Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем

Уолперт Льюис

Части тела новорожденного ребенка вырастут в дальнейшем в разной степени, пропорции его тела изменятся, и, например, голова перестанет казаться такой уж большой относительно туловища. Рост каждой части тела в значительной степени программируется в клетках эмбриона на ранней стадии развития.

Человекообразные черты на стадии эмбрионального развития мы начинаем приобретать, когда эмбрион достигает 1,5 сантиметра в длину. В момент появления на свет наша длина составляет уже около 50 сантиметров. Затем мы вырастаем примерно до 180 сантиметров — при этом рост зависит от половой принадлежности. Расти человек перестает после достижения стадии половой зрелости.

Основной

способ роста — это, разумеется, размножение клеток. Но важную роль играет также увеличение размеров самих клеток. Вспомним хотя бы, как увеличиваются нервные клетки и их отростки: после того как нервная клетка сформирована, она уже никогда больше не делится, однако она может очень серьезно вырасти. Точно так же никогда больше не делятся и клетки мышц, однако они увеличиваются в размерах и объединяются со специальными клетками, подобными стволовым, и все это для того, чтобы создавать более крупные мышцы. Третий способ роста — увеличение пространства между клетками, как это происходит с хрящами и костями.

Во всех случаях рост клеток и увеличение отдельных органов сопровождаются значительной гибелью клеток.

В определении степени роста клеток и их конечного размера важную роль играют как внутриклеточные механизмы контроля, так и получаемые клетками извне разнообразные сигналы. Роль внутриклеточных механизмов контроля хорошо демонстрирует пример развития селезенки. Если в эмбрион мыши на ранней стадии развития поместить несколько эмбриональных зачатков селезенки, то каждая селезенка будет в результате намного меньше нормальной. Общая же величина этих нескольких селезенок будет равняться величине одной нормальной селезенки. Это означает, что существуют постоянно циркулирующие по организму молекулы-ингибиторы, которые определяют, насколько большой вырастет селезенка. Подобные молекулы — факторы ограничения роста — могут вырабатываться и выбрасываться в организм самой селезенкой. Они будут замедлять дальнейший рост селезенки по мере роста своей концентрации, в результате чего величина селезенки будет зависеть от общих размеров живого организма.

Это столь же верно в отношении печени, и даже если удалить две трети печени взрослого человека, то она отрастет обратно до нормальной величины, поскольку уменьшится концентрация факторов ограничения роста, производимых ею. Способность печени к регенерации ярко иллюстрирует древнегреческий миф о Прометее. За то, что Прометей разгневал Зевса, он был обнаженным прикован к скале, и орел каждый день раздирал его плоть и клевал печень, которая за ночь вновь вырастала. Невольно возникает вопрос: не была ли известна древним грекам фантастическая способность печени к самовосстановлению?

Напротив, клетки некоторых органов, например клетки конечностей, жестко контролируют размеры этих органов, но при этом им нет совершенно никакого дела до того, растут ли рядом такие же органы или нет. Это столь же верно и в отношении вилочковой железы, которая имеется в единственном экземпляре (у человека она расположена в верхней части грудной клетки). Если пересадить в растущий эмбрион мыши несколько вилочковых желез от эмбрионов других мышей, то каждая из них вырастет до стандартных размеров.

Аналогичный механизм роста характерен и для поджелудочной железы, которая содержит клетки, выделяющие инсулин — важнейший гормон, обеспечивающий снижение концентрации глюкозы в крови. Если искусственно уменьшить количество клеток в развивающейся поджелудочной железе, то вырастет лишь маленькая по размерам поджелудочная железа. Представляется, что клетки растущей поджелудочной железы запрограммированы на то, чтобы совершить определенное, строго ограниченное число циклов деления. При этом не существует механизма контроля роста поджелудочной железы, который регулировал бы ее размеры сообразно общим размерам организма или же предусматривал возможность регенерации.

В связи с чем у природы возникла нужда в двух различных системах контроля за ростом органов, не вполне ясно.

Развитие эмбриона в утробе матери имеет важные последствия для здоровья человека. Дети, вес которых при появлении на свет ниже нормы, имеют значительно больше шансов по достижении зрелого возраста стать пациентами кардиолога. Эксперименты на животных продемонстрировали, что во время развития эмбриона действует биологический механизм, который в зависимости от факторов внешней среды изменяет степень проявления его генов. Ключевыми факторами при этом являются питание, образ жизни матери и ее конституция — полная она или худая. Исходя из полученных данных, эмбрион может «предугадать», что в будущем, после появления на свет, его может ожидать недостаточное количество пищи, и это отразится на его внутриутробном развитии.

Чуть больше половины взрослого населения США страдают от избыточного веса и ожирения. И хотя, как показывает изучение ДНК, существуют гены, вызывающие ожирение, проблема лишнего веса связана прежде всего не с генами, а с перееданием. Ожирение является следствием избытка жира, содержащегося в жировых клетках. Это явление связано со многими заболеваниями, включая диабет второго типа и болезни сердца.

Жировая масса нашего тела состоит из примерно 40 миллиардов жировых клеток. При этом большая часть жира сосредоточена под кожей. Жировые клетки не похожи на другие клетки: жир в них занимает 95 процентов внутриклеточного объема и все остальные структуры клетки, вроде ее ядра, сдвинуты к оболочке клетки. В белых жировых клетках жир, находящийся в полужидком состоянии, сконцентрирован в одном месте. В коричневых жировых клетках жир в виде отдельных капелек рассеян по всему пространству клетки. Жир коричневых жировых клеток, известный также под названием «детского жира», используется для выработки тепла.

Объем жира, содержащийся в теле отдельного человека, зависит от количества жировых клеток и от их размеров. Люди появляются на свет с определенным количеством жировых клеток, при рождении у женщин их больше, чем у мужчин. Число жировых клеток вырастает в позднем детстве и в начальном периоде полового созревания, после чего сохраняется в организме практически неизменным. Поэтому тучность в зрелом возрасте непосредственно связана с полнотой в детстве. Люди полнеют из-за того, что их жировые клетки начинают жадно поглощать жир. Таким образом, ожирение развивается тогда, когда жировые клетки увеличиваются в размерах.

Люди, имеющие лишние жировые клетки, могут уменьшить их за счет диеты и физических упражнений и добиться замечательных результатов, однако жировые клетки при этом не исчезнут. Однажды появившись в человеческом теле, они остаются там на протяжении всей жизни человека, хотя определенный их круговорот все же происходит: раз в месяц один процент жировых клеток погибает и заменяется новыми. Когда содержащийся в жировой клетке жир сгорает, она сильно уменьшается в размере. Однако все жировые клетки только и ждут, чтобы их накормили опять, — они хотят снова и снова вбирать в себя жир; поэтому радикально уменьшить вес и сохранить его после этого неизменным не так-то просто.