Rakkude diferentseerumisega seotud tegurid

Ajal rakkude diferentseerumine mitmerakulistes organismides muutuvad rakud spetsialiseerunuks ja võtavad endale rolli nagu närvi-, lihase- ja vererakkude roll. Rakkude diferentseerumise käivitamisega seotud tegurid hõlmavad järgmist raku signaalimine, keskkonnamõjud ja organismi arengutase.

Põhiline rakkude diferentseerumine toimub pärast seda, kui seemnerakk viljastab muna ja selle tulemusel sügoot saavutab teatud suuruse. Sel hetkel hakkab sügoot arendama erinevaid rakutüüpe ja vajab erifunktsioonide täitmiseks diferentseeritud rakke.

Rakkude diferentseerumise juurtes olev mehhanism on geeniekspressioon. Kõigil organismi rakkudel on identsed geenikomplektid, kuna geneetiline kood kopeeriti seemneraku poolt viljastatud algsest munarakust. Spetsialiseeritud ülesande täitmiseks ekspresseerib või kasutab rakk oma geneetilises koodis ainult mõnda geeni ja ignoreerib ülejäänud osa.

Näiteks rakk, mis eristub maksarakuks, ekspresseerib seda maksarakk geenid ja kõik teised maksarakud kasutavad sama maksageenide komplekti. Nad eristuvad koos maksa moodustamiseks.

Rakkude diferentseerumine toimub kolmes olukorras:

• The kasvu ebaküpse organismi täiskasvanuks.
  
• Normaalne käive rakkude, näiteks küpsete organismide vererakkude.
• The remont kahjustatud kudedes, kui tuleb asendada spetsiaalsed rakud.

Igal juhul teavitab raku signaalimine rakke, millist tüüpi spetsialiseeritud rakke on vaja. Diferentseerumata rakud ekspresseerivad organismi vajaduste täitmiseks vastavaid geene.

Eukarüootsete rakkude geneetiline kood asub DNA-s tuum. DNA ei saa tuumast lahkuda, nii et rakk peab kopeerima geeni, mida ta tahab väljendada.

Messenger RNA (mRNA) kinnitub DNA-le ja kopeerib vastava geeni. MRNA võib liikuda väljaspool tuuma ja viia geneetilised juhised ribosoomidesse, mis hõljuvad raku tsütoplasmas või on kinnitatud endoplasmaatilise retikulumi külge. The ribosoomid ekspresseeritud geeni poolt kodeeritud valku.

Sõltuvalt raku vastuvõetud signaalidest, keskkonnamõjudest ja raku arengustaadiumist võib geeniekspressiooni protsessi blokeerida igas etapis. Kui organism ei vaja geeni kodeeritud valku, ei kopeeri mRNA geeni ja geeniekspressiooniprotsess ei alga.

Isegi pärast mRNA geeni kopeerimist võib mRNA molekul olla blokeeritud tuumast väljumisel või ei pruugi see jõuda ribosoomini. Ribosoomid ei pruugi vajalikku valku toota isegi siis, kui mRNA toimetab kopeeritud geneetiline kood. Selle mitmeastmelise protsessi kaudu võivad geeniekspressiooni mõjutada erinevad tegurid.

Organismidel on mitu võimalust tagada rakkude arenemine vajalikeks spetsialiseeritud ja diferentseeritud rakkudeks.

Keha rakulise diferentseerumise ajendiks on valkude tootmine. Rakud võivad diferentseeruda sõltuvalt sellest, milliseid geene ekspresseeritakse ja millised valgud on ekspresseeritud geenides kodeeritud. Toodetud valgud aitavad diferentseeritud rakkudel täita oma erifunktsiooni ja lasevad neil rakusignaali kaudu teistele rakkudele öelda, mida nad teevad.

Veel üks mehhanism, mis võib rakkude diferentseerumist mõjutada, on asümmeetriline eraldamine aastal raku pooldumine. Ained, näiteks spetsiaalsed valgud, kogunevad raku ühte otsa. Kui rakk jaguneb, on ühel tütarrakul rohkem erilisi valke kui teisel. Rakud muutuvad erinevat tüüpi rakkudeks tänu erinevale valkude jaotusele.

Lahtri eristumisel muutub spetsialiseerumise tüüp, mida ta rakendada saab, piiratumaks. Embrüonaalne tüvirakud võib algselt saada mis tahes tüüpi rakkudeks, kuid kui rakk on küps ja võtnud spetsiaalse rolli, ei saa see sageli enam muutuda. Embrüonaalseid tüvirakke nimetatakse totipotent rakud, sest nad saavad endiselt võtta mis tahes rolli, samas kui küpsed, täielikult diferentseerunud, spetsialiseerunud rakud saavad täita ainult oma spetsiaalset funktsiooni.

Rakkude spetsialiseerumise eest vastutab geeniekspressioon, kuid põhirakud peavad suutma võtta spetsiaalseid funktsioone. Enne diferentseerumist ja rakkude spetsialiseerumist peab olema saadaval õige rakutüüp. Asümmeetriline segregatsioon võib tekitada nii erinevat tüüpi rakke. Totipotentsetest embrüo rakkudest saab üks kolmest tüüpi pluripotent rakud, mis lõpuks diferentseeruvad erinevateks kehakudedeks.

Kolmet tüüpi pluripotentsed rakud on:

• Endoderm rakkudest saavad hingamisteede ja seedetraktide vooderdid, moodustades maksa ja paljud peamised näärmed, näiteks kõhunääre.
  
• Mesoderm rakud eristuvad, moodustades lihased, luud, sidekude ja süda.
• Ektoderm rakud moodustavad naha ja närvid.

Kui rakusignalisatsioon vastutab mõnede erinevate rakutüüpide tootmise ja rakkude eest spetsialiseerumine, asümmeetriline segregatsioon toimib raku arengu alguses pluripotendi tekitamiseks rakke.

DNA transkriptsioon mRNA-le toimub nii, et mRNA toodab raku ühes otsas teatud valke ja teises otsas erinevaid valke. Rakkude jagunemise tulemuseks on kaks erinevat tüüpi tütarrakke, mis võivad jätkata erineva erialaga rakkude tootmist.

Sisemised mehhanismid, mis mõjutavad pluripotentsete rakkude rakkude diferentseerumist, põhinevad peamiselt rakkude signaalimisel. Rakud saavad keemilisi signaale, mis ütlevad neile, millist tüüpi rakke või millist valku on vaja.

Rakkude signaalimehhanismid hõlmavad järgmist:

• Difusioon, milles rakud eraldavad kemikaale, mis levivad kudedes.
• Otsene kontakt, mille rakkudel on rakumembraanidel spetsiaalsed kemikaalid.
• Lünkade ristmikud, milles signaalkemikaalid võivad liikuda otse ühest rakust teise.

Rakud saadavad pidevalt oma tegevust puudutavaid keemilisi teateid ja saavad signaale selle kohta toimub nende vahetus läheduses, kudedes, kus nad asuvad, ja kehas suur. Need signaalid on peamised rakkude spetsialiseerumist mõjutavad tegurid ja rakusignaalide edastamine on rakkude diferentseerumist organismis juhtiv peamine tegur.

Rakud muutuvad teatud keemiliste signaalide suhtes tundlikuks, kuna neil on retseptorid nende rakumembraanil. Retseptorid sõltuvad raku tüübist, sellest, kuidas see on arenenud ja milliseid geene ekspresseeritakse. Kuna retseptorid on aktiveeritud, eristub rakk veelgi.

Kui rakk saadab signaali paljudele lähedal asuvatele rakkudele, eraldab see kemikaali, mis difundeerub läbi koe, millesse rakk on kinnitatud. Keemiline signaal on ümbritsevate rakkude rakumembraanides olevate retseptorite poolt hõivatud ja käivitab vastuse igas rakus. Need vastused aitavad rakkudel diferentseeruda ehitab koe.

Näiteks eraldavad rakud, mis saavad maksa osaks, kemikaale, mis käivitavad lähedalasuvates rakkudes vastavad retseptorid, ja kõik selles asukohas olevad rakud eristuvad maksarakkudeks. Maksakoe moodustumisel kutsub rakkude edasine signaalimine mõned rakud diferentseeruma kanalirakkudeks või ühendavateks kudedeks. Lõpuks moodustavad diferentseerunud rakud täieliku ja funktsionaalse maksa.

Et areneda organismile vajalikeks spetsiaalseteks rakkudeks, peavad rakud teadma, mida muud nende lähiümbruse rakud teevad. Spetsiaalsed retseptorid rakkudevahelise kontakti ja rakkude vaheliste lõheühenduste jaoks hõlbustavad otsest signaalivahetust naaberrakkude vahel. Rakud tagavad, et nende ümbrus vastab nende diferentseeritud erialale.

Sisse rakkude vaheline signaalimine, raku pinnal spetsiaalselt moodustatud retseptorvalgud vastavad naaberraku membraanis olevatele valkudele. Rakkude kokkupuutel seovad need kaks valku ja vallandub signaal ühelt rakult teisele. Signaal läbib rakumembraani ja siseneb rakku, kus see põhjustab raku spetsiifilist käitumist.

Näiteks peavad naharakud veenduma, et nende ümber on teisi naharakke, kuid mõnel naharakul on all koe rakud. Rakkude vaheline signaalimine võimaldab rakkudel tagada, et nende ümbrus vastaks nende eristumisele.

Lünkade ristmikud on spetsiaalsed ühendused naaberrakkude vahel, mis võimaldavad sõnumina toimivate valkude hõlpsat ja otsest vahetamist. Kasutades lõhe ristmikke, saavad rakud seda teha oma tegevust koordineeridaja vahetada signaale kiiresti ja lihtsalt.

Näiteks, närvirakud kasutage närviradade loomiseks lõheühendusi ja lõheühendused lasevad rakkudel diferentseeruda - närvirakkude tüüp, mis vastab nende asukohale nahas, seljaajus või nahas aju.

Rakkude signaalimine ja sellest tulenev rakkude diferentseerumine on keerukad protsessid, millel on mitu sammu. Signaale tuleb toota, levitada, vastu võtta ja tegutseda. Rakusignaalidest tulenevad päästikud peavad töötama ootuspäraselt. Mis tahes etappi segavad tegurid võivad mõjutada rakkude diferentseerumist ja põhjustada muutusi organismis.

Faktorid, mis võivad mõjutada ja häirida rakkude signaalimist ja rakkude diferentseerumist, hõlmavad toitainete puudust; kui rakk ei suuda valku toota, kuna sellel puuduvad ehitusmaterjalid, ei saa ta seda eristada. Geneetilise koodi mutatsioonid on veel üks probleem.

Kui DNA on defektne või transkriptsioon on vale, on signaalimis- ja diferentseerumisprotsess häiritud. Lisaks sellele ei toimi signaalimisprotsess korralikult, kui signaalkemikaalid on blokeeritud või raku retseptorid on täidetud mittesignaalsete keemiliste sidemetega.

Organismi keskkonnamõjud, mis võivad mõjutada rakusignaale, geeniekspressiooni ja rakkude diferentseerumist, võivad protsessi muuta, peatada või häirida. Mõningaid keskkonnategureid kasutab organism kohanemiseks, mõnda saab kasutada haiguste vastu võitlemiseks ja osa organismi kahjustamiseks või tapmiseks.

Näiteks võib keskkonnatemperatuur mõjutada mõne organismi arengut. Kõrgem temperatuur kiirendab rakkude kasvu ja nende diferentseerumist, samal ajal kui madal temperatuur aeglustab või peatab arengu.

Narkootikumid võivad häirida rakkude kahjulikku diferentseerumist. Näiteks võivad ravimid blokeerida kasvaja piiramatu kasvu ühe protsessietapi ja peatada vastavate geenide ekspressiooni.

Vigastused võivad mõjutada geeniekspressiooni ja mõjutada seda, millist tüüpi rakke on vaja kahjustuste kõrvaldamiseks. Viirused ja bakterid võib mõjutada rakkude diferentseerumist. Näiteks kui ema on nakatunud sellisesse haigusse nagu punetised, võib areneva loote rakkude diferentseerumine olla mõjutatud ja tal võivad tekkida sünnidefektid.

Lõpuks võivad mürgised kemikaalid mõjutada rakkude diferentseerumist. Ained, mis ründavad või blokeerivad signaalkemikaale või blokeerivad signaaliretseptori positsioone rakumembraanidel, võivad signaaliaktiivsuse peatada ja rakkude diferentseerumist mõjutada.

Nende keskkonnategurite korral püüab organism reageerida kohanemisega või sisemiste protsesside muutmisega. Kohanemine on mõnes keskkonnamõjus mõjus, kuid teiste jaoks võib organism ellu jääda, kuid sellel on defekte või organism võib surra.