В клеточной биологии соматическая клетка ( от древнегреческого σῶμα (sôma) «тело»), или вегетативная клетка , — это любая биологическая клетка, образующая тело многоклеточного организма, за исключением гаметы , зародышевой клетки , гаметоцита или недифференцированной стволовой клетки . [1] Соматические клетки составляют тело организма и делятся посредством митоза .
Напротив, гаметы происходят из мейоза в половых клетках зародышевой линии и сливаются во время полового размножения . Стволовые клетки также могут делиться посредством митоза , но отличаются от соматических тем, что они дифференцируются в различные специализированные типы клеток.
У млекопитающих соматические клетки составляют все внутренние органы, кожу, кости, кровь и соединительную ткань , в то время как зародышевые клетки млекопитающих дают начало сперматозоидам и яйцеклеткам , которые сливаются во время оплодотворения , образуя клетку, называемую зиготой , которая делится и дифференцируется в клетки эмбриона . В организме человека насчитывается около 220 типов соматических клеток. [1]
Теоретически эти клетки не являются зародышевыми клетками (источником гамет); они передают свои мутации своим клеточным потомкам (если таковые имеются), но не потомкам организма. Однако у губок недифференцированные соматические клетки образуют зародышевую линию, а у Cnidaria дифференцированные соматические клетки являются источником зародышевой линии. Митотическое деление клеток наблюдается только в диплоидных соматических клетках. Только некоторые клетки, такие как зародышевые клетки, принимают участие в размножении. [2]
Поскольку предполагалось, что многоклеточность эволюционировала много раз, [3] то же самое произошло и со стерильными соматическими клетками. [ требуется ссылка ] Эволюция бессмертной зародышевой линии, производящей специализированные соматические клетки, включала возникновение смертности и может быть рассмотрена в ее простейшей версии в водорослях вольвокс . [4] Виды с разделением между стерильными соматическими клетками и зародышевой линией называются вейсманистами . Вейсманистское развитие встречается относительно редко (например, позвоночные , членистоногие , Volvox ), поскольку многие виды обладают способностью к соматическому эмбриогенезу (например, наземные растения , большинство водорослей и многочисленные беспозвоночные ). [5] [6]
Как и все клетки, соматические клетки содержат ДНК , организованную в хромосомы . Если соматическая клетка содержит хромосомы, организованные парами, она называется диплоидной , а организм называется диплоидным организмом. Гаметы диплоидных организмов содержат только отдельные непарные хромосомы и называются гаплоидными . Каждая пара хромосом состоит из одной хромосомы, унаследованной от отца, и одной, унаследованной от матери. У людей соматические клетки содержат 46 хромосом, организованных в 23 пары. Напротив, гаметы диплоидных организмов содержат только половину хромосом. У людей это 23 непарные хромосомы. Когда две гаметы (то есть сперматозоид и яйцеклетка) встречаются во время зачатия, они сливаются вместе, создавая зиготу . Из-за слияния двух гамет человеческая зигота содержит 46 хромосом (то есть 23 пары). [ необходима цитата ]
У большого количества видов хромосомы в соматических клетках расположены по четыре (« тетраплоид ») или даже по шесть (« гексаплоид »). Таким образом, у них могут быть диплоидные или даже триплоидные зародышевые клетки. Примером этого является современный возделываемый вид пшеницы Triticum aestivum L. , гексаплоидный вид, соматические клетки которого содержат шесть копий каждой хроматиды . [ требуется ссылка ]
Частота спонтанных мутаций значительно ниже в продвинутых мужских половых клетках , чем в соматических типах клеток того же индивидуума. [7] Женские половые клетки также показывают частоту мутаций, которая ниже, чем в соответствующих соматических клетках, и похожа на частоту мутаций в мужских половых клетках. [8] Эти результаты, по-видимому, отражают использование более эффективных механизмов для ограничения первоначального возникновения спонтанных мутаций в половых клетках, чем в соматических клетках. Такие механизмы, вероятно, включают повышенные уровни ферментов репарации ДНК , которые смягчают большинство потенциально мутагенных повреждений ДНК . [8]
В последние годы была разработана техника клонирования целых организмов у млекопитающих, что позволяет производить почти идентичные генетические клоны животного. Один из методов, позволяющих это сделать, называется « перенос ядра соматической клетки » и включает удаление ядра из соматической клетки, обычно клетки кожи. Это ядро содержит всю генетическую информацию, необходимую для создания организма, из которого оно было удалено. Затем это ядро вводится в яйцеклетку того же вида, у которой был удален собственный генетический материал. [9] Теперь яйцеклетку больше не нужно оплодотворять, поскольку она содержит правильное количество генетического материала ( диплоидное число хромосом ). Теоретически яйцеклетку можно имплантировать в матку животного того же вида и позволить ей развиваться. Полученное животное будет почти генетически идентичным клоном животного, у которого было взято ядро. Единственное различие вызвано любой митохондриальной ДНК, которая сохраняется в яйцеклетке, которая отличается от клетки, которая пожертвовала ядро. На практике этот метод до сих пор был проблематичным, хотя было несколько громких успехов, таких как овечка Долли (5 июля 1996 г. - 14 февраля 2003 г.) [10] и, совсем недавно, Снуппи (24 апреля 2005 г. - май 2015 г.), первая клонированная собака . [11]
Соматические клетки также собирались в практике биобанкинга. Криоконсервация генетических ресурсов животных является средством сохранения генетического материала животных в ответ на уменьшение экологического биоразнообразия. [12] По мере того, как популяции живых организмов сокращаются, сокращается и их генетическое разнообразие. Это ставит под угрозу долгосрочную выживаемость видов. Биобанкинг направлен на сохранение биологически жизнеспособных клеток посредством долгосрочного хранения для последующего использования. Соматические клетки хранились в надежде, что их можно будет перепрограммировать в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSC), которые затем смогут дифференцироваться в жизнеспособные репродуктивные клетки. [13]
Развитие биотехнологий позволило проводить генетические манипуляции соматическими клетками, как для моделирования хронических заболеваний, так и для профилактики состояний недомогания. [14] [15] Два современных способа редактирования генов — это использование эффекторных нуклеаз, подобных активаторам транскрипции (TALEN), или кластеризованных регулярно расположенных коротких палиндромных повторов (CRISPR). [ необходима ссылка ]
Генная инженерия соматических клеток вызвала некоторые споры [16], хотя Международный саммит по редактированию генов человека опубликовал заявление в поддержку генетической модификации соматических клеток, поскольку ее изменения не передаются потомству. [17]
У млекопитающих высокий уровень восстановления и поддержания клеточной ДНК, по-видимому, полезен на ранних этапах жизни. Однако некоторые типы клеток, такие как клетки мозга и мышц, претерпевают переход от митотического деления клеток к постмитотическому (неделящемуся) состоянию во время раннего развития, и этот переход сопровождается снижением способности к восстановлению ДНК . [18] [19] [20] Это снижение может быть эволюционной адаптацией, позволяющей перенаправить клеточные ресурсы, которые ранее использовались для восстановления ДНК, а также для репликации ДНК и деления клеток , на более приоритетные нейронные и мышечные функции. Эффект этих снижений заключается в том, что увеличивается накопление повреждений ДНК, что, вероятно, способствует старению клеток.