Асимметричное деление клеток растений и регенерация тканей
Растения – удобная модель для исследования восстановительных процессов. Различные исследования на эту тему были обобщены в один доклад о регенерации, асимметричном делении и способах восстановления тканей.
Как клетка реагирует на повреждения
Если растение получает повреждение, то часть клеток теряет свою жизнеспособность. У остальных есть «выбор» - 4 варианта реакции на травму. Каждый из них играет собственную важную роль в процессе восстановления ткани:
- Клеточная смерть – соседние с поврежденными клетки погибают. Такое самопожертвование помогает растению избавиться от возможной инфекции или токсинов, которые могли попасть в область повреждения;
- Дедифференцировка клеток – потеря собственной специализации. Клетка «молодеет», начинает активно делиться, заполняя пострадавшее место;
- Трансдифференцировка – смена специализации клетки. Соседи берут на себя функции погибших, чтобы орган растения продолжал функционировать нормально;
- Деление клеток.
Для эффективной регенерации растение применяет асимметричный тип деления – так обе дочерние клетки получаются неодинаковыми. Благодаря этому явлению клетки имеют больше возможностей к дифференцировке.
Как происходит асимметричное деление
Асимметричным такой тип деления называют из-за неодинакового распределения функций между дочерними клетками. Такой эффект достигается благодаря гистонам – белкам, формирующим пространственную структуру ДНК. Клетка готовится к делению заранее – копирует находящиеся в ней молекулы, в том числе ДНК и гистоны.
При обычном делении – митозе – обеим клеткам достается одинаковая ДНК (оригинал и копия) и приблизительно одинаковое количество молодых и старых гистонов. Вся цитоплазма распределяется равномерно. При других вариантах деления клеткам достаются разные копии ДНК и разное количество цитоплазмы (образование половых клеток, некоторые опухоли).
При асимметричном делении ДНК и цитоплазма делятся поровну, как при митозе, но гистоны распределяются неравномерно. Старые молекулы остаются в той же клетке, и она полностью повторяет материнскую. Во вторую клетку идут почти исключительно новые гистоны.
Новая клетка имеет широкие возможности для дифференцировки, в условиях повреждения она замещает пострадавшую функцию. За счет каких механизмов гистоны влияют на дифференцировку клеток – пока неясно, но есть однозначная связь между их «возрастом» и тем, насколько новая клетка будет похожа на материнскую.
SCT
Набор генов в каждой клетке растения (кроме половых) одинаков. Дифференцировка создается благодаря тому, что в каждой клетке активны только определенные гены, а другая часть – неактивна. Метод Single Cell Transcriptomics помогает составить карту активных генов. С ее помощью можно:
- Точно определить, к какой ткани принадлежит клетка в данный момент;
- Выявить, какие гены влияют на формирование определенных признаков у клеток;
- Определить, что принадлежность клеток к тканям может меняться.
С помощью данных SCT можно построить математическую модель деления и развития клеток. Так, например, были получены данные, что раневая ткань растений неоднородна. Раньше считалось, что каллус состоит целиком из стволовых клеток, которые способны дифференцироваться в клетки поврежденной ткани. Новые исследования показали, что в каллусе присутствует небольшая доля соседних клеток, которые делятся асимметричным делением, как стволовые.
SCT и математические модели на его основе – новый метод, который дал первые результаты в 2017г. Для интерпретации данных важно учитывать, что SCT определяет состояние клеток на данный момент. Определить, как они изменятся (если изменятся) помогает математическая модель. Для нее нужно несколько анализов SCT с перерывом во времени.
Зачем это нужно
Важный вопрос – актуальность исследования. На данный момент все результаты представляют исследовательский интерес, но позже у них будет практическое применение. Основная польза от исследований методом SCT – это более глубокое понимание процессов клеточной дифференцировки у растений. Пока данные получены для корней нескольких видов растения – этот орган самый простой по строению и удобный для исследования.
Практическое применение – это сохранение здоровья сельскохозяйственных и комнатных растений. На сегодняшний день для деревьев и кустов самая распространенная форма лечения – удаление пораженных частей растения. В будущем сломанное дерево станет возможным регенерировать. В перспективе возможно восстановление растений, поврежденных лесными пожарами. Для регенерации растений не всегда нужны стволовые клетки – с восстановлением справятся любые части организма.
Тот же метод SCT успешно работает и на животных, позволяя проследить процессы дифференцировки клеток эмбриона. Пока метод использовался только на мышах, и позволил установить, что стволовые клетки животных способны к асимметричному делению так же, как и клетки растений. По мере дифференцировки эта способность снижается, может утрачиваться полностью в некоторых тканях.
На человеке подобные исследования пока не проводились, но можно сделать вывод, что со стволовыми клетками дело обстоит также, как и у мышей. Перспективы использования SCT у людей помогут улучшить диагностику раковых опухолей – сделают возможным определение типа новообразования более точно, чем исследование под микроскопом, а с помощью карты активных генов значительно упростится поиск метастазов. Возможно, SCT станет самым точным методом диагностики, на его основе будут разработаны лечебные методы, доставляющие препараты именно в те клетки, где они требуются.
Пока данные исследования находятся в зачаточном состоянии, и представляют в основном исследовательский интерес. Результатами многолетней работы человечество сможет воспользоваться нескоро – на пути встанут не только практические, но и этические вопросы.
