2015-03-21

Кришталик ока

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 0.00 (0 голосів)

Кришталик ока

Вивчення кришталика ока дозволить вченим не тільки запобігати утворенню катаракти, а й зрозуміти природу хвороб Альцгеймера і Паркінсона, а також захворювань, що супроводжуються масовим самогубством клітин.

Кришталик ока – єдина прозора тканина людського тіла. Прозорість, без якої неможливо сфокусувати світло в оці, обумовлена ​​унікальною здатністю клітин кришталика активувати програми саморуйнування.

Яким чином клітини кришталика стають прозорими? Відповівши на це запитання, вчені могли б розробити нові підходи до запобігання катаракти (помутніння кришталика), що виникає більш ніж у половини людей старших 65 років. Рятівний засіб один – хірургічне видалення кришталика і його заміна штучним імплантатом. Але й після такої процедури у значної частини пацієнтів виникають ускладнення, що вимагають повторної операції. Катаракта вражає в першу чергу літніх людей, у яких будь-яке хірургічне втручання викликає сильну тривогу. Розробка методу, який дозволяє припиняти утворення катаракти або навіть повертати її розвиток назад, стала б для людства рятівною.

Розуміння механізмів, що допомагають клітинам кришталика надзвичайно тонко контролювати процес саморуйнування, могло б підказати вченим і нові шляхи лікування захворювань, що характеризуються масовою загибеллю клітин – хворіб Альцгеймера і Паркінсона, а також хронічних інфекцій, наприклад СНІДу.

Кришталик ока – жива матерія

Щільний, еластичний і абсолютно прозорий кришталик ока – справжнє диво природи. Його найменше потемніння перетворює зоровий світ людини в хаотичне скупчення спалахів, тіней і спотворених образів. Причому коли його клітини набувають навіть легкого забарвлення, ми перестаємо розрізняти відтінки кольорів.

Прозорі частини тіла є у багатьох тварин (згадаймо хоча б крила комах), але абсолютно кристальні тканини зустрічаються в природі вкрай рідко. У людини прозора і рогівка, але ця оболонка ока – не тканина, а скоріше тонкий драглистий пласт білків і цукрів. Кришталик ока складається з 1000 шарів прозорих живих клітин.

Прозорість – вельми незвичайна властивість живої тканини. Клітини містять такі внутрішні структури (органели), як ядро, де зберігається ДНК, мітохондрії, що виробляють енергію, апарат Гольджі і ендоплазматичний ретикулум, що приймають участь у синтезі білків і ліпідів. Кожна структура має свій коефіцієнт заломлення, а області, де він змінюється, виглядають непрозорими.

Крім того, деякі клітини поглинають світло певних довжин хвиль і, таким чином, набувають забарвлення. Характерний червоний колір надає еритроцитам крові гем в молекулі гемоглобіну. Оскільки наші органи і м'язи наповнені кров'ю, вони виглядають забарвленими в різні відтінки червоного. І, нарешті, багато клітин (особливо шкіри і волосся) містять меланіни – пігменти, колір яких варіює від червоного до чорного.

У кришталику ока немає ні меланінів, ні крові. Хрящ теж їх не містить, проте він лише безбарвний – у кращому випадку напівпрозорий. Це пов'язано з тим, що практично у всіх тканинах клітини і волокна орієнтовані один щодо одного під різними кутами і тому розсіюють світло. Кришталик складається з клітин тільки одного типу, і розташовані вони в строго визначеному порядку.

Якщо клітини кришталика не ​​забезпечуються кров'ю і позбавлені органел, чи можна їх вважати живими? Відповідь залежить від того, яке визначення дати поняттю «життя». На Землі живуть міріади дрібних тварин, позбавлених крові. Це стосується і людського хряща, проте всі біологи беззастережно відносять його до життєздатної тканини. Якщо живою вважати клітину, що має метаболізм, то і клітини кришталика живі. Вони позбавлені мітохондрій, що виробляють енергію, проте в зовнішніх шарах кришталика дифундують молекули поживних і деяких інших речовин, які потім повільно проникають і у внутрішні його частини.

У молодих клітинах кришталика ока, що виникають у плода зі стовбурових клітин, присутні органели, але на ранніх стадіях розвитку організму вони руйнуються. Залишається лише цитоплазма, що складається з незвично густого розчину особливих білків – кристалінів. Кришталик ока неспроста називають іноді біологічним кристалом: його клітини мають дуже впорядковане розташування. Кожна з них містить великі молекули кристаліну, що утворюють комплекси з компонентами цитоплазми, що їх оточують. Така структура робить цитоплазму оптично гомогенним середовищем. Коефіцієнт заломлення в кришталику скрізь однаковий.

Катаракта

Після запрограмованої загибелі органел клітини кришталика залишаються живими, однак разом з ядром вони позбавляються всіх генетичних програм. На відміну від клітин інших тканин, вони повністю втрачають здатність до відновлення, що робить кришталик ока дуже вразливим. Так, наприклад, сильне зневоднення може викликати злипання кристаліну, що призведе всього за кілька тижнів до руйнування клітин та їх перетворення на безформну масу – катаракту. Коефіцієнти заломлення утвореної плямочки і решти кришталика відрізняються, і в полі зору людини виникає каламутна пляма.

Дрібні пошкодження можуть накопичуватися в кришталику і за відсутності зневоднення. У багатьох людей катаракта розвивається в результаті регулярного впливу сильно реактивних молекул (наприклад, вільних радикалів), ультрафіолетового випромінювання або багаторічного підвищення рівня цукру в крові внаслідок діабету.

Перші згадки про операції з видалення помутніння кришталика відносяться до 1800-х років до н.е. і містяться в зведенні законів вавилонського царя Хаммурапі. Давньоєгипетські тексти, а також середньовічні європейські та ісламські рукописи описують операції з відсікання кришталика від війкового м'яза ока і поміщення його в склоподібне тіло – густу прозору рідину в задній частині очного яблука. Хоча процедура і знімала з ока пелену, він втрачав здатність фокусувати промені світла на сітківці. В результаті після операції пацієнти могли бачити тільки розмиті обриси предметів, наче б вони дивилися під водою.

У XVII–XVIII століттях були винайдені спеціальні окуляри, що компенсували ослаблення зору, але сучасні штучні кришталики зробили їх непотрібними. Тільки у США щорічно проводиться більше 1 млн. операцій з видалення катаракти. Сьогодні процедура займає не більше 45 хвилин і завершується успіхом в 100% випадків.

Однак старіючий кришталик ока схильний не тільки до розвитку катаракти – з віком він жовтіє. У ньому поступово накопичуються білки, які поглинають синє і зелене світло і не пропускають промені до сітківки. Лише червоне, жовте і коричневе світло досягають мети, що значно змінює зорове сприйняття людиною навколишнього світу.

Запрограмоване самогубство

В останні роки дослідники не тільки навчилися повертати кришталику втрачені функції, а й задумалися над тим, як можна запобігти його віковому руйнуванню. Вони виявили, що процес, пов'язаний зі знищенням молодими клітинами кришталика своїх органел, дає їм прекрасну можливість впоратися з деякими небезпечними хворобами.

Клітини кришталика ока, що виникають із стовбурових клітин, на ранніх стадіях розвитку зародка містять органели. У ході диференціювання вони їх знищують, завдяки чому і стають прозорими. В інших клітинах навіть невелике ушкодження ДНК загрожує незворотним процесом апоптозу, тобто запрограмованою загибеллю.

Вивільнені в клітині деструктивні білки шматують її ДНК на частини, а неробочі мітохондрії позбавляють клітину джерела енергії. Вона розпадається на частини і безслідно розчиняється. Як правило, пошкоджені клітини здійснюють самогубство, щоб звільнити місце новим здоровим – інакше орган перестає функціонувати. У деяких випадках пошкоджені клітини самознищуються, щоб не переродитися в ракові. Клітини кришталика теж руйнують своє ядро ​​і всі інші органели, проте вони припиняють цей процес якраз перед самим його завершенням, зберігаючи зовнішню мембрану, внутрішній цитоскелет з білків і густу плазму.

Здатність клітин призупиняти самогубство стала для вчених повною несподіванкою.

Вони завжди розглядали апоптоз як невпинний процес. А отже, в клітинах кришталика є якийсь механізм, що дозволяє їм руйнувати лише певну частину своїх структур. Очевидно, що клітини кришталика ока використовують клітинну загибель не для самознищення, а для здійснення диференціювання.

Даний факт привів до наступного висновку: механізм, що контролює апоптоз, міг би змінювати перебіг хвороб, що характеризуються «масовим самогубством» клітин, наприклад, нейродегенеративних захворювань. Для цього необхідно з'ясувати, які сигнали припиняють процес клітинного саморуйнування.

Відповідно до теорії ініціації апоптозу, запропонованої Стівеном Баснеттом з Вашингтонського університету, у міру того як вже існуючі клітини кришталика ока обростають все новими і виявляються все далі від його поверхні, кількість кисню, який до них поступає, зменшується. Коли його концентрація падає нижче порогового рівня, цілісність мітохондрій, функціонування яких безпосередньо залежить від доступності кисню, виявляється під загрозою. Відчувши таку небезпеку, клітина починає вивільняти фактори, що сприяють апоптозу. Правильність теорії частково підтверджується відомим фактом, що пошкоджені мітохондрії здатні ініціювати апоптоз в зрілих клітинах людини. Отримавши серйозне пошкодження, клітина може розблокувати механізми загибелі і приступити до саморуйнування.

Басснетт вказує ще на одну можливу причину апоптозу: вироблення молочної кислоти, що утворюється при розщепленні глюкози в диференційованих клітинах кришталика ока. Зрілі клітини в центрі кришталика позбавлені мітохондрій і виробляють енергію, перетворюючи глюкозу в молочну кислоту. У кришталику, таким чином, утворюється градієнт концентрації молочної кислоти, а також градієнт pH. Ініціатором апоптозу можуть бути обидва фактори.

Увагу вчених привернули і деякі інші тригери клітинної загибелі. Майкл Райд з Кардіфського університету в Уельсі і Есмонд Сандерз з Університету провінції Альберта в Канаді показали, що руйнуванню клітин кришталика ока сприяє фактор некрозу пухлини. Він є сигнальним білком (цитокіном) і може виступати в ролі потужного ініціатора апоптозу здорових і деяких ракових клітин. Однак невідомо, як цитокін працює в кришталику.

Дослідникам вдалося з'ясувати деякі механізми, що призупиняють саморуйнування клітин кришталика. Вивчаючи кришталики людини, щура і миші, ми виявилось, що в клітинах, які ще не встигли знищити свої органели, утворюється білок галектін-3, здатний зв'язуватися з іншими молекулами. Коли клітинні органели починають руйнуватися, синтез галектіну-3 знижується. Такий зразок активності цілком міг би контролювати процес апоптозу, але про те, які чинники відключають цей білок, поки невідомо. Вивчати галектін-3 почали тому, що він приймає участь у різних біологічних процесах, пов'язаних з проліферацією, апоптозом і диференціюванням клітин інших тканин.

Нещодавно Сого Нішімото з Університету міста Осака (Японія) ідентифікував ДНК-азу (фермент, який розщеплює ДНК), що приймає участь у руйнуванні ДНК в клітинах кришталика. Лабораторні миші, у яких ДНК-аза відсутня, з'являються на світ з катарактою. Крім того, при диференціюванні в клітинах кришталиків гризунів не відбувається руйнування ядер, у той час як апоптоз клітин всіх інших тканин протікає нормально.

Багатообіцяюча рибка

Не виключено, що загадку кришталика ока допоможе розгадати маленька акваріумна рибка даніо реріо, немов спеціально створена природою для вивчення ембріонального розвитку тварин. Зародки даніо складаються з дуже невеликої кількості клітин, і на ранніх стадіях розвитку вони настільки прозорі, що вчені можуть спостерігати за формуванням їх внутрішніх органів власні очі. Більшість органів розвивається неймовірно швидко – всього через 48 годин після метання ікри. На третій день з ікринки вилуплюється мальок, який відразу починає активно плавати у воді.

Мутантних рибок інтенсивно вивчають численні групи дослідників в усьому світі. Співробітники лабораторії нобелівського лауреата Нюслайн-Фольхард з Інституту Макса Планка виявили риб, чиї кришталики складалися з клітин з інтактичними органелами, і риб з абсолютно мертвими клітинами кришталика. У деяких мутантів була виявлена ​​катаракта, яка нічим не відрізнялася від людської.

Вчені сподіваються, що вивчення даніо реріо допоможе отримати нові відомості про фактори, що запускають і зупиняють апоптоз. Така інформація могла б поглибити наші уявлення не тільки про механізми розвитку катаракти, а й про природу нейродегенеративних захворювань людини.

 

Читайте також:

 

Коментарі:

blog comments powered by Disqus