Материалы SapiensMed не заменяют консультацию врача
Здравствуйте, друзья! В нашем традиционном лонгриде поговорим о делении клеток и обновлении тканей — о том, как организм растёт, заменяет износившиеся клетки и заживляет раны. Правда ли, что тело полностью обновляется каждые семь лет? Почему кожа и кишечник восстанавливаются за дни, а сердце и мозг — почти никогда? И что не даёт клеткам делиться бесконечно?
Мы разберём, как устроен клеточный цикл, как клетка удваивает свою ДНК и делит её поровну между дочерними клетками, что такое стволовые клетки и зачем нужна запрограммированная гибель клеток. Расскажем, какие сигналы запускают и останавливают деление и как работают «тормоза» клеточного цикла.
Отдельно обсудим, с какой скоростью обновляются разные ткани, как этот процесс меняется с возрастом, при беременности, питании и нагрузке, какие болезни связаны с его нарушением и что помогает тканям восстанавливаться. В конце статьи вас ждёт краткое резюме по каждому разделу статьи.
Часть 1. Зачем клеткам делиться
1.1. Три задачи деления
Каждый из нас начинался с одной клетки — оплодотворённой яйцеклетки. Тело взрослого человека состоит примерно из 30 триллионов собственных клеток, и все они появились в результате деления. О том, как устроена отдельная клетка, рассказывает статья Как работает клетка: мембрана, обмен веществами с окружающей средой17.
Деление клеток решает три задачи13:
- Рост — увеличение числа клеток от зародыша до взрослого организма.
- Обновление — замена клеток, которые износились, повредились или закончили свой срок службы.
- Восстановление — заживление ран, переломов и повреждений внутренних органов.
Масштаб обновления впечатляет. По расчётам израильских исследователей, за сутки в теле взрослого заменяется около 330 миллиардов клеток — примерно 1% от общего числа. Почти девять десятых этого потока приходится на клетки крови, ещё заметная часть — на клетки выстилки кишечника7.
1.2. Ткани, которые делятся по-разному
Способность к обновлению у разных тканей неодинакова. Патологи делят их на три группы35:
- Постоянно обновляющиеся ткани: эпидермис кожи, выстилка кишечника и желудка, костный мозг. Их клетки делятся всю жизнь.
- Стабильные ткани: печень, почки, поджелудочная железа, гладкие мышцы, стенки сосудов. В обычных условиях их клетки делятся редко, но после повреждения способны быстро включить деление.
- Неделящиеся ткани: большинство нейронов и рабочие клетки сердечной мышцы. Погибшие клетки в них почти не заменяются, и на месте повреждения образуется рубец.
Это различие объясняет, почему порез кожи заживает бесследно за пару недель, печень может отрасти после частичного удаления, а инфаркт оставляет рубец на всю жизнь3.
Миф
Каждые семь лет организм полностью обновляется, и в нём не остаётся ни одной старой клетки.
Факт
Обновление идёт неравномерно. Выстилка кишки меняется за несколько дней, эритроциты — примерно за 4 месяца, а большая часть нейронов коры головного мозга и хрусталика глаза остаются с нами всю жизнь. Клетки сердечной мышцы у взрослого заменяются менее чем на 1% в год. Цифра «7 лет» не имеет научного обоснования.
Часть 2. Как клетка делится: механизм шаг за шагом
2.1. Клеточный цикл
Жизнь делящейся клетки от одного деления до следующего называют клеточным циклом. Его удобно сравнить с подготовкой к переезду: сначала нужно вырасти и накопить запасы, затем скопировать все документы, проверить копии и только потом разъехаться по двум новым квартирам2.
Цикл состоит из четырёх фаз12:
- Фаза G1 — рост клетки, синтез белков и органелл, подготовка к удвоению ДНК.
- Фаза S — синтез, то есть удвоение всей ДНК клетки.
- Фаза G2 — проверка копий, исправление ошибок, подготовка к делению.
- Фаза M — митоз, собственно деление ядра и клетки.
Многие клетки выходят из цикла в состояние покоя, которое называют фазой G0. В нём живут, например, клетки печени: они полноценно работают и годами не делятся, но при повреждении органа возвращаются в цикл. Быстро делящиеся клетки кишки проходят цикл примерно за сутки23.
2.2. Удвоение ДНК
В ядре почти каждой клетки человека 46 хромосом — 23 от матери и 23 от отца. Вместе они содержат около 6 миллиардов пар «букв» генетического кода (нуклеотидов). Перед делением клетка должна скопировать их все12.
Молекула ДНК состоит из двух нитей, которые расплетаются как застёжка-молния. К каждой нити специальный фермент — ДНК-полимераза — достраивает новую парную нить. В итоге получаются две одинаковые молекулы, и в каждой одна нить старая, а вторая новая2.
Полимераза сама проверяет свою работу и исправляет большинство ошибок, а оставшиеся находят системы репарации (ремонта) ДНК. В итоге остаётся примерно одна ошибка на миллиард «букв». Но клеток и делений так много, что за жизнь в тканях всё равно накапливаются мутации — об этом подробнее в отдельных статьях плана о наследственности и опухолях215.
2.3. Митоз: как делят хромосомы
Митоз — деление, при котором из одной клетки получаются две генетически одинаковые. Его делят на стадии114:
- Профаза: удвоенные хромосомы плотно скручиваются и становятся видимыми в микроскоп, а из белковых трубочек начинает строиться веретено деления.
- Метафаза: хромосомы выстраиваются ровной линией посередине клетки, и к каждой с двух сторон прикрепляются нити веретена.
- Анафаза: нити укорачиваются и растаскивают половинки каждой хромосомы к противоположным полюсам клетки.
- Телофаза: вокруг двух наборов хромосом образуются новые ядерные оболочки.
- Цитокинез: клетка перетягивается посередине, как воздушный шарик, перехваченный ниткой, и распадается на две.
Сам митоз длится около часа. Перед анафазой клетка проходит строгую проверку: все ли хромосомы правильно прикреплены к веретену. Если хотя бы одна «отстаёт», деление задерживается. Этот механизм защищает дочерние клетки от лишних или потерянных хромосом2.
2.4. Мейоз: деление для половых клеток
Яйцеклетки и сперматозоиды образуются особым делением — мейозом. В нём хромосомы удваиваются один раз, а клетка делится дважды, поэтому в половой клетке остаётся 23 хромосомы вместо 46. При оплодотворении наборы объединяются, и число хромосом восстанавливается12.
Во время мейоза парные хромосомы от матери и от отца обмениваются участками. Поэтому каждая половая клетка уникальна, а братья и сёстры похожи, но не одинаковы. Ошибки расхождения хромосом в мейозе — главная причина таких состояний, как синдром Дауна, и их частота растёт с возрастом матери23.
2.5. Стволовые клетки и их ниши
Ткани обновляются не за счёт деления любых клеток, а благодаря стволовым клеткам — малодифференцированным (ещё не специализированным) клеткам-предшественникам. Делясь, стволовая клетка часто даёт одну такую же стволовую клетку и одну клетку, которая начнёт специализацию. Так запас стволовых клеток сохраняется, а ткань получает новые рабочие клетки212.
Стволовые клетки живут в особых нишах. В кишке это углубления слизистой — крипты. Новые клетки поднимаются из крипт к вершинам ворсинок и через 3–5 дней слущиваются в просвет кишки. Об устройстве этого органа рассказывает статья «Всё, что вы хотели знать о тонкой кишке»12.
Кроветворные стволовые клетки находятся в красном костном мозге. Каждую секунду они производят около 2 миллионов эритроцитов, а также лейкоциты и тромбоциты. В коже стволовые клетки сидят в нижнем слое эпидермиса и в волосяных фолликулах17. Подробнее об этих органах — в статьях «Всё, что вы хотели знать о костном мозге» и «Всё, что вы хотели знать о коже».
2.6. Апоптоз: запрограммированная гибель
Чтобы ткань не разрасталась, рождение новых клеток должно уравновешиваться гибелью старых. Для этого существует апоптоз — аккуратное «самоуничтожение» клетки по встроенной программе. Клетка сжимается, распадается на мелкие пузырьки, и их без воспаления поедают соседи и клетки-уборщики35.
Апоптоз срабатывает, когда клетка отслужила свой срок, получила неисправимое повреждение ДНК или стала лишней. Без него невозможно и развитие: например, пальцы зародыша разделяются потому, что клетки перепонок между ними погибают апоптозом23.
Часть 3. Кто регулирует деление
3.1. Тормоза и педали клеточного цикла
Переходом из одной фазы цикла в другую управляют белки циклины и связанные с ними ферменты — циклинзависимые киназы. Их можно сравнить с ключами зажигания: уровень каждого циклина растёт в своё время цикла и «заводит» следующий этап, а потом белок разрушается214.
На пути цикла стоят контрольные точки — пункты проверки. Самая важная находится в конце фазы G1. Здесь белок p53, который называют «стражем генома», проверяет целость ДНК. При повреждении он останавливает цикл, чтобы клетка успела исправить ошибки, а если исправить нельзя — запускает апоптоз36.
Ещё один ключевой тормоз — белок ретинобластомы. Пока он активен, клетка не может перейти к удвоению ДНК. Гены, кодирующие такие тормоза, называют генами-супрессорами опухолей: их поломка — один из шагов к раку36.
3.2. Сигналы снаружи: факторы роста и гормоны
Клетки нормальной ткани не делятся по собственной воле — им нужен разрешающий сигнал извне. Такими сигналами служат факторы роста: белки, которые выделяют соседние клетки, тромбоциты в ране или клетки иммунной системы. Связываясь с рецептором на мембране, фактор роста запускает внутри клетки цепочку реакций, которая доходит до ядра и включает гены цикла23.
Деление регулируют и гормоны14:
- Эритропоэтин, который вырабатывают почки при нехватке кислорода, ускоряет образование эритроцитов.
- Гормон роста и инсулиноподобный фактор роста стимулируют рост костей и тканей у детей.
- Эстрогены вызывают разрастание слизистой матки в первой половине цикла, а прогестерон готовит её к имплантации.
- Гормоны щитовидной железы нужны для нормального роста и созревания тканей.
Есть и обратный сигнал — контактное торможение. Когда клетки в культуре или в заживающей ране плотно соприкасаются друг с другом, они перестают делиться. Так рана затягивается до нужного размера и не «перерастает» края23.
3.3. Предел Хейфлика и теломеры
В 1960-х годах американский учёный Леонард Хейфлик показал, что обычные клетки человека в культуре делятся ограниченное число раз — примерно 40–60, а потом останавливаются. Это явление назвали пределом Хейфлика9.
Одна из причин — теломеры, защитные «колпачки» на концах хромосом, похожие на пластиковые наконечники шнурков. При каждом удвоении ДНК теломеры немного укорачиваются. Когда они становятся слишком короткими, клетка прекращает деление и стареет. В стволовых и половых клетках работает фермент теломераза, который достраивает теломеры1013.
3.4. Регенерация печени — пример точной настройки
Печень — чемпион среди органов по восстановлению. После удаления значительной её части оставшиеся клетки, которые годами находились в покое, синхронно возвращаются в цикл. Масса органа восстанавливается в течение нескольких недель и месяцев, а затем деление точно останавливается, когда печень достигает нужного размера11.
Именно на этом основана пересадка части печени от живого донора. Подробнее о работе органа рассказывает статья «Как работает печень и почему она такая важная». Однако при долгом повреждении, например алкоголем или вирусом, регенерация сопровождается разрастанием соединительной ткани и может закончиться циррозом511.
Способность ткани к восстановлению не безгранична. Если повреждение повторяется годами, вместо полноценных клеток разрастается соединительная ткань, и орган теряет функцию. Поэтому важнее вовремя устранить причину повреждения — алкоголь, курение, инфекцию, хроническое воспаление, — чем рассчитывать на то, что ткани «восстановятся сами».
Часть 4. Как обновление меняется в течение жизни
4.1. Скорость обновления разных тканей
Скорость обновления оценивают разными методами, в том числе по включению в ДНК углерода-14, попавшего в атмосферу при ядерных испытаниях середины прошлого века. Ориентировочные данные приведены в таблице178.
Таблица 1. Примерная скорость обновления клеток в разных тканях взрослого
| Ткань или клетки | Срок жизни или обновления | Источник новых клеток |
|---|---|---|
| Выстилка тонкой кишки | 3–5 дней | Стволовые клетки крипт |
| Нейтрофилы крови | От нескольких часов до нескольких дней | Кроветворные клетки костного мозга |
| Тромбоциты | 7–10 дней | Мегакариоциты костного мозга |
| Эпидермис кожи | Около 1–2 месяцев | Стволовые клетки нижнего слоя эпидермиса |
| Эритроциты | Около 120 дней | Кроветворные клетки костного мозга |
| Жировые клетки | Около 10% в год | Клетки-предшественники в жировой ткани |
| Костная ткань | Около 10% скелета в год | Остеобласты, которые сменяют разрушенную кость |
| Клетки сердечной мышцы | Около 1% в год в молодости, меньше в пожилом возрасте | Деление собственных клеток сердца |
| Большинство нейронов коры мозга | Практически не обновляются | Отсутствует |
Данные по сердцу и жировой ткани получены в работах шведской группы Йонаса Фризена. Они показали, что даже у сердечной мышцы есть небольшая способность к обновлению, но её недостаточно, чтобы заменить клетки, погибшие при инфаркте. Жировые клетки, напротив, обновляются примерно на 10% в год, и это не зависит от того, худеет человек или полнеет816.
4.2. Возраст
В детстве деление идёт с максимальной скоростью: растут кости, мышцы, внутренние органы. После завершения роста деление переходит в режим поддержания — клеток рождается примерно столько, сколько погибает1.
С возрастом запас и активность стволовых клеток снижаются, в тканях накапливаются стареющие клетки, которые больше не делятся, но выделяют вещества, поддерживающие воспаление. Поэтому раны у пожилых заживают медленнее, кожа истончается, а костный мозг хуже восстанавливается после кровопотери. Эти процессы считают одними из ключевых признаков старения13.
4.3. Пол, менструальный цикл и беременность
У женщин детородного возраста слизистая матки каждый месяц разрастается под действием эстрогенов и отторгается при менструации, а затем быстро восстанавливается. Это один из самых наглядных примеров гормонально управляемого обновления ткани, о котором рассказывает статья «Менструация: что это и как она работает?»1.
Во время беременности матка увеличивается во много раз — в основном за счёт роста размеров мышечных клеток, а также их деления. Молочные железы готовятся к лактации, и их железистая ткань активно разрастается. После родов и окончания кормления большая часть новых клеток удаляется апоптозом13.
4.4. Питание, сон и нагрузка
Для удвоения ДНК клетке нужны строительные блоки. Особенно важны фолиевая кислота и витамин B12: без них синтез ДНК замедляется, и в первую очередь страдают быстро делящиеся ткани. При их нехватке возникает мегалобластная анемия, а у беременных недостаток фолиевой кислоты повышает риск пороков развития нервной трубки плода15.
Для заживления ран нужен достаточный белок, а также цинк и витамин C. Курение сужает мелкие сосуды и заметно замедляет заживление. Физическая нагрузка активирует клетки-сателлиты мышц — их собственные стволовые клетки, которые сливаются с волокнами и помогают им расти и восстанавливаться после микроповреждений13.
Миф
Нервные клетки не восстанавливаются, поэтому мозг с возрастом может только терять свои возможности.
Факт
Зрелые нейроны действительно почти не делятся. Но мозг умеет образовывать новые связи между нейронами — это называют нейропластичностью. Учёба, физическая активность и общение помогают сохранять работу мозга. Вопрос о том, сколько новых нейронов образуется у взрослого человека, пока остаётся предметом научных споров.
Часть 5. Когда деление и обновление нарушаются
5.1. Слишком мало деления
Если стволовые клетки повреждены или им не хватает строительного материала, ткани не успевают обновляться. Так развиваются апластическая и мегалобластная анемии. Тот же механизм объясняет побочные эффекты противоопухолевой химиотерапии: препараты бьют по всем быстро делящимся клеткам, поэтому страдают кровь, волосяные фолликулы и выстилка кишечника35.
Именно поэтому при химиотерапии так часто бывают язвочки во рту и понос — об этом рассказывает статья «Онкологические препараты и ЖКТ: тошнота, мукозит, диарея при химиотерапии». Если ткань долго не получает сигналов к поддержанию, она уменьшается — это атрофия, которой посвящена отдельная статья плана об атрофии, гипертрофии и дистрофии3.
5.2. Слишком много деления
При избытке гормонального или воспалительного сигнала клетки начинают делиться чаще, и ткань разрастается — это гиперплазия. Она может быть нормальной, как при беременности, и болезненной, как при разрастании слизистой матки или предстательной железы. Если же поломка затрагивает сами «тормоза» и «педали» цикла, клетки выходят из-под контроля, и возникает опухоль36.
Многие опухоли проходят предраковые стадии. В толстой кишке это полипы, о которых рассказывает статья «Полипы толстой кишки: всегда ли они перерождаются в рак». Механизмы опухолевого роста и метастазирования разобраны в следующих статьях плана315.
5.3. Ошибки в хромосомах и генах
Ошибки расхождения хромосом в мейозе приводят к лишней или недостающей хромосоме у будущего ребёнка, например при синдроме Дауна. Ошибки при удвоении ДНК или повреждения от ультрафиолета, табачного дыма и радиации накапливаются в делящихся клетках. Чем больше делений проходит ткань за жизнь, тем выше в ней риск опухоли — эту закономерность описали Кристиан Томасетти и Берт Фогельштейн215.
Миф
Уколы стволовых клеток омолаживают организм и лечат почти любые болезни.
Факт
Доказанное применение стволовых клеток пока ограничено в основном пересадкой кроветворных клеток при болезнях крови и некоторыми методами восстановления кожи и роговицы. Для омоложения и лечения большинства хронических болезней такие уколы не доказали пользы, а введение непроверенных клеточных препаратов может вызвать инфекции, тромбозы и разрастание ненужной ткани.
Часть 6. Как помочь тканям обновляться
6.1. Защита делящихся клеток
Мы не можем ускорить деление клеток по желанию, но можем снизить число повреждений ДНК и дать тканям всё необходимое для восстановления. Главные враги делящихся клеток — табачный дым, избыток алкоголя, ультрафиолет и хронические инфекции, например вирус папилломы человека и вирусы гепатитов B и C36.
Вирус папилломы человека заставляет клетки шейки матки делиться бесконтрольно, вмешиваясь в работу белков p53 и ретинобластомы. Как это происходит, объясняет статья «Как вирус папилломы человека вызывает дисплазию и рак шейки матки». Вакцинация и регулярный скрининг прерывают этот путь на ранних стадиях3.
6.2. Пошаговый план для здорового обновления тканей
01
Откажитесь от курения — табачный дым повреждает ДНК и замедляет заживление.
02
Ограничьте алкоголь: он повреждает печень и слизистую желудочно-кишечного тракта.
03
Ешьте разнообразно: овощи, зелень, бобовые и цельные злаки дают фолиевую кислоту, а продукты животного происхождения — витамин B12 и белок.
04
Женщинам, планирующим беременность, стоит заранее обсудить с врачом приём фолиевой кислоты.
05
Защищайте кожу от солнечных ожогов: используйте одежду, головной убор и солнцезащитные средства.
06
Двигайтесь и выполняйте силовые упражнения — это поддерживает обновление мышц и костей.
07
Высыпайтесь и поддерживайте нормальный уровень глюкозы, если у вас сахарный диабет: это ускоряет заживление.
08
Сделайте прививки от вируса папилломы человека и гепатита B и проходите скрининговые обследования по возрасту.
Обновление тканей обычно идёт незаметно, но некоторые признаки говорят о его серьёзном сбое.
Когда срочно нужно к врачу
Срочно или в ближайшие дни обратитесь к врачу, если появились:
Краткое резюме
Деление клеток обеспечивает рост организма, замену износившихся клеток и заживление повреждений. За сутки в теле взрослого обновляется около 330 миллиардов клеток, большая часть — клетки крови и выстилки кишечника. Ткани делятся на постоянно обновляющиеся, стабильные, которые делятся после повреждения, и почти неделящиеся, как нейроны и клетки сердца.
Клеточный цикл включает рост, удвоение ДНК, проверку копий и митоз, в котором хромосомы поровну расходятся по двум дочерним клеткам. Мейоз образует половые клетки с 23 хромосомами. Ткани обновляются за счёт стволовых клеток, а апоптоз — запрограммированная гибель — уравновешивает рождение новых клеток.
Делением управляют циклины и контрольные точки, белок p53 и другие гены-супрессоры, а также факторы роста, гормоны и контактное торможение. Число делений обычных клеток ограничено, во многом из-за укорочения теломер. Печень способна восстановить массу после частичного удаления.
Выстилка кишки меняется за 3–5 дней, эритроциты живут около 120 дней, клетки сердца обновляются менее чем на 1% в год. С возрастом стволовые клетки истощаются, а заживление замедляется. Для деления нужны фолиевая кислота, витамин B12 и белок.
Недостаток деления ведёт к анемиям и атрофии, избыток — к гиперплазии и опухолям, ошибки в хромосомах — к наследственным болезням. Помогают отказ от курения, умеренность в алкоголе, защита от солнца, питание, движение, вакцинация и скрининг. Кровоточивость, резкая слабость и быстро растущие образования — повод срочно обратиться к врачу.
Источники
- Hall J. E., Hall M. E. Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology. 14th edition. Elsevier. США, 2020.
- Alberts B., Heald R., Johnson A. et al. Molecular Biology of the Cell. 7th edition. W. W. Norton & Company. США, 2022.
- Kumar V., Abbas A. K., Aster J. C. Robbins Basic Pathology. 10th edition. Elsevier. США, 2018.
- Ткаченко Б. И. (ред.) Нормальная физиология человека. 2-е издание. Медицина. Россия, 2005.
- Литвицкий П. Ф. Патофизиология. 5-е издание. ГЭОТАР-Медиа. Россия, 2016.
- Hanahan D., Weinberg R. A. Hallmarks of cancer: the next generation. Cell. США, 2011.
- Sender R., Milo R. The distribution of cellular turnover in the human body. Nature Medicine. США, 2021.
- Bergmann O., Bhardwaj R. D., Bernard S. et al. Evidence for cardiomyocyte renewal in humans. Science. США, 2009.
- Hayflick L. The limited in vitro lifetime of human diploid cell strains. Experimental Cell Research. США, 1965.
- Blackburn E. H., Epel E. S., Lin J. Human telomere biology: a contributory and interactive factor in aging, disease risks, and protection. Science. США, 2015.
- Michalopoulos G. K., Bhushan B. Liver regeneration: biological and pathological mechanisms and implications. Nature Reviews Gastroenterology and Hepatology. Великобритания, 2021.
- Barker N. Adult intestinal stem cells: critical drivers of epithelial homeostasis and regeneration. Nature Reviews Molecular Cell Biology. Великобритания, 2014.
- López-Otín C., Blasco M. A., Partridge L., Serrano M., Kroemer G. Hallmarks of aging: an expanding universe. Cell. США, 2023.
- Ченцов Ю. С. Введение в клеточную биологию. 4-е издание. Академкнига. Россия, 2004.
- Tomasetti C., Vogelstein B. Variation in cancer risk among tissues can be explained by the number of stem cell divisions. Science. США, 2015.
- Spalding K. L., Arner E., Westermark P. O. et al. Dynamics of fat cell turnover in humans. Nature. Великобритания, 2008.
Материал носит информационно-просветительский характер и не заменяет очной консультации врача. Диагноз и лечение определяет только врач.
Читайте также
- Наследственность и болезни: как мутации превращаются в симптомы
- Апоптоз: запрограммированная гибель клеток
- Опухолевый рост: как нормальная клетка становится раковой
- Атрофия, гипертрофия и дистрофия тканей
Автор:
