Faktorer involvert i celledifferensiering

I løpet av celledifferensiering i flercellede organismer blir celler spesialiserte og påtar seg roller som nerve-, muskel- og blodceller. Faktorer involvert i å utløse celledifferensiering inkluderer celle signaleringmiljøpåvirkning og organismenes utviklingsnivå.

Grunnleggende celledifferensiering skjer etter at en sædcelle gjødsler et egg og det resulterende zygote når en viss størrelse. På det tidspunktet begynner zygoten å utvikle forskjellige celletyper og trenger differensierte celler for å påta seg de spesialiserte funksjonene.

Mekanismen som er roten til celledifferensiering er genuttrykk. Alle cellene i en organisme har identiske sett med gener fordi den genetiske koden ble kopiert fra den opprinnelige eggcellen som ble befruktet av sædcellen. For å påta seg en spesialisert funksjon vil en celle bare uttrykke eller bruke noen av genene i sin genetiske kode og ignorere resten.

For eksempel vil en celle som skiller seg ut til å bli en levercelle uttrykke levercelle gener, og alle de andre levercellene vil bruke det samme settet med levergener. De vil skille seg sammen for å danne leveren.

Celledifferensiering finner sted i tre situasjoner:

• De vekst av en umoden organisme til en voksen.
  
• Vanlig omsetning av celler som blodceller i modne organismer.
• De reparere av skadet vev når spesialceller må byttes ut.

I hvert tilfelle informerer cellesignalering cellene hvilken type spesialcelle som kreves. Udifferensierte celler uttrykker de tilsvarende gener for å oppfylle organismenes behov.

Den genetiske koden til eukaryote celler ligger på DNA i cellekjernen. DNA kan ikke forlate kjernen, så cellen må kopiere genet den vil uttrykke.

Messenger RNA (mRNA) fester seg til DNA og kopierer det relevante genet. MRNA kan reise utenfor kjernen og bringe de genetiske instruksjonene til ribosomer som flyter i cellecytoplasmaet eller som er festet til det endoplasmatiske retikulumet. De ribosomer produsere proteinet kodet av det uttrykte genet.

Avhengig av signalene som mottas av cellen, miljøpåvirkningen og utviklingsstadiet til cellen, kan prosessen med genuttrykk blokkeres når som helst. Hvis proteinet kodet av genet ikke er nødvendig av organismen, vil ikke mRNA kopiere genet, og genekspresjonsprosessen vil ikke starte.

Selv etter at mRNA har kopiert genet, kan mRNA-molekylet være blokkert fra å komme ut av kjernen, eller kanskje ikke være i stand til å nå et ribosom. Ribosomer kan ikke produsere det nødvendige proteinet selv om mRNA leverer den kopierte genetisk kode. Ulike faktorer kan påvirke genuttrykk gjennom denne flertrinnsprosessen.

Organismer har flere måter å sikre at celler utvikler seg til de spesialiserte og differensierte cellene som trengs.

Nøkkelfaktoren som driver celledifferensiering i kroppen er produksjon av proteiner. Celler kan skille seg avhengig av hvilke gener som uttrykkes og hvilke proteiner som er kodet i de uttrykte genene. De produserte proteinene hjelper de differensierte cellene med å utføre sin spesialiserte funksjon og lar dem fortelle andre celler hva de gjør gjennom cellesignalering.

En ytterligere mekanisme som kan påvirke celledifferensiering er asymmetrisk segregering i celledeling. Stoffer som spesielle proteiner samles i den ene enden av en celle. Når cellen deler seg, har den ene dattercellen flere av de spesielle proteinene enn den andre. Cellene blir forskjellige typer celler på grunn av den forskjellige proteindistribusjonen.

Når en celle skiller seg ut, blir typen spesialisering den kan ta på seg mer begrenset. Embryonale stamceller kan i utgangspunktet bli hvilken som helst type celle, men når cellen er moden og har fått en spesialisert rolle, kan den ofte ikke lenger endre seg. Embryonale stamceller kalles totipotent celler fordi de fremdeles kan ta en hvilken som helst rolle mens modne, spesialiserte celler som er fullt differensierte, bare kan utføre deres spesialiserte funksjon.

Genuttrykk er ansvarlig for cellespesialisering, men grunncellene må kunne påta seg de spesialiserte funksjonene. Før differensiering og cellespesialisering kan finne sted, må riktig celletype være tilgjengelig. Asymmetrisk segregering kan produsere så forskjellige typer celler. Totipotente embryonale celler blir en av tre typer pluripotent celler som til slutt skiller seg ut i de forskjellige kroppsvevene.

De tre typene pluripotente celler er:

• Endoderm celler blir slimhinnen i luftveiene og fordøyelseskanalene, i tillegg til at de danner leveren og mange av de store kjertlene som bukspyttkjertelen.
  
• Mesoderm celler skiller seg ut for å danne muskler, bein, bindevev og hjertet.
• Ektoderm celler danner hud og nerver.

Mens cellesignalering er ansvarlig for produksjonen av noen forskjellige celletyper og for celle spesialisering, asymmetrisk segregering virker i begynnelsen av celleutvikling for å produsere pluripotent celler.

DNA-transkripsjon til mRNA foregår på en slik måte at mRNA produserer visse proteiner i den ene enden av cellen og forskjellige proteiner i den andre enden. Celledeling resulterer i to forskjellige typer datterceller som kan fortsette å produsere celler med forskjellige spesialiseringer.

Interne mekanismer som påvirker celledifferensiering av pluripotente celler er hovedsakelig basert på cellesignalering. Celler mottar kjemiske signaler som forteller dem hvilken type celle eller hvilken type protein som trengs.

Cellesignaliseringsmekanismer inkluderer:

• Spredning, der celler frigjør kjemikalier som sprer seg gjennom vevet.
• Direkte kontakt, hvor celler har spesielle kjemikalier på cellemembranene.
• Gapkryss, hvor signalkjemikalier kan passere direkte fra en celle til en annen.

Celler sender kontinuerlig kjemiske meldinger om aktivitetene sine og mottar signaler om hva foregår i deres nærmeste nabolag, i vevet der de befinner seg og i kroppen på stor. Disse signalene er de viktigste faktorene som påvirker cellespesialisering, og cellesignalering er nøkkelfaktoren som driver celledifferensiering i kroppen.

Celler blir følsomme for visse kjemiske signaler fordi de har det reseptorer på cellemembranen. Reseptorene avhenger av celletypen, hvordan den har utviklet seg og hvilke gener som blir uttrykt. Når reseptorer aktiveres, skiller cellen seg ytterligere.

Når en celle sender et signal til mange nærliggende celler, sender den ut et kjemikalie som diffunderer gjennom vevet der cellen er innebygd. Det kjemiske signalet fanges opp av reseptorer i cellemembranene i de omkringliggende cellene og utløser en respons inne i hver celle. Disse svarene bidrar til at cellene skiller seg på en måte som bygger vev.

For eksempel avgir celler som blir en del av leveren kjemikalier som utløser de tilsvarende reseptorene i nærliggende celler, og alle cellene på det stedet skiller seg ut til å bli leverceller. Når levervevet dannes, utløser ytterligere cellesignalering noen celler til å skille seg ut i kanalceller eller koblingsvev. Til slutt danner de differensierte cellene en komplett og funksjonell lever.

For å utvikle seg til de spesialiserte cellene organismen trenger, må cellene vite hva andre celler i deres umiddelbare omgivelser gjør. Spesielle reseptorer for celle-til-celle-kontakt og gap-kryss mellom celler letter direkte utveksling av signaler mellom naboceller. Celler kan sikre at omgivelsene samsvarer med deres differensierte spesialisering.

I celle-til-celle-signalering, spesielt dannede reseptorproteiner på overflaten av en celle, samsvarer med tilsvarende proteiner på en nærliggende celles membran. Når cellene kommer i kontakt, kobles de to proteinene, og et signal utløses fra den ene cellen til den andre. Signalet passerer gjennom cellemembranen og kommer inn i cellen der det forårsaker en spesifikk celleadferd.

For eksempel må hudceller sørge for at de har andre hudceller rundt seg, men noen hudceller vil ha cellene i det underliggende vevet under seg. Cell-til-celle-signalering lar celler sikre at omgivelsene samsvarer med deres differensiering.

Gap-veikryss er spesielle koblinger mellom naboceller som tillater en enkel og direkte utveksling av proteiner som fungerer som meldinger. Ved hjelp av gapkryss kan celler koordinere sine aktiviteterog utveksle signaler raskt og enkelt.

For eksempel, nerveceller bruk gapkryss for å etablere nerveveier, og gapkryss lar celler skille seg inn i type nervecelle som passer til deres plassering i huden, i ryggmargen eller i hjerne.

Cellesignalering og den resulterende celledifferensiering er komplekse prosesser med mange trinn. Signaler må produseres, forplantes mottatt og handles. Utløsere som skyldes cellesignaler må fungere som forventet. Faktorer som forstyrrer noen av trinnene kan påvirke celledifferensiering og forårsake endringer i organismen.

Faktorer som kan påvirke og forstyrre cellesignalisering og celledifferensiering inkluderer mangel på næringsstoffer; hvis en celle ikke kan produsere et protein fordi den mangler byggesteinene, kan den ikke skille seg ut. Mutasjoner i den genetiske koden er et annet problem.

Hvis DNA er defekt eller transkripsjonen er feil, blir signal- og differensieringsprosessen forstyrret. I tillegg til disse, hvis signalkjemikaliene er blokkert eller cellereseptorene er fylt med ikke-signaliserende kjemiske bindinger, vil ikke signalprosessen fungere som den skal.

Påvirkninger fra miljøet til organismen som kan påvirke cellesignalisering, genuttrykk og celledifferensiering kan endre, stoppe eller forstyrre prosessen. Noen miljøfaktorer brukes av organismen for tilpasning, noen kan brukes til å bekjempe sykdom og noen skade eller drepe organismen.

For eksempel kan omgivelsestemperatur påvirke utviklingen av noen organismer. Høyere temperaturer fremskynder veksten av celler og deres differensiering mens lave temperaturer bremser eller stopper utviklingen.

Legemidler kan forstyrre skadelig celledifferensiering. For eksempel kan medikamenter blokkere ett av prosessstrinnene for ubegrenset tumorvekst og stoppe ekspresjonen av de tilsvarende gener.

Skader kan påvirke genuttrykk og påvirke hvilken type celle som trengs for å reparere skader. Virus og bakterie kan påvirke celledifferensiering. For eksempel, hvis en mor er smittet med en sykdom som røde hunder, kan det utviklende fosteret påvirkes av celledifferensiering, og det kan utvikle fødselsskader.

Endelig kan giftige kjemikalier påvirke celledifferensiering. Stoffer som angriper eller blokkerer signalkjemikalier eller som blokkerer signalreseptorposisjoner på cellemembraner, kan stoppe signalaktivitet og påvirke celledifferensiering.

Når det gjelder disse miljøfaktorene, prøver organismen å reagere ved å tilpasse seg eller ved å endre interne prosesser. Tilpasning er effektiv for noen av miljøpåvirkningene, men for andre kan organismen overleve, men utvise mangler, eller organismen kan dø.