W trakcie różnicowanie komórek w organizmach wielokomórkowych komórki specjalizują się i przejmują role, takie jak komórki nerwowe, mięśniowe i krwi. Czynniki zaangażowane w wyzwalanie różnicowania komórek obejmują: sygnalizacja komórkowa, wpływy środowiska i poziom rozwoju organizmu.
Podstawowe różnicowanie komórek następuje po zapłodnieniu komórki jajowej przez plemnik, a powstałe zygota osiąga określony rozmiar. W tym momencie zygota zaczyna rozwijać różne typy komórek i potrzebuje zróżnicowanych komórek, aby przejąć wyspecjalizowane funkcje.
Mechanizm, który leży u podstaw różnicowania komórek, to: Ekspresja genu. Wszystkie komórki organizmu mają identyczne zestawy genów, ponieważ kod genetyczny został skopiowany z oryginalnej komórki jajowej zapłodnionej przez plemnik. Aby przejąć wyspecjalizowaną funkcję, komórka będzie wyrażać lub wykorzystywać tylko niektóre geny w swoim kodzie genetycznym, a resztę ignoruje.
Na przykład komórka, która różnicuje się, aby stać się komórką wątroby, będzie wyrażać
komórka wątroby geny, a wszystkie inne komórki wątroby będą używać tego samego zestawu genów wątroby. Zróżnicują się razem, tworząc wątrobę.Różnicowanie komórek odbywa się w trzech sytuacjach:
- wzrost niedojrzałego organizmu w dorosłego.
- Normalna obrót handlowy komórek, takich jak komórki krwi w dojrzałych organizmach.
- naprawic uszkodzonych tkanek, gdy trzeba wymienić wyspecjalizowane komórki.
W każdym przypadku sygnalizacja komórkowa informuje komórki o wymaganym typie wyspecjalizowanej komórki. Niezróżnicowane komórki wyrażają odpowiednie geny w celu zaspokojenia potrzeb organizmu.
Ekspresja genów działa poprzez tworzenie kopii genu
Kod genetyczny komórek eukariotycznych znajduje się na DNA w jądro. DNA nie może opuścić jądra, więc komórka musi skopiować gen, który chce wyrazić.
Komunikator RNA (mRNA) przyłącza się do DNA i kopiuje odpowiedni gen. mRNA może podróżować poza jądro i przenosić instrukcje genetyczne do rybosomów unoszących się w cytoplazmie komórki lub przyłączonych do retikulum endoplazmatycznego. rybosomy wytwarzają białko kodowane przez eksprymowany gen.
W zależności od sygnałów odbieranych przez komórkę, wpływów środowiskowych i stadium rozwoju komórki, proces ekspresji genów może zostać zablokowany na każdym etapie. Jeśli białko kodowane przez gen nie jest potrzebne organizmowi, mRNA nie skopiuje genu, a proces ekspresji genu nie rozpocznie się.
Nawet po skopiowaniu genu przez mRNA cząsteczka mRNA może zostać zablokowana przed opuszczeniem jądra lub może nie być w stanie dotrzeć do rybosomu. Rybosomy mogą nie wytwarzać wymaganego białka, nawet jeśli mRNA dostarcza skopiowane kod genetyczny. Różne czynniki mogą wpływać na ekspresję genów w całym tym wieloetapowym procesie.
Czynniki wewnętrzne wpływające na specjalizację komórek
Organizmy mają kilka sposobów na zapewnienie, że komórki rozwiną się w potrzebne wyspecjalizowane i zróżnicowane komórki.
Kluczowym czynnikiem napędzającym różnicowanie komórek w organizmie jest produkcja białek. Komórki mogą się różnicować w zależności od tego, które geny ulegają ekspresji i jakie białka są kodowane w eksprymowanych genach. Wytworzone białka pomagają zróżnicowanym komórkom w wykonywaniu ich wyspecjalizowanych funkcji i pozwalają im mówić innym komórkom, co robią poprzez sygnalizację komórkową.
Kolejnym mechanizmem, który może wpływać na różnicowanie komórek, jest: segregacja asymetryczna w podział komórek. Substancje takie jak specjalne białka gromadzą się na jednym końcu komórki. Kiedy komórka się dzieli, jedna komórka potomna ma więcej specjalnych białek niż druga. Komórki stają się różnymi typami komórek ze względu na różne rozmieszczenie białek.
W miarę różnicowania się komórki rodzaj specjalizacji, którą może podjąć, staje się bardziej ograniczony. Embrionalny komórki macierzyste może początkowo stać się dowolnym typem komórki, ale gdy komórka dojrzeje i przyjmie wyspecjalizowaną rolę, często nie może się już zmienić. Embrionalne komórki macierzyste nazywane są totipotentny komórki, ponieważ nadal mogą pełnić dowolną rolę, podczas gdy dojrzałe, wyspecjalizowane komórki, które są w pełni zróżnicowane, mogą pełnić jedynie swoją wyspecjalizowaną funkcję.
Segregacja asymetryczna wytwarza różne komórki
Ekspresja genów odpowiada za specjalizację komórki, ale podstawowe komórki muszą być w stanie przejąć wyspecjalizowane funkcje. Zanim będzie mogło dojść do różnicowania i specjalizacji komórek, musi być dostępny odpowiedni typ komórki. Segregacja asymetryczna może wytworzyć tak różne typy komórek. Totipotencjalne komórki embrionalne stają się jednym z trzech typów pluripotencjalny komórki, które ostatecznie różnicują się w różne tkanki ciała.
Trzy rodzaje komórek pluripotencjalnych to:
-
Endoderma komórki stają się wyściółką dróg oddechowych i przewodu pokarmowego, a także tworzą wątrobę i wiele głównych gruczołów, takich jak trzustka.
- Mezoderma komórki różnicują się, tworząc mięśnie, kości, tkankę łączną i serce.
- Ektoderma komórki tworzą skórę i nerwy.
Podczas gdy sygnalizacja komórkowa jest odpowiedzialna za produkcję niektórych różnych typów komórek i za komórkę specjalizacja, segregacja asymetryczna działa na początku rozwoju komórki, aby wytworzyć pluripotencjalną komórki.
Transkrypcja DNA do mRNA odbywa się w taki sposób, że mRNA wytwarza pewne białka na jednym końcu komórki i różne białka na drugim końcu. Podział komórki skutkuje powstaniem dwóch różnych typów komórek potomnych, które mogą dalej wytwarzać komórki o różnych specjalizacjach.
Sygnalizacja komórkowa jest podstawą różnicowania komórek
Wewnętrzne mechanizmy wpływające na różnicowanie komórek pluripotencjalnych opierają się głównie na sygnalizacji komórkowej. Komórki otrzymują sygnały chemiczne, które mówią im, jaki rodzaj komórki lub jaki rodzaj białka jest potrzebny.
Mechanizmy sygnalizacji komórkowej obejmują:
- Dyfuzja, w którym komórki uwalniają substancje chemiczne, które rozprzestrzeniają się w tkankach.
- Bezpośredni kontakt, w którym komórki mają specjalne substancje chemiczne na swoich błonach komórkowych.
- Węzły szczelinowe, w którym chemikalia sygnalizacyjne mogą przechodzić bezpośrednio z jednej komórki do drugiej.
Komórki nieustannie wysyłają chemiczne komunikaty dotyczące swojej działalności i otrzymują sygnały o tym, co dzieje się w ich bezpośrednim sąsiedztwie, w tkankach, w których się znajdują oraz w organizmie przy duży. Sygnały te są głównymi czynnikami wpływającymi na specjalizację komórek, a sygnalizacja komórkowa jest kluczowym czynnikiem napędzającym różnicowanie komórek w organizmie.
Sygnalizacja komórkowa poprzez dyfuzję wpływa na rozwój tkanek
Komórki stają się wrażliwe na pewne sygnały chemiczne, ponieważ mają receptory na ich błonie komórkowej. Receptory zależą od typu komórki, jej rozwoju i ekspresji genów. Gdy receptory są aktywowane, komórka dalej się różnicuje.
Kiedy komórka wysyła sygnał do wielu pobliskich komórek, emituje substancję chemiczną, która dyfunduje przez tkankę, w której osadzona jest komórka. Sygnał chemiczny jest wychwytywany przez receptory w błonach komórkowych otaczających komórek i wyzwala odpowiedź wewnątrz każdej komórki. Te odpowiedzi pomagają w różnicowaniu komórek w sposób, który: buduje tkankę.
Na przykład komórki, które staną się częścią wątroby, emitują substancje chemiczne, które uruchamiają odpowiednie receptory w pobliskich komórkach, a wszystkie komórki w tej lokalizacji różnicują się, aby stać się komórkami wątroby. Gdy tworzy się tkanka wątroby, dalsza sygnalizacja komórkowa powoduje, że niektóre komórki różnicują się w komórki przewodu lub tkankę łączącą. Ostatecznie zróżnicowane komórki tworzą kompletną i funkcjonalną wątrobę.
Lokalna sygnalizacja komórkowa pozwala komórkom rozpoznać sąsiadów
Aby rozwinąć się w wyspecjalizowane komórki potrzebne organizmowi, komórki muszą wiedzieć, co robią inne komórki w ich bezpośrednim otoczeniu. Specjalne receptory do kontaktu komórka-komórka i połączenia szczelinowe między komórkami ułatwiają bezpośrednią wymianę sygnałów między sąsiadującymi komórkami. Komórki mogą zapewnić, że ich otoczenie odpowiada ich zróżnicowanej specjalizacji.
W sygnalizacja komórka-komórka, specjalnie utworzone białka receptorowe na powierzchni komórki pasują do odpowiednich białek na błonie sąsiedniej komórki. Kiedy komórki wchodzą w kontakt, dwa białka łączą się i sygnał jest wyzwalany z jednej komórki do drugiej. Sygnał przechodzi przez błonę komórkową i wchodzi do komórki, gdzie powoduje określone zachowanie komórki.
Na przykład komórki skóry muszą upewnić się, że mają wokół siebie inne komórki skóry, ale niektóre komórki skóry będą miały pod sobą komórki leżącej pod nimi tkanki. Sygnalizacja komórkowa umożliwia komórkom zapewnienie, że ich otoczenie odpowiada ich różnicowaniu.
Połączenia szczelinowe to specjalne połączenia między sąsiadującymi komórkami, które umożliwiają łatwą i bezpośrednią wymianę białek działających jako wiadomości. Używając połączeń szczelinowych, komórki mogą koordynować ich działaniai wymiany sygnałów szybko i łatwo.
Na przykład, komórki nerwowe wykorzystaj połączenia szczelinowe do ustanowienia szlaków nerwowych, a połączenia szczelinowe umożliwiają komórkom różnicowanie się w rodzaj komórek nerwowych, który jest odpowiedni do ich lokalizacji w skórze, w rdzeniu kręgowym lub w mózg.
Czynniki wpływające na sygnalizację komórkową wpływają na różnicowanie komórek
Sygnalizacja komórkowa i wynikające z niej różnicowanie komórek to złożone procesy wieloetapowe. Sygnały muszą być wytwarzane, propagowane, odbierane i podejmowane. Wyzwalacze wynikające z sygnałów komórkowych muszą działać zgodnie z oczekiwaniami. Czynniki zakłócające którykolwiek z etapów mogą wpływać na różnicowanie komórek i powodować zmiany w organizmie.
Czynniki, które mogą wpływać i zakłócać sygnalizację komórkową i różnicowanie komórek, obejmują brak składników odżywczych; jeśli komórka nie może wyprodukować białka, ponieważ brakuje jej elementów budulcowych, nie może się różnicować. Kolejnym problemem są mutacje w kodzie genetycznym.
Jeśli DNA jest wadliwe lub transkrypcja jest nieprawidłowa, proces sygnalizacji i różnicowania zostaje zakłócony. Ponadto, jeśli sygnalizujące substancje chemiczne są zablokowane lub receptory komórkowe są wypełnione niesygnalizacyjnymi wiązaniami chemicznymi, proces sygnalizacji nie będzie działał prawidłowo.
Czynniki środowiskowe mogą wpływać na różnicowanie komórek
Wpływy ze środowiska organizmu, które mogą wpływać na sygnalizację komórkową, ekspresję genów i różnicowanie komórek, mogą zmienić, zatrzymać lub zakłócić ten proces. Niektóre czynniki środowiskowe są wykorzystywane przez organizm do adaptacji, inne mogą być wykorzystywane do walki z chorobami, a inne szkodzą lub zabijają organizm.
Na przykład temperatura otoczenia może wpływać na rozwój niektórych organizmów. Wyższe temperatury przyspieszają wzrost komórek i ich różnicowanie, podczas gdy niskie temperatury spowalniają lub zatrzymują rozwój.
Leki mogą zakłócać szkodliwe różnicowanie komórek. Na przykład leki mogą blokować jeden z etapów procesu w celu nieograniczonego wzrostu guza i zatrzymać ekspresję odpowiednich genów.
Urazy mogą wpływać na ekspresję genów i wpływać na rodzaj komórki potrzebnej do naprawy uszkodzenia. Wirusy i bakteria może wpływać na różnicowanie komórek. Na przykład, jeśli matka jest zarażona chorobą taką jak różyczka, rozwijający się płód może mieć wpływ na różnicowanie komórek i mogą rozwinąć się wady wrodzone.
Wreszcie toksyczne chemikalia mogą wpływać na różnicowanie komórek. Substancje, które atakują lub blokują chemikalia sygnalizacyjne lub które blokują pozycje receptorów sygnałowych na błonach komórkowych, mogą zatrzymać aktywność sygnalizacyjną i wpływać na różnicowanie komórek.
W przypadku tych czynników środowiskowych organizm próbuje zareagować adaptując się lub zmieniając procesy wewnętrzne. Dostosowanie jest skuteczny w przypadku niektórych wpływów środowiskowych, ale w przypadku innych organizm może przetrwać, ale wykazywać defekty lub organizm może umrzeć.