Στη διάρκεια διαφοροποίηση κυττάρων Σε πολυκύτταρους οργανισμούς, τα κύτταρα εξειδικεύονται και αναλαμβάνουν ρόλους όπως εκείνους των νεύρων, των μυών και των κυττάρων του αίματος. Οι παράγοντες που εμπλέκονται στην ενεργοποίηση της κυτταρικής διαφοροποίησης περιλαμβάνουν κυτταρική σηματοδότηση, περιβαλλοντικές επιρροές και το επίπεδο ανάπτυξης του οργανισμού.
Η βασική διαφοροποίηση των κυττάρων συμβαίνει αφού ένα σπέρμα γονιμοποιήσει ένα ωάριο και το αποτέλεσμα ζυγώτης φτάνει σε ένα συγκεκριμένο μέγεθος. Σε αυτό το σημείο το ζυγώτης αρχίζει να αναπτύσσει διαφορετικούς τύπους κυττάρων και χρειάζεται διαφοροποιημένα κύτταρα για να αναλάβει τις εξειδικευμένες λειτουργίες.
Ο μηχανισμός που βρίσκεται στη ρίζα της διαφοροποίησης των κυττάρων είναι γονιδιακή έκφραση. Όλα τα κύτταρα ενός οργανισμού έχουν πανομοιότυπα σύνολα γονιδίων επειδή ο γενετικός κώδικας αντιγράφηκε από το αρχικό ωάριο γονιμοποιημένο από το σπέρμα. Για να αναλάβει μια εξειδικευμένη λειτουργία, ένα κύτταρο θα εκφράσει ή θα χρησιμοποιήσει μόνο μερικά από τα γονίδια στον γενετικό του κώδικα και θα αγνοήσει τα υπόλοιπα.
Για παράδειγμα, ένα κελί που διαφοροποιείται για να γίνει ηπατικό κύτταρο θα εκφράσει το ηπατικό κύτταρο γονίδια και όλα τα άλλα ηπατικά κύτταρα θα χρησιμοποιούν το ίδιο σύνολο γονιδίων ήπατος. Θα διαφοροποιηθούν μαζί για να σχηματίσουν το συκώτι.
Η διαφοροποίηση των κυττάρων λαμβάνει χώρα σε τρεις καταστάσεις:
- ο ανάπτυξη ενός ανώριμου οργανισμού σε έναν ενήλικα.
- Κανονικός τζίρος κυττάρων όπως τα κύτταρα αίματος σε ώριμους οργανισμούς.
- ο επισκευή χαλασμένων ιστών όταν πρέπει να αντικατασταθούν εξειδικευμένα κύτταρα.
Σε κάθε περίπτωση, η κυτταρική σηματοδότηση ενημερώνει τα κελιά τι είδους εξειδικευμένο κελί απαιτείται. Τα μη διαφοροποιημένα κύτταρα εκφράζουν τα αντίστοιχα γονίδια για να ικανοποιήσουν τις ανάγκες του οργανισμού.
Το Gene Expression λειτουργεί δημιουργώντας αντίγραφα του γονιδίου
Ο γενετικός κώδικας των ευκαρυωτικών κυττάρων βρίσκεται στο DNA στο πυρήνας. Το DNA δεν μπορεί να αφήσει τον πυρήνα, οπότε το κύτταρο πρέπει να αντιγράψει το γονίδιο που θέλει να εκφράσει.
Messenger RNA (mRNA) προσκολλάται στο DNA και αντιγράφει το σχετικό γονίδιο. Το mRNA μπορεί να ταξιδέψει έξω από τον πυρήνα και να φέρει τις γενετικές οδηγίες σε ριβοσώματα που επιπλέουν στο κυτταρόπλασμα των κυττάρων ή που συνδέονται με το ενδοπλασματικό δίκτυο. ο ριβοσώματα παράγει την πρωτεΐνη που κωδικοποιείται από το εκφραζόμενο γονίδιο.
Ανάλογα με τα σήματα που λαμβάνονται από το κύτταρο, τις περιβαλλοντικές επιδράσεις και το στάδιο ανάπτυξης του κυττάρου, η διαδικασία έκφρασης γονιδίου μπορεί να αποκλειστεί σε οποιοδήποτε στάδιο. Εάν η πρωτεΐνη που κωδικοποιείται από το γονίδιο δεν απαιτείται από τον οργανισμό, το mRNA δεν θα αντιγράψει το γονίδιο και η διαδικασία έκφρασης γονιδίου δεν θα ξεκινήσει.
Ακόμα και αφού το mRNA αντιγράψει το γονίδιο, το μόριο mRNA μπορεί να αποκλείεται από την έξοδο από τον πυρήνα ή μπορεί να μην είναι σε θέση να φθάσει σε ένα ριβόσωμα. Τα ριβοσώματα ενδέχεται να μην παράγουν την απαιτούμενη πρωτεΐνη ακόμη και αν το mRNA παραδίδει το αντιγραμμένο γενετικός κώδικας. Διαφορετικοί παράγοντες μπορούν να επηρεάσουν την έκφραση του γονιδίου μέσω αυτής της διαδικασίας πολλαπλών βημάτων.
Εσωτερικοί παράγοντες που επηρεάζουν την εξειδίκευση των κυττάρων
Οι οργανισμοί έχουν διάφορους τρόπους να διασφαλίσουν ότι τα κύτταρα αναπτύσσονται σε εξειδικευμένα και διαφοροποιημένα κύτταρα που χρειάζονται.
Ο βασικός παράγοντας που οδηγεί στην κυτταρική διαφοροποίηση στο σώμα είναι η παραγωγή πρωτεϊνών. Τα κύτταρα μπορούν να διαφοροποιηθούν ανάλογα με το ποια γονίδια εκφράζονται και ποιες πρωτεΐνες κωδικοποιούνται στα εκφρασμένα γονίδια. Οι παραγόμενες πρωτεΐνες βοηθούν τα διαφοροποιημένα κύτταρα να εκτελέσουν την εξειδικευμένη λειτουργία τους και να τους αφήσουν να πουν σε άλλα κύτταρα τι κάνουν μέσω της κυτταρικής σηματοδότησης.
Ένας περαιτέρω μηχανισμός που μπορεί να επηρεάσει τη διαφοροποίηση των κυττάρων είναι ασύμμετρος διαχωρισμός σε κυτταρική διαίρεση. Ουσίες όπως ειδικές πρωτεΐνες συγκεντρώνονται στο ένα άκρο ενός κυττάρου. Όταν το κύτταρο διαιρείται, ένα θυγατρικό κύτταρο έχει περισσότερες από τις ειδικές πρωτεΐνες από το άλλο. Τα κύτταρα γίνονται διαφορετικοί τύποι κυττάρων λόγω της διαφορετικής κατανομής πρωτεϊνών.
Καθώς διαφοροποιείται ένα κελί, ο τύπος εξειδίκευσης που μπορεί να λάβει γίνεται πιο περιορισμένος. Εμβρυϊκό βλαστοκύτταρα μπορεί αρχικά να γίνει οποιοσδήποτε τύπος κυττάρου, αλλά μόλις το κύτταρο ωριμάσει και αναλάβει έναν εξειδικευμένο ρόλο, συχνά δεν μπορεί πλέον να αλλάξει. Τα εμβρυϊκά βλαστικά κύτταρα ονομάζονται αδύναμος κελιά επειδή μπορούν ακόμα να αναλάβουν οποιοδήποτε ρόλο ενώ ώριμα, εξειδικευμένα κελιά που είναι πλήρως διαφοροποιημένα μπορούν να εκτελούν μόνο την εξειδικευμένη λειτουργία τους.
Ο ασύμμετρος διαχωρισμός παράγει διαφορετικά κύτταρα
Η γονιδιακή έκφραση είναι υπεύθυνη για την εξειδίκευση των κυττάρων, αλλά τα βασικά κύτταρα πρέπει να είναι σε θέση να αναλάβουν τις εξειδικευμένες λειτουργίες. Πριν γίνει διαφοροποίηση και εξειδίκευση κυττάρων, πρέπει να είναι διαθέσιμος ο σωστός τύπος κυττάρου. Ο ασύμμετρος διαχωρισμός μπορεί να παράγει τόσο διαφορετικούς τύπους κυττάρων. Τα πανίσχυρα εμβρυϊκά κύτταρα γίνονται ένας από τους τρεις τύπους πολυδύναμος κύτταρα που τελικά διαφοροποιούνται στους διάφορους ιστούς του σώματος.
Οι τρεις τύποι πολυδύναμων κυττάρων είναι:
-
Ενδοδερμικό Τα κύτταρα γίνονται η επένδυση των αναπνευστικών και πεπτικών οδών καθώς επίσης σχηματίζουν το συκώτι και πολλούς από τους κύριους αδένες όπως το πάγκρεας.
- Μεσοδερμία Τα κύτταρα διαφοροποιούνται για να σχηματίσουν μύες, οστά, συνδετικό ιστό και καρδιά.
- Ectoderm τα κύτταρα σχηματίζουν το δέρμα και τα νεύρα.
Ενώ η κυτταρική σηματοδότηση είναι υπεύθυνη για την παραγωγή ορισμένων διαφορετικών τύπων κυττάρων και για κύτταρα εξειδίκευση, ο ασύμμετρος διαχωρισμός δρα στην αρχή της ανάπτυξης των κυττάρων για την παραγωγή πολυδύναμων κύτταρα.
Μεταγραφή DNA Το mRNA λαμβάνει χώρα με τέτοιο τρόπο ώστε το mRNA να παράγει ορισμένες πρωτεΐνες στο ένα άκρο του κυττάρου και διαφορετικές πρωτεΐνες στο άλλο άκρο. Η κυτταρική διαίρεση έχει ως αποτέλεσμα δύο διαφορετικούς τύπους θυγατρικών κυττάρων που μπορούν να συνεχίσουν να παράγουν κύτταρα με διαφορετικές εξειδικεύσεις.
Η κυτταρική σηματοδότηση βρίσκεται στη ρίζα της διαφοροποίησης κυττάρων
Οι εσωτερικοί μηχανισμοί που επηρεάζουν την κυτταρική διαφοροποίηση των πολυδύναμων κυττάρων βασίζονται κυρίως στην κυτταρική σηματοδότηση. Τα κύτταρα λαμβάνουν χημικά σήματα που τους λένε τι τύπο κυττάρου ή τι είδους πρωτεΐνη χρειάζεται.
Οι μηχανισμοί κυτταρικής σηματοδότησης περιλαμβάνουν:
- Διάχυση, στα οποία τα κύτταρα απελευθερώνουν χημικά που εξαπλώνονται σε όλους τους ιστούς.
- Απευθείας επαφή, στα οποία τα κύτταρα έχουν ειδικές χημικές ουσίες στις κυτταρικές τους μεμβράνες.
- Διαχωρισμοί κενών, όπου τα χημικά σηματοδότησης μπορούν να περάσουν απευθείας από το ένα κύτταρο στο άλλο.
Τα κύτταρα στέλνουν συνεχώς χημικά μηνύματα σχετικά με τις δραστηριότητές τους και λαμβάνουν σήματα για το τι συμβαίνει στην άμεση γειτονιά τους, στους ιστούς όπου βρίσκονται και στο σώμα μεγάλο. Αυτά τα σήματα είναι οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν την εξειδίκευση των κυττάρων και η σηματοδότηση των κυττάρων είναι ο βασικός παράγοντας που οδηγεί στη διαφοροποίηση των κυττάρων στο σώμα.
Η κυτταρική σηματοδότηση από τη διάχυση επηρεάζει την ανάπτυξη των ιστών
Τα κύτταρα γίνονται ευαίσθητα σε ορισμένα χημικά σήματα επειδή έχουν υποδοχείς στην κυτταρική μεμβράνη τους. Οι υποδοχείς εξαρτώνται από τον τύπο των κυττάρων, πώς έχει αναπτυχθεί και από ποια γονίδια εκφράζονται. Καθώς οι υποδοχείς ενεργοποιούνται, το κύτταρο διαφοροποιείται περαιτέρω.
Όταν ένα κύτταρο στέλνει ένα σήμα σε πολλά κοντινά κύτταρα, εκπέμπει μια χημική ουσία που διαχέεται μέσω του ιστού στον οποίο είναι ενσωματωμένο το κύτταρο. Το χημικό σήμα συλλαμβάνεται από υποδοχείς στις κυτταρικές μεμβράνες των γύρω κυττάρων και ενεργοποιεί μια απόκριση μέσα σε κάθε κύτταρο. Αυτές οι απαντήσεις βοηθούν τα κύτταρα να διαφοροποιηθούν με τέτοιο τρόπο χτίζει ιστό.
Για παράδειγμα, τα κύτταρα που θα γίνουν μέρος ενός ήπατος εκπέμπουν χημικές ουσίες που ενεργοποιούν τους αντίστοιχους υποδοχείς σε κοντινά κύτταρα και όλα τα κύτταρα σε αυτήν τη θέση διαφοροποιούνται για να γίνουν κύτταρα του ήπατος. Καθώς σχηματίζεται ο ηπατικός ιστός, η περαιτέρω σηματοδότηση των κυττάρων ενεργοποιεί ορισμένα κύτταρα να διαφοροποιηθούν σε κύτταρα αγωγού ή συνδετικό ιστό. Τελικά τα διαφοροποιημένα κύτταρα σχηματίζουν ένα πλήρες και λειτουργικό ήπαρ.
Τοπικό σήμα κυψέλης επιτρέπει στα κύτταρα να αναγνωρίσουν τους γείτονές τους
Για να εξελιχθούν στα εξειδικευμένα κύτταρα που απαιτούνται από τον οργανισμό, τα κύτταρα πρέπει να γνωρίζουν τι κάνουν άλλα κύτταρα στο άμεσο περιβάλλον τους. Ειδικοί υποδοχείς για επαφή μεταξύ κυττάρων και διαχωρισμός μεταξύ κελιών διευκολύνουν την άμεση ανταλλαγή σημάτων μεταξύ γειτονικών κυττάρων. Τα κελιά μπορούν να διασφαλίσουν ότι το περιβάλλον τους αντιστοιχεί στη διαφοροποιημένη εξειδίκευσή τους.
Σε σηματοδότηση κυττάρων σε κύτταρο, οι ειδικά διαμορφωμένες πρωτεΐνες υποδοχέα στην επιφάνεια ενός κυττάρου ταιριάζουν με τις αντίστοιχες πρωτεΐνες στη γειτονική κυτταρική μεμβράνη. Όταν τα κύτταρα έρχονται σε επαφή, οι δύο πρωτεΐνες συνδέονται και ένα σήμα ενεργοποιείται από το ένα κύτταρο στο άλλο. Το σήμα διέρχεται μέσω της κυτταρικής μεμβράνης και εισέρχεται στο κελί όπου προκαλεί μια συγκεκριμένη κυτταρική συμπεριφορά.
Για παράδειγμα, τα δερματικά κύτταρα πρέπει να βεβαιωθούν ότι έχουν άλλα δερματικά κύτταρα γύρω τους, αλλά ορισμένα δερματικά κύτταρα θα έχουν τα κύτταρα του υποκείμενου ιστού κάτω από αυτά. Η σηματοδότηση μεταξύ κυττάρων επιτρέπει στα κύτταρα να διασφαλίζουν ότι το περιβάλλον τους ταιριάζει με τη διαφοροποίησή τους.
Οι συνδέσεις των κενών είναι ειδικοί σύνδεσμοι μεταξύ γειτονικών κυττάρων που επιτρέπουν την εύκολη και άμεση ανταλλαγή πρωτεϊνών που δρουν ως μηνύματα. Χρησιμοποιώντας διασταυρώσεις κενού, τα κελιά μπορούν συντονίζουν τις δραστηριότητές τουςκαι ανταλλαγή σημάτων γρήγορα και εύκολα.
Για παράδειγμα, νευρικά κύτταρα Χρησιμοποιήστε τους κόμβους διακένου για να δημιουργήσετε νευρικές οδούς, και οι συνδέσεις κενού αφήνουν τα κύτταρα να διαφοροποιηθούν στο τύπος νευρικού κυττάρου που είναι κατάλληλος για τη θέση τους στο δέρμα, στο νωτιαίο μυελό ή στο εγκέφαλος.
Παράγοντες που επηρεάζουν την κυτταρική διαφοροποίηση επηρεάζουν την κυτταρική διαφοροποίηση
Η κυτταρική σηματοδότηση και η προκύπτουσα διαφοροποίηση κυττάρων είναι πολύπλοκες διαδικασίες με πολλά βήματα. Τα σήματα πρέπει να παράγονται, να διαδίδονται και να λαμβάνονται υπόψη. Οι ενεργοποιήσεις που προκύπτουν από τα σήματα κυττάρων πρέπει να λειτουργούν όπως αναμενόταν. Παράγοντες που διαταράσσουν οποιοδήποτε από τα βήματα μπορούν να επηρεάσουν τη διαφοροποίηση των κυττάρων και να προκαλέσουν αλλαγές στον οργανισμό.
Παράγοντες που μπορούν να επηρεάσουν και να διαταράξουν τη σηματοδότηση των κυττάρων και τη διαφοροποίηση των κυττάρων περιλαμβάνουν την έλλειψη θρεπτικών ουσιών. εάν ένα κύτταρο δεν μπορεί να παράγει πρωτεΐνη επειδή δεν έχει τα δομικά στοιχεία, δεν μπορεί να διαφοροποιηθεί. Οι μεταλλάξεις στον γενετικό κώδικα είναι ένα άλλο πρόβλημα.
Εάν το DNA είναι ελαττωματικό ή η μεταγραφή είναι λανθασμένη, η διαδικασία σηματοδότησης και διαφοροποίησης διακόπτεται. Εκτός από αυτά, εάν οι χημικές ουσίες σηματοδότησης είναι μπλοκαρισμένες ή οι υποδοχείς κυττάρων γεμίζουν με χημικούς δεσμούς χωρίς σηματοδότηση, η διαδικασία σηματοδότησης δεν θα λειτουργήσει σωστά.
Οι περιβαλλοντικοί παράγοντες μπορούν να επηρεάσουν τη διαφοροποίηση των κυττάρων
Επιρροές από το περιβάλλον του οργανισμού που μπορούν να επηρεάσουν τη σηματοδότηση των κυττάρων, την έκφραση των γονιδίων και τη διαφοροποίηση των κυττάρων μπορεί να αλλάξουν, να σταματήσουν ή να διακόψουν τη διαδικασία. Ορισμένοι περιβαλλοντικοί παράγοντες χρησιμοποιούνται από τον οργανισμό για προσαρμογή, κάποιοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την καταπολέμηση των ασθενειών και μερικοί βλάπτουν ή σκοτώνουν τον οργανισμό.
Για παράδειγμα, η περιβαλλοντική θερμοκρασία μπορεί να επηρεάσει την ανάπτυξη ορισμένων οργανισμών. Οι υψηλότερες θερμοκρασίες επιταχύνουν την ανάπτυξη των κυττάρων και τη διαφοροποίησή τους, ενώ οι χαμηλές θερμοκρασίες επιβραδύνουν ή σταματούν την ανάπτυξη.
Τα ναρκωτικά μπορούν να διαταράξουν τη βλαβερή διαφοροποίηση των κυττάρων. Για παράδειγμα, τα φάρμακα μπορούν να αποκλείσουν ένα από τα στάδια της διαδικασίας για απεριόριστη ανάπτυξη όγκων και να σταματήσουν την έκφραση των αντίστοιχων γονιδίων.
Οι τραυματισμοί μπορούν να επηρεάσουν την έκφραση των γονιδίων και να επηρεάσουν τον τύπο κυττάρου που απαιτείται για την αποκατάσταση της βλάβης. Ιοί και βακτήρια μπορεί να επηρεάσει τη διαφοροποίηση των κυττάρων. Για παράδειγμα, εάν μια μητέρα έχει μολυνθεί με μια ασθένεια όπως η ερυθρά, το αναπτυσσόμενο έμβρυο μπορεί να επηρεάσει τη διαφοροποίηση των κυττάρων του και μπορεί να αναπτύξει γενετικές ανωμαλίες.
Τέλος, οι τοξικές χημικές ουσίες μπορούν να επηρεάσουν τη διαφοροποίηση των κυττάρων. Ουσίες που προσβάλλουν ή μπλοκάρουν χημικά σηματοδότησης ή που μπλοκάρουν θέσεις υποδοχέα σήματος σε μεμβράνες κυττάρων μπορούν να σταματήσουν τη δραστηριότητα σηματοδότησης και να επηρεάσουν τη διαφοροποίηση των κυττάρων.
Στην περίπτωση αυτών των περιβαλλοντικών παραγόντων, ο οργανισμός προσπαθεί να ανταποκριθεί προσαρμόζοντας ή αλλάζοντας εσωτερικές διαδικασίες. Προσαρμογή είναι αποτελεσματικό για ορισμένες από τις περιβαλλοντικές επιρροές, αλλά για άλλους, ο οργανισμός μπορεί να επιβιώσει αλλά παρουσιάζει ελαττώματα ή ο οργανισμός μπορεί να πεθάνει.