Faktory podílející se na diferenciaci buněk

Během diferenciace buněk v mnohobuněčných organismech se buňky specializují a převezmou role jako nervové, svalové a krevní buňky. Faktory podílející se na spouštění buněčné diferenciace zahrnují buněčná signalizace, vlivy prostředí a úroveň vývoje organismu.

Základní diferenciace buněk nastává poté, co spermie oplodní vajíčko a vznikne zygota dosáhne určité velikosti. V tomto bodě zygota začíná vyvíjet různé typy buněk a potřebuje diferencované buňky, aby převzala specializované funkce.

Mechanismus, který je kořenem buněčné diferenciace, je genová exprese. Všechny buňky organismu mají identické sady genů, protože genetický kód byl zkopírován z původní vaječné buňky oplodněné spermie. Aby buňka převzala specializovanou funkci, bude exprimovat nebo používat pouze některé z genů ve svém genetickém kódu a zbytek bude ignorovat.

Například buňka, která se diferencuje na jaterní buňku, bude exprimovat jaterní buňka geny a všechny ostatní jaterní buňky budou používat stejnou sadu jaterních genů. Budou společně rozlišovat, aby vytvořili játra.

K buněčné diferenciaci dochází ve třech situacích:

• The růst nezralého organismu na dospělého.
  
• Normální obrat buněk, jako jsou krvinky ve zralých organismech.
• The opravit poškozených tkání, když je nutné vyměnit specializované buňky.

V každém případě buněčná signalizace informuje buňky, jaký typ specializované buňky je vyžadován. Nediferencované buňky exprimují odpovídající geny, aby uspokojily potřeby organismu.

Genetický kód eukaryotických buněk se nachází na DNA v jádro. DNA nemůže opustit jádro, takže buňka musí kopírovat gen, který chce vyjádřit.

Messenger RNA (mRNA) váže se na DNA a kopíruje příslušný gen. MRNA může cestovat mimo jádro a přenášet genetické instrukce na ribozomy, které se vznášejí v buněčné cytoplazmě nebo jsou připojeny k endoplazmatickému retikulu. The ribozomy produkují protein kódovaný exprimovaným genem.

V závislosti na signálech přijatých buňkou, vlivech prostředí a vývojovém stadiu buňky může být proces genové exprese blokován v kterékoli fázi. Pokud protein kódovaný genem organismus nepotřebuje, mRNA nebude kopírovat gen a proces genové exprese se nespustí.

Dokonce i poté, co mRNA kopíruje gen, může být molekule mRNA blokováno opuštění jádra nebo nemusí být schopna dosáhnout ribozomu. Ribozomy nemusí produkovat požadovaný protein, i když mRNA dodává zkopírované genetický kód. Během tohoto vícestupňového procesu mohou ovlivnit genovou expresi různé faktory.

Organismy mají několik způsobů, jak zajistit, aby se z buněk vyvinuly potřebné specializované a diferencované buňky.

Klíčovým faktorem, který řídí buněčnou diferenciaci v těle, je výroba bílkovin. Buňky se mohou odlišovat v závislosti na tom, které geny jsou exprimovány a které proteiny jsou kódovány v exprimovaných genech. Vyrobené proteiny pomáhají diferencovaným buňkám vykonávat jejich specializovanou funkci a umožňují jim říci ostatním buňkám, co dělají prostřednictvím buněčné signalizace.

Další mechanismus, který může ovlivnit buněčnou diferenciaci, je asymetrická segregace v buněčné dělení. Látky, jako jsou speciální bílkoviny, se shromažďují na jednom konci buňky. Když se buňka rozdělí, jedna dceřiná buňka má více speciálních proteinů než druhá. Buňky se stávají různými typy buněk díky odlišné distribuci bílkovin.

Jak se buňka odlišuje, typ specializace, kterou může přijmout, se stává omezenější. Embryonální kmenové buňky zpočátku se může stát jakýmkoli typem buňky, ale jakmile je buňka zralá a přijme specializovanou roli, často se již nemůže změnit. Embryonální kmenové buňky se nazývají totipotentní buňky, protože stále mohou převzít jakoukoli roli, zatímco zralé, specializované buňky, které jsou plně diferencované, mohou vykonávat pouze svou specializovanou funkci.

Genová exprese je zodpovědná za specializaci buněk, ale základní buňky musí být schopny převzít specializované funkce. Než může dojít k diferenciaci a specializaci buněk, musí být k dispozici správný typ buňky. Asymetrická segregace může produkovat takové různé typy buněk. Totipotentní embryonální buňky se stávají jedním ze tří typů pluripotentní buňky, které se nakonec diferencují do různých tělesných tkání.

Tři typy pluripotentních buněk jsou:

• Endoderm Buňky se stávají výstelkou dýchacích cest a trávicího ústrojí a také tvoří játra a mnoho z hlavních žláz, jako je pankreas.
  
• Mesoderm buňky se diferencují a tvoří svaly, kosti, pojivovou tkáň a srdce.
• Ektoderm buňky tvoří kůži a nervy.

Zatímco buněčná signalizace je zodpovědná za produkci některých různých typů buněk a za buňku specializace, asymetrická segregace působí na začátku vývoje buněk a produkuje pluripotent buňky.

Transkripce DNA k mRNA probíhá takovým způsobem, že mRNA produkuje určité proteiny na jednom konci buňky a různé proteiny na druhém konci. Výsledkem buněčného dělení jsou dva různé typy dceřiných buněk, které mohou pokračovat v produkci buněk s různými specializacemi.

Vnitřní mechanismy, které ovlivňují buněčnou diferenciaci pluripotentních buněk, jsou založeny hlavně na buněčné signalizaci. Buňky přijímají chemické signály, které jim říkají, jaký typ buňky nebo jaký druh proteinu je zapotřebí.

Mechanismy buněčné signalizace zahrnují:

• Difúze, ve kterém buňky uvolňují chemikálie, které se šíří po tkáních.
• Přímý kontakt, ve kterých mají buňky na buněčných membránách speciální chemikálie.
• Mezery na křižovatce, ve kterém mohou signální chemikálie procházet přímo z jedné buňky do druhé.

Buňky nepřetržitě vysílají chemické zprávy týkající se jejich činnosti a přijímají signály o čem probíhá v jejich bezprostředním sousedství, v tkáních, kde se nacházejí, a v těle v velký. Tyto signály jsou hlavními faktory, které ovlivňují buněčnou specializaci, a buněčná signalizace je klíčovým faktorem, který řídí diferenciaci buněk v těle.

Buňky se stávají citlivými na určité chemické signály, protože mají receptory na jejich buněčné membráně. Receptory závisí na typu buňky, na tom, jak se vyvinula a které geny jsou exprimovány. Jak jsou receptory aktivovány, buňka se dále diferencuje.

Když buňka vyšle signál mnoha okolním buňkám, vysílá chemickou látku, která difunduje tkání, ve kterém je buňka zřízena. Chemický signál je zachycen receptory v buněčných membránách okolních buněk a spouští reakci uvnitř každé buňky. Tyto odpovědi pomáhají buňkám diferencovat se takovým způsobem buduje tkáň.

Například buňky, které se stanou součástí jater, emitují chemikálie, které spouštějí odpovídající receptory v okolních buňkách, a všechny buňky v tomto místě se diferencují, aby se staly jaterními buňkami. Jak se tvoří tkáň jater, další buněčná signalizace spouští některé buňky k diferenciaci na buňky kanálu nebo spojovací tkáň. Nakonec diferencované buňky vytvoří úplnou a funkční játra.

Aby se buňky vyvinuly ve specializované buňky potřebné pro organismus, musí vědět, co dělají ostatní buňky v jejich bezprostředním okolí. Speciální receptory pro kontakt z buňky na buňku a mezery mezi buňkami usnadňují přímou výměnu signálů mezi sousedními buňkami. Buňky mohou zajistit, aby jejich okolí odpovídalo jejich diferencované specializaci.

v buněčná signalizace, speciálně vytvořené receptorové proteiny na povrchu buňky odpovídají odpovídajícím proteinům na membráně sousední buňky. Když buňky přijdou do kontaktu, oba proteiny se spojí a signál se spouští z jedné buňky do druhé. Signál prochází buněčnou membránou a vstupuje do buňky, kde způsobuje specifické chování buňky.

Například kožní buňky se musí ujistit, že mají kolem sebe další kožní buňky, ale některé kožní buňky budou mít pod sebou buňky podkladové tkáně. Signalizace z buňky na buňku umožňuje buňkám zajistit, aby jejich okolí odpovídalo jejich diferenciaci.

Gap křižovatky jsou speciální vazby mezi sousedními buňkami, které umožňují snadnou a přímou výměnu proteinů fungujících jako zprávy. Pomocí mezerových spojení mohou buňky koordinovat své činnostia vyměňovat si signály rychle a snadno.

Například, nervové buňky použijte mezerové spoje k vytvoření nervových drah a mezerové spoje umožňují buňkám diferencovat se na typ nervové buňky, který odpovídá jejich umístění v kůži, míše nebo v mozek.

Buněčná signalizace a výsledná diferenciace buněk jsou složité procesy s mnoha kroky. Signály musí být vytvářeny, šířeny přijímány a podle nich se musí jednat. Spouštěče vyplývající ze signálů buněk musí fungovat podle očekávání. Faktory, které narušují některý z kroků, mohou ovlivnit diferenciaci buněk a způsobit změny v organismu.

Faktory, které mohou ovlivnit a narušit buněčnou signalizaci a buněčnou diferenciaci, zahrnují nedostatek živin; pokud buňka nemůže produkovat protein, protože nemá stavební kameny, nemůže se odlišit. Dalším problémem jsou mutace v genetickém kódu.

Pokud je DNA vadná nebo je transkripce špatná, je signalizační a diferenciační proces narušen. Kromě toho, pokud jsou signální chemikálie blokovány nebo jsou buněčné receptory naplněny nesignalizujícími chemickými vazbami, proces signalizace nebude fungovat správně.

Vlivy z prostředí organismu, které mohou ovlivnit buněčnou signalizaci, genovou expresi a buněčnou diferenciaci, mohou proces změnit, zastavit nebo narušit. Některé faktory prostředí používá organismus k adaptaci, některé lze použít k boji s chorobami a jiné k poškození nebo usmrcení organismu.

Například teplota prostředí může ovlivnit vývoj některých organismů. Vyšší teploty zrychlují růst buněk a jejich diferenciaci, zatímco nízké teploty zpomalují nebo zastavují vývoj.

Léky mohou narušit diferenciaci škodlivých buněk. Například léky mohou blokovat jeden z kroků procesu pro neomezený růst nádoru a zastavit expresi odpovídajících genů.

Zranění mohou ovlivnit genovou expresi a ovlivnit, jaký typ buňky je potřebný k opravě poškození. Viry a bakterie může ovlivnit diferenciaci buněk. Například pokud je matka nakažena onemocněním, jako je zarděnka, může mít vyvíjející se plod ovlivněnou buněčnou diferenciaci a mohou se u něj vyvinout vrozené vady.

Konečně toxické chemikálie mohou ovlivnit buněčnou diferenciaci. Látky, které napadají nebo blokují signální chemikálie nebo blokují pozice signálních receptorů na buněčných membránách, mohou zastavit signální aktivitu a ovlivnit buněčnou diferenciaci.

V případě těchto faktorů prostředí se organismus snaží reagovat přizpůsobením nebo změnou vnitřních procesů. Přizpůsobování je účinný pro některé z vlivů prostředí, ale pro jiné může organismus přežít, ale vykazuje vady nebo může organismus zemřít.