Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем

Наша сосудистая система — это первое, что развивается в эмбрионе. Сердце, вены, артерии и другие сосуды формируются из одних и тех же клеток. Эти клетки, соединяясь, образуют трубки, и один из концов каждой трубки становится центром роста, где клетки размножаются. Клетки, находящиеся на кончике сосуда, имеют длинные сокращающиеся отростки, которые вытягиваются вперед и направляют рост сосуда. При этом они чутко реагируют на сигналы от клеток той ткани, через которую сосуд прорастает.

Трубки, из которых образуются сосуды, уже на самой ранней стадии, еще до того, как они начинают расти, имеют характерные признаки либо артерий, либо вен, однако в процессе развития эти особенности могут исчезнуть. Во время развития сосудов у них появляются многочисленные отростки, на возникновение и направление движения которых опять-таки влияют сигналы, получаемые от локальных групп клеток. Поскольку функция сосудов заключается в том, чтобы доставлять кровь в различные части тела, сигналы им посылают именно те клетки, которые строят органы, нуждающиеся в притоке крови.

Процесс дифференциации, в результате которого образуется множество разных типов клеток, определяется изменениями в поведении генов и процессами синтеза различных белков. Транскрипция гена определяется белковыми транскрипционными факторами, которые связываются с контрольными зонами. В клетках человека существует около 3000 различных транскрипционных факторов, но не все они вовлечены в деятельность по контролю за развитием тканей — некоторые отвечают лишь за контроль над генами, которые необходимы для поддержания обычной жизнедеятельности клетки. При этом многие гены активируются любыми из множества транскрипционных факторов, однако есть и такие, для активации которых нужны совершенно определенные факторы.

Красные кровяные тельца не обладают ни ядром, ни митохондриями. Они наполнены белком гемоглобином, который окрашивает их в красный цвет. Именно гемоглобин, с одной стороны, захватывает кислород в наших легких и снабжает им клетки, а с другой — забирает из клеток двуокись углерода и переносит ее в легкие.

Наш гемоглобин состоит из белковой части — глобина и небелковой — железосодержащего гема, причем молекула гема встроена в каждую цепь глобина. Содержащийся в геме атом железа и связывает кислород. Каждая молекула гемоглобина содержит две цепи альфа-глобина и две бета-глобина, которые кодируются генами, находящимися на различных хромосомах. Цепи альфа-глобина и бета-глобина создаются на разных этапах развития эмбриона, поскольку они с разной степенью силы связывают кислород. Связано это с тем, что потребность в кислороде на разных этапах развития не одинакова.

7. Как мы воспроизводим себя

Яйцеклетки и сперматозоиды — это настоящие короли и королевы клеточного сообщества. Лишь их потомство остается жить тогда, когда все остальные миллиарды клеток погибают. По сути, единственная роль всех этих миллиардов клеток заключается в том, чтобы обеспечить встречу яйцеклетки и сперматозоида.

То, как эволюция пришла к воспроизводству на сексуальной основе, а не на самооплодотворении самой яйцеклетки, — весьма сложная история. Но почему так случилось — понятно. Сексуальный механизм воспроизводства обеспечивает, во-первых, возможность большего генетического разнообразия, а во-вторых, возможность избавления от нежелательных генов. Самый простой способ избавиться от никчемных генов — поступать так, как это делают самки многих позвоночных, которые отказывают самцам с какими-либо изъянами. В известном смысле так же поступают женщины, выбирая одного мужчину и отвергая другого.

Яйцеклетки — это единственные клетки животных, из которых способна развиться целая взрослая особь. Развитие человеческой яйцеклетки инициируется за счет оплодотворения ее сперматозоидом, в результате чего она получает второй набор генов. Схема развития и форма сперматозоида и яйцеклетки весьма различны, однако для оплодотворения нужны они оба, ибо самостоятельно яйцеклетка развиваться не будет. Вместе они передадут по наследству следующему поколению особенности человеческой внешности и строения тела — от цвета глаз до длины носа. Я, признаться, испытываю благоговение перед тем фактом, что мы происходим от одной крохотной яйцеклетки. В этой связи важно знать и понимать, где и как она развивается. Так как же появляются яйцеклетки и сперматозоиды?

Область тела, в которой зарождаются яйцеклетки и сперматозоиды, можно выявить на стадии гаструляции. Образовавшись, эти клетки мигрируют в будущие области человеческих гениталий — в область яичника и яичек. По мере продвижения будущие яйцеклетки делятся и понемногу увеличивают свою численность; более того, они продолжают делать это еще некоторое время после того, как достигают яичника. Затем они перестают делиться, и с этого момента никакого увеличения числа яйцеклеток больше не происходит. Число их равняется примерно шести миллионам. В этих клетках содержится по 23 материнских и по 23 отцовских хромосом.

После этого начинается мейоз, в ходе которого происходит не только сокращение ровно наполовину числа хромосом в яйцеклетках, но и тесное взаимодействие и перемешивание хромосом. Мужские и женские хромосомы перемешивают отцовские и материнские гены, рекомбинируют их по-новому — так образуются новые и отличные от прежних хромосомы.

Во время мейоза будущая яйцеклетка делится дважды, однако при этом хромосомы удваиваются всего один раз и число их сокращается наполовину. Первоначальное число хромосом восстанавливается впоследствии при оплодотворении яйцеклетки за счет проникновения в нее сперматозоида.

Первым шагом на пути к сокращению числа хромосом в ходе мейоза является их удвоение — хромосомы дублируются так, как это происходит во время нормального процесса митоза при обычном делении клетки. При этом удвоенные хромосомы сохраняют связь друг с другом. А затем каждая пара отцовских хромосом находит точно такую же пару материнских хромосом, и эти пары хромосом также связываются. После этого происходит обмен сходными областями между отцовскими и материнскими хромосомами, в результате чего некоторые наборы генов матери оказываются на хромосомах отца, и наоборот. Затем следуют еще два деления клеток без дальнейшего увеличения числа хромосом, в результате чего образуется 4 яйцеклетки с генетическим набором из всего лишь 23 хромосом, которые при этом перемешаны так, что каждая из четырех яйцеклеток имеет различные наборы генов. Это обеспечивает практически безграничное генетическое разнообразие.

Яйцеклетки в яичнике проходят первую стадию мейоза, но больше уже никогда не размножаются, так что общее число возможных яйцеклеток — около шести миллионов — предопределено при рождении девочки. Однако к тому времени, когда девочка достигает половой зрелости, из них остаются в сохранности, избегнув разрушения и деградации, лишь около 40 тысяч. Каждая яйцеклетка способна после оплодотворения развиться в новорожденного ребенка. По достижении половой зрелости яйцеклетки вырастают в размерах в тысячу раз, и мейоз при этом продолжается.

Развитие сперматозоидов не включает мейоза на эмбриональной стадии. Он начинается позже в яичках половозрелого мужчины. Но перемешивание и замещение генов в хромосомах сперматозоидов происходит. В отличие от яйцеклеток, сперматозоиды образуются на протяжении всей жизни мужчины.

В ходе развития как яйцеклеток, так и сперматозоидов конечный набор и состояние их генов должны стать такими, чтобы они могли породить все клетки нашего тела. Отдельные гены, как яйцеклеток, так и сперматозоидов, в дальнейшем, однако, могут и не понадобиться. Они специально деактивируются в ходе процесса, известного под названием «импринтинг». Осуществляется импринтинг за счет добавления особой метиловой группы к необходимым областям ДНК, в результате чего блокируется транскрипция соответствующего гена. У млекопитающих удалось идентифицировать около 70 генов, заблокированных в результате импринтинга, однако ученые установили функции лишь некоторых из них.