Veiksniai, susiję su ląstelių diferenciacija

Per ląstelių diferenciacija daugialąsčiuose organizmuose ląstelės specializuojasi ir imasi tokių vaidmenų kaip nervų, raumenų ir kraujo ląstelės. Veiksniai, susiję su ląstelių diferenciacijos paleidimu, yra šie: ląstelių signalizavimas, aplinkos įtaka ir organizmo išsivystymo lygis.

Pagrindinė ląstelių diferenciacija įvyksta po to, kai spermatozoidai apvaisina kiaušinį ir jo rezultatą zigota pasiekia tam tikrą dydį. Tuo metu zigota pradeda kurti skirtingus ląstelių tipus ir jai reikia diferencijuotų ląstelių, kad galėtų atlikti specializuotas funkcijas.

Mechanizmas, kuris yra ląstelių diferenciacijos šaknis, yra genų ekspresija. Visos organizmo ląstelės turi identiškus genų rinkinius, nes genetinis kodas buvo nukopijuotas iš pradinės kiaušialąstės, apvaisintos spermos ląstele. Norėdami atlikti specializuotą funkciją, ląstelė savo genetiniame kode ekspresuos arba naudos tik kai kuriuos genus, o likusius nepaisys.

Pavyzdžiui, ląstelė, kuri diferencijuojasi, kad taptų kepenų ląstele, ekspresuos

Ląstelių diferenciacija vyksta trijose situacijose:

• The augimas nesubrendusio organizmo suaugusiesiems.
  
• Normalus apyvarta ląstelių, tokių kaip brandžių organizmų kraujo ląstelės.
• The remontas pažeistų audinių, kai tenka pakeisti specializuotas ląsteles.

Kiekvienu atveju ląstelių signalizavimas informuoja ląsteles, kokio tipo specializuotos ląstelės reikalingos. Nediferencijuotos ląstelės išreiškia atitinkamus genus, kad patenkintų organizmo poreikius.

Genetinis eukariotų ląstelių kodas yra ant DNR branduolys. DNR negali išeiti iš branduolio, todėl ląstelė turi nukopijuoti norimą išreikšti geną.

„Messenger“ RNR (mRNR) prisijungia prie DNR ir nukopijuoja atitinkamą geną. MRNR gali keliauti už branduolio ribų ir atnešti genetines instrukcijas į ribosomas, kurios plaukioja ląstelės citoplazmoje arba yra pritvirtintos prie endoplazminio tinklo. The ribosomos gamina baltymą, kurį koduoja išreikštas genas.

Atsižvelgiant į ląstelės gaunamus signalus, aplinkos įtaką ir ląstelės vystymosi stadiją, genų ekspresijos procesas gali būti blokuojamas bet kuriame etape. Jei geno koduojamas baltymas organizmui nereikalingas, mRNR geno nekopijuos ir geno ekspresijos procesas neprasidės.

Net po to, kai mRNR nukopijuoja geną, mRNR molekulė gali būti užblokuota išeiti iš branduolio arba gali nepasiekti ribosomos. Ribosomos gali negaminti reikiamo baltymo, net jei MRNR pateikia nukopijuotą genetinis kodas. Įvairūs veiksniai gali turėti įtakos genų raiškai per šį daugiapakopį procesą.

Organizmai turi keletą būdų užtikrinti, kad ląstelės išsivystytų į reikalingas specializuotas ir diferencijuotas ląsteles.

Pagrindinis veiksnys, lemiantis ląstelių diferenciaciją organizme, yra baltymų gamyba. Ląstelės gali skirtis priklausomai nuo to, kurie genai yra ekspresuojami ir kokie baltymai yra koduojami išreikštuose genuose. Pagaminti baltymai padeda diferencijuotoms ląstelėms atlikti specializuotą funkciją ir leidžia joms pranešti kitoms ląstelėms, ką jos daro per ląstelių signalizaciją.

Kitas mechanizmas, galintis paveikti ląstelių diferenciaciją, yra asimetrinė segregacija į ląstelių dalijimasis. Medžiagos, tokios kaip specialūs baltymai, susirenka viename ląstelės gale. Kai ląstelė dalijasi, viena dukterinė ląstelė turi daugiau specialiųjų baltymų nei kita. Ląstelės tampa skirtingų tipų ląstelėmis dėl skirtingo baltymų pasiskirstymo.

Ląstelei diferencijuojantis, specializacijos rūšis, kurią ji gali įgyti, tampa ribotesnė. Embrioninis kamieninės ląstelės iš pradžių gali tapti bet kokio tipo ląstelėmis, tačiau ląstelei subrendus ir atlikus specializuotą vaidmenį, ji dažnai nebegali pasikeisti. Embrioninės kamieninės ląstelės vadinamos totipotentas ląstelės, nes jos vis tiek gali atlikti bet kokį vaidmenį, o brandžios, specializuotos ląstelės, kurios yra visiškai diferencijuotos, gali atlikti tik savo specializuotą funkciją.

Genų ekspresija yra atsakinga už ląstelių specializaciją, tačiau pagrindinės ląstelės turi sugebėti atlikti specializuotas funkcijas. Prieš pradedant diferenciaciją ir ląstelių specializaciją, turi būti tinkamo tipo ląstelės. Asimetriška segregacija gali sukelti tokių skirtingų tipų ląsteles. Totipotentinės embriono ląstelės tampa viena iš trijų rūšių pluripotentas ląstelės, kurios ilgainiui diferencijuojasi į įvairius kūno audinius.

Trys pluripotentinių ląstelių tipai yra šie:

• Endodermija ląstelės tampa kvėpavimo takų ir virškinamojo trakto dangalu, taip pat formuoja kepenis ir daugelį pagrindinių liaukų, tokių kaip kasa.
  
• Mesodermas ląstelės diferencijuojasi, kad susidarytų raumenys, kaulai, jungiamasis audinys ir širdis.
• Ektodermas ląstelės formuoja odą ir nervus.

Nors ląstelių signalizacija yra atsakinga už kai kurių skirtingų ląstelių tipų gamybą ir už ląsteles specializacija, asimetrinė segregacija veikia ląstelių vystymosi pradžioje, kad gautų pluripotentą ląstelių.

DNR transkripcija iRNR vyksta taip, kad iRNR viename ląstelės gale gamina tam tikrus baltymus, o kitame - skirtingus baltymus. Ląstelių dalijimasis lemia du skirtingus dukterinių ląstelių tipus, kurie gali gaminti skirtingos specializacijos ląsteles.

Vidiniai mechanizmai, turintys įtakos pluripotentinių ląstelių diferenciacijai ląstelėse, daugiausia remiasi ląstelių signalizavimu. Ląstelės gauna cheminius signalus, kurie nurodo, kokio tipo ląstelės ar kokie baltymai reikalingi.

Ląstelių signalizavimo mechanizmai apima:

• Difuzija, kai ląstelės išskiria chemines medžiagas, kurios plinta audiniuose.
• Tiesioginis kontaktas, kurio ląstelių ląstelių membranose yra specialių chemikalų.
• Tarpinės sankryžos, kuriame signalinės cheminės medžiagos gali tiesiogiai pereiti iš vienos ląstelės į kitą.

Ląstelės nuolat siunčia cheminius pranešimus apie savo veiklą ir gauna signalus apie tai vyksta jų artimiausioje kaimynystėje, audiniuose, kuriuose jie yra, ir kūne didelis. Šie signalai yra pagrindiniai veiksniai, darantys įtaką ląstelių specializacijai, o ląstelių signalizavimas yra pagrindinis veiksnys, skatinantis ląstelių diferenciaciją organizme.

Ląstelės tampa jautrios tam tikriems cheminiams signalams, nes turi receptoriai ant jų ląstelių membranos. Receptoriai priklauso nuo ląstelės tipo, kaip ji vystėsi ir kurie genai yra ekspresuojami. Suaktyvėjus receptoriams, ląstelė toliau diferencijuojasi.

Kai ląstelė siunčia signalą daugeliui netoliese esančių ląstelių, ji išskiria cheminę medžiagą, kuri difuziškai sklinda per audinį, kuriame ląstelė yra įdėta. Cheminis signalas yra užfiksuotas aplinkinių ląstelių ląstelių membranų receptorių ir sukelia atsaką kiekvienos ląstelės viduje. Šie atsakymai padeda ląstelėms diferencijuotis tokiu būdu stato audinius.

Pavyzdžiui, ląstelės, kurios taps kepenų dalimi, išskiria chemines medžiagas, kurios suveikia atitinkamus receptorius netoliese esančiose ląstelėse, o visos tos vietos ląstelės diferencijuojasi tapdamos kepenų ląstelėmis. Kepenų audiniui formuojantis, tolesnis ląstelių signalizavimas paskatina kai kurias ląsteles diferencijuotis į latako ląsteles arba jungiamuosius audinius. Galų gale diferencijuotos ląstelės suformuoja pilnavertes ir funkcines kepenis.

Norėdami išsivystyti į organizmui reikalingas specializuotas ląsteles, ląstelės turi žinoti, ką daro kitos artimiausios aplinkos ląstelės. Specialūs receptoriai, skirti kontaktui tarp ląstelių ir ląstelių sujungimams tarp ląstelių, palengvina tiesioginį signalų mainą tarp kaimyninių ląstelių. Ląstelės gali užtikrinti, kad jų aplinka atitinka jų diferencijuotą specializaciją.

Į signalas iš ląstelės į ląstelę, specialiai ląstelės paviršiuje suformuoti receptorių baltymai atitinka atitinkamus baltymus ant kaimyninės ląstelės membranos. Ląstelėms susilietus, abu baltymai susijungia ir suveikia signalas iš vienos ląstelės į kitą. Signalas praeina per ląstelės membraną ir patenka į ląstelę, kur sukelia specifinį ląstelės elgesį.

Pavyzdžiui, odos ląstelės turi įsitikinti, kad aplink jas yra kitos odos ląstelės, tačiau kai kuriose odos ląstelėse po savimi bus pagrindinio audinio ląstelės. Signalas iš ląstelės į ląstelę leidžia ląstelėms užtikrinti, kad jų aplinka atitiktų jų diferenciaciją.

Tarpinės jungtys yra specialios jungtys tarp kaimyninių ląstelių, leidžiančios lengvai ir tiesiogiai pasikeisti baltymais, kurie veikia kaip pranešimai. Panaudojus tarpines jungtis, ląstelės gali koordinuoti savo veikląir keistis signalais greitai ir lengvai.

Pavyzdžiui, nervų ląstelės naudokite tarpų jungtis, kad nustatytumėte nervinius kelius, o tarpų sandūros leidžia ląstelėms diferencijuotis į nervų ląstelių tipas, atitinkantis jų vietą odoje, nugaros smegenyse ar smegenys.

Ląstelių signalizavimas ir dėl to atsirandanti ląstelių diferenciacija yra sudėtingi procesai, turintys daugybę žingsnių. Signalai turi būti gaminami, platinami, priimami ir veikia. Trigeriai, atsirandantys dėl ląstelių signalų, turi veikti taip, kaip tikėtasi. Veiksniai, sutrikdantys bet kurį iš etapų, gali paveikti ląstelių diferenciaciją ir sukelti organizmo pokyčius.

Veiksniai, galintys paveikti ir sutrikdyti ląstelių signalizaciją ir ląstelių diferenciaciją, yra maistinių medžiagų trūkumas; jei ląstelė negali gaminti baltymo, nes jai trūksta statybinių elementų, ji negali atskirti. Genetinio kodo mutacijos yra dar viena problema.

Jei DNR yra sugedusi arba transkripcija neteisinga, signalizacijos ir diferenciacijos procesas sutrinka. Be to, jei signalinės cheminės medžiagos yra užblokuotos arba ląstelių receptoriai užpildyti nesignalizuojančiomis cheminėmis jungtimis, signalizacijos procesas neveiks tinkamai.

Organizmo aplinkos įtaka, galinti paveikti ląstelių signalizaciją, genų ekspresiją ir ląstelių diferenciaciją, gali pakeisti, sustabdyti ar sutrikdyti procesą. Kai kuriuos aplinkos veiksnius organizmas naudoja prisitaikymui, kai kurie gali būti naudojami kovai su liga, o kiti kenkia organizmui ar jį užmuša.

Pavyzdžiui, aplinkos temperatūra gali turėti įtakos kai kurių organizmų vystymuisi. Aukštesnė temperatūra paspartina ląstelių augimą ir jų diferenciaciją, o žema temperatūra sulėtina ar sustabdo vystymąsi.

Narkotikai gali sutrikdyti kenksmingą ląstelių diferenciaciją. Pavyzdžiui, vaistai gali užblokuoti vieną iš neriboto naviko augimo proceso etapų ir sustabdyti atitinkamų genų ekspresiją.

Sužalojimai gali paveikti genų ekspresiją ir įtakoti, kokio tipo ląstelės reikalingos žalai atstatyti. Virusai ir bakterijos gali paveikti ląstelių diferenciaciją. Pavyzdžiui, jei motina yra užsikrėtusi liga, pavyzdžiui, raudonuke, besivystančiam vaisiui gali būti daroma įtaka ląstelių diferenciacijai ir gali atsirasti apsigimimų.

Galiausiai toksiškos cheminės medžiagos gali paveikti ląstelių diferenciaciją. Medžiagos, kurios puola arba blokuoja signalines chemines medžiagas arba blokuoja signalo receptorių pozicijas ląstelių membranose, gali sustabdyti signalizacijos aktyvumą ir paveikti ląstelių diferenciaciją.

Šių aplinkos veiksnių atveju organizmas bando reaguoti prisitaikydamas arba keisdamas vidinius procesus. Prisitaikymas yra veiksmingas kai kurioms aplinkos įtakoms, tačiau kitiems organizmas gali išgyventi, tačiau turi defektų arba organizmas gali mirti.