Бағаналы жасушалардың практикада қолданылуы. Этикалық аспектісі. Биология, 11 сынып, дидактикалық материал.

Краткое руководство по стволовым клеткам

Вас смущают все виды стволовых клеток? Читайте дальше, чтобы узнать, откуда берутся различные типы стволовых клеток, каков их потенциал для использования в терапии и почему некоторые типы стволовых клеток окутаны спорами.

Исследователи работают над новыми способами использования стволовых клеток для лечения заболеваний и лечения травм. 

Соматические стволовые клетки

Соматические стволовые клетки (также называемые взрослыми стволовыми клетками) естественным образом существуют в организме. Они важны для роста, заживления и замены клеток, которые теряются в результате ежедневного износа.

Потенциал в качестве терапии

Стволовые клетки из крови и костного мозга обычно используются для лечения заболеваний, связанных с кровью. Однако в естественных условиях соматические стволовые клетки могут стать лишь подмножеством родственных типов клеток. Например, стволовые клетки костного мозга дифференцируются в основном в клетки крови. Эта частичная дифференциация может быть преимуществом, если вы хотите производить клетки крови; но это является недостатком, если вы заинтересованы в создании несвязанного типа клеток.

Особые соображения

Большинство типов соматических стволовых клеток присутствуют в небольшом количестве и их трудно выделить и выращивать в культуре. Выделение некоторых типов может привести к значительному повреждению тканей или органов, например, в сердце или мозге. Соматические стволовые клетки могут быть трансплантированы от донора пациенту, но без лекарств, которые подавляют иммунную систему, иммунная система пациента распознает трансплантированные клетки как чужеродные и атакует их.

Этические соображения

Терапия с участием соматических стволовых клеток не является спорным; однако, это зависит от тех же этических соображений, которые применяются ко всем медицинским процедурам.

Эмбриональные стволовые клетки

Эмбриональные стволовые (ES) клетки образуются как нормальная часть эмбрионального развития. Они могут быть выделены из раннего эмбриона и выращены в блюде.

Потенциал в качестве терапии

ЭС клетки могут стать клетками любого типа в организме, что делает их перспективным источником клеток для лечения многих заболеваний.

Особые соображения

Без лекарств, которые подавляют иммунную систему, иммунная система пациента распознает трансплантированные клетки как чужеродные и атакует их.

Этические соображения

Когда ученые изолируют эмбриональные стволовые клетки человека (hES) в лаборатории, они уничтожают эмбрион. Этические и юридические последствия этого заставили некоторых неохотно поддерживать исследования с участием клеток hES. В последние годы некоторые исследователи сосредоточили свои усилия на создании стволовых клеток, которые не требуют уничтожения эмбрионов.

Узнайте больше о противоречиях за эмбриональными стволовыми клетками и о том, почему новые технологии стволовых клеток могут довести их до конца. 

Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки

Индуцированные плюрипотентные стволовые (iPS) клетки создаются искусственно в лаборатории путем «перепрограммирования» собственных клеток пациента. iPS-клетки могут быть сделаны из легко доступных клеток, включая жир, кожу и фибробласты (клетки, которые производят соединительную ткань).

Потенциал в качестве терапии

Клетки iPS мыши могут стать любой клеткой организма (или даже целой мышью). Хотя необходим дополнительный анализ, похоже, что то же самое относится и к клеткам iPS человека, что делает их многообещающим источником клеток для лечения многих заболеваний. Важно отметить, что, поскольку клетки iPS могут быть сделаны из собственных клеток пациента, нет никакой опасности, что их иммунная система откажется от них.

Особые соображения

iPS-клетки гораздо дешевле создавать, чем ES-клетки, генерируемые посредством терапевтического клонирования (другой тип специфичных для пациента стволовых клеток; см. ниже). Однако, поскольку процесс «перепрограммирования» вводит генетические модификации, безопасность использования клеток iPS у пациентов является неопределенной.

Этические соображения

Терапия с использованием клеток iPS зависит от тех же этических соображений, которые применяются ко всем медицинским процедурам.

Терапевтическое клонирование

Терапевтическое клонирование представляет собой метод создания специфичных для пациента эмбриональных стволовых (ES) клеток.

Потенциал в качестве терапии

Терапевтическое клонирование теоретически может генерировать ЭС клетки с потенциалом превращения в клетки любого типа в организме. Кроме того, так как эти клетки сделаны из собственной ДНК пациента, нет опасности отторжения со стороны иммунной системы.

Особые соображения

В 2013 году группа исследователей впервые использовала терапевтическое клонирование для создания клеток ES. Донорское ядро ​​произошло от ребенка с редким генетическим заболеванием. Однако процесс клонирования остается трудоемким, неэффективным и дорогостоящим.

Этические соображения

Терапевтическое клонирование вызывает серьезные этические соображения. Это включает в себя создание клона человека и уничтожение клонированного эмбриона, и это требует донора яйцеклетки человека.

Генетический контроль развития

Превращение одноклеточной зиготы (продукта объединения яйцеклетки и сперматозоида) в многоклеточный эмбрион, а затем во взрослый организм - сложный и удивительный процесс. Полностью развитый организм имеет много разных типов клеток, которые выполняют множество различных функций. Например, эритроциты переносят кислород, мышечные клетки сокращаются, жировые клетки запасают питательные вещества, а нервные клетки передают информацию. На самом деле человек имеет около 350 различных типов

Куриный эмбрион. Во время формирования паттерна связь между клетками развивающегося зародыша имеет решающее значение, так что каждая клетка будет «знать» свое положение в рамках возникающего плана тела.

клеток, которые различаются как по форме, так и по функции. Однако все клетки очень раннего зародыша кажутся идентичными. Как же тогда клетки становятся специализированными, когда они делятся?

дифференцирование

Процесс клеточной специализации в процессе развития называется дифференциацией. Процесс дифференцировки протекает путем прогрессивной специализации содержания белка в клетке. Каждый тип клеток в зрелом организме имеет уникальную коллекцию белков. Чертежи для создания этих белков находятся в ядре каждой клетки в виде дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Следовательно, исходное место для понимания процесса дифференциации лежит в ядре исходной зиготы, которая содержит все генетические инструкции (ДНК) для создания всего репертуара клеточного типа зрелого организма. Исходная клетка является тотипотентной, что означает, что она может породить клетки любого типа. По мере развития эмбриона некоторые клетки дифференцируются, в то время как другие, называемые стволовыми клетками, остаются плюрипотентными, что означает, что они могут давать начало некоторому подмножеству типов клеток, называемому линией .

Одна из гипотез, объясняющих, как дифференцированные клетки имеют специализированный пул белков, состоит в том, что дифференцирующиеся клетки сохраняют только те гены (ДНК), которые кодируют необходимые им белки, и теряют все остальные гены. Такой механизм будет производить зрелые типы клеток с другим геномом . Эксперименты, однако, опровергли эту гипотезу. В 1968 году Джон Гурдон удалил ядро ​​неоплодотворенной лягушки яйцо и заменил его ядром из полностью дифференцированной эпителиальной клетки головастика. Яйцо превратилось в нормального головастика. Классический эксперимент Гурдона показал, что ядро ​​дифференцированной клетки по-прежнему сохраняет полный геном: гены не теряются, так как потомки клетки специализируются.

Другие эксперименты поддержали альтернативную гипотезу: эта клеточная специализация отражает дифференциальную регуляцию полного набора генов в каждом типе клеток. Это означает, что все клетки в зрелом организме (мышечные клетки, клетки головного мозга ) имеют одинаковый набор генов, но только часть этих генов включена для любого конкретного типа клеток. Следовательно, процесс дифференцировки включает в себя активацию (включение) некоторых генов и инактивацию (выключение) других генов, чтобы получить специфическую коллекцию белков, которая характеризует этот тип клеток.

Точка во время развития, в которой клетка становится преданной определенной судьбе, называется определением. Дифференциация (специализация) является конечным продуктом определения. Определение происходит, когда определенные гены активируются или инактивируются, а дифференциация завершается, когда клетка синтезирует все тканеспецифичные белки, которые кодируют активированные гены. Например, когда конкретные клетки эмбриона млекопитающего активируют ген белка MyoD и, таким образом, начинают вырабатывать белок MyoD, они определяются как мышечные клетки. Как оказалось, белок MyoD является фактором транскрипции который контролирует экспрессию нескольких других генов. Таким образом, MyoD активирует и инактивирует многие из генов, которые кодируют мышечно-специфические белки.

Что же тогда активирует MyoD в одних клетках, а не в других во время развития? Два важных типа сигналов «сообщают» развивающемуся организму, какие гены экспрессировать и когда их экспрессировать. Во-первых, неравномерное распределение веществ (таких как РНК-мессенджер, белок, органеллы ) в цитоплазме неоплодотворенного яйца важно для начальных стадий определения. Как только яйцеклетка оплодотворена, и ядро ​​начинает делиться (через митоз ), полученные ядра подвергаются воздействию различных цитоплазматических сред. Эти разные внутренние среды содержат разные наборы молекул (собирательно называемые цитоплазматические детерминанты), которые регулируют экспрессию определенных генов. Во-вторых, по мере того, как эмбрион увеличивается и увеличивается в количестве клеток, молекулы во внеклеточной среде могут действовать как сигналы для развивающихся клеток. Чаще всего эти сигнальные молекулы высвобождаются из других клеток эмбриона и влияют на клетки-мишени, регулируя экспрессию определенных генов в этих клетках. Этот процесс называется индукцией и представляет собой процесс, с помощью которого клетки эмбриона общаются и стимулируют процессы детерминации и дифференциации. Индукция была открыта в 1920-х годахэмбриолог Ханс Спеманн и Хильде Мангольд.

Морфогенез

Когда клетки становятся специализированными, они объединяются в иерархию тканей, органов и систем органов, в которой они работают как совокупность, обеспечивая определенную функцию. Морфогенез - это процесс, посредством которого дифференцированные клетки организуются в эти функциональные группы. У многих видов морфогенез начинается до завершения дифференцировки. Например, у эмбрионов морского ежа клетки начинают мигрировать, и эмбрион меняет форму задолго до полной дифференцировки клеток. Процесс морфогенеза отражает дифференциальную экспрессию генов в разных клетках. Сложные взаимодействия активно дифференцирующихся клеток фактически управляют процессом морфогенеза. Полезно посмотреть на экспрессию генов паттерны, которые характеризуют один компонент морфогенеза.

Формирование картины

Во время морфогенеза процесс, называемый формированием структуры, приводит пространственную организацию тканей и органов в определенный план тела или окончательную форму. Например, у собак и людей ноги состоят из кости, мышц и кожи. Во время развития дифференцировка производит мышечные клетки, костные клетки и клетки кожи из неспециализированного набора клеток эмбриона. Затем морфогенез организует костные клетки в костную ткань, чтобы сформировать кости и мышечные клетки в мышечную ткань, чтобы сформировать мышцы. Тем не менее, именно процесс формирования паттерна организует эти кости и мышцы в конкретную пространственную организацию, которая делает собаку похожей на собаку, а человека - на человека.

Роль позиционных сигналов в формировании паттернов. Во время формирования паттерна очень важно, чтобы клетки развивающегося эмбриона общались друг с другом, чтобы каждая клетка «знала» свое относительное положение в рамках возникающего плана тела. Межклеточные молекулярные сигналы, которые в конечном итоге управляют процессом формирования структуры, предоставляют информацию о положении. Эти сигналы могут быть химическими веществами, выделяемыми некоторыми эмбриональными клетками, которые диффундируют через эмбрион и связываются с другими клетками. Эти диффузные сигналы называются морфогенами. Часто именно концентрация морфогена, который воспринимает клетка-мишень, предоставляет информацию о близости клетки-мишени к высвобождающей клетке.

Развитие куриного крыла является хорошим примером этого явления. Во время развития крыло цыпленка развивается из структуры, называемой зачатком конечности. Льюис Вольпертобнаружили небольшую коллекцию клеток, которые лежат вдоль заднего края зачатка конечности и которые определяют положение клеток вдоль передне-задней оси зачатка. В конечном счете, эти клетки контролируют модель развития пальцев в крыле (куриные цифры похожи на человеческие пальцы). Вулперт назвал эти клетки поляризующей областью. Они выпускают морфоген, который диффундирует через зачаток конечности. Клетки, которые подвергаются воздействию самой высокой концентрации морфогена (те, которые находятся ближе всего к поляризующей области), превращаются в определенную цифру, клетки, которые подвергаются воздействию промежуточной концентрации морфогена, превращаются в цифру различной формы и т. Д. В конечном итоге позиционный сигнал направляет дифференцировку клетки-мишени путем изменения ее паттерна экспрессии генов.

Роль генов Hox в формировании паттернов. Основная трехмерная схема организма установлена ​​на ранней стадии эмбрионального развития. Даже у тела раннего эмбриона есть дорсальная и брюшная оси (верхняя и нижняя), а также передняя и задняя оси (передняя и задняя). Дифференциальная экспрессия определенных генов в разных клетках эмбриона контролирует возникновение этой организации. Интересно, что хотя разные типы организмов имеют резко отличающиеся морфологические признаки, сходное семейство генов контролирует дифференциальную экспрессию генов во время формирования паттерна. Нох Семейство генов (также называемых гомеотическими генами) встречается во многих различных организмах (включая растения и животных) и играет важную роль в контроле анатомической идентичности различных частей тела вдоль его передней / задней оси. Многие виды имеют гены, которые включают почти идентичную последовательность ДНК, называемую гомеобоксной областью. Эти гены составляют семейство генов Hox , и они кодируют белки, которые функционируют как факторы транскрипции. Например, у плодовых мух гомеотические гены определяют типы придатков которые развиваются на каждом сегменте тела. Гомеотические гены развития антенн и ног, регулируя экспрессию множества других генов. Важность генов Hox становится очевидной, когда один из этих генов мутирует : образуется неправильная часть тела. Например, мутация в гене Antennapedia заставляет плодовых мух развивать ноги вместо антенн на сегменте головы.