Faktoren, die an der Zelldifferenzierung beteiligt sind

Während Zelldifferenzierung in vielzelligen Organismen spezialisieren sich Zellen und übernehmen Funktionen wie die von Nerven-, Muskel- und Blutzellen. Zu den Faktoren, die an der Auslösung der Zelldifferenzierung beteiligt sind, gehören: Zellsignalisierung, Umwelteinflüsse und den Entwicklungsstand des Organismus.

Die grundlegende Zelldifferenzierung tritt auf, nachdem eine Samenzelle eine Eizelle befruchtet hat und die daraus resultierenden Zygote eine bestimmte Größe erreicht. An diesem Punkt beginnt die Zygote, verschiedene Zelltypen zu entwickeln und benötigt differenzierte Zellen, um die spezialisierten Funktionen zu übernehmen.

Der Mechanismus, der der Zelldifferenzierung zugrunde liegt, ist Genexpression. Alle Zellen eines Organismus haben identische Gensätze, weil der genetische Code von der ursprünglichen Eizelle kopiert wurde, die von der Samenzelle befruchtet wurde. Um eine spezialisierte Funktion zu übernehmen, exprimiert oder verwendet eine Zelle nur einen Teil der Gene in ihrem genetischen Code und ignoriert den Rest.

Zum Beispiel exprimiert eine Zelle, die sich zu einer Leberzelle entwickelt, die Leberzelle Gene, und alle anderen Leberzellen verwenden den gleichen Satz von Lebergenen. Sie differenzieren sich zusammen und bilden die Leber.

Die Zelldifferenzierung findet in drei Situationen statt:

• Das Wachstum eines unreifen Organismus in einen Erwachsenen.
  
• Normal Umsatz von Zellen wie Blutzellen in reifen Organismen.
• Das Reparatur von geschädigtem Gewebe, wenn spezialisierte Zellen ersetzt werden müssen.

In jedem Fall informiert die Zellsignalisierung die Zellen, welcher Typ einer spezialisierten Zelle benötigt wird. Undifferenzierte Zellen exprimieren die entsprechenden Gene, um die Bedürfnisse des Organismus zu erfüllen.

Der genetische Code eukaryontischer Zellen befindet sich auf der DNA im Kern. Da die DNA den Zellkern nicht verlassen kann, muss die Zelle das Gen kopieren, das sie exprimieren möchte.

Messenger-RNA (mRNA) bindet sich an die DNA und kopiert das entsprechende Gen. Die mRNA kann außerhalb des Zellkerns wandern und die genetischen Anweisungen zu Ribosomen bringen, die im Zytoplasma der Zelle schwimmen oder am endoplasmatischen Retikulum befestigt sind. Das Ribosomen produzieren das Protein, das durch das exprimierte Gen kodiert wird.

Abhängig von den von der Zelle empfangenen Signalen, den Umwelteinflüssen und dem Entwicklungsstadium der Zelle kann der Prozess der Genexpression in jedem Stadium blockiert werden. Wenn das vom Gen kodierte Protein vom Organismus nicht benötigt wird, kopiert die mRNA das Gen nicht und der Genexpressionsprozess wird nicht gestartet.

Selbst nachdem die mRNA das Gen kopiert hat, kann das mRNA-Molekül daran gehindert werden, den Kern zu verlassen oder ein Ribosom nicht erreichen. Ribosomen produzieren möglicherweise nicht das erforderliche Protein, selbst wenn mRNA das kopierte genetischer Code. Während dieses mehrstufigen Prozesses können verschiedene Faktoren die Genexpression beeinflussen.

Organismen haben mehrere Möglichkeiten, um sicherzustellen, dass sich Zellen zu den benötigten spezialisierten und differenzierten Zellen entwickeln.

Der Schlüsselfaktor für die zelluläre Differenzierung im Körper ist die Herstellung von Proteinen. Zellen können sich differenzieren, je nachdem, welche Gene exprimiert werden und welche Proteine ​​in den exprimierten Genen kodiert sind. Die produzierten Proteine ​​helfen den differenzierten Zellen, ihre spezialisierte Funktion zu erfüllen, und lassen sie durch Zellsignalisierung anderen Zellen mitteilen, was sie tun.

Ein weiterer Mechanismus, der die Zelldifferenzierung beeinflussen kann, ist asymmetrische Segregation im Zellteilung. An einem Ende einer Zelle sammeln sich Substanzen wie spezielle Proteine. Wenn sich die Zelle teilt, hat eine Tochterzelle mehr von den speziellen Proteinen als die andere. Die Zellen werden aufgrund der unterschiedlichen Proteinverteilung zu verschiedenen Zelltypen.

Wenn sich eine Zelle differenziert, wird die Art der Spezialisierung, die sie annehmen kann, begrenzter. Embryonale Stammzellen kann zunächst jeder Zelltyp werden, aber wenn die Zelle erst einmal ausgereift ist und eine spezialisierte Rolle übernommen hat, kann sie sich oft nicht mehr verändern. Embryonale Stammzellen heißen totipotent Zellen, weil sie noch jede Rolle übernehmen können, während reife, spezialisierte Zellen, die vollständig ausdifferenziert sind, nur ihre spezialisierte Funktion erfüllen können.

Die Genexpression ist für die Zellspezialisierung verantwortlich, aber die Basiszellen müssen in der Lage sein, die spezialisierten Funktionen zu übernehmen. Bevor Differenzierung und Zellspezialisierung erfolgen kann, muss der richtige Zelltyp zur Verfügung stehen. Die asymmetrische Segregation kann solche unterschiedlichen Zelltypen erzeugen. Totipotente embryonale Zellen werden zu einer von drei Arten von pluripotent Zellen, die sich schließlich in die verschiedenen Körpergewebe differenzieren.

Die drei Arten von pluripotenten Zellen sind:

• Endodermie Zellen werden zur Auskleidung der Atemwege und des Verdauungstraktes sowie zur Bildung der Leber und vieler wichtiger Drüsen wie der Bauchspeicheldrüse.
  
• Mesoderm Zellen differenzieren sich zu Muskeln, Knochen, Bindegewebe und dem Herzen.
• Ektoderm Zellen bilden Haut und Nerven.

Während die Zellsignalisierung für die Produktion einiger verschiedener Zelltypen und für die Zell- Spezialisierung, asymmetrische Segregation wirkt zu Beginn der Zellentwicklung und produziert pluripotente Zellen.

DNA-Transkription zur mRNA erfolgt so, dass die mRNA an einem Ende der Zelle bestimmte Proteine ​​und am anderen Ende verschiedene Proteine ​​produziert. Die Zellteilung führt zu zwei verschiedenen Arten von Tochterzellen, die Zellen mit unterschiedlichen Spezialisierungen produzieren können.

Interne Mechanismen, die die Zelldifferenzierung pluripotenter Zellen beeinflussen, basieren hauptsächlich auf der Signalübertragung der Zellen. Zellen erhalten chemische Signale, die ihnen sagen, welcher Zelltyp oder welche Art von Protein benötigt wird.

Zellsignalisierungsmechanismen umfassen:

• Diffusion, bei der Zellen Chemikalien freisetzen, die sich im Gewebe ausbreiten.
• Direkten Kontakt, bei denen Zellen spezielle Chemikalien auf ihren Zellmembranen haben.
• Lückenknoten, in der Signalstoffe direkt von einer Zelle zur anderen gelangen können.

Zellen senden kontinuierlich chemische Botschaften über ihre Aktivitäten aus und empfangen Signale darüber, was in ihrer unmittelbaren Nachbarschaft, in den Geweben, in denen sie sich befinden, und im Körper bei groß. Diese Signale sind die Hauptfaktoren, die die Zellspezialisierung beeinflussen, und die Zellsignalisierung ist der Schlüsselfaktor, der die Zelldifferenzierung im Körper antreibt.

Zellen werden für bestimmte chemische Signale empfindlich, weil sie Rezeptoren auf ihrer Zellmembran. Die Rezeptoren hängen vom Zelltyp ab, wie er sich entwickelt hat und welche Gene exprimiert werden. Wenn Rezeptoren aktiviert werden, differenziert sich die Zelle weiter.

Wenn eine Zelle ein Signal an viele benachbarte Zellen sendet, gibt sie eine Chemikalie ab, die durch das Gewebe diffundiert, in das die Zelle eingebettet ist. Das chemische Signal wird von Rezeptoren in den Zellmembranen der umgebenden Zellen eingefangen und löst in jeder Zelle eine Reaktion aus. Diese Reaktionen tragen dazu bei, dass sich die Zellen so differenzieren, dass baut Gewebe auf.

Zum Beispiel emittieren Zellen, die Teil einer Leber werden, Chemikalien, die die entsprechenden Rezeptoren in benachbarten Zellen auslösen, und alle Zellen an diesem Ort differenzieren sich zu Leberzellen. Während sich das Lebergewebe bildet, werden einige Zellen durch weitere Zellsignale dazu veranlasst, sich in Gangzellen oder Bindegewebe zu differenzieren. Schließlich bilden die differenzierten Zellen eine vollständige und funktionsfähige Leber.

Um sich zu den vom Organismus benötigten spezialisierten Zellen zu entwickeln, müssen Zellen wissen, was andere Zellen in ihrer unmittelbaren Umgebung tun. Spezielle Rezeptoren für den Zell-Zell-Kontakt und Gap Junctions zwischen Zellen erleichtern den direkten Signalaustausch zwischen benachbarten Zellen. Zellen können dafür sorgen, dass ihre Umgebung ihrer differenzierten Spezialisierung entspricht.

Im Signalübertragung von Zelle zu Zelle, speziell gebildete Rezeptorproteine ​​auf der Oberfläche einer Zelle passen zu entsprechenden Proteinen auf der Membran einer Nachbarzelle. Kommen die Zellen in Kontakt, verbinden sich die beiden Proteine ​​und es wird ein Signal von einer Zelle zur anderen ausgelöst. Das Signal passiert die Zellmembran und dringt in die Zelle ein, wo es ein spezifisches Zellverhalten verursacht.

Zum Beispiel müssen Hautzellen sicherstellen, dass sie andere Hautzellen um sich herum haben, aber einige Hautzellen haben die Zellen des darunter liegenden Gewebes darunter. Durch die Signalübertragung von Zelle zu Zelle können Zellen sicherstellen, dass ihre Umgebung ihrer Differenzierung entspricht.

Gap Junctions sind spezielle Verbindungen zwischen benachbarten Zellen, die einen einfachen und direkten Austausch von Proteinen als Botschaften ermöglichen. Mit Gap Junctions können Zellen koordinieren ihre Aktivitätenund Signale austauschen schnell und einfach.

Beispielsweise, Nervenzellen verwenden Gap Junctions, um Nervenbahnen zu etablieren, und Gap Junctions ermöglichen die Differenzierung der Zellen in die Art der Nervenzelle, die ihrer Lage in der Haut, im Rückenmark oder im Gehirn.

Zellsignalisierung und die daraus resultierende Zelldifferenzierung sind komplexe Prozesse mit vielen Schritten. Signale müssen erzeugt, verbreitet, empfangen und verarbeitet werden. Aus Zellsignalen resultierende Trigger müssen wie erwartet funktionieren. Faktoren, die einen der Schritte stören, können die Zelldifferenzierung beeinflussen und Veränderungen im Organismus verursachen.

Zu den Faktoren, die die Zellsignalisierung und Zelldifferenzierung beeinflussen und stören können, gehören ein Mangel an Nährstoffen; Wenn eine Zelle kein Protein produzieren kann, weil ihr die Bausteine ​​fehlen, kann sie nicht differenzieren. Mutationen im genetischen Code sind ein weiteres Problem.

Ist die DNA defekt oder die Transkription falsch, wird der Signal- und Differenzierungsprozess gestört. Darüber hinaus funktioniert der Signalprozess nicht richtig, wenn die Signalisierungschemikalien blockiert oder die Zellrezeptoren mit nicht-signalgebenden chemischen Bindungen gefüllt sind.

Einflüsse aus der Umgebung des Organismus, die die Zellsignalisierung, Genexpression und Zelldifferenzierung beeinflussen können, können den Prozess verändern, stoppen oder stören. Einige Umweltfaktoren werden vom Organismus zur Anpassung genutzt, einige können zur Bekämpfung von Krankheiten eingesetzt werden und einige schädigen oder töten den Organismus.

Beispielsweise kann die Umgebungstemperatur die Entwicklung einiger Organismen beeinflussen. Höhere Temperaturen beschleunigen das Wachstum von Zellen und ihre Differenzierung, während niedrige Temperaturen die Entwicklung verlangsamen oder stoppen.

Medikamente können die schädliche Zelldifferenzierung stören. Medikamente können beispielsweise einen der Prozessschritte für ein unbegrenztes Tumorwachstum blockieren und die Expression der entsprechenden Gene stoppen.

Verletzungen können die Genexpression beeinflussen und beeinflussen, welcher Zelltyp benötigt wird, um Schäden zu reparieren. Viren und Bakterien kann die Zelldifferenzierung beeinflussen. Wenn eine Mutter beispielsweise mit einer Krankheit wie Röteln infiziert ist, kann die Zelldifferenzierung des sich entwickelnden Fötus beeinflusst werden und er kann Geburtsfehler entwickeln.

Schließlich können giftige Chemikalien die Zelldifferenzierung beeinflussen. Substanzen, die Signalchemikalien angreifen oder blockieren oder die Signalrezeptorpositionen auf Zellmembranen blockieren, können die Signalaktivität stoppen und die Zelldifferenzierung beeinflussen.

Auf diese Umweltfaktoren versucht der Organismus durch Anpassung oder Veränderung innerer Prozesse zu reagieren. Anpassung ist bei einigen Umwelteinflüssen wirksam, bei anderen kann der Organismus überleben, aber Defekte aufweisen, oder der Organismus kann sterben.