Гены и развитие организма

Увидеть кроветворную стволовую клетку не удается, так как до сих пор неизвестны морфологические признаки, позволяющие отличить ее в массе клеток костного мозга или селезенки. Однако изучать их все же можно. Один из методов такого изучения был предложен американскими исследователями Тиллом и Маккуллохом. Если мышь облучить высокой дозой радиации, около 1000 р, то процесс кроветворения у нее постепенно прекратится, так как при такой дозе погибают все кроветворные стволовые клетки, как наиболее радиочувствительные. Такую мышь можно, однако, спасти, если ввести ей в кровяное русло взвесь клеток костного мозга, выделенную из необлученной мыши. Уже через несколько дней после такой инъекции в селезенке облученной мыши можно увидеть очаги кроветворения — сначала небольшие колонии, которые, однако, растут и в конце концов захватывают всю селезенку. Чем больше клеток костного мозга ввести мыши, тем больше колоний возникает одновременно. Метод радиационных маркеров показал, что каждая такая колония — потомки одной стволовой клетки.

Многие колонии дифференцируются только в клетки «красного ряда» — эритроциты, некоторые — только в клетки «белого» ряда — лейкоциты, а в некоторых образуются и те и другие. Интересно, что если клетки одной из таких колоний, например целиком «красной», снова ввести в кровь облученной мыши, то в ее селезенке опять появятся «красные», «белые» и смешанные колонии. Эти опыты показывают, что полипотентные стволовые клетки, образующие колонию и сохраняющиеся в ней, способны дифференцироваться в различных направлениях и эта их способность сохраняется в непрерывном ряду стволовых клеток.

Возникают важные вопросы: от чего зависит, оставаться ли клетке стволовой или вступить на путь дифференцировки, и каковы механизмы, определяющие направление дифференцировки? Играют ли роль в этих процессах факторы, внешние по отношению к стволовым клеткам (их непосредственное окружение, гормоны), или все определяется внутри самих клеток? Однозначного ответа на эти вопросы пока нет. Можно было бы, например, думать, что в результате деления образуются две различные клетки: одна остается стволовой, а другая дифференцируется.

Более правдоподобным кажется предположение, что стволовые клетки вступают на путь деления или дифференцировки с той или иной степенью вероятности. Такой механизм обеспечивает и поддержание постоянного числа стволовых клеток, и непрерывный переход к дифференцировке части клеток. Представления о случайном механизме могут быть справедливыми и для выбора направлений дифференцировки, хотя вероятность того или иного направления неодинакова. В главе о механизмах возникновения различий между клетками мы уже упоминали о таком способе «рулетки». Можно представить, что в стволовых клетках на самом деле действует подобный механизм, не зависящий от внешних условий и подчиняющийся только законам случайности.

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.