Напротив, в рамках исследований стволовых клеток в контексте нейрогенеза взрослых ученые в первую очередь занимаются интерпретацией природных явлений в том виде, в котором мы их наблюдаем. С другой стороны, разработки Яманаки по репрограммированию также привели биологов к фундаментальному осознанию: условия, которые определяют потентность стволовых клеток [25] (в том числе обеспечивающих нейрогенез взрослых), в целом составляют «программу».
Стволовые клетки: определение
Но что такое вообще стволовые клетки? Помимо простого определения, согласно которому стволовая клетка – это клетка, из которой образуются другие клетки, существует множество более подробных определений, и все они вертятся вокруг сути данного явления, но не могут ее по-настоящему ухватить. Даже происхождение этого термина покрыто мраком [26]. Вероятно, нынешняя концепция стволовых клеток возникла в репродуктивной медицине 50-х годов XX века.
Современное формальное определение гласит, что стволовая клетка – это клетка недифференцированная, но, с одной стороны, способная к «бесконечному самообновлению» (посредством деления), а с другой – к образованию более дифференцированных, то есть более зрелых дочерних клеток. Естественно, и то и другое вместе возможно только при условии так называемого асимметричного деления клетки. Чтобы соблюсти критерий самообновления, должна образоваться дочерняя клетка, неотличимая от материнской; одновременно с этим должна получиться вторая дочерняя клетка, которая выйдет из недифференцированного состояния и последует по определенному пути развития. Таким образом, асимметричное клеточное деление – это тоже определяющий признак настоящей стволовой клетки.
Отличающаяся дочерняя клетка, которая при этом образуется из стволовой, обладает некоторыми свойствами стволовых клеток, но ее способность к самообновлению перестает быть бесконечной, и за ней уже закреплен более или менее узкий путь развития. Эти клетки называются «клетки-предшественницы».
Досадным образом, термин «клетки-предшественницы» (die Vorläuferzelle) в немецком языке также обозначает родовое понятие, объединяющее стволовые клетки и их дочерние клетки [27]. В английском дело обстоит иначе: родовое понятие – это «precursor cell» («клетка-предшественница»), а дочерние клетки называются «progenitor cell» («прогениторные клетки»). Такая расплывчатость немецких терминов постоянно вызывает путаницу. Кроме того, выражение «стволовая клетка» в быту (а часто и в науке) употребляют очень широко и неточно.
Способность стволовой клетки к образованию различных типов клеток или даже тканей называют мультипотентностью. «Мульти» – значит много, но конкретное количество сильно различается в зависимости от типа стволовой клетки. Из мультипотентных стволовых клеток, присутствующих в начале развития нервной системы, в первые недели после оплодотворения, в итоге получаются клетки нескольких сотен типов, принадлежащие к обеим большим группам клеток мозга – нервным и глиальным. Сколько именно клеточных типов можно найти в мозге, остается неясным, поскольку ответ очень сильно зависит от используемых определений.
Клетки и клеточное деление
Чтобы до конца разобраться во всем этом, а заодно понять, какое значение имеет исследование стволовых клеток для нейрогенеза взрослых, нужно вернуться еще на шаг назад и посмотреть, что вообще такое клетка. То, что это элементарная единица всего живого, а многоклеточные организмы, такие как мы, – это собрания целых легионов разнообразных клеток, сегодня известно всем и кажется чем-то само собой разумеющимся. Но клетки имеют микроскопические размеры. Об их существовании ничего не могло быть известно, пока не изобрели первый микроскоп.
Первым клетки описал Роберт Гук, один из величайших универсальных гениев за всю историю человечества. Под микроскопом, который он соорудил сам (первый подобный прибор незадолго до этого создали в Амстердаме), он в 1665 году обнаружил в кусочке коры пробкового дерева маленькие ячейки, которые напомнили ему скромные жилища монахов, монастырские кельи [28]. Однако он описывал совершенно статичную картину, в которой не было никаких признаков того, что клетка – это элементарная единица живого и в функциональном смысле тоже. Почти одновременно с этим первые микроскописты сделали то, что сегодня делают дети, когда им достается микроскоп (если такое все еще бывает) и они начинают рассматривать все, что только можно рассмотреть без мудреной подготовки препаратов, а просто потому, что эти объекты пропускают достаточно света. Рано или поздно юному натуралисту попадается вода из пруда, и он тут же обнаруживает, что капля под микроскопом просто-таки кишит жизнью. Малюсенькие существа, которые в ней плавают, также бросились в глаза исследователям XVI века, но о том, что они одноклеточные, еще никто не знал. Микроорганизмы довольно долго не связывали с понятием клетки, и тем более не было ответа на вопрос, откуда взялись клетки и эти крошечные животные. Люди приняли на веру, что они материализовались «с нуля», и нескоро попытались разузнать что-то еще.
Илл. 15. Роберт Гук, универсальный гений эпохи Просвещения, первым описал клетку, элементарную единицу живого. Здесь мы приводим оригинальный рисунок из его пионерской работы, изображающий ячеистую структуру клеток растений
Ситуация в корне изменилась только в XIX веке. Рудольф Вирхов, один из основоположников современной медицины, ввел принцип omnis cellula а cellula («любая клетка происходит из клетки») Вирхов сформулировал этот ставший его кредо тезис в первую очередь в применении к патологии, являясь создателем клеточной патологии, которая строится вокруг предположения о том, что патологический процесс начинается с изменений на уровне отдельной клетки. В принципе это считается верным и сегодня. Но у теории есть и множество более фундаментальных следствий. Так, она окончательно закрепила статус клетки как элементарной функциональной единицы живого.
Клетки размножаются делением, но не все они могут делиться. За редким исключением, размножаться способны, как правило, недифференцированные клетки, то есть еще не специализированные для конкретных функций в органе или в ткани. Из недифференцированных клеток образуются дифференцированные, строится определенная иерархия. У истока развития стоят недифференцированные, способные к делению клетки, из которых впоследствии образуются все более дифференцированные, специализированные дочерние клетки. Эти недифференцированные клетки – стволовые клетки. Все стволовые клетки могут делиться, но не все клетки, которые могут делиться, – стволовые. Есть еще несколько клеточных типов, которые могут размножаться делением, но в этом случае на нем все кончается. За ним не следует дифференцировка или определение новой специализации.
Таким образом, в многоклеточных организмах мы видим разделение труда: способность к размножению в большинстве органов обычно отдана стволовым клеткам, а функции – дифференцированным, которые обеспечивают деятельность органа, например обмен веществ в печени, газообмен в легких, развитие силы мышц или прочность костей. Кроме того, разные виды дифференцировки тоже представляют собой формы разделения труда, и благодаря такой специализации как раз развились невероятные функциональные способности и приспособляемость растений, животных и всех остальных многоклеточных организмов, которые сегодня населяют Землю.
Илл. 16. Рудольф Вирхов – отец современной патологии, открыл глиальные клетки
