Клетки и клеточное деление

Чтобы до конца разобраться во всем этом, а заодно понять, какое значение имеет исследование стволовых клеток для нейрогенеза взрослых, нужно вернуться еще на шаг назад и посмотреть, что вообще такое клетка. То, что это элементарная единица всего живого, а многоклеточные организмы, такие как мы, – это собрания целых легионов разнообразных клеток, сегодня известно всем и кажется чем-то само собой разумеющимся. Но клетки имеют микроскопические размеры. Об их существовании ничего не могло быть известно, пока не изобрели первый микроскоп.

Первым клетки описал Роберт Гук, один из величайших универсальных гениев за всю историю человечества. Под микроскопом, который он соорудил сам (первый подобный прибор незадолго до этого создали в Амстердаме), он в 1665 году обнаружил в кусочке коры пробкового дерева маленькие ячейки, которые напомнили ему скромные жилища монахов, монастырские кельи[28]. Однако он описывал совершенно статичную картину, в которой не было никаких признаков того, что клетка – это элементарная единица живого и в функциональном смысле тоже. Почти одновременно с этим первые микроскописты сделали то, что сегодня делают дети, когда им достается микроскоп (если такое все еще бывает) и они начинают рассматривать все, что только можно рассмотреть без мудреной подготовки препаратов, а просто потому, что эти объекты пропускают достаточно света. Рано или поздно юному натуралисту попадается вода из пруда, и он тут же обнаруживает, что капля под микроскопом просто-таки кишит жизнью. Малюсенькие существа, которые в ней плавают, также бросились в глаза исследователям XVI века, но о том, что они одноклеточные, еще никто не знал. Микроорганизмы довольно долго не связывали с понятием клетки, и тем более не было ответа на вопрос, откуда взялись клетки и эти крошечные животные. Люди приняли на веру, что они материализовались «с нуля», и нескоро попытались разузнать что-то еще.

Илл. 15. Роберт Гук, универсальный гений эпохи Просвещения, первым описал клетку, элементарную единицу живого. Здесь мы приводим оригинальный рисунок из его пионерской работы, изображающий ячеистую структуру клеток растений

Ситуация в корне изменилась только в XIX веке. Рудольф Вирхов, один из основоположников современной медицины, ввел принцип omnis cellula а cellula («любая клетка происходит из клетки») Вирхов сформулировал этот ставший его кредо тезис в первую очередь в применении к патологии, являясь создателем клеточной патологии, которая строится вокруг предположения о том, что патологический процесс начинается с изменений на уровне отдельной клетки. В принципе это считается верным и сегодня. Но у теории есть и множество более фундаментальных следствий. Так, она окончательно закрепила статус клетки как элементарной функциональной единицы живого.

Клетки размножаются делением, но не все они могут делиться. За редким исключением, размножаться способны, как правило, недифференцированные клетки, то есть еще не специализированные для конкретных функций в органе или в ткани. Из недифференцированных клеток образуются дифференцированные, строится определенная иерархия. У истока развития стоят недифференцированные, способные к делению клетки, из которых впоследствии образуются все более дифференцированные, специализированные дочерние клетки. Эти недифференцированные клетки – стволовые клетки. Все стволовые клетки могут делиться, но не все клетки, которые могут делиться, – стволовые. Есть еще несколько клеточных типов, которые могут размножаться делением, но в этом случае на нем все кончается. За ним не следует дифференцировка или определение новой специализации.

Таким образом, в многоклеточных организмах мы видим разделение труда: способность к размножению в большинстве органов обычно отдана стволовым клеткам, а функции – дифференцированным, которые обеспечивают деятельность органа, например обмен веществ в печени, газообмен в легких, развитие силы мышц или прочность костей. Кроме того, разные виды дифференцировки тоже представляют собой формы разделения труда, и благодаря такой специализации как раз развились невероятные функциональные способности и приспособляемость растений, животных и всех остальных многоклеточных организмов, которые сегодня населяют Землю.

Илл. 16. Рудольф Вирхов – отец современной патологии, открыл глиальные клетки

С этой точки зрения стволовые клетки тоже имеют специализацию, и это – способность к делению и отсутствие какой-либо другой специализации, благодаря чему они служат резервуаром, из которого можно получать новых «специалистов».

Клеточное деление требует больших ресурсов и плохо совместимо с другими функциями. Это очень сложный процесс, для него нужны совершенно иные свойства и условия, чем при другой специализации. Таким образом, существует разделение труда между активно делящимися клетками, с которых начинается развитие, и клетками, прошедшими дифференцировку и отказавшимися от функции деления в пользу других специализированных функций. У этой схемы масса достоинств. Например, она позволяет лучше контролировать склонные к делению клетки, чем если бы каждая клетка должна была заботиться о своем преумножении. Сложные программы развития легче формируются и поддаются управлению, если клетки подчиняются иерархии, где каждой ступени в развитии соответствует определенный этап.

Илл. 17. Сформулированный Рудольфом Вирховом принцип omnis cellula a cellula («любая клетка происходит из клетки») не только произвел революцию в учении о болезнях и биологии развития, но и для самого исследователя был настолько важен, что тот поместил его на своем экслибрисе

Чисто теоретически природа могла найти и другое решение. Существуют клетки, которые прошли дифференцировку, но сохранили способность делиться, и можно представить себе, как в случае необходимости запасы могли бы обновляться или восполняться с их помощью. Например, так это устроено в печени. С другой стороны, нейроны снабжены сильно разветвленными отростками, а через их мембрану проходят электрические импульсы. Трудно представить себе, как должна делиться клетка с такими свойствами. Их называют «постмитотическими», потому что их последнее деление (митоз) безвозвратно прошло.

Когда способность к делению сохраняет небольшая группа клеток, изолированная при этом от других, это также повышает надежность. Неконтролируемое деление клеток – не что иное, как рак. На самом деле некоторые современные теории канцерогенеза утверждают, что образование опухоли начинается со сбоя в стволовых, а не в дифференцированных клетках. Неясно, относится ли это ко всем видам рака, но в случае опухолей мозга данная теория объяснила бы многие особенности, которые в противном случае остаются загадкой. Таким образом, ограничение способности делиться обеспечивает лишь частичную защиту. Но это также показывает, что, если бы активно делиться при необходимости могли все клетки тела, риск был бы несоразмерно больше.

Итак, способность к делению – это хороший, но не обязательно однозначный признак стволовых клеток. Долгое время, однако, он был единственным. На способности и потребности делиться, которой обладают стволовые клетки, в результате чего в них встраивается меченный радиоактивным водородом тимидин (тогда как готовые нейроны остаются постмитотическими), основан метод, с помощью которого Альтман доказывал существование нейрогенеза взрослых. В версии с использованием БДУ его применяют до сих пор. Достоверность этого метода выросла, когда удалось подключить дополнительные критерии, чтобы подтвердить, что делятся при этом именно стволовые клетки.

Как исследуют стволовые клетки: о сферах и слоях

Для этого нужно показать, что потенциальные стволовые клетки способны к самообновлению и мультипотентны. Это не так просто, особенно если оба критерия требуется подтвердить прямо в мозге. Для начала следовало бы выявить эти свойства на изолированных клетках. Даже по животным в зоопарке (тоже изолированным) можно многое узнать об их виде. Но все-таки не все, и в первую очередь – ничего о том, как они взаимодействуют со своей естественной средой. Тем не менее именно такое описание стволовых клеток в «условиях зоопарка» клеточной культуры удалось выполнить в начале 90-х, тем самым ощутимо восполнив пробелы в наших знаниях.

Рейнольдс и Вейс сумели сделать это на стволовых клетках из стенки желудочка мозга. Для этого они выделили клетки, положили в посуду для культивирования с питательной средой и создали еще некоторые условия, о которых они могли предположить, что стволовым клеткам те бы понравились. Во многом это было сделано наугад. Работа с клеточными культурами – это своего рода магия, или, лучше сказать, ремесло. В любом случае здесь этого больше, чем чисто теоретических научных принципов.

Как бы то ни было, попытка удалась, и вскоре в среде плавали отдельные маленькие комочки, так называемые нейросферы, которые при этом довольно быстро росли (см. рис. 17 на вклейке). Когда клетки в этих сферах разъединили, все пошло заново, и с клетками следующего поколения, когда их вновь разъединили, произошло то же самое. Из отдельных клеток все время получались сферы, довольно неоднородные скопления, и отдельные клетки в них были способны к формированию новых разнородных сфер. Эта способность, которая сохранялась из поколения в поколение, – ни больше ни меньше чем признак самообновления. А неоднородность таких скоплений клеток говорит об их мультипотентности.

Исследуя гиппокамп, Палмер и Гейдж пошли другим путем. Они не давали клеткам свободно плавать, а нанесли на лабораторную посуду слой, к которому те могли прикрепляться. Логика в том, что в организме клетки тоже не перемещаются туда-сюда сами по себе и, естественно, всегда ищут, где остановиться. То же самое они делают в сферах, поэтому и слипаются друг с другом. Таким образом они создают свое собственное окружение. Но при этом они перестают плавать по отдельности, и вскоре становится невозможно разобрать, что происходит. В так называемых адгезивных культурах клетки тоже находятся в контакте, но не столько друг с другом, сколько с лабораторной посудой. Они дольше остаются разъединенными, их проще исследовать как отдельные сущности. Преимущество здесь в том, что культуры остаются более чистыми. С другой стороны, возникает ситуация, далекая от условий организма.