Тотіпотентність рослинних клітин. Тотіпотентність тваринних клітин раннього зародку.

Клітина, яка здатна реалізувати генетичну інформацію дати початок усім типам тканин і цілому організму, назиється тотипотентною. Прикладом такої клітини може бути зигота.

Біологів здавна цікавило питання про те, до якого часу в ході диференціації клітин зберігається ця властивість. Розділяючи ранні зародки амфібій на окремі клітини, дослідники переконалися в тому, що клітини певний час залишаються тотипотентними. Природним доказом тотипотентності клітин раннього зародка є народження ідентичних близнюків у людини (кожна з 2—4 клітин у разі їх спонтанного роз'єднання може дати початок нормальному ембріону). У 8-клітинному зародку кролика можна вбити голкою 7 клітин і лише з однієї одержати нормальну тваринy.

Ще в 1902 р. німецький ботанік Г. Габерланд вперше вловив думку про те, що всі живі рослинні клітини тотирантні. Він вважав, що шматочок рослинної тканини і навіть окрема клітина здатні утворити цілу рослину, але він не зміг цього здійснити, оскільки на той час вчені не знали як культивувати рослинні клітини in vitro і які речовини слід додати до культурального середовища, щоб примусити калусну тканину диференціюватися.

Для вивчення питання тотипотентності клітинних ядер у ході диференціації американські вчені Р. Бріггс і Т. Кінг у 1952 р. розробили метод трансплантації ядер у без'ядерні (енуклейовані) яйцеклітини жаби. При цьому ядро яйцеклітини вилучають тонкою голкою, а скляною мікропіпеткою вносять ядро однієї з клітин раннього зародка. Ядра клітин, взяті із зародка на стадії бластули, у 80 % випадків забезпечували нормальний розвиток. Під час трансплантації ядер з клітин зародка, який перебував на стадії гаструли, нормальний розвиток спостерігався лише в 20 % випадків. Якщо ж використовувались ядра клітин зародка, в якому почав формуватись зачаток центральної нервової системи, то в жодному з випадків не спостерігалось утворення нормальних зародків. Ці факти свідчили про стабільну інактивацію багатьох генів у ході диференціації клітин, адже цитоплазма яйця не змогла активувати ті гени, які забезпечують нормальний розвиток.

Цікаві досліди з трансплантації ядер у південно-африканської жаби (Xenopus laevis) провів англійський дослідник Д. Гордон. В енуклейовані (шляхом опромінення ультрафіолетом) яйцеклітини він переніс ядра, які були взяті з епітелію кишок пуголовка. З'ясувалося, що 1% яицеклітин з пересадженими ядрами розвивалися нормально і дали початок статевозрілим особинам.

Цей дослід засвідчив, що високоспеціалізована клітина Хenopus містить усі гени, потрібні для проходження онтогенезу. Прояв генів пересадженого ядра змінюється; цитоплазма яйця репрограмує діяльність ядра, переводить з диференційованого в початковий стан.

Можливість репрограмування ядра цитоплазмою була ще раз експериментально доведена Е. Робертисом та Д. Гордоном. Вони вводили в овоцити тритона безліч ядер клітин нирок південноафриканської жаби. Застосовуючи двомірну хроматографію в гелі та мічені амінокислоти, дослідники показали, що в овоцитах тритона синтезуються білки, характерні для овоциту жаби. Ці білки не синтезувалися в клітинах нирок. Разом з цим специфічні для нирок гени не проявляли своєї активності.

Рослинні клітини здатні до повторної диференціації. Будь-яка жива рослинна клітина може реалізувати генетичну інформацію і дати початок усім типам тканин і цілому рослинному організму.

Цю думку, висловлену вперше Г. Габерландтом, було підтверджено Ф. Стюардом в 1950р. Він ізолював маленький шматок флоеми кореня моркви і вмістив його в рідке культуральне середовище у колбу, яка оберталася. В середовищі була сахароза, фізіологічно необхідні елементи і окремі вітаміни. Однак для росту і диференціації потрібні були ще якісь речовини. Ф. Стюард виявив їх у кокосовому молоці. Під час його додавання клітини, які відокремлювалися від ростучої клітинної маси, після перенесення їх на агаризоване середовище ділилися і в окремих випадках утворювали пагони. Цей експеримент засвідчив, що флоемні клітини містять всю генетичну інформацію, потрібну для розвитку типової рослини цього виду. За наявності відповідних сигналів, які надходять з навколишнього середовища, у ізольованих клітинах «включаються» гени, які не експресувалися в клітинах флоеми.

У культурі ізольованих клітин і тканин можна одержати цілу рослину з клітин пелюстки квітки, пиляка, мікроспори, в'язальця пиляка, флоеми, паренхімних клітин бульби картоплі, серцевини стебла тощо. Тотипотентність є цікавою властивістю рослинних клітин.

Високоспеціалізовані тканини і клітини різних органів рослини під час вміщення їх на штучне поживне середовище, яке містить мінеральні солі, цукри, а також речовини регуляторної природи, зазнають дедиференціації (втрачають свою спеціалізацію) і починаюсь анархічно і неорганізовано розмножуватися. Внаслідок цього виникає так звана калусна тканина. Калус становить собою масу недиференційованих клітин, які утворюються під час поранення і культивування in vitro. Обов'язковою умовою дедиференціації клітин і перетворення їх у калусну тканину є наявність у поживному середовищі фітогормонів (кінетину і ауксину), які відіграють важливу роль у процесі онтогенезу. У культурі калусних тканин при відповідному співвідношенні регуляторних речовин може бути експериментально реалізована потенція всіх типів морфогенезу. При цьому можуть виникати сформовані заново корені, пагони, листки і квітки. Калусна клітина може дати початок соматичному зародку (ембріоїду), який перетворюється потім у цілу рослину, яка здатна цвісти і давати потомство. Цей процес називають соматичним ембріогенезом.

Отже, калусні клітини за своїми потенціями проходження нормального онтогенезу еквівалентні зиготі. Калусна тканина може виникати з будь-якої клітини, яка не втратила ядро і цитоплазму. Звідси ми робимо висновок про те, що всі рослинні клітини тотипотентні і кожна з них може ти будь-якою іншою рослинною клітиною під час наступної диференціації.

Однак умови, які викликають диференціацію калусних тканин і призводять до утворення ембріоїдів, відомі ще не для всіх видів рослин. Проте ці невдачі не є спростуванням тотипотентності рослинних клітин. Вони свідчать лише про те, що ми ще не знаємо умов, потрібних для індукції сомачного ембріогенезу даного виду.

Здатність до соматичного ембріогенезу властива також губкам, кишковопорожнинним і червам.

Клітини ссавців культивуються важко, а примусити їх диференціюватися ще важче, оскільки вони високоспеціалізовані. Рівень складності, який був досягнутий внаслідок диференціації, буває таким високим, наприклад у нейронів, що перешкоджає навіть росту і поділу клітин. Хоча в ядрах диференційованих клітин зберігається генетичний матеріал, більша його частина залишається репресованою і активувати його, здебільшого, не вдається.