должно быть богатым животными белками, витаминами и исключать слишком жирное, острое, и соленое. Во время обострений нельзя принимать антибиотики, спиртные напитки, а также продукты, способные вызвать аллергию (яйца, копчености, цитрусовые, мед, специи).
Отдайте предпочтение вегетарианским супам, а вот вторые блюда пусть будут мясными (лучше отварная или тушеная крольчатина, курятина, индейка). Также полезны молочные продукты, причем обычной (2,5-3,0%) жирности. Дополните основное меню гречневой, перловой и рисовой кашами. На гарнир лучше всего картофель, фасоль, капуста, но не мучнистые продукты. Сырые овощи и фрукты должны присутствовать на столе ежедневно в течение всего года: яблоки, огурцы, помидоры, морковь, свекла, лук, чеснок свежий, укроп, петрушка.
Очень полезны при псориазе 2 разгрузочных дня в неделю. Меню в такие дни можно разнообразить.
Мясной день: 400 г отварной говядины делят на 5 приемов. Дополнительно 2 раза в день по 100 г гарнира (сырая белокочанная капуста, морковь, огурцы) и 2 стакана отвара шиповника.
Творожно-кефирный день: 400 г творога и 500 г кефира принимаются в течение дня в 5 приемов.
Яблочный день: 1,5 кг яблок, лучше кислых сортов (антоновских) в течение дня. Ничего пить в этот день нельзя.
Кефирный день: 1,5 л кефира в течение дня.
Овощной день: 1,5 кг овощей (за исключением картофеля) лучше в тушеном виде. Дополнительно — 2 стакана отвара шиповника или некрепкого несладкого чая. Овощи делятся на 5 приемов.
Если у вас есть опыт лечения народными способами, пожалуйста, пишите в комментариях ниже.