Мутанты-отступники многоклеточного мира. Часть 1. Права, обязанности и микро-мозги
Найдено тут
Почему нет простых науч-поп статей про канцерогенез? (лат. cancer - рак, греч. genesis, зарождение) Да потому что это целый детективный сериал с клеточной ДНК в главной роли. Пришлось изрядно попотеть, чтобы впихнуть невпихиваемое, сократить несократимое: и всё равно готовьтесь к серии постов. Сегодняшняя тема будет про устройство клеточного "мозга", ибо чтобы понять, как и почему нормальная клетка съезжает с катушек, нужно для начала разобраться, кто такая эта нормальная клетка и как работает её кукуха.
Каждая клетка организма - будь то долгожитель нейрон или патрульный макрофаг, является добропорядочным гражданином своей страны, и не важно, как эта страна называется - Вася, Коля или Света. У гражданина-клетки обозначен строгий круг прав и обязанностей, специальность и работа, которая необходима обществу. А вы подумали, некоторые клетки только жрать на халяву, делиться и прохлаждаться умеют? Фиг там. Они ВСЕ трудятся на благо Отечества. Даже жировая клетка, которую мы все недолюбливаем (особенно на своих боках), совсем не бесполезна. Она как бабка с гигантских размеров погребом хранит в себе драгоценные запасы - не выбрасывать же в самом деле... Вдруг голодный год?!? А тут она со своим погребом: соленья-копченья. Сальце. Кушайте. В общем, все клетки исполняют какие-то социальные функции или производят определённые продукты, необходимые обществу. Общество в свою очередь, обеспечивает каждую клетку бесплатным питанием, горючкой, стройматериалами и защитой от интервентов. При этом благо организма всегда стоит над благом отдельной клетки. Несмываемым позором для клетки является тунеядство, потеря функциональности и нарушение закона даже по ошибке. За такое микроскопический гражданин добровольно уходит в мир иной (об этом было в предыдущих постах).
Такой вот, на наш человеческий взгляд, жутковатый альтруизм. А иначе-то - никак. Всего один эгоист способен всю страну привести к гибели. Но про эгоистов и их делишки рассказ ещё впереди.
Всё строго по инструкции!
Внешний вид и внутренний инструментарий каждой клетки полностью соответствует её специальности, потому клетки бывают такие непохожие внешне, а главное - изнутри.
Например, гепатоцит (клетка печени) - это мощная хим-лаборатория по обезвреживанию всяких эндотоксинов (продуктов жизнедеятельности организма) и ксенобиотиков (чужеродных для организма веществ). Потому, кстати, новогодние праздники с обжорством и обильными возлияниями для клеток печени - самые апокалиптические дни в году, в которые они пашут на износ и даже погибают прямо на службе (не верите - почитайте про токсический гепатит). А вот клетка кожи - кератиноцит - умеет производить и запасать в себе прочный белок кератин, чтобы впоследствии стать ороговевшей чешуйкой и грудью заслонить Родину от недружелюбного внешнего мира. Иммунный защитник макрофаг на такие фокусы не способен, но у него есть "лапки". Потому он умеет шустро ползать по тканям, поджирая всё, что показалось подозрительным.
Каждая клетка чётко следует определённой инструкции: какой стать, что производить, каким образом себя вести, в каком случае поделиться и по какой причине склеить ласты. А где она берёт эту информацию? Всё это прописано в геноме каждой клетки. Именно гены руководят поведением гражданина, его внутренним устройством, процессом деления и смертью.
А как же так получается?
Сейчас немного отклонюсь от темы, но предвижу, что вы зададите этот вопрос: геном ведь у каждой клетки организма абсолютно одинаковый. 46 хромосом, 23 от папы, 23 от мамы. Так? Как тогда получаются такие непохожие клетки с таким разнообразным поведением? Может у каждой из них разные куски генома?
Конечно нет, в ядре любой клетки Василия (кроме половых и тех, у которых вообще нет ядра) содержится полноценный геном, все 46 хромосом. Но это геном, в котором собрана абсолютно вся информация о Василии. А есть ещё эпигеном ("над"-геном): это совокупность «переключателей», которые те или иные гены в каждой клетке активируют или дезактивируют.
Изначально все клетки универсальны (вспоминаем стволовые клетки зиготы). В процессе дифференцировки - а это ни что иное, как последовательное выключение одних генов и активация других, клетки меняют свой фенотип (внешние и внутренние проявления) и становятся специализированными. У нейрона отрастает длиннющий аксон, гепатоцит обзаводится сложным лабораторным оборудованием, кишечная клетка - щеточной каёмкой. Заодно в процессе дифференцировки клетки постепенно теряют «бессмертие», которым была наделена стволовая прародительница (о бессмертии будет отдельный пост, это важный момент в канцерогенезе).
Можно сказать, клавиши "Вкл" и "Выкл" на одном и том же геноме приводят вот к такому потрясающему разнообразию форм и функций. Следовательно, в геноме взрослого товарища макрофага есть гены, которые отвечают за производство кератина, но они «выключены» за ненадобностью и включить их он не умеет (и не потому, что лапки, а потому, что это не его собачье дело). А у кератиноцита есть гены, которые отвечают за способность клетки амёбообразно передвигаться, как макрофаг. Но они под замком, ибо нафиг кому нужны защитные покровы, которые могут уползти по своим делам.
Клеточные «мозги»
Теперь самое интересное. Переключатели эпигенома не только отвечают за разнообразие каждой клетки (только типов клеток в организме более 200). Эпигеном для клетки - такой себе аналог мозга. Он реагирует на изменения внешней среды, "решает", как действовать в той или иной ситуации, «общается» и учитывает в решениях «мнение» собратьев. Естественно, это он делает не сам лично: хромосомы обитают в ядре клетки и на улицу гулять не выходят (как и наш мозг, собственно, который сидит в черепной коробке, но это не мешает ему всем управлять). Взаимодействие генома и эпигенома со средой, принятие решений происходит через поступление и производство определённых молекул, которые взаимодействуют друг с другом. То есть, если наш мозг работает на передаче электрических сигналов, то «мозг» клетки - на передаче биохимических. Подозреваю, что нифига не понятно, но вот (очень) упрощенная схема:
Клетке по почте приходит молекула, которая сообщает о том, что общественности нужен какой-то продукт. Разнообразных "посланий" в межклеточном пространстве плавает превеликое множество, но чтобы они достигли адресата, у клетки на оболочке должен быть подходящий рецептор. Выглядят эти послания примерно так:
Странно выглядят, да... Ну, допустим, это просто модель, но там действительно всё выглядит странно, будто собранное из г..на и палок... А клетки это умеют "читать" между прочим.
Так вот, в ответ на эту (хрень) сигнальную молекулу внутри клетки начинается шурум-бурум: запускается каскадная биохимическая реакция, которая в конце поворачивает Выкл. на Вкл. на определённом гене хромосомы клетки.
- Раз ген стал активным, значит он стал доступным для копирования: с него тут же снимается копия-матрица.
- Матрица отправляется в клеточный цех по производству белков.
- При помощи машинки-рибосомы на основе шифра этой матрицы собирается белковая молекула запрошенного продукта. Запускается серийное производство.
- Транспортный пузырёк с готовой продукцией выходит из клетки - попав в межклеточную жидкость (а потом, возможно и в кровь), продукт достигает заказчика.
- Если проблема решилась, продукта оказалось достаточно, то информация об этом опять же, через химические реакции и молекул-посланников попадёт в ядро, ген снова выключится - станет недоступным для копирования. Или же выключится сам по себе, по истечении определённого времени - всякие вариации бывают.
На самом деле всё, конечно, не так примитивно просто: подобные молекулярные многоходовки невероятно сложные и запутанные, часто решения клеткой принимаются на основе суммы или комбинации каких-то сигналов. Клетка постоянно мониторит, что происходит снаружи и изнутри, чего не хватает, а чего слишком много и принимает решения - реагирует не просто так, а "с умом". Разве это не похоже на «думание»? О важности такого «думанья» говорит тот факт, что целых 15% наших генов связаны с регуляцией и передачей сигналов!
Ну, и чтобы у вас по моему рассказу уж точно не осталось ощущения, что всё устроено просто, как пирожок, вот что о сигнальной сети между клеткой и окружающей средой говорит биолог Вальтер Кольч:
«Наше знание об этом сигнальном механизме - это только верхушка айсберга. Для чего бы мы ни пытались применить эти сети, мы сталкиваемся с грандиозной сложностью. Если посмотреть на компоненты такой сети, то их несколько тысяч, возможно, больше. Кроме этого, надо также учесть комбинаторные эффекты. Можно посчитать, что если вы пытаетесь понять такую сеть, то надо понять больше компонентов, чем существует молекул во Вселенной.»
Не, ну вы поняли? "Больше компонентов, чем существует молекул во Вселенной!" Так что клетка далеко не дурак. И "мозги" у неё имеются.
Самые главные законы.
Есть права и обязанности индивидуальные для разных типов клеток. Что разрешено нейрону, не позволено эритроциту. А есть общие законы: например, по поводу деления.
Просто так, патамушта ей взбрендило, клетка делиться не будет - иначе у нас был бы не организм, а чёрт пойми что. Чтобы запустить цикл и поделиться, клетке обязательно нужно получить запрос извне. По каким причинам могут появиться запросы на деление? Происходит рост органа, увеличивается численность работников из-за возросших требований, нужна замена почившего собрата, идёт восстановление после травмы. Обо всём этом клетка узнаёт по молекулярным «посланиям»: обычно это маленькие белковые молекулы, которые называются факторы роста или гормоны.
Если получен запрос извне - это всё равно ещё не повод без оглядки делиться. Нужно проверить, хватает ли ресурсов для такого затратного процесса: в первую очередь энергетических запасов и стройматериалов. Мало накоплений - цикл деления клетка приостановит. Также процесс деления может остановить наличие вокруг соседей. Это называется контактное торможение: «нащупав» бок товарища, клетка перестаёт расти в эту сторону. А если товарищи "нащупаны" вокруг - то и делиться она не станет. Контактное торможение хорошо наблюдается при разведении клеток животных в чашках Петри: прикрепившись ко дну чашки, клетки активно делятся, пока не займут всё дно слоем в одну клетку. После этого деление прекращается. Хаотично друг над другом прикреплённые клетки не растут, соблюдая строгие правила добрососедства. Этот момент тоже запомните. Он важный.
Если все вышеперечисленные условия были соблюдены и цикл деления запустился, хлопоты клетки только начинаются... Потому что ей предстоит самая ответственная и важная работа - работа с геномом! Нужно будет удвоить свои "мозги", да так, чтобы не допустить роковых ошибок...
Вы пока переваривайте, а я придумаю, что будет дальше:)
Рисунки мои, пишу книгу для детей. Подумываю написать весёлую цитологию для взрослых. Тренируюсь на вас. Потому благодарю за активное участие в процессе: задавайте вопросы, постараюсь их учесть в дальнейшем повествовании.
Что ещё почитать:
Про эпигеном хорошая статья тут: https://biomolecula.ru/articles/epigenom-parallelnaia-realnost-vnutri-kletki
А тут про апоптоз - очень важно для понимания последующего материала, рекомендую: Как умирают клетки (часть 2)
Автор - Fluegegehaumer