Дифференциро́вка (дифференциация, специализация), процесс приобретения клетками развивающегося организма устойчивых химических, морфологических и функциональных различий; лежит в основе формирования специализированных тканей и органов, возник с появлением многоклеточности. Дифференцировка наступает вслед за выбором клеткой направления пути развития – детерминацией, по мере прохождения некоторого числа делений.
Появление дифференцированных клеток в ходе эволюции
Число типов дифференцированных клеток возрастает по ходу эволюции многоклеточных организмов. Например, у губок (примитивно организованных многоклеточных) имеется несколько десятков типов дифференцированных клеток, а у позвоночных животных и человека – несколько сотен (по минимальным оценкам, а с учётом клеток, продуцирующих разные типы антител, – несколько миллионов).
Примерами дифференцированных клеток у позвоночных животных и человека являются различные типы мышечных, нервных, соединительнотканных, эпителиальных клеток. Дифференцировка постоянно обновляющихся клеток (клеток крови, эпителиальных) протекает у этих организмов и во взрослом состоянии.
Регуляция дифференцировки клеток
Дифференцировка клеток необратима и регулируется эпигенетически. Однако обратить этот процесс вспять получилось in vitro в 2006 г. путём получения из дифференцированных фибробластов мышей неспециализированных эмбриональных клеток, получивших название «клетки с индуцированной плюрипотентностью».
В процессе развития организма клетки проходят некоторое ограниченное число делений, после которого делиться перестают. Это количество делений называется пределом Хейфлика – по имени открывшего это явление в 1961 г. учёного. Чем ближе клетка к этому пределу, тем выше её степень специализации.
Пролиферативный потенциал
Существует определённая иерархия клеток по их пролиферативному потенциалу (количеству возможных делений) и способности к дифференцировке. Так, эмбриональные стволовые клетки наименее специализированы, они плюрипотентны, их потенциал к делению максимален, а процессы синтеза нужных клеткам белков не столь активны (короткая G1-фаза).
По мере специализации, напротив, длительность фазы G1 увеличивается, а число делений, которые может совершить клетка, уменьшается. Утратившие способность к делению дифференцированные клетки вступают в «бесконечную» фазу G0, после которой не повторяется фаза S: они продолжают синтез нужных белков, но их ДНК не удваивается и подготовки к следующему делению не происходит. Такие специализированные клетки, остановившиеся в фазе G0, называются терминально дифференцированными: например, клетки нервной ткани. Во взрослом организме стволовые клетки обладают меньшей потентностью, чем у эмбриона. Можно говорить о том, что они частично специализированы; учёные выделяют прогениторные клетки-предшественники, которые могут дифференцироваться в строго определённый набор клеток.
Белки дифференцировки
Дифференцировка прежде всего обусловлена синтезом специфических белков, по набору которых разные типы клеток отличаются друг от друга. Так, дифференцировка в мышечных клетках связана с синтезом в них сократительного белка миозина, в соединительнотканных клетках – коллагена (белка внеклеточного матрикса), в лимфоцитах – разных типов иммуноглобулинов и др.
Эти различия, в свою очередь, связаны с избирательной активностью (дифференциальной экспрессией) определённых групп генов. В подавляющем числе типов клеток (за исключением лимфоцитов) при дифференцировке структура ДНК не изменяется. Дифференцировка сопровождается относительно обратимыми (хотя нередко и продолжительными) изменениями генетической активности ДНК в результате её метилирования, ацилирования и/или связывания с регуляторными белками, активирующими или подавляющими активность генов.
В результате дифференцировки клетки отличаются друг от друга по набору молекул матричной РНК (мРНК), нуклеотидные последовательности которой определяют последовательность аминокислот в белках, синтезируемых клеткой, и тем самым специфичность этих белков.
В некоторых случаях дифференцировка связана со вторичными изменениями структуры уже синтезированных молекул мРНК или же с избирательным блокированием их активности в течение определённого периода времени.
Помимо специфических белков, дифференцированные клетки различаются между собой по набору определённых мембранных рецепторов, воспринимающих внешние сигналы, и по надмолекулярным структурам, образованным элементами мембраны или цитоскелета.
Механизмы дифференцировки
В большинстве случаев дифференцировка определяется химическими или физическими сигналами, поступающими от других клеток, от внеклеточного матрикса или же (преимущественно у растений) из внешней среды. Эти сигналы влияют на цитоскелет, ферментные системы клетки и её генетический аппарат.
Механизмы дифференцировки до конца не выяснены. В 1969 г. С. Кауфман рассматривал проблему диверсификации клеточных типов с помощью глобальной динамической модели с распределённой причинностью (global genome regulatory dynamics, GGRD). В том же году Р. Бриттен и Э. Дэвидсон представили свою модель модульной регуляторной генной сети (modular gene regulatory network, MGRN). Общими пунктами для этих моделей было представление процесса регуляции работы генов в виде булевой функции и то, что клетки, завершившие процесс дифференцировки, сохраняют гены, необходимые для полноценного развития. При этом гены регуляторного генома управляют молекулярными переключателями, контролируя таким образом активность других генов с помощью факторов транскрипции или регуляторных РНК. В более поздних моделях предполагалось существование целых «батарей» генов (связанных наборов), определяющих заданные функции клетки.
Таким образом, обе исходные модели использовали концепцию генетического переключателя по аналогии с процессами регуляции генов у бактерий. Однако со временем стало ясно, что данный подход неприменим к эукариотическим клеткам и к многоклеточным организмам в целом, хотя положения компромиссной (консенсусной) модели, сочетающей в себе оба исходных подхода, и сегодня используются при моделировании клеточного цикла и в описании разнообразных живых систем.
На смену булевой функции и концепции переключателей пришло понимание того, что организация хроматина и процессы регуляции генов у эукариот отличаются от бактериальных механизмов. Так, оказалось, что большинство факторов транскрипции содержат внутренне неупорядоченные области (intrinsically disordered region, IDR), «белки в белке», которые влияют на условия их связывания с ДНК и кофакторами. Кроме того, эти изменчивые по своей структуре регуляторные молекулы осуществляют свои функции в ядре клетки, где взаимодействуют со множеством энхансеров из самых разных участков генома. В таком контексте модели, основанные на использовании булевой функции, выглядят «игрушечными» по сравнению с реальным положением дел, согласно которому аппарат регуляции генов, специфичный для многоклеточных животных, основан на физических, механических и химических эффектах, возникающих в определённых областях цитоплазмы.
Соответственно, остаётся непонятным и вопрос эволюции клеточных функций и процессов дифференцировки клеток. Можно даже сказать, что невозможность предложить правдоподобный сценарий развития указанных процессов является самой важной причиной отказа от ранних моделей. Поэтому было предложено использовать понятие независимых модулей экспрессии генов (independent gene expression modules), что позволяет объяснить диверсификацию родственных типов клеток.
Исследования в данной области продолжаются. Они имеют первостепенное значение для раскрытия природы многих заболеваний (особенно онкологических) и для решения проблем биотехнологии (например, при конструировании клеток и тканей с заданными свойствами).