По време на клетъчна диференциация в многоклетъчните организми клетките се специализират и поемат роли като тези на нервните, мускулните и кръвните клетки. Факторите, участващи в задействането на диференциацията на клетките, включват клетъчна сигнализация, влияния на околната среда и нивото на развитие на организма.
Основна клетъчна диференциация се случва, след като сперматозоидите оплождат яйцеклетката и резултатът от нея зигота достига определен размер. В този момент зиготата започва да развива различни видове клетки и се нуждае от диференцирани клетки, за да поеме специализираните функции.
Механизмът, който е в основата на клетъчната диференциация, е генната експресия. Всички клетки на организма имат идентични набори от гени, тъй като генетичният код е копиран от оригиналната яйцеклетка, оплодена от сперматозоидите. За да поеме специализирана функция, клетката ще изразява или използва само някои от гените в генетичния си код и ще игнорира останалите.
Например клетка, която се диференцира и се превръща в чернодробна клетка, ще изразява
чернодробна клетка гени и всички останали чернодробни клетки ще използват същия набор от чернодробни гени. Те ще се диференцират заедно, за да образуват черния дроб.Клетъчната диференциация се извършва в три ситуации:
- The растеж на незрял организъм в възрастен.
- Нормално оборот на клетки като кръвни клетки в зрели организми.
- The ремонт на увредените тъкани, когато трябва да се подменят специализирани клетки.
Във всеки случай клетъчната сигнализация информира клетките какъв тип специализирана клетка е необходима. Недиференцираните клетки експресират съответните гени, за да задоволят нуждите на организма.
Експресията на ген работи чрез копиране на гена
Генетичният код на еукариотните клетки се намира върху ДНК в ядро. ДНК не може да напусне ядрото, така че клетката трябва да копира гена, който иска да експресира.
Messenger РНК (иРНК) се прикрепя към ДНК и копира съответния ген. ИРНК може да пътува извън ядрото и да донесе генетичните инструкции на рибозомите, които плават в клетъчната цитоплазма или които са прикрепени към ендоплазмения ретикулум. The рибозоми произвеждат протеина, кодиран от експресирания ген.
В зависимост от сигналите, получени от клетката, влиянията на околната среда и етапа на развитие на клетката, процесът на генна експресия може да бъде блокиран на всеки етап. Ако протеинът, кодиран от гена, не е необходим на организма, иРНК няма да копира гена и процесът на генна експресия няма да започне.
Дори след като иРНК копира гена, молекулата на иРНК може да бъде блокирана да излезе от ядрото или да не успее да достигне до рибозома. Рибозомите може да не произвеждат необходимия протеин, дори ако иРНК доставя копираното генетичен код. Различни фактори могат да повлияят на генната експресия през целия този многоетапен процес.
Вътрешни фактори, които влияят на клетъчната специализация
Организмите имат няколко начина да гарантират, че клетките се развиват в необходимите специализирани и диференцирани клетки.
Ключовият фактор, движещ клетъчната диференциация в организма, е производството на протеини. Клетките могат да се диференцират в зависимост от това кои гени са експресирани и кои протеини са кодирани в експресираните гени. Произведените протеини помагат на диференцираните клетки да изпълняват своята специализирана функция и им позволяват да казват на други клетки какво правят чрез клетъчно сигнализиране.
Друг механизъм, който може да повлияе на диференциацията на клетките е асиметрична сегрегация в клетъчно делене. Вещества като специални протеини се събират в единия край на клетката. Когато клетката се раздели, една дъщерна клетка има повече от специалните протеини, отколкото другата. Клетките стават различни видове клетки поради различното разпределение на протеините.
Тъй като клетката се диференцира, типът специализация, който може да поеме, става по-ограничен. Ембрионални стволови клетки може първоначално да се превърне във всякакъв тип клетка, но след като клетката е узряла и е поела специализирана роля, тя често не може вече да се промени. Наричат се ембрионални стволови клетки тотипотентен клетки, тъй като те все още могат да поемат всякаква роля, докато зрелите, специализирани клетки, които са напълно диференцирани, могат да изпълняват само своята специализирана функция.
Асиметричната сегрегация произвежда различни клетки
Експресията на гени е отговорна за клетъчната специализация, но основните клетки трябва да могат да поемат специализираните функции. Преди да може да се извърши диференциация и специализация на клетките, трябва да е налице правилният тип клетка. Асиметричната сегрегация може да произведе толкова различни видове клетки. Тотипотентните ембрионални клетки се превръщат в един от трите вида плюрипотентен клетки, които в крайна сметка се диференцират в различните телесни тъкани.
Трите вида плюрипотентни клетки са:
-
Ендодерма клетките се превръщат в лигавицата на дихателните и храносмилателните пътища, както и образуват черния дроб и много от основните жлези като панкреаса.
- Мезодерма клетките се диференцират, образувайки мускули, кости, съединителна тъкан и сърцето.
- Ектодерма клетките образуват кожата и нервите.
Докато клетъчната сигнализация е отговорна за производството на някои различни видове клетки и за клетката специализация, асиметричната сегрегация действа в началото на клетъчното развитие, за да произведе плурипотент клетки.
ДНК транскрипция до mRNA се осъществява по такъв начин, че mRNA произвежда определени протеини в единия край на клетката и различни протеини в другия край. Клетъчното делене води до два различни типа дъщерни клетки, които могат да продължат да произвеждат клетки с различна специализация.
Клетъчното сигнализиране е в основата на диференциацията на клетките
Вътрешните механизми, които влияят на клетъчната диференциация на плюрипотентните клетки, се основават главно на клетъчната сигнализация. Клетките получават химически сигнали, които им казват какъв тип клетки или какъв вид протеин са необходими.
Клетъчните сигнални механизми включват:
- Дифузия, при който клетките отделят химикали, които се разпространяват в тъканите.
- Директен контакт, при които клетките имат специални химикали върху клетъчните си мембрани.
- Пропуски кръстовища, при които сигналните химикали могат да преминат директно от една клетка в друга.
Клетките непрекъснато изпращат химически съобщения относно своята дейност и получават сигнали за какво се случва в техния непосредствен квартал, в тъканите, където се намират, и в тялото на голям. Тези сигнали са основните фактори, които влияят върху клетъчната специализация, а клетъчната сигнализация е ключовият фактор, задвижващ клетъчната диференциация в тялото.
Клетъчната сигнализация чрез дифузия влияе върху развитието на тъканите
Клетките стават чувствителни към определени химични сигнали, защото имат рецептори върху клетъчната им мембрана. Рецепторите зависят от вида на клетката, как се е развила и кои гени се експресират. С активирането на рецепторите клетката се диференцира допълнително.
Когато клетката изпраща сигнал до много близки клетки, тя излъчва химикал, който дифузира през тъканта, в която е вградена клетката. Химичният сигнал се улавя от рецепторите в клетъчните мембрани на околните клетки и предизвиква отговор във всяка клетка. Тези отговори помагат на клетките да се диференцират по начин, който изгражда тъкан.
Например клетките, които ще станат част от черния дроб, отделят химикали, които задействат съответните рецептори в близките клетки и всички клетки в това местоположение се диференцират, за да станат чернодробни клетки. Тъй като чернодробната тъкан се формира, по-нататъшното клетъчно сигнализиране задейства някои клетки да се диференцират в канални клетки или свързваща тъкан. В крайна сметка диференцираните клетки образуват цялостен и функционален черен дроб.
Местната клетъчна сигнализация позволява на клетките да разпознават своите съседи
За да се превърнат в специализирани клетки, необходими на организма, клетките трябва да знаят какво правят другите клетки в непосредствената им среда. Специални рецептори за контакт между клетки и клетки и връзки между клетките улесняват директния обмен на сигнали между съседни клетки. Клетките могат да гарантират, че обкръжението им съответства на диференцираната им специализация.
В сигнализация между клетките, специално оформени рецепторни протеини на повърхността на клетката съвпадат със съответните протеини на мембраната на съседна клетка. Когато клетките влязат в контакт, двата протеина се свързват и сигнал се задейства от една клетка в друга. Сигналът преминава през клетъчната мембрана и навлиза в клетката, където причинява специфично поведение на клетката.
Например кожните клетки трябва да се уверят, че имат други кожни клетки около себе си, но някои кожни клетки ще имат клетките на подлежащата тъкан под тях. Сигнализирането от клетка на клетка позволява на клетките да гарантират, че заобикалящата ги среда съответства на тяхната диференциация.
Пропуските са специални връзки между съседни клетки, които позволяват лесен и директен обмен на протеини, действащи като съобщения. Използвайки междинни връзки, клетките могат координират своите дейностии обменят сигнали бързо и лесно.
Например, нервни клетки използвайте междинни връзки за установяване на нервни пътища, а междинните връзки позволяват на клетките да се диференцират в тип нервна клетка, която е подходяща за тяхното местоположение в кожата, в гръбначния мозък или в мозък.
Фактори, влияещи върху клетъчното сигнализиране Влияние на диференциацията на клетките
Клетъчната сигнализация и произтичащата от това диференциация на клетките са сложни процеси с много стъпки. Сигналите трябва да се произвеждат, разпространяват, получават и действат. Задействанията, получени от клетъчните сигнали, трябва да работят според очакванията. Фактори, които нарушават някоя от стъпките, могат да повлияят на диференциацията на клетките и да причинят промени в организма.
Факторите, които могат да повлияят и нарушат клетъчната сигнализация и клетъчната диференциация, включват липса на хранителни вещества; ако клетката не може да произведе протеин, защото й липсват градивните елементи, тя не може да се диференцира. Мутациите в генетичния код са друг проблем.
Ако ДНК е дефектна или транскрипцията е грешна, процесът на сигнализиране и диференциация се нарушава. В допълнение към това, ако сигналните химикали са блокирани или клетъчните рецептори са изпълнени с несигнализиращи химически връзки, процесът на сигнализиране няма да работи правилно.
Факторите на околната среда могат да повлияят на диференциацията на клетките
Влиянията от околната среда на организма, които могат да повлияят на клетъчната сигнализация, генната експресия и клетъчната диференциация, могат да променят, спрат или нарушат процеса. Някои фактори на околната среда се използват от организма за адаптация, други могат да се използват за борба с болестите, а други увреждат или убиват организма.
Например, температурата на околната среда може да повлияе на развитието на някои организми. По-високите температури ускоряват растежа на клетките и тяхната диференциация, докато ниските температури забавят или спират развитието.
Лекарствата могат да нарушат вредната диференциация на клетките. Например, лекарствата могат да блокират една от стъпките на процеса за неограничен растеж на тумора и да спрат експресията на съответните гени.
Нараняванията могат да повлияят на генната експресия и да повлияят какъв тип клетки са необходими за възстановяване на щетите. Вируси и бактерии може да повлияе на диференциацията на клетките. Например, ако майката е заразена с болест като рубеола, развиващият се плод може да повлияе на диференциацията на клетките си и може да развие вродени дефекти.
Накрая токсичните химикали могат да повлияят на диференциацията на клетките. Веществата, които атакуват или блокират сигналните химикали или които блокират позициите на сигналните рецептори върху клетъчните мембрани, могат да спрат сигналната активност и да повлияят на диференциацията на клетките.
В случай на тези фактори на околната среда организмът се опитва да реагира чрез адаптиране или чрез промяна на вътрешните процеси. Адаптация е ефективен за някои от влиянията на околната среда, но за други организмът може да оцелее, но да има дефекти или организмът да умре.
