Factoren die betrokken zijn bij celdifferentiatie

Gedurende celdifferentiatie in meercellige organismen worden cellen gespecialiseerd en nemen ze rollen aan zoals die van zenuw-, spier- en bloedcellen. Factoren die betrokken zijn bij het activeren van celdifferentiatie zijn onder meer: cel signalering, omgevingsinvloeden en het ontwikkelingsniveau van het organisme.

Basisceldifferentiatie vindt plaats nadat een zaadcel een eicel bevrucht en de resulterende zygoot een bepaalde grootte bereikt. Op dat moment begint de zygote verschillende celtypen te ontwikkelen en heeft hij gedifferentieerde cellen nodig om de gespecialiseerde functies op zich te nemen.

Het mechanisme dat aan de basis ligt van celdifferentiatie is: genexpressie. Alle cellen van een organisme hebben identieke sets genen omdat de genetische code is gekopieerd van de oorspronkelijke eicel die door de zaadcel is bevrucht. Om een ​​gespecialiseerde functie op zich te nemen, zal een cel slechts enkele van de genen in zijn genetische code tot expressie brengen of gebruiken en de rest negeren.

Een cel die differentieert om een ​​levercel te worden, zal bijvoorbeeld de levercel genen, en alle andere levercellen zullen dezelfde set levergenen gebruiken. Ze zullen samen differentiëren om de lever te vormen.

Celdifferentiatie vindt plaats in drie situaties:

• De groei van een onvolgroeid organisme tot een volwassene.
  
• normaal omzet van cellen zoals bloedcellen in volwassen organismen.
• De reparatie van beschadigd weefsel wanneer gespecialiseerde cellen moeten worden vervangen.

In elk geval informeert celsignalering cellen welk type gespecialiseerde cel vereist is. Ongedifferentieerde cellen brengen de overeenkomstige genen tot expressie om aan de behoeften van het organisme te voldoen.

De genetische code van eukaryote cellen bevindt zich op het DNA in de kern. Het DNA kan de kern niet verlaten, dus de cel moet het gen kopiëren dat het tot expressie wil brengen.

Messenger-RNA (mRNA) hecht zich aan het DNA en kopieert het betreffende gen. Het mRNA kan buiten de kern reizen en de genetische instructies naar ribosomen brengen die in het celcytoplasma drijven of die aan het endoplasmatisch reticulum zijn vastgemaakt. De ribosomen produceren het eiwit dat wordt gecodeerd door het tot expressie gebrachte gen.

Afhankelijk van de signalen die de cel ontvangt, de omgevingsinvloeden en het ontwikkelingsstadium van de cel, kan het proces van genexpressie in elk stadium worden geblokkeerd. Als het door het gen gecodeerde eiwit niet door het organisme nodig is, zal het mRNA het gen niet kopiëren en zal het genexpressieproces niet starten.

Zelfs nadat het mRNA het gen kopieert, kan het mRNA-molecuul worden geblokkeerd om de kern te verlaten of kan het een ribosoom niet bereiken. Ribosomen produceren mogelijk niet het vereiste eiwit, zelfs als mRNA het gekopieerde aflevert genetische code. Verschillende factoren kunnen de genexpressie beïnvloeden tijdens dit meerstapsproces.

Organismen hebben verschillende manieren om ervoor te zorgen dat cellen zich ontwikkelen tot de gespecialiseerde en gedifferentieerde cellen die nodig zijn.

De belangrijkste factor die cellulaire differentiatie in het lichaam aanstuurt, is de productie van eiwitten. Cellen kunnen differentiëren afhankelijk van welke genen tot expressie worden gebracht en welke eiwitten worden gecodeerd in de tot expressie gebrachte genen. De geproduceerde eiwitten helpen de gedifferentieerde cellen hun gespecialiseerde functie uit te voeren en laten ze andere cellen vertellen wat ze doen door middel van celsignalering.

Een ander mechanisme dat celdifferentiatie kan beïnvloeden is: asymmetrische scheiding in celverdeling. Stoffen zoals speciale eiwitten verzamelen zich aan het ene uiteinde van een cel. Wanneer de cel zich deelt, heeft de ene dochtercel meer van de speciale eiwitten dan de andere. De cellen worden verschillende soorten cellen vanwege de verschillende eiwitverdeling.

Naarmate een cel differentieert, wordt het type specialisatie dat het kan aannemen beperkter. embryonale stamcellen kan in eerste instantie elk type cel worden, maar als de cel eenmaal volwassen is en een gespecialiseerde rol heeft aangenomen, kan deze vaak niet meer veranderen. Embryonale stamcellen worden genoemd totipotent cellen omdat ze nog steeds elke rol kunnen spelen, terwijl volwassen, gespecialiseerde cellen die volledig gedifferentieerd zijn alleen hun gespecialiseerde functie kunnen uitoefenen.

Genexpressie is verantwoordelijk voor celspecialisatie, maar de basiscellen moeten de gespecialiseerde functies kunnen overnemen. Voordat differentiatie en celspecialisatie kan plaatsvinden, moet het juiste type cel beschikbaar zijn. Asymmetrische segregatie kan zulke verschillende soorten cellen produceren. Totipotente embryonale cellen worden een van de drie soorten pluripotent cellen die uiteindelijk differentiëren in de verschillende lichaamsweefsels.

De drie soorten pluripotente cellen zijn:

• Endoderm cellen worden de bekleding van de luchtwegen en het spijsverteringskanaal en vormen de lever en veel van de belangrijkste klieren zoals de pancreas.
  
• mesoderm cellen differentiëren om spieren, botten, bindweefsel en het hart te vormen.
• ectoderm cellen vormen de huid en zenuwen.

Terwijl celsignalering verantwoordelijk is voor de productie van sommige verschillende celtypen en voor cel specialisatie, asymmetrische segregatie werkt aan het begin van celontwikkeling om pluripotente te produceren cellen.

DNA-transcriptie aan mRNA gebeurt op een zodanige manier dat het mRNA bepaalde eiwitten aan het ene uiteinde van de cel en verschillende eiwitten aan het andere uiteinde produceert. Celdeling resulteert in twee verschillende soorten dochtercellen die cellen met verschillende specialisaties kunnen produceren.

Interne mechanismen die de celdifferentiatie van pluripotente cellen beïnvloeden, zijn voornamelijk gebaseerd op celsignalering. Cellen ontvangen chemische signalen die hen vertellen welk type cel of welk soort eiwit nodig is.

Celsignaleringsmechanismen omvatten:

• Diffusie, waarbij cellen chemicaliën afgeven die zich door de weefsels verspreiden.
• Direct contact, waarin cellen speciale chemicaliën op hun celmembranen hebben.
• Gap junctions, waarin signaalstoffen rechtstreeks van de ene cel naar de andere kunnen gaan.

Cellen zenden continu chemische berichten uit over hun activiteiten en ontvangen signalen over wat about gebeurt in hun directe omgeving, in de weefsels waar ze zich bevinden en in het lichaam groot. Deze signalen zijn de belangrijkste factoren die celspecialisatie beïnvloeden, en celsignalering is de sleutelfactor die celdifferentiatie in het lichaam aanstuurt.

Cellen worden gevoelig voor bepaalde chemische signalen omdat ze receptoren op hun celmembraan. De receptoren zijn afhankelijk van het type cel, hoe deze zich heeft ontwikkeld en welke genen tot expressie komen. Naarmate receptoren worden geactiveerd, differentieert de cel verder.

Wanneer een cel een signaal naar veel nabijgelegen cellen stuurt, zendt deze een chemische stof uit die door het weefsel diffundeert waarin de cel is ingebed. Het chemische signaal wordt opgevangen door receptoren in de celmembranen van de omringende cellen en veroorzaakt een reactie in elke cel. Deze reacties zorgen ervoor dat de cellen differentiëren op een manier die: bouwt weefsel op.

Cellen die deel gaan uitmaken van een lever, stoten bijvoorbeeld chemicaliën uit die de overeenkomstige receptoren in nabijgelegen cellen activeren, en alle cellen op die locatie differentiëren om levercellen te worden. Naarmate het leverweefsel zich vormt, zorgt verdere celsignalering ervoor dat sommige cellen differentiëren tot kanaalcellen of verbindend weefsel. Uiteindelijk vormen de gedifferentieerde cellen een complete en functionele lever.

Om zich te ontwikkelen tot de gespecialiseerde cellen die het organisme nodig heeft, moeten cellen weten wat andere cellen in hun directe omgeving aan het doen zijn. Speciale receptoren voor cel-tot-cel contact en gap junctions tussen cellen vergemakkelijken de directe uitwisseling van signalen tussen naburige cellen. Cellen kunnen ervoor zorgen dat hun omgeving overeenkomt met hun gedifferentieerde specialisatie.

In cel-naar-cel signalering, speciaal gevormde receptoreiwitten op het oppervlak van een cel komen overeen met overeenkomstige eiwitten op het membraan van een naburige cel. Wanneer de cellen met elkaar in contact komen, verbinden de twee eiwitten zich en wordt een signaal van de ene cel naar de andere geactiveerd. Het signaal gaat door het celmembraan en komt de cel binnen waar het een specifiek celgedrag veroorzaakt.

Huidcellen moeten er bijvoorbeeld voor zorgen dat ze andere huidcellen om zich heen hebben, maar sommige huidcellen zullen de cellen van het onderliggende weefsel eronder hebben. Door cel-naar-cel-signalering kunnen cellen ervoor zorgen dat hun omgeving overeenkomt met hun differentiatie.

Gap junctions zijn speciale verbindingen tussen naburige cellen die een gemakkelijke en directe uitwisseling van eiwitten mogelijk maken die als berichten fungeren. Met behulp van gap junctions kunnen cellen hun activiteiten coördinerenen signalen uitwisselen snel en gemakkelijk.

Bijvoorbeeld, zenuwcellen gebruik gap junctions om zenuwbanen tot stand te brengen, en gap junctions laten cellen differentiëren tot de type zenuwcel dat geschikt is voor hun locatie in de huid, in het ruggenmerg of in de hersenen.

Celsignalering en de resulterende celdifferentiatie zijn complexe processen met veel stappen. Signalen moeten worden geproduceerd, gepropageerd, ontvangen en opgevolgd. Triggers die het gevolg zijn van celsignalen moeten werken zoals verwacht. Factoren die een van de stappen verstoren, kunnen de celdifferentiatie beïnvloeden en veranderingen in het organisme veroorzaken.

Factoren die celsignalering en celdifferentiatie kunnen beïnvloeden en verstoren, zijn onder meer een gebrek aan voedingsstoffen; als een cel geen eiwit kan produceren omdat het de bouwstenen mist, kan het niet differentiëren. Mutaties in de genetische code zijn een ander probleem.

Als het DNA defect is of de transcriptie verkeerd is, wordt het signalerings- en differentiatieproces verstoord. Bovendien, als de signalerende chemicaliën worden geblokkeerd of de celreceptoren zijn gevuld met niet-signalerende chemische bindingen, zal het signaleringsproces niet goed werken.

Invloeden uit de omgeving van het organisme die celsignalering, genexpressie en celdifferentiatie kunnen beïnvloeden, kunnen het proces veranderen, stoppen of verstoren. Sommige omgevingsfactoren worden door het organisme gebruikt voor aanpassing, andere kunnen worden gebruikt om ziekten te bestrijden en andere kunnen het organisme schaden of doden.

Zo kan de omgevingstemperatuur de ontwikkeling van sommige organismen beïnvloeden. Hogere temperaturen versnellen de groei van cellen en hun differentiatie, terwijl lage temperaturen de ontwikkeling vertragen of stoppen.

Geneesmiddelen kunnen schadelijke celdifferentiatie verstoren. Medicijnen kunnen bijvoorbeeld een van de processtappen voor onbeperkte tumorgroei blokkeren en de expressie van de overeenkomstige genen stoppen.

Verwondingen kunnen de genexpressie beïnvloeden en beïnvloeden welk type cel nodig is om schade te herstellen. Virussen en bacteriën celdifferentiatie kan beïnvloeden. Als een moeder bijvoorbeeld is geïnfecteerd met een ziekte zoals rubella, kan de zich ontwikkelende foetus de celdifferentiatie beïnvloeden en geboorteafwijkingen ontwikkelen.

Ten slotte kunnen giftige chemicaliën de celdifferentiatie beïnvloeden. Stoffen die signaalchemicaliën aanvallen of blokkeren of die signaalreceptorposities op celmembranen blokkeren, kunnen de signaalactiviteit stoppen en celdifferentiatie beïnvloeden.

Op deze omgevingsfactoren probeert het organisme te reageren door interne processen aan te passen of te veranderen. Aanpassing is effectief voor sommige van de omgevingsinvloeden, maar voor andere kan het organisme overleven maar defecten vertonen, of het organisme kan sterven.