Factori implicați în diferențierea celulară

Pe parcursul diferențierea celulară în organismele multicelulare, celulele se specializează și preiau roluri precum cele ale celulelor nervoase, musculare și sanguine. Factorii implicați în declanșarea diferențierii celulare includ semnalizare celulară, influențele de mediu și nivelul de dezvoltare al organismului.

Diferențierea celulară de bază are loc după ce o spermatozoid fertilizează un ovul și rezultatul zigot atinge o anumită dimensiune. În acel moment zigotul începe să dezvolte diferite tipuri de celule și are nevoie de celule diferențiate pentru a prelua funcțiile specializate.

Mecanismul care stă la baza diferențierii celulare este expresia genelor. Toate celulele unui organism au seturi identice de gene, deoarece codul genetic a fost copiat din celula ovulă originală fertilizată de spermatozoizi. Pentru a prelua o funcție specializată, o celulă va exprima sau va folosi doar unele dintre genele din codul său genetic și va ignora restul.

De exemplu, o celulă care se diferențiază pentru a deveni o celulă hepatică va exprima

Diferențierea celulară are loc în trei situații:

• creştere a unui organism imatur într-un adult.
  
• Normal cifra de afaceri de celule precum celulele sanguine din organismele mature.
• reparație de țesuturi deteriorate atunci când celulele specializate trebuie înlocuite.

În fiecare caz, semnalizarea celulară informează celulele ce tip de celulă specializată este necesară. Celulele nediferențiate exprimă genele corespunzătoare pentru a satisface nevoile organismului.

Codul genetic al celulelor eucariote este localizat pe ADN-ul din nucleu. ADN-ul nu poate părăsi nucleul, astfel încât celula trebuie să copieze gena pe care vrea să o exprime.

ARN Messenger (ARNm) se atașează la ADN și copiază gena relevantă. ARNm poate călători în afara nucleului și poate aduce instrucțiunile genetice către ribozomi care plutesc în citoplasma celulară sau care sunt atașați de reticulul endoplasmatic. ribozomi produc proteina codificată de gena exprimată.

În funcție de semnalele primite de celulă, de influențele de mediu și de stadiul de dezvoltare al celulei, procesul de exprimare a genei poate fi blocat în orice stadiu. Dacă proteina codificată de genă nu este necesară de către organism, ARNm nu va copia gena, iar procesul de exprimare a genei nu va începe.

Chiar și după ce ARNm copiază gena, molecula ARNm poate fi blocată din ieșirea din nucleu sau poate să nu poată ajunge la un ribozom. Este posibil ca ribozomii să nu producă proteina necesară chiar dacă ARNm furnizează copiatul cod genetic. Diferiti factori pot influenta expresia genelor pe tot parcursul acestui proces in mai multi pasi.

Organismele au mai multe modalități de a se asigura că celulele se dezvoltă în celulele specializate și diferențiate necesare.

Factorul cheie care determină diferențierea celulară în organism este fabricarea proteinelor. Celulele se pot diferenția în funcție de genele exprimate și de proteinele codificate în genele exprimate. Proteinele produse ajută celulele diferențiate să își îndeplinească funcția specializată și le permit să le spună altor celule ce fac prin semnalizarea celulară.

Un alt mecanism care poate influența diferențierea celulară este segregare asimetrică în diviziune celulara. Substanțe precum proteine ​​speciale se adună la un capăt al celulei. Când celula se împarte, o celulă fiică are mai multe proteine ​​speciale decât cealaltă. Celulele devin diferite tipuri de celule datorită distribuției diferite a proteinelor.

Pe măsură ce o celulă se diferențiază, tipul de specializare pe care îl poate lua devine mai limitat. Embrionare celule stem poate deveni inițial orice tip de celulă, dar odată ce celula este matură și a preluat un rol specializat, adesea nu se mai poate schimba. Celulele stem embrionare sunt numite totipotent celulele, deoarece pot prelua orice rol în timp ce celulele mature, specializate, care sunt complet diferențiate, își pot îndeplini doar funcția specializată.

Expresia genică este responsabilă pentru specializarea celulară, dar celulele de bază trebuie să poată prelua funcțiile specializate. Înainte ca diferențierea și specializarea celulei să poată avea loc, trebuie să fie disponibil tipul corect de celulă. Segregarea asimetrică poate produce astfel de tipuri diferite de celule. Celulele embrionare totipotente devin unul din cele trei tipuri de pluripotent celule care în cele din urmă se diferențiază în diferitele țesuturi ale corpului.

Cele trei tipuri de celule pluripotente sunt:

• Endoderm celulele devin căptușeala tractului respirator și digestiv, precum și formează ficatul și multe dintre glandele majore, cum ar fi pancreasul.
  
• Mesoderm celulele se diferențiază pentru a forma mușchi, oase, țesut conjunctiv și inimă.
• Ectoderm celulele formează pielea și nervii.

În timp ce semnalizarea celulară este responsabilă pentru producerea unor tipuri diferite de celule și pentru celulă specializarea, segregarea asimetrică acționează la începutul dezvoltării celulare pentru a produce pluripotent celule.

Transcrierea ADN-ului la ARNm are loc astfel încât ARNm să producă anumite proteine ​​la un capăt al celulei și diferite proteine ​​la celălalt capăt. Diviziunea celulară are ca rezultat două tipuri diferite de celule fiice care pot continua să producă celule cu specializări diferite.

Mecanismele interne care influențează diferențierea celulară a celulelor pluripotente se bazează în principal pe semnalizarea celulară. Celulele primesc semnale chimice care le spun ce tip de celulă sau ce fel de proteină este necesară.

Mecanismele de semnalizare celulară includ:

• Difuzie, în care celulele eliberează substanțe chimice care se răspândesc în țesuturi.
• Contact direct, în care celulele au substanțe chimice speciale pe membranele lor celulare.
• Joncțiuni de gol, în care substanțele chimice de semnalizare pot trece direct de la o celulă la alta.

Celulele trimit continuu mesaje chimice cu privire la activitățile lor și primesc semnale despre ce se întâmplă în vecinătatea lor imediată, în țesuturile în care sunt localizate și în corp mare. Aceste semnale sunt principalii factori care afectează specializarea celulară, iar semnalizarea celulară este factorul cheie care determină diferențierea celulelor în organism.

Celulele devin sensibile la anumite semnale chimice, deoarece au receptori pe membrana lor celulară. Receptorii depind de tipul de celulă, de modul în care s-a dezvoltat și de genele care sunt exprimate. Pe măsură ce receptorii sunt activați, celula se diferențiază în continuare.

Când o celulă trimite un semnal către multe celule din apropiere, emite o substanță chimică care difuzează prin țesutul în care este încorporată celula. Semnalul chimic este captat de receptorii din membranele celulare ale celulelor din jur și declanșează un răspuns în interiorul fiecărei celule. Aceste răspunsuri ajută la diferențierea celulelor într-un mod care construiește țesut.

De exemplu, celulele care vor deveni parte a unui ficat emit substanțe chimice care declanșează receptorii corespunzători din celulele din apropiere și toate celulele din acea locație se diferențiază pentru a deveni celule hepatice. Pe măsură ce se formează țesutul hepatic, semnalizarea ulterioară a celulelor declanșează unele celule să se diferențieze în celule de conductă sau țesut de conectare. În cele din urmă, celulele diferențiate formează un ficat complet și funcțional.

Pentru a se dezvolta în celulele specializate necesare organismului, celulele trebuie să știe ce fac alte celule din împrejurimile lor imediate. Receptorii speciali pentru contactul dintre celule și joncțiunile dintre celule facilitează schimbul direct de semnale între celulele vecine. Celulele se pot asigura că împrejurimile lor corespund specializării lor diferențiate.

În semnalizare de la celulă la celulă, proteinele receptor special formate de pe suprafața unei celule se potrivesc cu proteinele corespunzătoare de pe membrana unei celule vecine. Când celulele intră în contact, cele două proteine ​​se leagă și un semnal este declanșat de la o celulă la alta. Semnalul trece prin membrana celulară și intră în celulă unde provoacă un comportament specific al celulei.

De exemplu, celulele pielii trebuie să se asigure că au alte celule ale pielii în jurul lor, dar unele celule ale pielii vor avea celulele țesutului de sub ele. Semnalizarea de la celulă la celulă permite celulelor să se asigure că împrejurimile lor se potrivesc diferențierii lor.

Joncțiunile gap sunt legături speciale între celulele vecine care permit un schimb ușor și direct de proteine ​​care acționează ca mesaje. Folosind joncțiuni gap, celulele pot coordonează activitățile lorși schimb de semnale repede și ușor.

De exemplu, celule nervoase utilizați joncțiuni gap pentru a stabili căi nervoase, iar joncțiunile gap permit celulelor să se diferențieze în tip de celulă nervoasă adecvată localizării lor în piele, în măduva spinării sau în creier.

Semnalizarea celulară și diferențierea celulară rezultată sunt procese complexe cu mai mulți pași. Semnalele trebuie produse, propagate primite și acționate. Declanșatoarele rezultate din semnalele celulare trebuie să funcționeze conform așteptărilor. Factorii care perturbă oricare dintre pași pot influența diferențierea celulară și pot provoca modificări ale organismului.

Factorii care pot influența și perturba semnalizarea celulară și diferențierea celulară includ lipsa nutrienților; dacă o celulă nu poate produce o proteină, deoarece îi lipsesc elementele de bază, nu se poate diferenția. Mutațiile din codul genetic sunt o altă problemă.

Dacă ADN-ul este defect sau transcrierea este greșită, procesul de semnalizare și diferențiere este întrerupt. În plus față de acestea, dacă substanțele chimice de semnalizare sunt blocate sau receptorii celulari sunt umpluți cu legături chimice nesemnalizante, procesul de semnalizare nu va funcționa corect.

Influențele din mediul înconjurător ale organismului care pot afecta semnalizarea celulară, expresia genelor și diferențierea celulară pot schimba, opri sau perturba procesul. Unii factori de mediu sunt utilizați de organism pentru adaptare, unii pot fi utilizați pentru a combate bolile și unii dăunează sau ucid organismul.

De exemplu, temperatura mediului poate influența dezvoltarea unor organisme. Temperaturile mai ridicate accelerează creșterea celulelor și diferențierea lor, în timp ce temperaturile scăzute încetinesc sau opresc dezvoltarea.

Medicamentele pot perturba diferențierea celulară dăunătoare. De exemplu, medicamentele pot bloca una dintre etapele procesului pentru o creștere tumorală nelimitată și pot opri expresia genelor corespunzătoare.

Leziunile pot afecta expresia genelor și pot influența ce tip de celulă este necesară pentru a repara daunele. Viruși și bacterii poate influența diferențierea celulară. De exemplu, dacă o mamă este infectată cu o boală precum rubeola, fătul în curs de dezvoltare poate avea influențarea diferențierii sale celulare și poate dezvolta malformații congenitale.

În cele din urmă, substanțele chimice toxice pot afecta diferențierea celulară. Substanțele care atacă sau blochează substanțele chimice de semnalizare sau care blochează pozițiile receptorilor de semnal pe membranele celulare pot opri activitatea de semnalizare și influența diferențierea celulară.

În cazul acestor factori de mediu, organismul încearcă să răspundă prin adaptare sau prin schimbarea proceselor interne. Adaptare este eficient pentru unele dintre influențele mediului, dar pentru altele, organismul poate supraviețui, dar poate prezenta defecte sau organismul poate muri.