Faktor-faktor yang Terlibat dalam Diferensiasi Sel

Selama Pembedaan sel dalam organisme multiseluler, sel menjadi khusus dan mengambil peran seperti saraf, otot dan sel darah. Faktor-faktor yang terlibat dalam memicu diferensiasi sel meliputi: sinyal sel, pengaruh lingkungan dan tingkat perkembangan organisme.

Diferensiasi sel dasar terjadi setelah sel sperma membuahi sel telur dan menghasilkan zigot mencapai ukuran tertentu. Pada saat itu zigot mulai mengembangkan jenis sel yang berbeda dan membutuhkan sel yang berbeda untuk mengambil fungsi khusus.

Mekanisme yang merupakan akar dari diferensiasi sel adalah ekspresi gen. Semua sel organisme memiliki set gen yang identik karena kode genetik disalin dari sel telur asli yang dibuahi oleh sel sperma. Untuk menjalankan fungsi khusus, sel hanya akan mengekspresikan atau menggunakan beberapa gen dalam kode genetiknya dan mengabaikan sisanya.

Misalnya, sel yang berdiferensiasi menjadi sel hati akan mengekspresikan sel hati gen, dan semua sel hati lainnya akan menggunakan set gen hati yang sama. Mereka akan berdiferensiasi bersama untuk membentuk hati.

Diferensiasi sel terjadi dalam tiga situasi:

• Itu pertumbuhan dari organisme yang belum matang menjadi dewasa.
  
• Normal pergantian sel seperti sel darah pada organisme dewasa.
• Itu perbaikan jaringan yang rusak ketika sel-sel khusus harus diganti.

Dalam setiap kasus, pensinyalan sel memberi tahu sel jenis sel khusus apa yang diperlukan. Sel yang tidak berdiferensiasi mengekspresikan gen yang sesuai untuk memenuhi kebutuhan organisme.

Kode genetik sel eukariotik terletak pada DNA di inti. DNA tidak dapat meninggalkan nukleus sehingga sel harus menyalin gen yang ingin diekspresikannya.

Messenger RNA (mRNA) menempel pada DNA dan menyalin gen yang relevan. mRNA dapat melakukan perjalanan di luar nukleus dan membawa instruksi genetik ke ribosom yang mengambang di sitoplasma sel atau yang melekat pada retikulum endoplasma. Itu ribosom menghasilkan protein yang dikodekan oleh gen yang diekspresikan.

Tergantung pada sinyal yang diterima oleh sel, pengaruh lingkungan dan tahap perkembangan sel, proses ekspresi gen dapat diblokir pada setiap tahap. Jika protein yang dikodekan oleh gen tidak diperlukan oleh organisme, mRNA tidak akan menyalin gen, dan proses ekspresi gen tidak akan dimulai.

Bahkan setelah mRNA menyalin gen, molekul mRNA mungkin terhalang untuk keluar dari nukleus atau mungkin tidak dapat mencapai ribosom. Ribosom mungkin tidak menghasilkan protein yang dibutuhkan bahkan jika mRNA mengirimkan salinan kode genetik. Berbagai faktor dapat mempengaruhi ekspresi gen melalui proses multi-langkah ini.

Organisme memiliki beberapa cara untuk memastikan bahwa sel berkembang menjadi sel yang terspesialisasi dan berdiferensiasi yang dibutuhkan.

Faktor kunci yang mendorong diferensiasi sel dalam tubuh adalah pembuatan protein. Sel dapat berdiferensiasi tergantung pada gen mana yang diekspresikan dan protein mana yang dikodekan dalam gen yang diekspresikan. Protein yang dihasilkan membantu sel-sel yang berdiferensiasi melakukan fungsi khusus mereka dan membiarkan mereka memberi tahu sel lain apa yang mereka lakukan melalui pensinyalan sel.

Mekanisme lebih lanjut yang dapat mempengaruhi diferensiasi sel adalah segregasi asimetris di pembelahan sel. Zat seperti protein khusus berkumpul di salah satu ujung sel. Ketika sel membelah, satu sel anak memiliki lebih banyak protein khusus daripada yang lain. Sel-sel menjadi jenis sel yang berbeda karena distribusi protein yang berbeda.

Saat sel berdiferensiasi, jenis spesialisasi yang dapat diambilnya menjadi lebih terbatas. embrionik sel induk awalnya dapat menjadi jenis sel apa pun, tetapi begitu sel matang dan telah mengambil peran khusus, seringkali tidak dapat lagi berubah. Sel punca embrio disebut totipotensi sel karena mereka masih dapat mengambil peran apa pun sementara dewasa, sel-sel khusus yang sepenuhnya berdiferensiasi hanya dapat menjalankan fungsi khusus mereka.

Ekspresi gen bertanggung jawab untuk spesialisasi sel, tetapi sel dasar harus dapat mengambil fungsi khusus. Sebelum diferensiasi dan spesialisasi sel dapat terjadi, jenis sel yang tepat harus tersedia. Segregasi asimetris dapat menghasilkan jenis sel yang berbeda. Sel embrionik totipoten menjadi salah satu dari tiga jenis berpotensi majemuk sel yang akhirnya berdiferensiasi menjadi berbagai jaringan tubuh.

Tiga jenis sel pluripoten adalah:

• Endoderm sel menjadi lapisan saluran pernapasan dan pencernaan serta membentuk hati dan banyak kelenjar utama seperti pankreas.
  
• mesoderm sel berdiferensiasi membentuk otot, tulang, jaringan ikat, dan jantung.
• Ektoderm sel membentuk kulit dan saraf.

Sementara pensinyalan sel bertanggung jawab untuk produksi beberapa jenis sel yang berbeda dan untuk sel spesialisasi, segregasi asimetris bertindak pada awal perkembangan sel untuk menghasilkan pluripoten sel.

transkripsi DNA untuk mRNA terjadi sedemikian rupa sehingga mRNA menghasilkan protein tertentu di satu ujung sel dan protein yang berbeda di ujung lainnya. Pembelahan sel menghasilkan dua jenis sel anak yang berbeda yang dapat terus menghasilkan sel dengan spesialisasi berbeda.

Mekanisme internal yang mempengaruhi diferensiasi sel sel pluripoten terutama didasarkan pada pensinyalan sel. Sel menerima sinyal kimia yang memberi tahu mereka jenis sel apa atau jenis protein apa yang dibutuhkan.

Mekanisme pensinyalan sel meliputi:

• Difusi, di mana sel melepaskan bahan kimia yang menyebar ke seluruh jaringan.
• Kontak langsung, di mana sel memiliki bahan kimia khusus pada membran selnya.
• Persimpangan celah, di mana bahan kimia pensinyalan dapat lewat langsung dari satu sel ke sel lainnya.

Sel terus menerus mengirimkan pesan kimia mengenai aktivitas mereka dan menerima sinyal tentang apa terjadi di lingkungan terdekat mereka, di jaringan di mana mereka berada dan di dalam tubuh di besar. Sinyal-sinyal ini adalah faktor utama yang mempengaruhi spesialisasi sel, dan pensinyalan sel adalah faktor kunci yang mendorong diferensiasi sel dalam tubuh.

Sel menjadi sensitif terhadap sinyal kimia tertentu karena mereka memiliki: reseptor pada membran sel mereka. Reseptor bergantung pada jenis sel, bagaimana sel itu berkembang dan gen mana yang diekspresikan. Saat reseptor diaktifkan, sel berdiferensiasi lebih lanjut.

Ketika sebuah sel mengirimkan sinyal ke banyak sel di dekatnya, ia memancarkan bahan kimia yang berdifusi melalui jaringan di mana sel tertanam. Sinyal kimia ditangkap oleh reseptor di membran sel sel di sekitarnya dan memicu respons di dalam setiap sel. Respons ini membantu menyebabkan sel berdiferensiasi dengan cara yang membangun jaringan.

Misalnya, sel-sel yang akan menjadi bagian dari hati memancarkan bahan kimia yang memicu reseptor yang sesuai di sel terdekat, dan semua sel di lokasi itu berdiferensiasi menjadi sel hati. Saat jaringan hati terbentuk, pensinyalan sel selanjutnya memicu beberapa sel untuk berdiferensiasi menjadi sel saluran atau jaringan penghubung. Akhirnya sel-sel yang berdiferensiasi membentuk hati yang lengkap dan fungsional.

Untuk berkembang menjadi sel khusus yang dibutuhkan oleh organisme, sel harus mengetahui apa yang dilakukan sel lain di sekitarnya. Reseptor khusus untuk kontak sel ke sel dan gap junction antar sel memfasilitasi pertukaran sinyal langsung antara sel tetangga. Sel dapat memastikan bahwa lingkungan mereka sesuai dengan spesialisasi mereka yang berbeda.

Di pensinyalan sel ke sel, protein reseptor yang dibentuk secara khusus pada permukaan sel cocok dengan protein yang sesuai pada membran sel tetangga. Ketika sel-sel bersentuhan, kedua protein tersebut terhubung, dan sebuah sinyal dipicu dari satu sel ke sel lainnya. Sinyal melewati membran sel dan memasuki sel di mana ia menyebabkan perilaku sel tertentu.

Misalnya, sel-sel kulit harus memastikan mereka memiliki sel-sel kulit lain di sekitarnya, tetapi beberapa sel kulit akan memiliki sel-sel jaringan di bawahnya. Pensinyalan sel-ke-sel memungkinkan sel memastikan bahwa lingkungannya cocok dengan diferensiasinya.

Gap junction adalah hubungan khusus antara sel-sel tetangga yang memungkinkan pertukaran protein yang mudah dan langsung bertindak sebagai pesan. Menggunakan gap junction, sel dapat mengkoordinasikan kegiatannyadan bertukar sinyal dengan cepat dan mudah.

Sebagai contoh, sel saraf gunakan gap junction untuk membentuk jalur saraf, dan gap junction memungkinkan sel berdiferensiasi menjadi jenis sel saraf yang sesuai dengan lokasinya di kulit, di sumsum tulang belakang atau di otak.

Pensinyalan sel dan diferensiasi sel yang dihasilkan adalah proses kompleks dengan banyak langkah. Sinyal harus diproduksi, disebarkan, diterima, dan ditindaklanjuti. Pemicu yang dihasilkan dari sinyal sel harus bekerja seperti yang diharapkan. Faktor-faktor yang mengganggu salah satu langkah dapat mempengaruhi diferensiasi sel dan menyebabkan perubahan pada organisme.

Faktor-faktor yang dapat mempengaruhi dan mengganggu pensinyalan sel dan diferensiasi sel termasuk kekurangan nutrisi; jika sel tidak dapat menghasilkan protein karena kekurangan bahan penyusunnya, sel tidak dapat berdiferensiasi. Mutasi dalam kode genetik adalah masalah lain.

Jika DNA rusak atau transkripsi salah, proses pensinyalan dan diferensiasi terganggu. Selain itu, jika bahan kimia pensinyalan diblokir atau reseptor sel diisi dengan ikatan kimia yang tidak memberi sinyal, proses pensinyalan tidak akan bekerja dengan baik.

Pengaruh dari lingkungan organisme yang dapat mempengaruhi pensinyalan sel, ekspresi gen dan diferensiasi sel dapat mengubah, menghentikan atau mengganggu proses tersebut. Beberapa faktor lingkungan digunakan oleh organisme untuk adaptasi, beberapa dapat digunakan untuk melawan penyakit dan beberapa membahayakan atau membunuh organisme.

Misalnya, suhu lingkungan dapat mempengaruhi perkembangan beberapa organisme. Suhu yang lebih tinggi mempercepat pertumbuhan sel dan diferensiasinya sementara suhu rendah memperlambat atau menghentikan perkembangan.

Obat-obatan dapat mengganggu diferensiasi sel yang berbahaya. Misalnya, obat dapat memblokir salah satu langkah proses untuk pertumbuhan tumor tak terbatas dan menghentikan ekspresi gen yang sesuai.

Cedera dapat mempengaruhi ekspresi gen dan mempengaruhi jenis sel apa yang dibutuhkan untuk memperbaiki kerusakan. Virus dan bakteri dapat mempengaruhi diferensiasi sel. Misalnya, jika seorang ibu terinfeksi penyakit seperti rubella, janin yang sedang berkembang dapat mempengaruhi diferensiasi selnya, dan dapat mengembangkan cacat lahir.

Akhirnya bahan kimia beracun dapat mempengaruhi diferensiasi sel. Zat yang menyerang atau memblokir bahan kimia pensinyalan atau yang memblokir posisi reseptor sinyal pada membran sel dapat menghentikan aktivitas pensinyalan dan mempengaruhi diferensiasi sel.

Dalam kasus faktor lingkungan ini, organisme mencoba untuk merespon dengan beradaptasi atau dengan mengubah proses internal. Adaptasi efektif untuk beberapa pengaruh lingkungan, tetapi untuk yang lain, organisme dapat bertahan hidup tetapi menunjukkan cacat, atau organisme dapat mati.