أثناء تمايز الخلايا في الكائنات متعددة الخلايا ، تصبح الخلايا متخصصة وتقوم بأدوار مثل تلك التي تلعبها الأعصاب والعضلات وخلايا الدم. تشمل العوامل المشاركة في إثارة تمايز الخلايا الإشارات الخلويةوالتأثيرات البيئية ومستوى تطور الكائن الحي.
يحدث التمايز الأساسي للخلايا بعد أن تخصب خلية منوية البويضة والنتيجة اللاقحة يصل إلى حجم معين. عند هذه النقطة ، تبدأ البيضة الملقحة في تطوير أنواع مختلفة من الخلايا وتحتاج إلى خلايا متمايزة لتولي الوظائف المتخصصة.
الآلية الموجودة في جذر تمايز الخلايا هي التعبير الجيني. تحتوي جميع خلايا الكائن الحي على مجموعات متطابقة من الجينات لأن الشفرة الوراثية تم نسخها من خلية البويضة الأصلية المخصبة بواسطة خلية الحيوانات المنوية. لتولي وظيفة متخصصة ، ستعبر الخلية فقط أو تستخدم بعض الجينات في شفرتها الجينية وتتجاهل الباقي.
على سبيل المثال ، الخلية التي تتمايز لتصبح خلية كبد ستعبر عن خلايا الكبد الجينات ، وستستخدم جميع خلايا الكبد الأخرى نفس مجموعة جينات الكبد. سوف يتفرقون معا لتشكيل الكبد.
يحدث تمايز الخلايا في ثلاث حالات:
- ال نمو من كائن حي غير ناضج إلى شخص بالغ.
- طبيعي دوران من الخلايا مثل خلايا الدم في الكائنات الحية الناضجة.
- ال يصلح من الأنسجة التالفة عند الحاجة إلى استبدال الخلايا المتخصصة.
في كل حالة ، تقوم الإشارات الخلوية بإعلام الخلايا بنوع الخلية المتخصصة المطلوبة. تعبر الخلايا غير المتمايزة عن الجينات المقابلة لتلبية احتياجات الكائن الحي.
يعمل التعبير الجيني عن طريق عمل نسخ من الجينات
يقع الكود الجيني للخلايا حقيقية النواة على الحمض النووي في نواة. لا يمكن للحمض النووي أن يترك النواة ، لذا يتعين على الخلية نسخ الجين الذي تريد التعبير عنه.
رسول RNA (مرنا) يعلق على الحمض النووي وينسخ الجين ذي الصلة. يمكن أن ينتقل الرنا المرسال خارج النواة ويجلب التعليمات الجينية إلى الريبوسومات التي تطفو في سيتوبلازم الخلية أو المرتبطة بالشبكة الإندوبلازمية. ال الريبوسومات إنتاج البروتين المشفر بواسطة الجين المعبر عنه.
اعتمادًا على الإشارات التي تتلقاها الخلية ، والتأثيرات البيئية والمرحلة التطورية للخلية ، يمكن حظر عملية التعبير الجيني في أي مرحلة. إذا لم يكن الكائن الحي بحاجة إلى البروتين المشفر بواسطة الجين ، فلن يقوم الرنا المرسال بنسخ الجين ، ولن تبدأ عملية التعبير الجيني.
حتى بعد أن ينسخ الرنا المرسال الجين ، قد يُمنع جزيء الرنا المرسال من الخروج من النواة أو قد لا يتمكن من الوصول إلى الريبوسوم. قد لا تنتج الريبوسومات البروتين المطلوب حتى لو كان الرنا المرسال يسلم المنسوخ الكود الجيني. يمكن لعوامل مختلفة أن تؤثر على التعبير الجيني من خلال هذه العملية متعددة الخطوات.
العوامل الداخلية التي تؤثر على تخصص الخلية
تمتلك الكائنات الحية عدة طرق لضمان تطور الخلايا إلى الخلايا المتخصصة والمتباينة المطلوبة.
العامل الرئيسي الذي يقود التمايز الخلوي في الجسم هو تصنيع البروتينات. يمكن للخلايا أن تتمايز اعتمادًا على الجينات التي يتم التعبير عنها والبروتينات المشفرة في الجينات المعبر عنها. تساعد البروتينات المنتجة الخلايا المتمايزة على أداء وظيفتها المتخصصة وتسمح لها بإخبار الخلايا الأخرى بما تفعله من خلال إشارات الخلية.
آلية أخرى يمكن أن تؤثر على تمايز الخلايا هي الفصل غير المتماثل في انقسام الخلية. تتجمع مواد مثل البروتينات الخاصة في أحد طرفي الخلية. عندما تنقسم الخلية ، تحتوي إحدى الخلايا الوليدة على بروتينات خاصة أكثر من الأخرى. تصبح الخلايا أنواعًا مختلفة من الخلايا بسبب توزيع البروتينات المختلفة.
عندما تتمايز الخلية ، يصبح نوع التخصص الذي يمكن أن تتخذه أكثر محدودية. الخلايا الجنينية الخلايا الجذعية يمكن أن تصبح في البداية أي نوع من الخلايا ، ولكن بمجرد أن تنضج الخلية وتقوم بدور متخصص ، فإنها غالبًا لا يمكن أن تتغير. تسمى الخلايا الجذعية الجنينية مكتمل الخلايا لأنها لا تزال قادرة على القيام بأي دور بينما الخلايا المتخصصة الناضجة التي تم تمايزها بشكل كامل يمكنها فقط أداء وظيفتها المتخصصة.
ينتج الفصل غير المتماثل خلايا مختلفة
يعتبر التعبير الجيني مسؤولاً عن تخصص الخلية ، ولكن يجب أن تكون الخلايا الأساسية قادرة على تولي الوظائف المتخصصة. قبل أن يحدث التمايز وتخصص الخلية ، يجب أن يكون النوع الصحيح من الخلايا متاحًا. يمكن أن ينتج عن الفصل غير المتماثل مثل هذه الأنواع المختلفة من الخلايا. تصبح الخلايا الجنينية كاملة الفعالية واحدة من ثلاثة أنواع من متعدد القدرات الخلايا التي تتمايز في نهاية المطاف إلى أنسجة الجسم المختلفة.
الأنواع الثلاثة للخلايا متعددة القدرات هي:
-
الأديم الباطن تصبح الخلايا بطانة للجهاز التنفسي والجهاز الهضمي وكذلك تشكل الكبد والعديد من الغدد الرئيسية مثل البنكرياس.
- Mesoderm تتمايز الخلايا لتشكل العضلات والعظام والنسيج الضام والقلب.
- إكتوديرم تشكل الخلايا الجلد والأعصاب.
بينما تكون إشارات الخلية مسؤولة عن إنتاج بعض أنواع الخلايا المختلفة والخلية التخصص ، الفصل غير المتماثل يعمل في بداية تطور الخلية لإنتاج متعدد القدرات الخلايا.
نسخ الحمض النووي يحدث إلى mRNA بطريقة ينتج عنها mRNA بروتينات معينة في أحد طرفي الخلية وبروتينات مختلفة في الطرف الآخر. ينتج عن الانقسام الخلوي نوعان مختلفان من الخلايا الوليدة يمكنهما الاستمرار في إنتاج خلايا بتخصصات مختلفة.
تشوير الخلية هو أصل تمايز الخلايا
تعتمد الآليات الداخلية التي تؤثر على تمايز الخلايا في الخلايا متعددة القدرات بشكل أساسي على إشارات الخلية. تتلقى الخلايا إشارات كيميائية تخبرها بنوع الخلية أو نوع البروتين المطلوب.
تتضمن آليات إرسال الإشارات الخلوية ما يلي:
- تعريف، حيث تطلق الخلايا مواد كيميائية تنتشر في جميع أنحاء الأنسجة.
- اتصال مباشر، حيث تحتوي الخلايا على مواد كيميائية خاصة على أغشية الخلايا.
- تقاطعات الفجوة، حيث يمكن للإشارات الكيميائية أن تنتقل مباشرة من خلية إلى أخرى.
ترسل الخلايا باستمرار رسائل كيميائية فيما يتعلق بأنشطتها وتتلقى إشارات حول ماذا يحدث في جوارهم المباشر ، في الأنسجة التي يتواجدون فيها وفي الجسم كبير. هذه الإشارات هي العوامل الرئيسية التي تؤثر على تخصص الخلية ، وإشارات الخلية هي العامل الرئيسي الذي يدفع تمايز الخلايا في الجسم.
يؤثر تشوير الخلايا عن طريق الانتشار على تطور الأنسجة
تصبح الخلايا حساسة لإشارات كيميائية معينة بسبب وجودها مستقبلات على غشاء الخلية. تعتمد المستقبلات على نوع الخلية وكيف تطورت والجينات التي يتم التعبير عنها. عندما يتم تنشيط المستقبلات ، تتمايز الخلية بشكل أكبر.
عندما ترسل خلية إشارة إلى العديد من الخلايا المجاورة ، فإنها تنبعث منها مادة كيميائية تنتشر عبر الأنسجة التي تكون الخلية جزءا لا يتجزأ منها. يتم التقاط الإشارة الكيميائية بواسطة مستقبلات في أغشية الخلايا للخلايا المحيطة وتؤدي إلى استجابة داخل كل خلية. تساعد هذه الاستجابات في جعل الخلايا تمايز بطريقة ما يبني الأنسجة.
على سبيل المثال ، الخلايا التي ستصبح جزءًا من الكبد تنبعث منها مواد كيميائية تحفز المستقبلات المقابلة في الخلايا المجاورة ، وكل الخلايا في هذا الموقع تتمايز لتصبح خلايا كبد. عندما تتشكل أنسجة الكبد ، تؤدي إشارات الخلايا الإضافية إلى تحفيز بعض الخلايا على التمايز إلى خلايا مجرى الهواء أو أنسجة متصلة. في نهاية المطاف تشكل الخلايا المتمايزة كبدًا كاملًا وعمليًا.
تسمح إشارات الخلايا المحلية للخلايا بالتعرف على جيرانها
للتطور إلى الخلايا المتخصصة التي يحتاجها الكائن الحي ، يجب أن تعرف الخلايا ما تفعله الخلايا الأخرى في محيطها المباشر. تسهل المستقبلات الخاصة للاتصال من خلية إلى خلية وتقاطعات الفجوة بين الخلايا التبادل المباشر للإشارات بين الخلايا المجاورة. يمكن أن تضمن الخلايا أن محيطها يتوافق مع تخصصها المتمايز.
في الإشارات من خلية إلى أخرى، تتطابق بروتينات المستقبل المكونة بشكل خاص على سطح الخلية مع البروتينات المقابلة على غشاء الخلية المجاورة. عندما تتلامس الخلايا ، يرتبط البروتينان ، ويتم تشغيل إشارة من خلية إلى أخرى. تمر الإشارة عبر غشاء الخلية وتدخل الخلية حيث تتسبب في سلوك خلية معين.
على سبيل المثال ، يجب أن تتأكد خلايا الجلد من وجود خلايا جلدية أخرى حولها ، لكن بعض خلايا الجلد تحتوي على خلايا الأنسجة الكامنة تحتها. تسمح الإشارات من خلية إلى خلية للخلايا بالتأكد من أن محيطها يتطابق مع تمايزها.
تقاطعات الفجوة هي روابط خاصة بين الخلايا المجاورة تسمح بتبادل سهل ومباشر للبروتينات التي تعمل كرسائل. باستخدام تقاطعات الفجوة ، يمكن للخلايا تنسيق أنشطتهموتبادل الإشارات بسرعة وسهولة.
على سبيل المثال، الخلايا العصبية استخدم تقاطعات الفجوات لإنشاء مسارات عصبية ، وتتيح تقاطعات الفجوة للخلايا أن تتمايز في نوع من الخلايا العصبية المناسبة لموقعها في الجلد أو في الحبل الشوكي أو في مخ.
العوامل التي تؤثر على تشوير الخلية تؤثر على تمايز الخلايا
تعتبر إشارات الخلية وما ينتج عنها من تمايز الخلايا عمليات معقدة تتضمن العديد من الخطوات. يجب إنتاج الإشارات ونشرها واستلامها والتصرف بناءً عليها. يجب أن تعمل المحفزات الناتجة عن إشارات الخلية كما هو متوقع. يمكن أن تؤثر العوامل التي تعطل أي من الخطوات على تمايز الخلايا وتسبب تغييرات في الكائن الحي.
العوامل التي يمكن أن تؤثر وتعطل إشارات الخلية وتمايز الخلايا تشمل نقص المغذيات ؛ إذا لم تستطع الخلية إنتاج بروتين لأنها تفتقر إلى اللبنات الأساسية ، فلا يمكنها التفريق. الطفرات في الشفرة الجينية مشكلة أخرى.
إذا كان الحمض النووي معيبًا أو كان النسخ خاطئًا ، فإن عملية التأشير والتمايز تتعطل. بالإضافة إلى ذلك ، إذا تم حظر المواد الكيميائية للإشارة أو تمتلئ مستقبلات الخلايا بروابط كيميائية غير مؤشرة ، فلن تعمل عملية الإشارات بشكل صحيح.
يمكن أن تؤثر العوامل البيئية على تمايز الخلايا
يمكن للتأثيرات من بيئة الكائن الحي التي يمكن أن تؤثر على إشارات الخلية والتعبير الجيني وتمايز الخلايا أن تتغير أو توقف أو تعطل العملية. يتم استخدام بعض العوامل البيئية من قبل الكائن الحي للتكيف ، ويمكن استخدام بعضها لمحاربة المرض وبعض الإضرار بالكائنات الحية أو قتلها.
على سبيل المثال ، يمكن أن تؤثر درجة الحرارة البيئية على تطور بعض الكائنات الحية. تعمل درجات الحرارة المرتفعة على تسريع نمو الخلايا وتمايزها بينما تؤدي درجات الحرارة المنخفضة إلى إبطاء النمو أو إيقافه.
يمكن أن تعطل الأدوية تمايز الخلايا الضارة. على سبيل المثال ، يمكن للأدوية أن تمنع إحدى خطوات العملية لنمو غير محدود للورم وتوقف التعبير عن الجينات المقابلة.
يمكن أن تؤثر الإصابات على التعبير الجيني وتؤثر على نوع الخلية المطلوبة لإصلاح الضرر. الفيروسات و بكتيريا يمكن أن تؤثر على تمايز الخلايا. على سبيل المثال ، إذا كانت الأم مصابة بمرض مثل الحصبة الألمانية ، فإن الجنين النامي يمكن أن يتأثر تمايز الخلايا ، ويمكن أن يصاب بعيوب خلقية.
أخيرًا يمكن أن تؤثر المواد الكيميائية السامة على تمايز الخلايا. يمكن للمواد التي تهاجم أو تمنع إشارات المواد الكيميائية أو التي تحجب مواضع مستقبلات الإشارة على أغشية الخلايا أن توقف نشاط الإشارة وتؤثر على تمايز الخلايا.
في حالة هذه العوامل البيئية ، يحاول الكائن الحي الاستجابة عن طريق التكيف أو عن طريق تغيير العمليات الداخلية. التكيف فعال بالنسبة لبعض التأثيرات البيئية ، ولكن بالنسبة للآخرين ، قد يبقى الكائن الحي على قيد الحياة ولكنه يظهر عيوبًا ، أو قد يموت الكائن الحي.