Что такое дифференцировка клеток?

Дифференцировка клеток — это процесс, в ходе которого из исходных, относительно «универсальных» клеток (чаще всего стволовых или клеток-предшественников) формируются клетки с определённым строением и функциями. Проще говоря, это «специализация» клеток: одна и та же по происхождению клетка со временем становится, например, нейроном, мышечной клеткой, клеткой кожи или клеткой крови — и начинает выполнять именно свою работу.

В чём суть процесса

Почти все клетки организма содержат одинаковый набор генов (одинаковую ДНК), но работают они по-разному, потому что в разных клетках активны разные гены. Дифференцировка — это как раз закрепление такого «режима работы» клетки:

• одни гены включаются и начинают активно считываться;

• другие подавляются и практически не используются;

• меняется набор белков, которые клетка производит;

• вслед за этим меняются форма клетки, её внутренние структуры и способности.

В результате клетка приобретает устойчивые особенности: строение, характер обмена веществ, набор рецепторов на поверхности, способность сокращаться, проводить импульсы, выделять гормоны и т. д.

Почему дифференцировка важна

Без дифференцировки невозможно формирование тканей и органов. Именно она обеспечивает, что:

• из клеток зародыша развивается сложный организм;

• ткани обновляются и поддерживаются в течение жизни (например, кровь, эпителий кишечника, кожа);

• происходит заживление после повреждений (в меру возможностей конкретной ткани).

Как запускается и регулируется

Дифференцировка не происходит «сама по себе»; её направляют сигналы, которые получает клетка:

• химические сигнальные молекулы (факторы роста, гормоны, цитокины);

• контакт с соседними клетками;

• влияние окружающей среды в ткани (так называемая внеклеточная матрица и механические сигналы);

• внутренние регуляторы — специальные белки (транскрипционные факторы), которые включают или выключают группы генов.

Также большую роль играют эпигенетические изменения — это «настройки» работы генов (например, метилирование ДНК, модификации белков-гистонов), которые не меняют саму последовательность ДНК, но делают включение одних генов более вероятным, а других — менее.

Дифференцировка и «потенциал» клетки

Клетки отличаются по тому, насколько широкий спектр типов клеток они могут дать:

• Тотипотентные (самые «всемогущие») — могут сформировать весь организм и некоторые вспомогательные структуры на самых ранних стадиях развития.

• Плюрипотентные — могут дать почти любые типы клеток тела, но уже не все структуры.

• Мультипотентные — могут превращаться в ограниченный набор клеток (например, стволовые клетки костного мозга дают разные клетки крови).

• Унипотентные — дают только один тип клеток, но способны к самообновлению.

Обычно по мере дифференцировки потенциал сужается: клетка становится всё более специализированной и менее «гибкой».

Примеры

• Стволовые клетки костного мозга дифференцируются в эритроциты, лейкоциты, тромбоциты.

• Клетки-предшественники в коже превращаются в разные слои эпидермиса.

• В эмбриональном развитии одна группа клеток становится нервной тканью, другая — мышцами, третья — эпителием внутренних органов.

Отличие от похожих понятий

• Деление клеток — это увеличение их числа. Дифференцировка — изменение качества и функций.

• Рост — увеличение размеров организма или ткани. Дифференцировка — формирование разнообразия типов клеток.

• Дедефференцировка — частичный «возврат» клетки к менее специализированному состоянию (в норме ограниченно, чаще обсуждается в контексте регенерации и опухолей).

Итак, дифференцировка клеток — это основной механизм, благодаря которому из одинакового генетического материала формируется множество разных клеточных «профессий», а значит — ткани, органы и весь сложный организм.