Faktorer involveret i celledifferentiering

I løbet af celledifferentiering i flercellede organismer bliver celler specialiserede og påtager sig roller som nerve-, muskel- og blodceller. Faktorer involveret i at udløse celledifferentiering inkluderer cellesignalering, miljøpåvirkninger og organismenes udviklingsniveau.

Grundlæggende celledifferentiering opstår, efter at en sædcelle befrugter et æg og det deraf resulterende zygote når en bestemt størrelse. På det tidspunkt begynder zygoten at udvikle forskellige celletyper og har brug for differentierede celler for at påtage sig de specialiserede funktioner.

Mekanismen, der er roden til celledifferentiering, er genekspression. Alle celler i en organisme har identiske sæt gener, fordi den genetiske kode blev kopieret fra den oprindelige ægcelle befrugtet af sædcellen. For at påtage sig en specialfunktion vil en celle kun udtrykke eller bruge nogle af generne i sin genetiske kode og ignorere resten.

For eksempel vil en celle, der adskiller sig fra at blive en levercelle, udtrykke levercelle

Celledifferentiering finder sted i tre situationer:

• Det vækst af en umoden organisme til en voksen.
  
• Normal omsætning af celler såsom blodlegemer i modne organismer.
• Det reparation af beskadiget væv, når specialceller skal udskiftes.

I begge tilfælde informerer cellesignalering celler, hvilken type specialcelle der kræves. Udifferentierede celler udtrykker de tilsvarende gener for at opfylde organismenes behov.

Den genetiske kode for eukaryote celler er placeret på DNA'et i kerne. DNA'et kan ikke forlade kernen, så cellen skal kopiere det gen, den vil udtrykke.

Messenger RNA (mRNA) vedhæftes til DNA'et og kopierer det relevante gen. MRNA kan rejse uden for kernen og bringe de genetiske instruktioner til ribosomer, der flyder i cellecytoplasmaet, eller som er knyttet til det endoplasmatiske retikulum. Det ribosomer producere proteinet kodet af det udtrykte gen.

Afhængigt af de signaler, der modtages af cellen, de miljømæssige påvirkninger og celleens udviklingsstadium, kan processen med genekspression blokeres på ethvert trin. Hvis proteinet kodet af genet ikke er nødvendigt af organismen, vil mRNA ikke kopiere genet, og genekspressionsprocessen starter ikke.

Selv efter at mRNA har kopieret genet, kan mRNA-molekylet være blokeret fra at komme ud af kernen eller måske ikke være i stand til at nå et ribosom. Ribosomer producerer muligvis ikke det krævede protein, selvom mRNA leverer det kopierede genetisk kode. Forskellige faktorer kan påvirke genekspression gennem denne flertrinsproces.

Organismer har flere måder at sikre, at celler udvikler sig til de specialiserede og differentierede celler, der er behov for.

Nøglefaktoren, der driver cellulær differentiering i kroppen, er fremstilling af proteiner. Celler kan skelne afhængigt af hvilke gener der udtrykkes og hvilke proteiner der kodes i de udtrykte gener. De producerede proteiner hjælper de differentierede celler med at udføre deres specialiserede funktion og lader dem fortælle andre celler, hvad de laver gennem cellesignalering.

En yderligere mekanisme, der kan påvirke celledifferentiering, er asymmetrisk adskillelse i celledeling. Stoffer som specielle proteiner samles i den ene ende af en celle. Når cellen deler sig, har den ene dattercelle flere af de specielle proteiner end den anden. Cellerne bliver forskellige typer celler på grund af den forskellige proteindistribution.

Når en celle adskiller sig, bliver den type specialisering, den kan påtage sig, mere begrænset. Fostre stamceller kan oprindeligt blive enhver type celle, men når cellen er moden og har påtaget sig en specialrolle, kan den ofte ikke længere ændre sig. Embryonale stamceller kaldes totipotent celler, fordi de stadig kan påtage sig enhver rolle, mens modne, specialiserede celler, der er fuldt differentierede, kun kan udføre deres specialiserede funktion.

Genekspression er ansvarlig for cellespecialisering, men de grundlæggende celler skal være i stand til at påtage sig de specialiserede funktioner. Inden differentiering og cellespecialisering kan finde sted, skal den rigtige celletype være tilgængelig. Asymmetrisk segregering kan producere så forskellige typer celler. Totipotente embryonale celler bliver en af ​​tre typer pluripotent celler, der til sidst differentierer til de forskellige kropsvæv.

De tre typer af pluripotente celler er:

• Endoderm celler bliver slimhinden i åndedræts- og fordøjelseskanalerne samt danner leveren og mange af de store kirtler såsom bugspytkirtlen.
  
• Mesoderm celler adskiller sig for at danne muskler, knogler, bindevæv og hjertet.
• Ektoderm celler danner hud og nerver.

Mens cellesignalering er ansvarlig for produktionen af ​​nogle forskellige celletyper og for celle specialisering, asymmetrisk segregation virker i begyndelsen af ​​celleudvikling for at producere pluripotent celler.

DNA-transkription til mRNA finder sted på en sådan måde, at mRNA producerer visse proteiner i den ene ende af cellen og forskellige proteiner i den anden ende. Celledeling resulterer i to forskellige typer datterceller, der kan producere celler med forskellige specialiseringer.

Interne mekanismer, der påvirker celledifferentieringen af ​​pluripotente celler, er hovedsageligt baseret på cellesignalering. Celler modtager kemiske signaler, der fortæller dem, hvilken type celle eller hvilken slags protein der er behov for.

Cellesignaliseringsmekanismer inkluderer:

• Diffusion, hvor celler frigiver kemikalier, der spredes gennem vævene.
• Direkte kontakt, hvor celler har specielle kemikalier på deres cellemembraner.
• Gap kryds, hvor signaleringskemikalier kan passere direkte fra en celle til en anden.

Celler sender løbende kemiske meddelelser om deres aktiviteter og modtager signaler om hvad foregår i deres umiddelbare nabolag, i vævene, hvor de er placeret og i kroppen ved stor. Disse signaler er de vigtigste faktorer, der påvirker cellespecialisering, og cellesignalering er nøglefaktoren, der driver celledifferentiering i kroppen.

Celler bliver følsomme over for visse kemiske signaler, fordi de har det receptorer på deres cellemembran. Receptorerne afhænger af typen af ​​celle, hvordan den har udviklet sig, og hvilke gener der udtrykkes. Når receptorer aktiveres, differentieres cellen yderligere.

Når en celle sender et signal til mange nærliggende celler, udsender den et kemikalie, der diffunderer gennem det væv, hvor cellen er indlejret. Det kemiske signal fanges af receptorer i cellemembranerne i de omgivende celler og udløser et respons inde i hver celle. Disse svar hjælper med at få cellerne til at differentiere sig på en måde, der bygger væv.

For eksempel udsender celler, der bliver en del af en lever, kemikalier, der udløser de tilsvarende receptorer i nærliggende celler, og alle cellerne på dette sted adskiller sig til at blive leverceller. Når levervævet dannes, udløser yderligere cellesignalering nogle celler til at differentiere sig til kanalceller eller forbindende væv. Til sidst danner de differentierede celler en komplet og funktionel lever.

For at udvikle sig til de specialiserede celler, som organismen har brug for, skal cellerne vide, hvad andre celler i deres umiddelbare omgivelser laver. Specielle receptorer til celle-til-celle-kontakt og gap-forbindelser mellem celler letter den direkte udveksling af signaler mellem naboceller. Celler kan sikre, at deres omgivelser svarer til deres differentierede specialisering.

I celle-til-celle-signalering, specielt dannede receptorproteiner på overfladen af ​​en celle matcher tilsvarende proteiner på en nærliggende celles membran. Når cellerne kommer i kontakt, forbinder de to proteiner, og et signal udløses fra den ene celle til den anden. Signalet passerer gennem cellemembranen og kommer ind i cellen, hvor det forårsager en specifik celleadfærd.

For eksempel skal hudceller sørge for, at de har andre hudceller omkring sig, men nogle hudceller vil have cellerne i det underliggende væv under sig. Celle-til-celle-signalering lader celler sikre, at deres omgivelser matcher deres differentiering.

Gap-kryds er specielle forbindelser mellem naboceller, der muliggør en let og direkte udveksling af proteiner, der fungerer som meddelelser. Ved hjælp af mellemkryds kan celler koordinere deres aktiviteterog udveksle signaler hurtigt og nemt.

For eksempel, nerveceller Brug hulkryds til at etablere nerveveje, og kløftkryds lader celler differentiere sig i - type nervecelle, der passer til deres placering i huden, i rygmarven eller i hjerne.

Cellesignalering og den resulterende celledifferentiering er komplekse processer med mange trin. Signaler skal produceres, formeres modtages og handles efter. Udløsere, der skyldes cellesignaler, skal fungere som forventet. Faktorer, der forstyrrer et hvilket som helst trin, kan påvirke celledifferentiering og forårsage ændringer i organismen.

Faktorer, der kan påvirke og forstyrre cellesignalering og celledifferentiering inkluderer mangel på næringsstoffer; hvis en celle ikke kan producere et protein, fordi den mangler byggestenene, kan den ikke differentiere. Mutationer i den genetiske kode er et andet problem.

Hvis DNA'et er defekt, eller transskriptionen er forkert, afbrydes signal- og differentieringsprocessen. Ud over disse, hvis signaleringskemikalierne er blokeret, eller cellereceptorerne er fyldt med ikke-signaliserende kemiske bindinger, fungerer signalprocessen ikke korrekt.

Indflydelser fra miljøet i organismen, der kan påvirke cellesignalering, genekspression og celledifferentiering, kan ændre, stoppe eller forstyrre processen. Nogle miljøfaktorer bruges af organismen til tilpasning, nogle kan bruges til at bekæmpe sygdomme, og nogle skader eller dræber organismen.

For eksempel kan omgivelsestemperatur påvirke udviklingen af ​​nogle organismer. Højere temperaturer fremskynder væksten af ​​celler og deres differentiering, mens lave temperaturer bremser eller stopper udviklingen.

Narkotika kan forstyrre skadelig celledifferentiering. For eksempel kan lægemidler blokere et af procestrinene for ubegrænset tumorvækst og stoppe ekspressionen af ​​de tilsvarende gener.

Skader kan påvirke genekspression og påvirke, hvilken type celle der er behov for for at reparere skader. Virus og bakterie kan påvirke celledifferentiering. For eksempel, hvis en mor er inficeret med en sygdom som røde hunde, kan det udviklende foster have sin celledifferentiering påvirket, og det kan udvikle fosterskader.

Endelig kan giftige kemikalier påvirke celledifferentiering. Stoffer, der angriber eller blokerer signaleringskemikalier eller blokerer signalreceptorpositioner på cellemembraner, kan stoppe signalaktivitet og påvirke celledifferentiering.

I tilfælde af disse miljøfaktorer forsøger organismen at reagere ved at tilpasse sig eller ved at ændre interne processer. Tilpasning er effektiv for nogle af miljøpåvirkningerne, men for andre kan organismen overleve, men udvise mangler, eller organismen kan dø.