Взаимозависимость - досье рака
Сколь бы захватывающими ни были относительно простые научные данные, полученные при изучении бактерий, этих независимых клеток, необходимо все же перейти к рассмотрению клеток, которые Гук в 1665 г. увидел с помощью лупы и назвал «ячейками» нашей ткани. Клетки в тканях живут в сообществе и подчиняются законам взаимозависимости. Их структура значительно сложнее структуры клеток прокариотов, а функции более совершенны.
Они относятся к эукариотам, поскольку их ядро, описанное Фонтана в 1781 г., отделено мембраной от других элементов клетки, собранных в той ее части, которая называется «цитоплазмой» (она была описана Дюжарденом в 1835 г.). В действительности же ядро, видимое в микроскоп, ограничено своей мембраной только в том случае, если клетка не находится в стадии деления. В момент своего деления, митоза (термин, предложенный Вальтером Флеммингом в 1882 г.), мембрана становится невидимой, а среди структур клетки появляются хромосомы. Хромосомы, впервые обнаруженные Вальдейером в 1888 г., несут в себе основное содержимое и функции ядра, гены и их информацию. Каждая хромосома образована двумя хроматидами, которые скрещиваются в одной точке, центромере, образуя короткие и длинные концы. Число и форма хромосом варьируют в зависимости от вида, а хромосомная формула специфична для вида. Появляются хромосомы парами. У человека 46 хромосом, из которых 44, т. е. 22 пары, называемые аутосомами, являются общими для обоих полов, а две, так называемые х- и у-хромосомы, связаны с полом: женские клетки содержат две х-хромосомы, мужские клетки — х- и одну у-хромосому.
Молекулярная структура хромосом далеко не выяснена. По мнению некоторых ученых, каждая представлена одной молекулой ДНК, окруженной белковой оболочкой, образуя, таким образом, очень длинную, несколько изогнутую цепочку. Вместе с тем значительный прогресс достигнут в выяснении хромосомной карты человека. Этому способствовали, в частности, два методических приема. Метод клеточной гибридизации, предложенный Галлионом в 1907 г. и недавно проанализированный Барски, позволяет объединить клетку мыши и клетку человека в единую клетку, которая содержит информацию обеих, но потомки которой в процессе деления постепенно теряют все хромосомы, за исключением одной. Второй метод носит название бэндинга (полосатости) хромосом и позволяет выявить в них светлые и темные полосы. Полосы служат ориентирами «локусов» хромосом: с определенным локусом связаны определенные свойства клетки, выявляемые биохимическим анализом.
Хромосомы появляются только тогда, когда клетка удваивает свою ДНК, соответственно удваивается и заключенная в ней генетическая информация. Удвоение готовится в периоде Gx клеточного деления, а происходит в периоде S, когда осуществляется синтез ДНК путем копирования ДНК материнской клетки. Эта фаза отделена от начала митоза периодом G2.
В течение премитотического периода хромосомы не видны. В это время материнская клетка создает необходимый материал для образования ДНК и органелл, такой, как веретено, который непосредственно обеспечивает механизм митоза. Именно в начале митоза путем уплотнения внезапно появляются хромосомы. Они делятся на две хроматиды, каждая из которых получает половину старой ДНК и половину новой. В полюсах материнской клетки появляются две центриоли, в то время как хромосомы располагаются в ее середине, фиксированные на сети волокон центромерами, которые связывают их с центриолями. Две хроматиды одной хромосомы расходятся вследствие сокращения волокон, которые тянут хроматиды каждой хромосомы к одному из полюсов клетки. Материнская клетка содержит хромосомы двух клеток- каждая хромосома окружается мембраной, и происходит сращение мембран всех хромосом, собранных у одного полюса, т. е. образуются мембраны двух ядер. Деление цитоплазмы происходит вскоре после деления ядер. Так, из одной клетки рождаются две.
Удвоение ДНК клеток эукариотов не во всем похоже на удвоение ДНК бактерий, но близко ему.
Сначала гены организуются в несколько хромосом, которые насчитывают их тысячами. Длина ДНК одной клетки человека порядка 1 м- она содержит 30 млрд. нуклеотидов (букв), т. е. 3 млрд. слов. Длина ДНК всего человеческого организма превосходит несколько тысяч километров. Наш организм образует 40 тысяч «букв» в 1 с. Он располагает 50 000 типов белков, что в 10 или 20 раз меньше теоретической информационной емкости ДНК. Эти данные привели к понятию «многословие», согласно которому гены повторяются, в противоположность тому, что наблюдается у бактерий.
Специалисты в области молекулярной биологии, изучавшие клетки эукариотов, не смогли привести никаких аргументов, подтверждающих существование оперонов и генов-регуляторов. Они предположили, что регуляция осуществляется на другом уровне: ДНК может располагать двумя такими участками, одни управляют образованием информационной РНК, другие, более многочисленные, заняты только регуляторной деятельностью. Многие гены не «переписываются» частью клеток из-за угнетения этого процесса отдельными белками ядра. Имеются указания, что в клетках мРНК синтезируется в виде гигантской молекулы, подвергающейся распаду на фрагменты- некоторые из них поступают в цитоплазму. Эти фрагменты объединяются с белками, образуя частицы- информасомы. Частичный распад гигантской РНК, образование таких частичек и другие действия плазматических белков приводят к выпадению значительной части информационной РНК, которая не может участвовать в трансляции. Таким образом, по крайней мере в некоторых клетках лишь относительно ограниченное число генетических единиц, называемых цистронами, от деятельности которых зависит одна-единственная биологическая активность, переводится в белки.
Говоря об этих понятиях, мы вплотную подошли к дифференцировке клеток многоклеточных организмов. Этот процесс, описанный Распаем в 1837 г., обеспечивает специализацию клеток, определяющую их функцию в целостном организме. Эта дифференцировка находит выражение в структуре цитоплазмы. К описанию структуры и функции цитоплазмы я и перехожу.
Цитоплазма содержит органеллы, имеющие различное функциональное назначение. Мембрана, открытая Ранвье в 1875 г., представляет собой своеобразную биологическую мозаику из молекул белков, жиров и углеводов. Она осуществляет контакт с другими клетками и тканевыми жидкостями, через нее происходит поступление питательных веществ, необходимых для воспроизведения собственных клеточных структур, через нее удаляются продукты жизнедеятельности клетки. Лизосомы — органеллы, содержащие ферменты, необходимые для разрушения поступающих в клетку веществ до готовых к усвоению молекул или к удалению их из клетки, если вещества для нее непригодны. Митохондрии, открытые Бенда в 1882 г., обеспечивают внутриклеточное дыхание, окисляя поступающие в клетку вещества. В ходе процесса окисления высвобождается энергия в виде энергетически богатых химических связей, используемых клеткой для передвижений и воспроизведения структурно или функционально важных молекул (заметим, что митохондрии содержат ДНК, функция которой не выяснена г). Рибосомы — микроскопические фабрики белка, специфичность синтеза которых определяется информационной РНК, поступающей из ядра. Здесь уместно отметить, что еще в 1838 г. Фонтана открыл внутри ядра клетки ядрышко, состоящее в основном из РНК.
Эта картина является общей для всех клеток эукариотов, которые происходят из единственной материнской яйцеклетки, оплодотворенной сперматозоидом. В то же время в процессе дифференцировки клетки приобретают значительные различия в зависимости от особенностей той ткани, в состав которой они входят.
Процесс дифференцировки в колонии клеток, появившейся в результате деления единственной оплодотворенной яйцеклетки, начинается очень рано. У эмбриона человека уже на 14-й день после оплодотворения различают кровеносные сосуды и мозг. Потом появляются клетки крови, мышцы, кости... Различия между клетками усиливаются в течение всего внутриутробного развития и принимают еще более выраженный характер от рождения до смерти. Они касаются микроскопических характеристик клеток, их химических компонентов и, конечно, функций.
Однако гены клеток в процессе дифференцировки остаются теми же. При этом проявление необходимых способов осуществления одной или нескольких функций клетками ткани происходит одновременно с тем, что способности выполнения других функций не реализуются.
* Доказано, что митохондриальная ДНК программирует синтез белков митохондриальной мембраны и части функциональных белков матрикса.— Прим. ред%
Таким образом, можно предположить, что у дифференцированной клетки угнетена способность выполнять функции, не характерные для ткани, которой она принадлежит, но присущие ее предшественникам на предыдущей стадии развития. В то же время она способна осуществлять функции, присущие ткани, которой принадлежит.
Отличия между клетками различных тканей касаются не только их структуры и функции, но и репродуктивной активности. Вот почему нервные клетки прекращают размножаться очень рано (у двухлетнего ребенка они уже не воспроизводятся), тогда как клетки костного мозга продуцируют клетки крови вплоть до смерти индивида. В одной и той же ткани наиболее дифференцированные клетки перестают размножаться, в то время как некоторые стволовые клетки размножаются не только для того, чтобы восполнить дифференцированное потомство, но и поддержать постоянным «пул» генерирующих клеток, основой которого они являются.
Постоянство организма, называемое гомеостазом, обеспечивается тонким балансом между процессами, управляющими размножением клеток (он начинается с репликации ДНК), и их дифференцировкой. Гомеостаз у многоклеточных организмов поддерживается рядом процессов: стволовые клетки костного мозга воспроизводят дифференцированные клетки только в таком количестве, которое необходимо для поддержания постоянным общего числа таких клеток в организме и их концентрации в крови. В свою очередь дифференцированные клетки способствуют производству химических веществ — продуктов, дающих энергию или регулирующих процессы: этим объясняется постоянный уровень сахара в крови, а также постоянное содержание гормонов, регулирующих уровень сахара.
Регуляция размножения клеток и образования структурных, энергетических или регулирующих веществ невозможна без определенных взаимоотношений между клетками одной ткани и клетками разных тканей или органов.
Одни из них отражают условия контактов между клетками. Их мембраны состоят из молекул (в оснрвном белковых или белковоуглеводных) выраженной структурной и функциональной специфичности, что позволяет клетке обнаружить вокруг себя другие клетки и распознать их природу. Это распознавание служит своего рода сигналом в процессе деления клетки. Клетка, помещенная на дно сосуда в соответствующую питательную среду, делится на две, эти две делятся на четыре, которые порождают восемь клеток и т. д. Но как только дно сосуда полностью покрывается клетками, размножение заканчивается. Это явление называется «контактным торможением».
Феномен распознавания, осуществляемый мембранами клетки, объясняет не только «почтение», которое одни клетки могут питать к другим, но и их частую взаимную агрессивность. Так, лимфоциты различают чуждые организму клетки, микробы или клетки пересаженной от чужого донора ткани и убивают их. Это происходит потому, что на мембранах лимфоцитов имеются участки, обладающие способностью распознавать индивидуальные и видовые особенности клеток,— их антигены.
Но одни контактные взаимоотношения клеток не объясняют общую регуляцию и координацию в целостном организме. Не могут они объяснить и очевидное влияние некоторых тканей или органов на клетки анатомически удаленных тканей или органов. Один из основных механизмов сводится к образованию и выделению регулирующих и координирующих веществ. Многие из них обнаружены и выделены. Некоторые вещества выделяются из органов, в том числе таких, в отношении которых никак нельзя было предположить наличия регулирующей роли одной из их составных частей. Так, из слюнных желез был выделен фактор дифференцировки нервов, а из почки — фактор дифференцировки эритроцитов. Другие вещества, напротив, выделены из органов, о которых знали, что они влияют на дифференцировку тех или иных клеток. Эти вещества в опытах in vitro оказывают то же действие, что и в организме. Именно так обстояло дело с тимозином — гормоном, недавно выделенным из тимуса- под влиянием тимозина дифференцируются недифференцированные лимфоциты в тимусзависимые лимфоциты, играющие важную роль в иммунитете. Многие из веществ, регулирующих дифференцировку, к тому же являются классическими &ldquo-гормонами, секретируемыми эндокринными железами и проявляющими свое действие на клетках-мишенях, удаленных от места синтеза.
Наконец, существуют два других физиологических механизма регуляции функций: центральная и вегетативная нервные системы, в которых передача информации происходит посредством электрических импульсов.
Эндокринная система осуществляет регуляцию с помощью гормонов, распространяющихся в организме с током крови. Нервная регуляция осуществляется по нервным путям с помощью электрических импульсов и этим существенно отличается от эндокринной регулирующей системы. Однако в конечном счете различия не существенны, ибо нервные окончания вегетативной нервной системы выделяют ацетилхолин и норадреналин, по механизму своего действия ничем не отличающиеся от гормонов.
Складывается мнение, что многие регулирующие импульсы передаются химическими веществами, имеющими на мембранах специфические рецепторы, которые стимулируют образование универсального биологически активного вещества цАМФ (циклический аденозинмонофосфат). В свою очередь цАМФ возбуждает внутри клетки серию биохимических процессов и ответов, специфичных для каждой группы клеток. В результате этих процессов подготавливается субстрат физиологического ответа клеток на поступающий импульс.
Нервная и эндокринная системы осуществляют регуляцию в определенной последовательности, создавая как бы иерархию в организме. Так, например, многие эндокринные железы зависят от одной из них — гипофиза, который, продуцируя стимулирующие специфические гормоны для каждой из желез, регулирует число клеток в них, а значит, и их деление и функции. При этом сам гипофиз получает импульсы из гипоталамуса — расположенного рядом отдела головного мозга. Существует как бы обратная связь: выделение стимулирующих гормонов гипофизом тормозится при повышении в крови концентрации того гормона, который образуется под их влиянием.
Постоянство структуры и функций (гомеостаз) тканей и органов обеспечивается не только взаимной регуляцией в целостном организме, где ведущая роль принадлежит гормонам. Гомеостаз поддерживается также за счет внутритканевой регуляции. Этот вид регуляции осуществляется веществами-посредниками- наибольший интерес из них представляют халоны. Эти вещества, как и гормоны, не имеют видовой специфичности, но строго специфичны для той ткани, гомеостаз которой они поддерживают. Получить их можно только из этих тканей. По-видимому, халоны сдерживают размножение клеток в тех пределах, которые необходимы для данной ткани этого вида животного в норме. Иногда воспроизводство клеток поддерживается на более высоком уровне при определенных физиологических или патологических условиях. Как полагают, халоны продуцируются клетками одного поколения и сдержцвают размножение стволовых клеток этого поколения, когда их (халонов) концентрация достигает определенного уровня.
Хотя теория халонов вполне удовлетворительна, тем не менее Ирэн Флорентен и Николь Кижер, изучающие эти вещества в нашем институте в лимфоцитах, считают, что халон не отдельное вещество, а совокупность пока мало изученных физиологических ингибиторов размножения нормальных клеток.
Изучение регуляторов гомеостаза оставляет открытым очень важный вопрос. Я имею в виду невыясненный внутриклеточный субстрат регуляции. Как осуществляется регуляция: через геном, который изучен на бактериях, или через другие органеллы клетки? Не исключено, что поступающие в клетку «команды» просто возбуждают одну или несколько ее функций, которые затем не передаются потомству, уже хотя бы потому, что высокодифференцированные клетки утрачивают способность к размножению.
С другой стороны, можно предположить, что геном является точкой приложения действия халонов, регулирующих клеточное размножение, или влияние гормонов, вызывающих в клетке изменения, которые она передает своему потомству, если гормон стимулирует размножение клетки.
В пользу существования двойного уровня действия гормонов говорит то обстоятельство, что в результате обмена веществ в предстательной железе мужские половые гормоны расщепляются на две группы: одна действует на секрецию, другая — на размножение клеток этого органа.
Однако мы не располагаем данными, позволяющими понять, может ли происходить хотя бы количественная регуляция синтеза белка независимо от генома. Необходимо иметь в виду, что действие генома зависит не только от информации, которую он содержит в своей ДНК. Реализация этой информации осуществляется с непосредственным участием белков, отношения которых с ДНК еще мало изучены. Достоверно установлено, что гормональный контроль синтеза белков происходит с участием системы ДНК — белки, а точнее, в приемном устройстве рецепторов гормона, которые транспортируют его из цитоплазмы в ядро *.
По словам Леви-Страусса, самоограничение природы— это закон. Изучение поведения клеток в целостном организме показывает, что в данном случае закон проявляется в виде существенного ограничения потенциальных возможностей клетки, как мы это уже видели в отношении ДНК клеток эукариотов. Это ограничение — необходимое условие выживания популяции клеток. Не является ли это условием выживания других сообществ?
*Для объяснения гормонального контроля синтеза белка предложен ряд механизмов, одним из которых, возможно, является рассматриваемый автором вариант.— Прим. ред.
