В течение дифференциация клеток В многоклеточных организмах клетки становятся специализированными и берут на себя такие роли, как нервные, мышечные и кровяные клетки. Факторы, участвующие в запуске дифференцировки клеток, включают: клеточная сигнализация, влияние окружающей среды и уровень развития организма.
Основная дифференцировка клеток происходит после того, как сперматозоид оплодотворяет яйцеклетку, и в результате зигота достигает определенного размера. В этот момент в зиготе начинают развиваться разные типы клеток, и ей нужны дифференцированные клетки, чтобы взять на себя специализированные функции.
Механизм, лежащий в основе дифференцировки клеток: экспрессия гена. Все клетки организма имеют одинаковые наборы генов, потому что генетический код был скопирован с исходной яйцеклетки, оплодотворенной сперматозоидом. Чтобы взять на себя специализированную функцию, клетка будет экспрессировать или использовать только некоторые гены своего генетического кода и игнорировать остальные.
Например, клетка, которая дифференцируется, чтобы стать клеткой печени, будет экспрессировать
клетка печени гены, и все другие клетки печени будут использовать тот же набор генов печени. Они будут дифференцироваться вместе, чтобы сформировать печень.Дифференцировка клеток происходит в трех ситуациях:
- В рост незрелого организма во взрослого.
- Обычный оборот клеток, таких как клетки крови в зрелых организмах.
- В ремонт поврежденных тканей, когда необходимо заменить специализированные клетки.
В каждом случае сигнализация ячейки сообщает ячейкам, какой тип специализированной ячейки требуется. Недифференцированные клетки экспрессируют соответствующие гены для удовлетворения потребностей организма.
Экспрессия гена работает путем создания копий гена
Генетический код эукариотических клеток расположен на ДНК в ядро. ДНК не может покинуть ядро, поэтому клетка должна копировать ген, который она хочет экспрессировать.
Посланник РНК (мРНК) прикрепляется к ДНК и копирует соответствующий ген. МРНК может перемещаться за пределы ядра и передавать генетические инструкции рибосомам, которые плавают в цитоплазме клетки или прикреплены к эндоплазматическому ретикулуму. В рибосомы продуцируют белок, кодируемый экспрессируемым геном.
В зависимости от сигналов, принимаемых клеткой, влияния окружающей среды и стадии развития клетки, процесс экспрессии генов может быть заблокирован на любой стадии. Если белок, кодируемый геном, не нужен организму, мРНК не будет копировать ген, и процесс экспрессии гена не начнется.
Даже после того, как мРНК скопирует ген, молекула мРНК может быть заблокирована от выхода из ядра или не сможет достичь рибосомы. Рибосомы могут не производить необходимый белок, даже если мРНК доставляет скопированный генетический код. На протяжении всего этого многоэтапного процесса на экспрессию генов могут влиять различные факторы.
Внутренние факторы, влияющие на клеточную специализацию
У организмов есть несколько способов гарантировать, что клетки развиваются в необходимые специализированные и дифференцированные клетки.
Ключевым фактором клеточной дифференциации в организме является производство белков. Клетки могут дифференцироваться в зависимости от того, какие гены экспрессируются и какие белки кодируются в экспрессируемых генах. Произведенные белки помогают дифференцированным клеткам выполнять свою специализированную функцию и позволяют им сообщать другим клеткам, что они делают, посредством передачи сигналов.
Еще один механизм, который может влиять на дифференцировку клеток, - это асимметричная сегрегация в деление клеток. Такие вещества, как особые белки, собираются на одном конце клетки. Когда клетка делится, одна дочерняя клетка имеет больше специальных белков, чем другая. Клетки становятся разными типами клеток из-за разного распределения белка.
По мере того, как клетка дифференцируется, тип специализации, которую она может принимать, становится все более ограниченным. Эмбриональный стволовые клетки поначалу может стать клеткой любого типа, но когда клетка созревает и берет на себя особую роль, она часто уже не может изменяться. Эмбриональные стволовые клетки называются тотипотент клетки, потому что они все еще могут брать на себя любую роль, в то время как зрелые специализированные клетки, которые полностью дифференцированы, могут выполнять только свои специализированные функции.
Асимметричная сегрегация приводит к образованию разных клеток
Экспрессия генов отвечает за специализацию клеток, но основные клетки должны иметь возможность брать на себя специализированные функции. Прежде чем может произойти дифференциация и специализация клеток, должен быть доступен правильный тип клетки. Асимметричная сегрегация может производить такие разные типы клеток. Тотипотентные эмбриональные клетки становятся одним из трех типов плюрипотентный клетки, которые в конечном итоге дифференцируются в различные ткани тела.
Три типа плюрипотентных клеток:
-
Эндодерма клетки становятся оболочкой дыхательных и пищеварительных трактов, а также образуют печень и многие из основных желез, таких как поджелудочная железа.
- Мезодерма клетки дифференцируются, образуя мышцы, кости, соединительную ткань и сердце.
- Эктодерма клетки образуют кожу и нервы.
В то время как передача сигналов клеток отвечает за производство некоторых различных типов клеток и за клеточную специализация, асимметричная сегрегация действует в начале развития клеток, чтобы производить плюрипотентные клетки.
Транскрипция ДНК к мРНК происходит таким образом, что мРНК продуцирует определенные белки на одном конце клетки и различные белки на другом конце. В результате деления клеток образуются дочерние клетки двух разных типов, которые в дальнейшем могут производить клетки с разной специализацией.
Передача клеточных сигналов лежит в основе дифференцировки клеток
Внутренние механизмы, влияющие на клеточную дифференцировку плюрипотентных клеток, в основном основаны на передаче сигналов. Клетки получают химические сигналы, которые говорят им, какой тип клеток или какой белок им нужен.
Клеточные сигнальные механизмы включают:
- Диффузия, при котором клетки выделяют химические вещества, которые распространяются по тканям.
- Прямой контакт, в которых клетки содержат специальные химические вещества на клеточных мембранах.
- Щелевые соединения, в котором сигнальные химические вещества могут переходить непосредственно из одной клетки в другую.
Клетки постоянно отправляют химические сообщения о своей деятельности и получают сигналы о том, что происходит в непосредственной близости от них, в тканях, где они расположены, и в организме на большой. Эти сигналы являются основными факторами, которые влияют на специализацию клеток, а передача сигналов клеток является ключевым фактором, приводящим к дифференцировке клеток в организме.
Передача клеточных сигналов посредством диффузии влияет на развитие тканей
Клетки становятся чувствительными к определенным химическим сигналам, потому что у них есть рецепторы на их клеточной мембране. Рецепторы зависят от типа клетки, от того, как она развивалась и какие гены экспрессируются. Когда рецепторы активируются, клетка дифференцируется дальше.
Когда клетка посылает сигнал множеству соседних клеток, она испускает химическое вещество, которое диффундирует через ткань, в которую встроена клетка. Химический сигнал улавливается рецепторами клеточных мембран окружающих клеток и запускает ответ внутри каждой клетки. Эти ответы помогают клеткам дифференцироваться таким образом, чтобы строит ткань.
Например, клетки, которые станут частью печени, испускают химические вещества, которые запускают соответствующие рецепторы в соседних клетках, и все клетки в этом месте дифференцируются, чтобы стать клетками печени. По мере формирования ткани печени дальнейшая передача сигналов клетками заставляет некоторые клетки дифференцироваться в клетки протока или соединительную ткань. В конечном итоге дифференцированные клетки образуют полноценную и функциональную печень.
Сигнализация локальной ячейки позволяет ячейкам распознавать своих соседей
Чтобы развиться в специализированные клетки, необходимые организму, клетки должны знать, что делают другие клетки в их непосредственном окружении. Специальные рецепторы для межклеточного контакта и щелевых контактов между клетками облегчают прямой обмен сигналами между соседними клетками. Клетки могут гарантировать, что их окружение соответствует их дифференцированной специализации.
В передача сигналов от клетки к клетке, специально сформированные рецепторные белки на поверхности клетки соответствуют соответствующим белкам на мембране соседней клетки. Когда клетки вступают в контакт, два белка связываются, и сигнал передается от одной клетки к другой. Сигнал проходит через клеточную мембрану и попадает в клетку, где вызывает специфическое поведение клетки.
Например, клетки кожи должны быть уверены, что вокруг них есть другие клетки кожи, но под некоторыми клетками кожи будут находиться клетки подлежащей ткани. Передача сигналов от клетки к клетке позволяет клеткам гарантировать, что их окружение соответствует их дифференцировке.
Щелевые соединения - это особые связи между соседними клетками, которые позволяют легко и напрямую обмениваться белками, действующими как сообщения. Используя щелевые соединения, клетки могут координировать свою деятельностьи обмениваться сигналами быстро и легко.
Например, нервные клетки использовать щелевые соединения для установления нервных путей, а щелевые соединения позволяют клеткам дифференцироваться в тип нервных клеток, соответствующий их расположению в коже, спинном мозге или мозг.
Факторы, влияющие на передачу сигналов в клетках, влияют на дифференцировку клеток
Передача клеточных сигналов и возникающая в результате клеточная дифференцировка - это сложные процессы, состоящие из множества этапов. Сигналы должны производиться, распространяться, приниматься и действовать. Триггеры, возникающие в результате сигналов ячеек, должны работать должным образом. Факторы, нарушающие любой из этапов, могут влиять на дифференцировку клеток и вызывать изменения в организме.
Факторы, которые могут влиять на передачу сигналов и дифференцировку клеток и нарушать их, включают нехватку питательных веществ; Если клетка не может производить белок из-за недостатка строительных блоков, она не может дифференцироваться. Еще одна проблема - мутации в генетическом коде.
Если ДНК дефектна или транскрипция неправильная, процесс передачи сигналов и дифференцировки нарушается. В дополнение к этому, если сигнальные химические вещества заблокированы или клеточные рецепторы заполнены несигнальными химическими связями, сигнальный процесс не будет работать должным образом.
Факторы окружающей среды могут влиять на дифференцировку клеток
Влияние окружающей среды организма, которое может повлиять на передачу сигналов, экспрессию генов и дифференцировку клеток, может изменить, остановить или нарушить этот процесс. Некоторые факторы окружающей среды используются организмом для адаптации, некоторые могут использоваться для борьбы с болезнями, а некоторые вредят или убивают организм.
Например, температура окружающей среды может влиять на развитие некоторых организмов. Более высокие температуры ускоряют рост клеток и их дифференциацию, а низкие температуры замедляют или останавливают развитие.
Лекарства могут нарушить дифференцировку вредных клеток. Например, лекарства могут блокировать один из этапов процесса для неограниченного роста опухоли и останавливать экспрессию соответствующих генов.
Травмы могут повлиять на экспрессию генов и повлиять на то, какой тип клетки необходим для восстановления повреждений. Вирусы и бактерии может влиять на дифференцировку клеток. Например, если мать инфицирована таким заболеванием, как краснуха, на развивающийся плод может повлиять клеточная дифференцировка, и у него могут развиться врожденные дефекты.
Наконец, токсичные химические вещества могут влиять на дифференциацию клеток. Вещества, которые атакуют или блокируют сигнальные химические вещества или которые блокируют позиции сигнальных рецепторов на клеточных мембранах, могут останавливать сигнальную активность и влиять на дифференцировку клеток.
В случае этих факторов окружающей среды организм пытается отреагировать путем адаптации или изменения внутренних процессов. Приспособление эффективен для некоторых факторов окружающей среды, но для других организм может выжить, но проявлять дефекты, или организм может умереть.