Fattori coinvolti nella differenziazione cellulare

Durante differenziazione cellulare negli organismi multicellulari, le cellule si specializzano e assumono ruoli come quelli di cellule nervose, muscolari e del sangue. I fattori coinvolti nell'innescare la differenziazione cellulare includono segnalazione cellulare, influenze ambientali e il livello di sviluppo dell'organismo.

La differenziazione cellulare di base si verifica dopo che uno spermatozoo feconda un uovo e il risultante zigote raggiunge una certa dimensione. A quel punto lo zigote inizia a sviluppare diversi tipi di cellule e ha bisogno di cellule differenziate per assumere le funzioni specializzate.

Il meccanismo che sta alla radice della differenziazione cellulare è espressione genica. Tutte le cellule di un organismo hanno insiemi identici di geni perché il codice genetico è stato copiato dalla cellula uovo originale fecondata dallo spermatozoo. Per assumere una funzione specializzata, una cellula esprimerà o utilizzerà solo alcuni dei geni nel suo codice genetico e ignorerà il resto.

Ad esempio, una cellula che si differenzia per diventare una cellula epatica esprimerà la cellula epatica geni e tutte le altre cellule epatiche utilizzeranno lo stesso set di geni epatici. Si differenziano insieme per formare il fegato.

La differenziazione cellulare avviene in tre situazioni:

• Il crescita di un organismo immaturo in un adulto.
  
• Normale turnover di cellule come le cellule del sangue negli organismi maturi.
• Il riparazione di tessuti danneggiati quando devono essere sostituite cellule specializzate.

In ogni caso, la segnalazione cellulare informa le cellule che tipo di cellula specializzata è richiesta. Le cellule indifferenziate esprimono i geni corrispondenti per soddisfare i bisogni dell'organismo.

Il codice genetico delle cellule eucariotiche si trova sul DNA nella nucleo. Il DNA non può lasciare il nucleo quindi la cellula deve copiare il gene che vuole esprimere.

RNA messaggero (mRNA) si attacca al DNA e copia il gene corrispondente. L'mRNA può viaggiare al di fuori del nucleo e portare le istruzioni genetiche ai ribosomi che galleggiano nel citoplasma cellulare o che sono attaccati al reticolo endoplasmatico. Il ribosomi produrre la proteina codificata dal gene espresso.

A seconda dei segnali ricevuti dalla cellula, delle influenze ambientali e dello stadio di sviluppo della cellula, il processo di espressione genica può essere bloccato in qualsiasi fase. Se la proteina codificata dal gene non è necessaria all'organismo, l'mRNA non copierà il gene e il processo di espressione genica non avrà inizio.

Anche dopo che l'mRNA ha copiato il gene, la molecola dell'mRNA può essere bloccata dall'uscita dal nucleo o potrebbe non essere in grado di raggiungere un ribosoma. I ribosomi potrebbero non produrre la proteina richiesta anche se l'mRNA fornisce il copiato codice genetico. Diversi fattori possono influenzare l'espressione genica durante tutto questo processo a più fasi.

Gli organismi hanno diversi modi per garantire che le cellule si sviluppino nelle cellule specializzate e differenziate necessarie.

Il fattore chiave che guida la differenziazione cellulare nel corpo è la produzione di proteine. Le cellule possono differenziarsi a seconda di quali geni sono espressi e quali proteine ​​sono codificate nei geni espressi. Le proteine ​​prodotte aiutano le cellule differenziate a svolgere la loro funzione specializzata e consentono loro di dire ad altre cellule cosa stanno facendo attraverso la segnalazione cellulare.

Un ulteriore meccanismo che può influenzare la differenziazione cellulare è segregazione asimmetrica nel divisione cellulare. Sostanze come proteine ​​speciali si raccolgono a un'estremità di una cellula. Quando la cellula si divide, una cellula figlia ha più proteine ​​speciali dell'altra. Le cellule diventano diversi tipi di cellule a causa della diversa distribuzione delle proteine.

Man mano che una cellula si differenzia, il tipo di specializzazione che può assumere diventa più limitato. Embrionale cellule staminali può inizialmente diventare qualsiasi tipo di cellula, ma una volta che la cellula è matura e ha assunto un ruolo specializzato, spesso non può più cambiare. Le cellule staminali embrionali sono chiamate totipotente cellule perché possono ancora assumere qualsiasi ruolo mentre le cellule mature e specializzate che sono completamente differenziate possono svolgere solo la loro funzione specializzata.

L'espressione genica è responsabile della specializzazione cellulare, ma le cellule di base devono essere in grado di assumere funzioni specializzate. Prima che la differenziazione e la specializzazione cellulare possano aver luogo, deve essere disponibile il giusto tipo di cellula. La segregazione asimmetrica può produrre tipi di cellule così diversi. Le cellule embrionali totipotenti diventano uno dei tre tipi di pluripotente cellule che alla fine si differenziano nei vari tessuti corporei.

I tre tipi di cellule pluripotenti sono:

• endoderma le cellule diventano il rivestimento del tratto respiratorio e digerente, oltre a formare il fegato e molte delle ghiandole principali come il pancreas.
  
• mesoderma le cellule si differenziano per formare muscoli, ossa, tessuto connettivo e cuore.
• ectoderma cellule formano la pelle e i nervi.

Mentre la segnalazione cellulare è responsabile della produzione di alcuni diversi tipi di cellule e delle cellule specializzazione, la segregazione asimmetrica agisce all'inizio dello sviluppo cellulare per produrre pluripotenti cellule.

trascrizione del DNA all'mRNA avviene in modo tale che l'mRNA produce determinate proteine ​​a un'estremità della cellula e proteine ​​diverse all'altra estremità. La divisione cellulare si traduce in due diversi tipi di cellule figlie che possono continuare a produrre cellule con diverse specializzazioni.

I meccanismi interni che influenzano la differenziazione cellulare delle cellule pluripotenti si basano principalmente sulla segnalazione cellulare. Le cellule ricevono segnali chimici che dicono loro che tipo di cellula o che tipo di proteina è necessaria.

I meccanismi di segnalazione cellulare includono:

• Diffusione, in cui le cellule rilasciano sostanze chimiche che si diffondono nei tessuti.
• Contatto diretto, in cui le cellule hanno sostanze chimiche speciali sulle loro membrane cellulari.
• giunzioni spaziali, in cui le sostanze chimiche di segnalazione possono passare direttamente da una cellula all'altra.

Le cellule inviano continuamente messaggi chimici riguardanti le loro attività e ricevono segnali su cosa sta succedendo nelle loro immediate vicinanze, nei tessuti in cui si trovano e nel corpo a grande. Questi segnali sono i principali fattori che influenzano la specializzazione cellulare e la segnalazione cellulare è il fattore chiave che guida la differenziazione cellulare nel corpo.

Le cellule diventano sensibili a determinati segnali chimici perché hanno recettori sulla loro membrana cellulare. I recettori dipendono dal tipo di cellula, da come si è sviluppata e da quali geni vengono espressi. Quando i recettori vengono attivati, la cellula si differenzia ulteriormente.

Quando una cellula invia un segnale a molte cellule vicine, emette una sostanza chimica che si diffonde attraverso il tessuto in cui è incorporata la cellula. Il segnale chimico viene catturato dai recettori nelle membrane cellulari delle cellule circostanti e innesca una risposta all'interno di ciascuna cellula. Queste risposte aiutano a far differenziare le cellule in un modo che costruisce il tessuto.

Ad esempio, le cellule che diventeranno parte di un fegato emettono sostanze chimiche che attivano i corrispondenti recettori nelle cellule vicine e tutte le cellule in quella posizione si differenziano per diventare cellule epatiche. Man mano che il tessuto epatico si forma, un'ulteriore segnalazione cellulare induce alcune cellule a differenziarsi in cellule del dotto o tessuto connettivo. Alla fine le cellule differenziate formano un fegato completo e funzionale.

Per svilupparsi nelle cellule specializzate necessarie all'organismo, le cellule devono sapere cosa stanno facendo le altre cellule nelle loro immediate vicinanze. Recettori speciali per il contatto cellula-cellula e giunzioni gap tra cellule facilitano lo scambio diretto di segnali tra cellule vicine. Le cellule possono garantire che l'ambiente circostante corrisponda alla loro specializzazione differenziata.

Nel segnalazione da cellula a cellula, proteine ​​recettoriali appositamente formate sulla superficie di una cellula corrispondono alle proteine ​​corrispondenti sulla membrana di una cellula vicina. Quando le cellule entrano in contatto, le due proteine ​​si legano e un segnale viene attivato da una cellula all'altra. Il segnale passa attraverso la membrana cellulare ed entra nella cellula dove provoca uno specifico comportamento cellulare.

Ad esempio, le cellule della pelle devono assicurarsi di avere altre cellule della pelle intorno a loro, ma alcune cellule della pelle avranno le cellule del tessuto sottostante sotto di loro. La segnalazione da cellula a cellula consente alle cellule di garantire che l'ambiente circostante corrisponda alla loro differenziazione.

Le giunzioni gap sono collegamenti speciali tra cellule vicine che consentono un facile e diretto scambio di proteine ​​che agiscono come messaggi. Utilizzando giunzioni gap, le cellule possono cells coordinare le loro attivitàe scambiare segnali rapidamente e facilmente.

Per esempio, cellule nervose utilizzare le giunzioni gap per stabilire le vie nervose e le giunzioni gap consentono alle cellule di differenziarsi in tipo di cellula nervosa che è appropriato alla loro posizione nella pelle, nel midollo spinale o nel cervello.

La segnalazione cellulare e la conseguente differenziazione cellulare sono processi complessi con molti passaggi. I segnali devono essere prodotti, propagati, ricevuti e su cui agire. I trigger risultanti dai segnali cellulari devono funzionare come previsto. I fattori che interrompono uno qualsiasi dei passaggi possono influenzare la differenziazione cellulare e causare cambiamenti nell'organismo.

I fattori che possono influenzare e interrompere la segnalazione cellulare e la differenziazione cellulare includono la mancanza di nutrienti; se una cellula non può produrre una proteina perché manca dei mattoni, non può differenziarsi. Le mutazioni nel codice genetico sono un altro problema.

Se il DNA è difettoso o la trascrizione è sbagliata, il processo di segnalazione e differenziazione viene interrotto. Oltre a questi, se le sostanze chimiche di segnalazione sono bloccate o i recettori cellulari sono pieni di legami chimici non di segnalazione, il processo di segnalazione non funzionerà correttamente.

Le influenze dall'ambiente dell'organismo che possono influenzare la segnalazione cellulare, l'espressione genica e la differenziazione cellulare possono cambiare, arrestare o interrompere il processo. Alcuni fattori ambientali sono utilizzati dall'organismo per l'adattamento, alcuni possono essere utilizzati per combattere le malattie e altri per danneggiare o uccidere l'organismo.

Ad esempio, la temperatura ambientale può influenzare lo sviluppo di alcuni organismi. Temperature più elevate accelerano la crescita delle cellule e la loro differenziazione mentre le temperature basse rallentano o arrestano lo sviluppo.

I farmaci possono interrompere la differenziazione cellulare dannosa. Ad esempio, i farmaci possono bloccare una delle fasi del processo per la crescita illimitata del tumore e fermare l'espressione dei geni corrispondenti.

Le lesioni possono influenzare l'espressione genica e influenzare il tipo di cellula necessario per riparare i danni. Virus e batteri possono influenzare la differenziazione cellulare. Ad esempio, se una madre è infettata da una malattia come la rosolia, il feto in via di sviluppo può essere influenzato dalla sua differenziazione cellulare e può sviluppare difetti alla nascita.

Infine le sostanze chimiche tossiche possono influenzare la differenziazione cellulare. Le sostanze che attaccano o bloccano le sostanze chimiche di segnalazione o che bloccano le posizioni dei recettori di segnale sulle membrane cellulari possono interrompere l'attività di segnalazione e influenzare la differenziazione cellulare.

Nel caso di questi fattori ambientali, l'organismo cerca di rispondere adattandosi o modificando i processi interni. Adattamento è efficace per alcune delle influenze ambientali, ma per altre, l'organismo può sopravvivere ma presentare difetti, oppure l'organismo può morire.