В основе генетической программы онтогенеза лежит ряд биологических закономерностей.
Главная (первая) закономерность — это, безусловно, потенциал молекулы ДНК, обеспечивающий зарождение, развитие, стабилизацию и угасание всех функций и навыков организма. От содержания и величины этого потенциала зависит онтогенетическое здоровье, характеризующееся геномным, протеомным и репродуктивным здоровьем, от которого зависит «качество» и продолжительность жизни человека.
Согласно теории системогенеза, разработанной П.К. Анохиным в 1975 г., развитие — это становление функциональных систем организма, а рост — это соподчиненная функция этих систем. Основная роль в становлении функциональных систем организма принадлежит структурам головного и спинного мозга.
Общебиологический смысл развития и роста любого организма заключается в динамическом процессе пропорционального увели-
чения длины и массы тела, что обеспечивает наступление половой зрелости и воспроизводство потомства в соответствующем для этого возрасте. Вместе с тем, у человека конечная цель развития и роста заключается в интеллектуальном и социальном совершенстве. Однако законы развития социальной сферы непосредственно не подчинены законам биологической эволюции, и поэтому социальное развитие реализуется через воспитание и образование. У человека генетически детерминированы следующие интеллектуальные характеристики: приобретение знаний и навыков, ориентация в обстановке (пространстве), переключение внимания и памяти, абстрактное мышление, анализ и синтез явлений.
Вторая закономерность — это разнообразие связей между генами и признаками, генотипом и фенотипом, которые можно продемонстрировать, начиная с формулы Дж. Бидла и Э. Тейтема: «Один ген — одна полипептидная цепь» (1941). Наряду с этой формулой во второй половине XX в. были открыты другие формулы: «два или семь генов — одна полипептидная цепь», «один ген или разные его участки — несколько полипептидных цепей». Все они объясняют молекулярно-генетические и биохимические причины и механизмы формирования и изменчивости признаков и фенотипов на основе синтеза белковых продуктов онтогенеза (см. ниже).
Третья закономерность — это несовпадение во времени фазы максимальной интенсивности деления клеток и фазы их дифференцировки. В основе этого несовпадения лежит закон прогрессивного дифференцирования, согласно которому «относительная масса недифференцированных тканей в организме уменьшается обратно пропорционально его возрасту» (Шмальгаузен И.И., 1938, 1946). Этот закон объясняет тесную взаимосвязь клеточной пролиферации и дифференцировки тканей организма в ходе онтогенеза.
Четвертая закономерность — это способность организма стабилизировать процесс развития в тех случаях, когда развитие нарушается под влиянием болезней и других неблагоприятных факторов окружающей среды, и возвращаться к заданной программе, если их действие прекращается. Эта закономерность впервые описана в 1957 г. и названа гомеорезом или канализированием роста (Уодингтон К.Ф.,
1964).
Гомеорез объясняет важную роль факторов среды в этиологии и патогенезе общей и наследственной патологии человека (см. главу 17) и служит основой для разработки эффективных методов ее терапии.
При этом гомеорез существенно отличается от гомеостаза, который относится к пятой закономерности онтогенеза (см. главу 2).
Нетрудно заметить, что все указанные биологические закономерности составляют основу двух противоположных, но тесно связанных между собой процессов онтогенеза: прогресса (прямое развитие, или эволюция) и регресса (обратное развитие, или инволюция).
Прогресс и регресс
Если прогресс связан с переходом старого качественного состояния в новое качественное состояние организма с соответствующими изменениями его генотипических и фенотипических характеристик, то регресс связан с иногда быстрым, а чаще — медленным угасанием (старением) и утратой этих характеристик как предыдущих возможностей и навыков организма.
Очевидно, что оба процесса идут параллельно друг другу и представляют собой единую программу развития, стабилизации и угасания функций и навыков организма. Эта единая универсальная программа контролирует все происходящие в течение жизни организма молекулярные реакции и процессы, определяет их профиль и спектр, как правило, адекватный действию факторов окружающей среды.
Вместе с тем, если говорить о прогрессе как стремлении (мотивации) организма к развитию, то следует выделить две тенденции (в определенном смысле философские), наблюдаемые при взаимодействии с факторами среды: непреодолимое стремление организма к объединению со средой (первая) и включение компонентов среды в собственные функциональные системы (вторая). Обе тенденции являются вектором или движущей силой генетической программы, с которой организм стремится к так необходимому для него развитию. В связи с этими главными тенденциями, а также на основе приведенных выше характеристик программы и ее биологических закономерностей, можно сделать следующие выводы и предположения.
Во-первых, в антенатальном онтогенезе генотип организма беременной женщины:
• контролирует («анализирует») способность (состоятельность) генотипа зиготы к созданию стабильной генетической программы развития;
• на основе этого анализа «выбирает» в зиготе ведущий и ведомый материнский или отцовский геном, как правило, соответствующий полу развивающегося организма;
• согласно сделанному выбору «обучает» гены (генотип) развивающегося организма стабильному функционированию (синтезу белковых продуктов онтогенеза) в ходе пролиферации, дифференцировки и миграции клеток, предназначенных для формирования тканей, органов и систем организма;
• «готовит» развивающийся организм к рождению и встрече с новыми для него условиями окружающей среды.
Во-вторых, в раннем постнатальном онтогенезе генетическая программа родившегося организма только в основном готова к стабильной реализации своего потенциала в новых условиях окружающей среды, и организму необходима длительная адаптация к воздействию этих условий, что связано с корректировкой содержания генетической программы.
В-третьих, эффективность адаптации организма к новым условиям окружающей среды и эффективность корректировки программы онтогенеза зависят от эффективности функционирования главных регуляторных и защитных систем организма (нервной, эндокринной и иммунной), ферментативных систем его органов и тканей, клеточных систем репарации и других систем, которые взаимодействуют с генами (генотипом) организма по принципу обратной связи с помощью ДНК-связывающих (контролирующих) факторов репликации, транскрипции, трансляции и других генетических процессов. Все три вывода имеют прямое отношение к основным факторам онтогенеза, которые будут сформулированы в конце данной главы.
Вернемся к дальнейшему рассмотрению прогресса и регресса. В ходе внутриутробного этапа онтогенеза в развивающемся организме преобладают прогрессивные процессы. В начале и середине постнатального онтогенеза прогресс и регресс постепенно сменяют друг друга. При этом чередуются разные по продолжительности периоды стабилизации и последующей перестройки функций организма, сохраняющие определенный баланс взаимоотношений.
Одним из наиболее важных периодов постнатального онтогенеза (по вкладу в сохранение и поддержание онтогенетического здоровья) является период после выполнения организмом своей главной биологической задачи по воспроизводству потомства. В середине или конце этого периода либо непосредственно вслед за ним в организме начинается медленный и сначала почти незаметный, но постепенно ускоряющийся период устойчивого перехода в инволюционную фазу, когда прогресс становится для организма мало характерным.
В завершающем периоде постнатального этапа онтогенеза в стареющем организме происходят постепенные процессы угасания и утраты функций и навыков. Для иллюстрации тесных связей прогресса и регресса в качестве примера следует привести параллельный отбор наиболее эффективных межнейрональных связей в ходе нейроонтогенеза и связанный с ним апоптоз освободившихся от этих связей нейронов (см. главы 10 и 13).
Другим примером служит нейроонтогенез стриопаллидарной и мозжечковой систем, известных как обучающие системы мозга. Эти системы играют ведущую роль в развитии двигательных автоматизмов. В зрелом возрасте (после 40-50 лет) основная часть движений организма автоматизирована, поэтому интенсивность функционирования этих систем снижается, и именно в этот период реализуются такие дегенеративные заболевания мозга, как атаксия Фридрейха, болезни Альцгеймера и Паркинсона, хорея Гентингтона и некоторые другие, обусловленные функциональной недостаточностью указанных систем.
Еще одним примером служат онтогенетические нарушения холестеринового обмена, возникающие из-за молекулярного сродства холестерина с половыми гормонами, что при возрастном уменьшении гормонально зависимой половой активности человека приводит к увеличению частоты развития инсультов и инфарктов.
Молекулярно-генетические и биохимические механизмы
Согласно К.Ф. Уодингтону (1964), основа онтогенеза — это система закономерных и последовательных взаимодействий продуктов генной активности — белков, отдельных структур развивающегося организма и самого организма (как единого целого) с факторами окружающей среды. Иными словами, генетическая программа онтогенеза — это межмолекулярные взаимодействия материнской и отцовской частей генома при постоянном участии в них факторов окружающей среды, а также базирующиеся на этих взаимодействиях трофические, энергетические, метаболические, ферментативные, гормональные, иммунные, нервные и другого рода реакции, непрерывно происходящие в многоклеточном организме в течение всего жизненного цикла. Эти реакции протекают в клетках и организме с разной интенсивностью и продолжительностью, упорядоченно или неупорядоченно, синхронно или несинхронно.
Морфогенетические процессы в раннем развитии
Развитие многоклеточного организма начинается в раннем эмбриогенезе уже на стадии образования зиготы и представляет собой цепь последовательных морфогенетических процессов. Считается, что инициация ранних стадий развития организма контролируется материнским геномом. К морфогенетическим процессам раннего эмбриогенеза относится пролиферация зиготы (деление-дробление). В ходе дальнейшего онтогенеза прибавляются такие процессы, как миграция, объединение клеток в группы, дифференцировка, апоптоз.
В основе всех этих процессов лежат генетические преобразования, происходящие на уровне ядра клетки: транскрипция генов или образование на одной из двух нитей молекулы ДНК информационной РНК (первичная мРНК, или РНК-транскрипт); процессинг и сплайсинг мРНК и ее транспорт через ядерную мембрану; на уровне цитоплазмы клетки: транспорт мРНК к рибосомам (после прохождения через ядерную мембрану), трансляция мРНК и биосинтез белка в рибосомах (оба процесса идут параллельно друг другу).
Процесс пролиферации зиготы имеет ряд особенностей:
• деление зиготы идет путем цитотомии (деление ядер по борозде дробления), и зародыш из одноклеточного постепенно превращается в многоклеточный — это делениедробления, или стадия дробления эмбриогенеза;
• зигота последовательно превращается в морулу, гаструлу и бластулу, давая вновь образующиеся клетки-бластомеры;
• в моруле формируется двухполюсный комплекс из 16 молекул миозина и одной молекулы актина; этот комплекс обеспечивает «сборку-разборку» структурных компонентов клетки, например, в ходе дендритного спраунинга нейронов идет сборка микротрубочек из белка-тубулина (см. главу 13);
• для гаструлы характерны скользящие амебоидные движения за счет образовавшегося двухполюсного комплекса;
• жизненный цикл бластомера отличается от жизненного цикла соматической клетки тем, что из него выпадает постмитотический период интерфазы, а период предмитотического синтеза ДНК начинается в телофазе предшествующего митотического цикла;
• благодаря делению дробленияобъем тела зародыша не изменяется, но размножается его ядерный материал;
• превращения ядерного материала соответствуют превращениям в ходе обычного митоза — за удвоением количества ДНК (в этом случае редупликацией) следует ее равномерное распределение между дочерними клетками;
• увеличивающееся количество бластомеров при отсутствии их собственного роста способствует повышению величины ядерноцитоплазматического отношения до значений, характерных для соматических клеток (во время роста яйцеклетки это соотношение снижено).
Таким образом, биологическое значение пролиферации зиготы
заключается в редупликации и разделении ДНК, приводящей к размножению генотипа зиготы без увеличения объема зародыша.
Следует отметить, что цитоплазма оплодотворенной яйцеклетки содержит вещества, определяющие пространственную поляризацию делящихся в ней ядер. В период поляризации гены зиготы неактивны, так как они прочно связаны с гистонами. Активация этих генов происходит после восьми делений ядер и миграции их в кортекс. Гены транскрибируются с образованием мРНК под действием РНК-полимеразы II. Процесс начинается со связывания этого фермента с промотором в начале гена. Далее фермент перемещается вдоль гена, синтезируя мРНК. В это время работе РНК-полимеразы II способствуют (или препятствуют) регуляторные гены, которые связываются со специфическими участками ДНК. Конечным результатом действия регуляторного гена служит появление специфического белка-фермента, осуществляющего позитивную (стимулирующую транскрипцию) или негативную (препятствующую транскрипции) регуляцию. Именно эти специфические белки (стимуляторы или супрессоры) образуют основной инициаторный комплекс (ОИК) или «переключатель генов», переводящий гены в активное (экспрессия) или пассивное (репрессия) состояние (см. главы 2 и 3).
В каждый конкретный момент развития из всех генов генотипа в состоянии экспрессии находятся не более 5-10\%; остальные гены репрессированы (Карлсон Б., 1983). На ранних стадиях развития активизируются гены, определяющие способность клеток к пролиферации, — гены пролиферации, а также гены, регулирующие их общий метаболизм, — гены общего метаболизма. После формирования бластоциста преимущественно экспрессируются тканеспецифические гены. В период перехода зародыша в стадию органогенеза включаются
органоспецифические гены, а к началу функционирования органов включаются гены специализированных клеток.
Таким образом, гены, контролирующие раннее развитие, функционируют лишь на определенных стадиях: до достижения клетками (тканями) конкретных этапов дифференцировки. Такие гены называются хроногенами. Кроме них, выделены switch-гены или геныпереключатели, например, синтеза эмбрионального коллагена на коллаген взрослого типа или синтеза эмбрионального гемоглобина на фетальный гемоглобин.
Гены раннего развития
К настоящему времени идентифицированы многие гены и целые генные семейства, играющие главную роль в раннем развитии. В их числе — гены эмбрионального развития.
Большинство этих генов отвечают за выработку белков, называемых транскрипционными факторами, — они контролируют транскрипцию мРНК путем связывания специфических регуляторных участков на ДНК и образования ОИК (см. выше). Эти факторы могут активировать или подавлять экспрессию генов, контролируя гены, участвующие в координации каскада эмбриологических процессов, таких, как сегментация, индукция, миграция и дифференцировка, а также гены, регулирующие апоптоз (см. главы 9 и 10).
Очевидно, что эти процессы опосредуются факторами роста, которые индуцируют репликацию ДНК, а также клеточными рецепторами и др.
Среди генов эмбрионального развития отдельно выделено семейство эмбриональных генов или генов НОХ. Они образуют кластеры (пучки) генов: НОХ1-НОХ4 или пучки А, В, С, D. Поэтому их называют гомеобоксными генами, в которые входят пучки из 11 генов (пучок А) или из 9 генов (пучки В, С и D), локализованных в хромосомах 7р,17q, 12q и 2q соответственно. Гены НОХ имеют 180 н.п. Они кодируют транскрипционные факторы осевой дифференцировки эмбриона, отвечают за метамерное строение тела, формирование позвоночника, ребер и других осевых структур.
Следующее семейство генов эмбрионального развития — это спаренные гены или гены РАХ. Они кодируют полипептиды, включающие 180 аминокислот. Всего известно 8 РАХ-генов.
Мутации этих генов лежат в основе ряда наследственных заболеваний. Например, мутация гена РАХ-3 обусловливает аутосомно-
доминантный синдром Ванденбурга (глухота, гетерохроматия радужки, белая прядь волос надо лбом), а мутация гена РАХ-6 лежит в основе аниридии.
К следующему семейству генов эмбрионального развития принадлежат гены цинковых пальцев. Эти гены кодируют факторы транскрипции, представленные белками с мотивами (см. главу 8). Они расположены между двумя отдельными цистиновыми остатками, образующими комплекс с ионами цинка, похожий на палец. Мутации этих генов приводят к наследственным заболеваниям. Например, мутация в гене GLI3 (локус хромосомы 7) вызывает синдром Грейга (краниосиндактилия), а мутации в разных локусах хромосомы 11 обусловливают нарушение развития почек и аномалии половой дифференцировки.
Также отдельно выделяют семейство из 30 генов эмбрионального развития, кодирующих факторы транскрипции, — это семейство SOX. Все гены данного семейства продуцируют белки, имеющие гомологию в ДНК-связывающем домене. Они локализованы в хромосоме 3 (SOX2 ), Х-хромосоме (SOX3), хромосоме 6 (SOX4) и хромосоме 17 (SOX9). Эти гены регулируют процессы дифференцировки различных отделов мозга и костей лицевого черепа. Их мутации проявляются уже в антенатальном периоде развития и нередко являются причинами тяжелых аномалий мозга и ранней эмбриональной гибели.
В свою очередь, мутация гена SOX9 ведет к постнатально диагностируемой кампомелической дисплазии.
Уровни регуляции синтеза белковых продуктов онтогенеза
Анализируя молекулярно-генетические и биохимические процессы онтогенеза, связанные с синтезом белковых продуктов, можно выделить следующие уровни их регуляции.
Претранскрипционный уровень
На этом уровне регуляция происходит путем изменения количества копий конкретного гена, что может привести к изменению количества белка в клетке и нарушению хода онтогенеза. Причинами этих событий являются простые и множественные дупликации, амплификации или делеции гена. В частности, в случае делеции гена ее крайним проявлением будет полная утрата функции гена и в клетке, находящейся в гомозиготном состоянии, будет отсутствовать белок, контролируемый данным геном. Если это крайне необходимый для организма белок, то подобный вариант всегда будет рассматривается
как летальный, проявляющийся остановкой онтогенеза и самопроизвольным прерыванием беременности (см. главу 16).
Таким образом, в результате мутации на претранскрипционном уровне изменяется генная регуляция, что ведет к остановке (либо нарушению) синтеза конечного белкового продукта с соответствующими последствиями для организма зародыша и эмбриона.
Транскрипционный уровень
В этом случае регуляция осуществляется на уровне синтеза мРНК. В ходе транскрипции ДНК происходит считывание не только кодирующих (экзоны), но и некодирующих (интроны) частей молекулы, а также последовательностей, примыкающих к экзонноинтронной структуре. Все эти части образуют транскрипционную
единицу.
Существует возможность образования генетических дефектов в любой точке транскрипционной единицы, а также в самих регуляторных белках, что привет к нарушению транскрипции всего гена и изменит количество синтезируемого белкового продукта. При этом предполагается, что участки транскрипционных единиц, не относящиеся к кодированию белка, играют важную роль во взаимодействии с белками, определяющими транскрипционные свойства гена.
Уровень процессинга и сплайсинга мРНК
В клеточном ядре первичный продукт транскрипции (высокомолекулярная про-мРНК) превращается в зрелую мРНК. Сначала растущая цепь про-мРНК взаимодействует с белковыми глобулами- информомерами, образуя полисомоподобные структуры.
Равномерно распределенная по поверхности информомеры промРНК подвергается действию ферментов процессинга, для которого известны два механизма: внешний, удаляющий последовательности, прилежащие к экзонно-интронной структуре, и внутренний, выщепляющий интроны и обеспечивающий сшивание (сплайсинг) экзонов в единую молекулу мРНК.
Также показано, что в ходе процессинга с помощью определенных ферментов осуществляется добавление полиадениловых участков к 3′-концу мРНК и метилированных оснований к 5′-концу мРНК.
Таким образом, нарушения процессинга и сплайсинга мРНК могут обусловить разные нарушения синтеза белковых продуктов онтогенеза вплоть до его остановки.
Уровень транспорта мРНК
В ходе транспорта зрелой мРНК в цитоплазме клетки она взаимодействует с РНК-связывающими белками, образуя свободные информосомы (комплексы мРНП). В их состав входят маскирующие и репрессорные белки, не способные поддерживать синтез белка. Комплексы мРНП преобразуются в полисомные структуры, способные поддерживать синтез белка. Это преобразование сопровождается удалением маскирующих и репрессорных белков и связыванием активированных белков, включая некоторые факторы трансляции. Оно завершает процессы, находящиеся под контролем транспортного уровня регуляции. Нарушение регуляции на уровне транспорта мРНК может произойти в результате дефектов любого из компонентов клеточного аппарата, осуществляющего такой транспорт, что приведет к остановке или нарушению синтеза белковых продуктов.
Уровень трансляции
Регуляция трансляции осуществляется непосредственно на уровне синтеза белковой молекулы. Известны три стадии трансляции: инициация, элонгация и терминация. Для их осуществления требуется присутствие множества специальных белковых факторов, например для стадии инициации необходимо не менее десяти таких факторов.
Кроме того, в составе молекулы мРНК имеются нетранслируемые последовательности нуклеотидов, расположенные на 5′-конце и 3′-конце. Считается, что они принимают участие в присоединении мРНК к рибосомам, клеточным мембранам, факторам трансляции, определяют стабильность и срок жизни самой молекулы мРНК. Например, делеция АУ-последовательности в 3′-нетранслируемом конце мРНК ведет к увеличению концентрации мРНК, увеличению продолжительности жизни этой молекулы, накоплению белка, стимулирующего деление фибробластов кожи и образование опухолей, а изменение первых кодонов 5′-области гена, определяющее сигнальную последовательность белка-тубулина, также изменяет время жизни мРНК. В целом наличие нетранслируемых последовательностей мРНК имеет большое значение для стабильного синтеза белка и, следовательно, нормального течения онтогенеза.
Один из способов регуляции на уровне трансляции — это образование вторичных структур в виде шпилек в районе инициирующего трансляцию кодона АУГ (верхняя часть шпильки — это петля из неспаренных оснований). Данный кодон блокирует трансляцию.
Имеются также регуляторные, связывающиеся с кодоном АУГ, белки (например, белок S7), которые, находясь в избытке, сами блокируют трансляцию. Кроме того, нарушения регуляции на уровне трансляции могут возникнуть, если в результате мутации в молекуле мРНК появится бессмысленный (модулирующий) кодон, для которого нет соответствующей тРНК, или ее концентрация сильно уменьшена. В этом случае синтез полипептидной цепи остановится либо скорость синтеза будет резко снижена из-за малой скорости включения аминокислоты (которой соответствует тРНК), что приведет к уменьшению количества белка.
Помимо указанных причин, регуляция трансляции зависит от условий окружающей клетку среды (например, рН ооцита равна 6,9, а рН зиготы — 7,4) и условий клеточного метаболизма (например, синтез белка-ферритина регулируется с помощью изменений концентрации ионов железа).
Посттрансляционный уровень
Это уровень посттрансляционной модификации белка или процессов созревания синтезированной полипептидной цепи. Такая цепь, прежде чем начать активно функционировать, подвергается ферментативным воздействиям. Среди них реакции:
• фосфорилирование-дефосфорилирование, обеспечивающее либо усиление транскрипции (за счет действия гормонов, стимулирующих синтез негистоновых белков), либо приводящее к угнетению трансляции и остановке синтеза белка;
• ацетилирование (ковалентная модификация), ведущее к развороту нуклеосомных частиц, в результате чего гистоны плохо связываются с ДНК;
• метилирование молекул ДНК и гистонов, входящих в структуру нуклеосом; оно усиливает основность (щелочность) гистонов и их связь с ДНК в составе хромосомы, что сказывается на репликации и транскрипции ДНК и нарушает процесс деспирализации нуклеосом перед началом синтеза и транскрипции;
• конформация или преобразование молекулы белка; например, нормальная изоформа прионного белка РrРс преобразуется в патологическую изоформу РrPSc (см. главу 29).
Таким образом, разные нарушения регуляции генной активности могут изменить количество белкового продукта на любой из стадий его созревания или модификации. Например, если в ходе созревания полипептидной цепи к ней добавятся аминокислотные остатки или
она их утратит, то обязательно изменится функциональная активность или уменьшится количество созревшего белка.
Другие уровни регуляции
К другим уровням регуляции синтеза белковых продуктов онтогенеза может быть отнесено действие химических индукторов генной активности, например фенобарбитала, холестерина, гормонов и других веществ, вызывающих селективную модуляцию белков, контролирующих транскрипцию генов.
Немаловажное значение имеют соотношения гормональных и иммунных реакций в организмах беременной женщины и плода, что активно влияет на формирующиеся у плода главные регуляторные и защитные системы. При этом речь может идти о нарушениях регуляции секреции гормонов, факторов роста и нейромедиаторов, т.е. самих сигнальных молекул (см. главу 8).
Ангиогенез как механизм онтогенеза
С физиологической точки зрения, выделяют васкулогенез, который характерен для эмбриогенеза и начинается из стволовых клеток (см. главу 17), и ангиогенез, который сопровождает процессы заживления ран, овуляцию в женском организме, а также вызывает ряд патологических процессов, начинающихся из эндотелиальных клеток.
В ходе ангиогенеза обеспечивается формирование новой сети кровеносных сосудов из сосудов предшествующей ей сети. Благодаря этому клетки, ткани, органы и системы получают кислород, питательные вещества и энергию, обмениваются сигнальными молекулами, утилизируют продукты обмена веществ, т.е. ангиогенез — это один из обязательных механизмов онтогенеза, направленный на поддержание стабильности гомеостаза и целостности структур организма.
Кровеносные сосуды различаются по размерам, морфологии, составу и функциям.
Изнутри они выстланы эндотелиальными клетками, которые находятся в прямом контакте с кровью и обладают множеством функций, синтезируя, например, такие факторы, как тромбомодулин, ингибитор тканевого фактора (TF), ингибитор активатора плазминогена тканевого типа (t-PA), мультимерный фактор Виллебранда (vWF) или фактор адгезии и агрегации тромбоцитов и др. Кроме того, клетки эндотелия способны направлять клетки иммунной системы к лимфоидным органам и специфическим участкам ткани при их
воспалении. Мембраны эндотелиальных клеток избирательно проницаемы для белков, регулирующих свертываемость крови.
Снаружи кровеносные сосуды контактируют с базальными мембранами и внеклеточным матриксом клеток соединительной ткани (перициты, фибробласты), гладкомышечных, жировых клеток.
В процессе ангиогенеза принимают участие не менее 20 биологически активных молекул, относящихся к проангиогенным факторам.
Проангиогенные факторы человека (по Луценко С.В. и соавт., 2004) следующие.
• Ангиогенин.
• Del-1-protein.
• Факторы роста фибробластов: aFGF (кислый), bFGF (основной).
• Фоллистатин.
• Колониестимулирующий фактор (GM-GSF).
• Фактор роста гепатоцитов (HGF).
• NIV-Tat.
• Интерлейкин-3 (IL-3).
• Интерлейкин-8 (IL-8).
• Лептин.
• Мидкин.
• Плацентарный фактор роста (PLGF).
• Тромбоцитарный фактор роста эндотелия (PD-ECGF).
• Тромбоцитарный фактор роста (PDGF).
• Плейотрофин (PTN).
• Пролиферин.
• Трансформирующий фактор роста-альфа (TGF-альфа).
• Трансформирующий фактор роста-бета (TGF-бета).
• Фактор некроза опухоли (TNF-альфа).
• Эндотелиальный фактор роста (VEGF).
Фазы ангиогенеза
Ангиогенез протекает в две фазы: активация и становление. В первой фазе наблюдается индукция роста кровеносных капилляров в ответ на ангиогенный стимул, поступивший из среды, окружающей клетку. Эта фаза включает четыре стадии: первая — стимуляция эндотелиальных клеток факторами роста ангиогенной активности; вторая — дестабилизация предшествующего кровеносного сосуда в результате ретракции адвентициальных клеток и перицитов; третья — локальная деградация базальной мембраны предшествующего кровеносного сосуда и ближайшего внеклеточного матрикса в результате
секреции эндотелиальными клетками протеолитических ферментов; четвертая — миграция эндотелиальных клеток в интерстициальное пространство, что сопровождается клеточной пролиферацией. Именно во второй фазе происходит преобразование мигрирующих эндотелиальных клеток в капилляроподобные структуры с формированием зрелых капилляров и инициацией потока крови. В этой фазе происходят:
• снижение миграционной и пролиферативной активности клеток эндотелия;
• восстановление базальной мембраны вновь образованных кровеносных капилляров;
• завершение интеграции клеток соединительной ткани в сосудистую стенку;
• организация кровеносных капилляров в сосудистую сеть.
Интенсивность, периодичность и контроль ангиогенеза
В нормально функционирующем организме ангиогенез протекает с низкой интенсивностью, поддерживается на низком уровне и, как правило, носит периодический и кратковременный характер. Контроль ангиогенеза обеспечивается основными регуляторными и защитными системами организма, поддерживающими баланс между его позитивными и негативными регуляторами.
От ангиогенеза зависят заживление ран, овуляция и эмбриогенез, а также развитие ряда патологических процессов. В их числе артриты, атеросклероз, ангиофибромы, гемангиомы, гранулемы, глаукома, диабетическая ретинопатия, ожирение, псориаз, синдромы Ослера- Вебера и Хиппеля-Линдау, склеродермия, солидные опухоли, трахома и др. (Луценко С.В. и соавт., 2004).
Особенно важную роль ангиогенез играет в канцерогенезе (см. главы 17 и 25).