Гены и развитие организма - Александр Нейфах

Вместе с тем мы хорошо знаем, что конечное число терминально дифференцированных потомков кроветворной стволовой клетки — регулируемая величина. Образование эритроцитов, например, ускоряется в ответ на кровопотери, на недостаток кислорода и т. д., количество лейкоцитов увеличивается при воспалении. Сейчас очевидно, что регуляция осуществляется за счет числа и скорости делений субстволовых клеток и клеток, уже вступивших на путь дифференцировки. Одним из факторов такой регуляции является гормон «красного» кроветворения — эритропоэтин. Этот полипептидный гормон синтезируется в почках в количествах, обратно пропорциональных количеству кислорода в крови. Таким образом, и уменьшение числа эритроцитов, и снижение кислорода в воздухе вызывают усиленную продукцию эритропоэтина. Уже невысокие концентрации этого гормона ускоряют деление и дифференцировку клеток, вступивших на путь эритропоэза. Самые ранние стадии эритропоэза менее чувствительны к эритропоэтину — можно думать, что стимуляция их деления происходит в случае лишь особенно большой нехватки эритроцитов. Предполагается, что в «красном» кровяном ряду клетки проходят около пятнадцати делений, т. е. из каждой полустволовой клетки, вступившей на этот путь, образуется 215 (около 30 тыс.) зрелых эритроцитов. Эритропоэтин может ускорять эритропоэз и увеличивая число митозов в ряду кроветворения, и уменьшая продолжительность митотических циклов. Предполагается, что аналогично действуют гормоны и на дру гих направлениях дифференцировки, хотя сами гормоны лейкопоэза и лимфопоэза еще не обнаружены.

Особую роль в кроветворении играют клетки, в окружении которых случайно оказались стволовые клетки — так называемое микроокружение. Его образуют клетки стромы костного мозга и селезенки, которые сами в клетки крови дифференцироваться не могут. Достаточно заметить, что, если стволовые клетки попадают в костный мозг, они чаще дифференцируются по «белому ряду», а если в селезенку, то чаще но «красному». Может быть, и в пределах одного органа, например селезенки, выбор пути развития зависит от случайных соседей: одни клетки стромы стимулируют, например, лейкопоэз, а другие — эритропоэз. С этих позиций, а в их пользу говорят и другие экспериментальные данные, направление дифференцировки определяется тем, где случайно окажется стволовая клетка. В принципе эта та же «рулетка», которая находится не внутри клетки, а снаружи ее.

Система стволовых клеток, очевидно, «удобна» тем, что открывает возможности для регуляции количества дифференцированных клеток. Ho факторы регуляции (такие, как эритропоэтин) не определяют направления дифференцировки, а лишь ускоряют пролиферацию клеток, уже дифференцирующихся в раз выбранном направлении. Такой путь регуляции, очевидно, проще и эффективнее, чем ранняя детерминация отдельных зачатков для красных, белых и всех других типов клеток крови.

Есть и еще одно соображение о биологическом смысле системы стволовых клеток. Во время дифференцировки, видимо, возрастает вероятность генетических повреждений, например ведущих к злокачественному перерождению клетки. В стволовых клетках вероятность таких повреждений меньше и делений они проходят относительно мало. А клетки, вступившие на путь дифференцировки, хотя и проходят много делений, но в конце концов все погибают, освобождая организм от своего присутствия. Для понимания этих проблем нам, однако, необходимо знать механизмы, определяющие стабильность стволовых клеток и их вступление на путь дифференцировки.

Глава XII

Клетки и молекулы иммунной защиты

Иммунитет особенно отчетливо проявляется и лучше всего изучен у млекопитающих, хотя те или иные его проявления можно наблюдать и у просто организованных животных. У позвоночных, в первую очередь у теплокровных, иммунитет проявляется в двух видах — образования в крови антител против чужеродных белков и других антигенов и несовместимости клеток одного организма (хозяина — реципиента) с клетками другого организма (донора).

В ответ на введение антигена (ими могут быть не только чужеродные белки, но и другие большие молекулы) через некоторое время (одну-две недели) в крови появляются антитела — особые белки, относящиеся к группе иммуноглобулинов, специфически связывающиеся только с тем антигеном, который вызвал их появление. Каждая молекула антитела имеет два одинаковых активных центра, что позволяет им связывать по две молекулы антигена. Антитела синтезируются в В-лимфоцитах, и приобретенная способность к образованию определенного вида антител (иммунитет) сохраняется в организме годами, часто всю жизнь.

Несовместимость клеток проявляется при пересадках органов и тканей от одного животного (или человека) к другому. Она выражается в отторжении чужеродной ткани через 10–15 дней после трансплантации. Именно этим объясняется неуспех большинства пересадок и замен органов у человека. Чтобы такие трансплантации, например сердца или почки, удались, нужны специальные сродства, подавляющие иммунную систему организма-хозяина. В процессе отторжения участвуют Т-лимфоциты и макрофаги. В то же время пересадки ткани между генетически идентичными животными — однояйцевыми близнецами или чистопородными животными одной линии — удаются, они иммунологически толерантны, т. е. их ткани совместимы. Это означает, что Т-лимфоциты опознают и отторгают лишь клетки с иной генетической природой. Более точный генетический анализ показал, что у мышей есть особая группа генов Н-2, расположенных вместе, которая в основном и отвечает за толерантность или, наоборот, несовместимость при трансплантациях между животными. Если две мыши имеют в участке H-2 идентичные гены, то органы, пересаженные от одного животного к другому, не отторгаются.

Проблема иммунитета состоит в том, чтобы объяснить, каким образом введение чужеродного белка приводит к синтезу специфического вида антител, способных связывать именно данный вид антигена. Поскольку антигенов существует, казалось бы, бесконечное количество, то и антител к ним должно быть также бесконечное множество. Поэтому естественно, что все первые теории иммунитета на протяжении более 50 лет исходили из того, что антитела создаются при прямом участии молекулы антигена, как бы на ее поверхности и приспособительно (комплементарно) к ее строению.

Раскрытие механизмов синтеза белка поставило практически непреодолимые трудности перед такими гипотезами. Ho вот в начале 60-х годов появилась клональная теория австралийского ученого нобелевского лауреата Барнетта, завоевавшая в настоящее время общее признание и объясняющая иммунитет исходной гетерогенностью лимфоцитов, синтезирующих разные виды антител. Следующий шаг — объяснение молекулярно-генетических механизмов гетерогенности лимфоцитов — был сделан в самые последние годы в связи с именем Тонегавы. Иммунитет оказался не только важной биологической и медицинской проблемой, но и исключительной моделью дифференцировки, на которой впервые были показаны закономерные изменения в структуре генома, происходящие в ходе развития.

1. Клональная теория иммунитета

Принципиальные отличия клональной теории Барнетта от всех предыдущих становятся понятнее, если антиген сравнить с замком, а антитело к нему — с ключом, которое отпирает именно этот замок, выбирая его из множества других. Трудность решения — откуда к каждому «замку» находятся свои «ключи» — состоит прежде всего в том, что количество различных белков практически безгранично (теоретически для белков среднего размера в 300 аминокислот возможно 20300 вариантов молекул). Это число возрастает еще во много раз, так как даже небольшие химические модификации белка, например разные варианты гликозилирования, изменяют их антигенные свойства.

Однако эти астрономические величины имеют чисто теоретическое значение. В действительности активные центры антитела не могут быть комплементарны целой молекуле белка, а всегда лишь какой-то ее части с характерной поверхностью и не очень большой площадью. Эта часть — ее называют детерминантом — образована ограниченным количеством аминокислот (их всего 5–7), взаимное положение которых, правда, зависит от структуры остальной молекулы. Можно думать, что число возможных детерминантов не так велико, как возможное разнообразие белков. По очень приблизительным подсчетам оно может быть порядка 104-106.

В прошлом многочисленные теории иммунитета исходили из того, что в организме для каждого нового «замка» — антигена изготовляется новый вид «ключа» — антитело. Оказалось, однако, что в основе иммунитета лежит другой принцип — подбирание подходящего «ключа» из числа уже имеющихся в организме. Действительно, если связка ключей достаточно велика, а требования к точности подгонки не беспредельны, то найти нужный ключ, да обычно и не один, всегда удается.