Faktory zapojené do diferenciácie buniek

Počas bunková diferenciácia v mnohobunkových organizmoch sa bunky špecializujú a preberajú úlohy ako nervové, svalové a krvné bunky. Medzi faktory, ktoré sa podieľajú na spustení diferenciácie buniek, patria bunková signalizácia, vplyvy prostredia a úroveň vývoja organizmu.

Základná diferenciácia buniek nastáva po oplodnení spermií vajíčkom a následnom zygota dosahuje určitú veľkosť. V tom okamihu začne zygota vyvíjať rôzne typy buniek a potrebuje diferencované bunky, aby získala špecializované funkcie.

Mechanizmus, ktorý je koreňom diferenciácie buniek, je génová expresia. Všetky bunky organizmu majú identické súbory génov, pretože genetický kód bol skopírovaný z pôvodnej vajíčkovej bunky oplodnenej spermiou. Aby bunka získala špecializovanú funkciu, vyjadrí alebo použije iba niektoré z génov vo svojom genetickom kóde a zvyšok bude ignorovať.

Napríklad bunka, ktorá sa diferencuje na pečeňovú bunku, bude exprimovať pečeňová bunka gény a všetky ostatné pečeňové bunky budú používať rovnakú sadu pečeňových génov. Budú sa spolu odlišovať, aby vytvorili pečeň.

Bunková diferenciácia prebieha v troch situáciách:

• The rast nezrelého organizmu na dospelého človeka.
  
• Normálne obrat buniek, ako sú krvinky, v zrelých organizmoch.
• The oprava poškodených tkanív, keď je potrebné vymeniť špecializované bunky.

V obidvoch prípadoch bunková signalizácia informuje bunky, aký typ špecializovanej bunky je potrebný. Nediferencované bunky exprimujú zodpovedajúce gény, aby vyhovovali potrebám organizmu.

Genetický kód eukaryotických buniek sa nachádza na DNA v jadro. DNA nemôže opustiť jadro, takže bunka musí kopírovať gén, ktorý chce exprimovať.

Messenger RNA (mRNA) sa viaže na DNA a kopíruje príslušný gén. MRNA môže cestovať mimo jadro a prenášať genetické pokyny na ribozómy, ktoré plávajú v bunkovej cytoplazme alebo sú pripojené k endoplazmatickému retikulu. The ribozómy produkujú proteín kódovaný exprimovaným génom.

V závislosti od signálov prijatých bunkou, vplyvov prostredia a vývojového štádia bunky môže byť proces génovej expresie blokovaný v ktorejkoľvek fáze. Ak organizmus nepotrebuje proteín kódovaný génom, mRNA gén nekopíruje a proces génovej expresie sa nespustí.

Dokonca aj potom, čo mRNA kopíruje gén, môže byť molekule mRNA blokované opustenie jadra alebo nemusí byť schopná dosiahnuť ribozóm. Ribozómy nemusia produkovať požadovaný proteín, aj keď mRNA dodáva kopírovanú látku genetický kód. Počas tohto viacstupňového procesu môžu génovú expresiu ovplyvňovať rôzne faktory.

Organizmy majú niekoľko spôsobov, ako zabezpečiť, aby sa z buniek vyvinuli potrebné špecializované a diferencované bunky.

Kľúčovým faktorom riadiacim bunkovú diferenciáciu v tele je výroba bielkovín. Bunky sa môžu diferencovať v závislosti od toho, ktoré gény sú exprimované a ktoré proteíny sú kódované v exprimovaných génoch. Vyrobené proteíny pomáhajú diferencovaným bunkám vykonávať svoju špecializovanú funkciu a prostredníctvom bunkovej signalizácie im umožňujú rozprávať ostatné bunky, čo robia.

Ďalším mechanizmom, ktorý môže ovplyvniť diferenciáciu buniek, je asymetrická segregácia v bunkové delenie. Látky, ako sú špeciálne bielkoviny, sa zhromažďujú na jednom konci bunky. Keď sa bunka rozdelí, jedna dcérska bunka má viac špeciálnych proteínov ako druhá. Z buniek sa stávajú rôzne typy buniek vďaka rozdielnej distribúcii proteínov.

Ako sa bunka odlišuje, typ špecializácie, ktorú môže brať, sa stáva obmedzenejšou. Embryonálny kmeňové bunky sa zo začiatku môže stať akýkoľvek typ bunky, ale akonáhle je bunka zrelá a získa špecializovanú úlohu, často sa už nemôže meniť. Embryonálne kmeňové bunky sa nazývajú totipotentný bunky, pretože stále môžu prevziať akúkoľvek úlohu, zatiaľ čo zrelé špecializované bunky, ktoré sú úplne diferencované, môžu vykonávať iba svoju špecializovanú funkciu.

Génová expresia je zodpovedná za špecializáciu buniek, ale základné bunky musia byť schopné prevziať špecializované funkcie. Pred uskutočnením diferenciácie a špecializácie buniek musí byť k dispozícii správny typ bunky. Asymetrická segregácia môže produkovať také rôzne typy buniek. Totipotentné embryonálne bunky sa stávajú jedným z troch typov pluripotentný bunky, ktoré sa nakoniec diferencujú na rôzne telesné tkanivá.

Tri typy pluripotentných buniek sú:

• Endoderm bunky sa stávajú výstelkou dýchacích a tráviacich ciest, ako aj formujú pečeň a mnohé z hlavných žliaz, ako je pankreas.
  
• Mesoderm bunky sa diferencujú a vytvárajú svaly, kosti, spojivové tkanivo a srdce.
• Ektoderm bunky tvoria kožu a nervy.

Zatiaľ čo bunková signalizácia je zodpovedná za produkciu niektorých rôznych typov buniek a za bunku špecializácia, asymetrická segregácia pôsobí na začiatku vývoja buniek na produkciu pluripotentu bunky.

Transkripcia DNA k mRNA prebieha tak, že mRNA produkuje určité proteíny na jednom konci bunky a rôzne proteíny na druhom konci. Výsledkom bunkového delenia sú dva rôzne typy dcérskych buniek, ktoré môžu pokračovať v produkcii buniek s rôznymi špecializáciami.

Vnútorné mechanizmy, ktoré ovplyvňujú bunkovú diferenciáciu pluripotentných buniek, sú založené hlavne na bunkovej signalizácii. Bunky dostávajú chemické signály, ktoré im hovoria, aký typ bunky alebo aký druh proteínu je potrebný.

Mechanizmy bunkovej signalizácie zahŕňajú:

• Difúzia, v ktorom bunky uvoľňujú chemikálie, ktoré sa šíria po tkanivách.
• Priamy kontakt, v ktorých majú bunky na svojich bunkových membránach špeciálne chemikálie.
• Križovatky medzier, v ktorých môžu signálne chemikálie prechádzať priamo z jednej bunky do druhej.

Bunky neustále vysielajú chemické správy týkajúce sa ich činnosti a prijímajú signály o čom sa deje v ich bezprostrednom susedstve, v tkanivách, kde sa nachádzajú, a v tele na veľký. Tieto signály sú hlavnými faktormi, ktoré ovplyvňujú špecializáciu buniek, a bunková signalizácia je kľúčovým faktorom, ktorý vedie k diferenciácii buniek v tele.

Bunky sa stávajú citlivými na určité chemické signály, pretože majú receptory na ich bunkovej membráne. Receptory závisia od typu bunky, od toho, ako sa vyvinula a ktoré gény sú exprimované. Keď sa receptory aktivujú, bunka sa ďalej diferencuje.

Keď bunka vysiela signál do mnohých blízkych buniek, vysiela chemickú látku, ktorá difunduje cez tkanivo, v ktorom je bunka zabudovaná. Chemický signál je zachytený receptormi v bunkových membránach okolitých buniek a spúšťa reakciu vo vnútri každej bunky. Tieto odpovede pomáhajú spôsobiť diferenciáciu buniek takým spôsobom buduje tkanivo.

Napríklad bunky, ktoré sa stanú súčasťou pečene, emitujú chemikálie, ktoré spúšťajú príslušné receptory v blízkych bunkách, a všetky bunky v tomto mieste sa diferencujú na bunky pečeňové. Keď sa vytvorí pečeňové tkanivo, ďalšia bunková signalizácia spustí diferenciáciu niektorých buniek na bunky potrubia alebo spojovacie tkanivo. Nakoniec diferencované bunky tvoria kompletnú a funkčnú pečeň.

Aby sa bunky vyvinuli do špecializovaných buniek potrebných pre organizmus, musia vedieť, čo robia iné bunky v ich bezprostrednom okolí. Špeciálne receptory pre kontakt z bunky na bunku a medzery medzi bunkami uľahčujú priamu výmenu signálov medzi susednými bunkami. Bunky môžu zabezpečiť, aby ich okolie zodpovedalo ich diferencovanej špecializácii.

V bunková signalizáciaŠpeciálne vytvorené receptorové proteíny na povrchu bunky zodpovedajú zodpovedajúcim proteínom na membráne susednej bunky. Keď bunky prichádzajú do kontaktu, oba proteíny sa spoja a z jednej bunky do druhej sa spustí signál. Signál prechádza cez bunkovú membránu a vstupuje do bunky, kde spôsobuje špecifické správanie bunky.

Napríklad kožné bunky sa musia ubezpečiť, že majú okolo seba ďalšie kožné bunky, ale niektoré kožné bunky budú mať bunky podkladového tkaniva pod sebou. Signalizácia medzi bunkami umožňuje bunkám zabezpečiť, aby ich okolie zodpovedalo ich diferenciácii.

Gap junctions sú špeciálne spojenia medzi susednými bunkami, ktoré umožňujú ľahkú a priamu výmenu proteínov pôsobiacich ako správy. Bunky môžu používať medzery koordinovať svoje činnostia vymieňať si signály rýchlo a ľahko.

Napríklad, nervové bunky používajú medzery na vytvorenie nervových dráh a medzery umožňujú bunkám diferencovať sa na typ nervovej bunky, ktorý je vhodný pre ich umiestnenie v koži, mieche alebo v mozog.

Bunková signalizácia a výsledná diferenciácia buniek sú zložité procesy s mnohými krokmi. Signály sa musia produkovať, šíriť, prijímať a konať podľa nich. Spúšťače vyplývajúce z bunkových signálov musia fungovať podľa očakávania. Faktory, ktoré narušia ktorýkoľvek z krokov, môžu ovplyvniť diferenciáciu buniek a spôsobiť zmeny v organizme.

Medzi faktory, ktoré môžu ovplyvniť a narušiť bunkovú signalizáciu a diferenciáciu buniek, patrí nedostatok živín; ak bunka nedokáže vyprodukovať proteín, pretože jej chýbajú stavebné kamene, nemôže sa odlíšiť. Ďalším problémom sú mutácie v genetickom kóde.

Ak je DNA chybná alebo je transkripcia nesprávna, proces signalizácie a diferenciácie je narušený. Okrem toho, ak sú signálne chemikálie zablokované alebo sú bunkové receptory naplnené nesignalizačnými chemickými väzbami, signalizačný proces nebude fungovať správne.

Vplyvy z prostredia organizmu, ktoré môžu ovplyvniť bunkovú signalizáciu, génovú expresiu a bunkovú diferenciáciu, môžu proces zmeniť, zastaviť alebo narušiť. Niektoré faktory prostredia používa organizmus na adaptáciu, niektoré možno použiť na boj proti chorobám a niektoré poškodzujú alebo usmrcujú organizmus.

Napríklad teplota prostredia môže ovplyvniť vývoj niektorých organizmov. Vyššie teploty urýchľujú rast buniek a ich diferenciáciu, zatiaľ čo nízke teploty spomaľujú alebo zastavujú vývoj.

Drogy môžu narušiť diferenciáciu škodlivých buniek. Lieky môžu napríklad blokovať jeden z krokov procesu pre neobmedzený rast nádoru a zastaviť expresiu zodpovedajúcich génov.

Zranenia môžu ovplyvniť génovú expresiu a ovplyvniť, aký typ bunky je potrebný na nápravu poškodenia. Vírusy a baktérie môže ovplyvniť diferenciáciu buniek. Napríklad, ak je matka infikovaná ochorením, ako je rubeola, môže mať vyvíjajúci sa plod ovplyvnenú bunkovú diferenciáciu a môžu sa u neho vyvinúť vrodené chyby.

Nakoniec môžu toxické chemikálie ovplyvniť diferenciáciu buniek. Látky, ktoré napádajú alebo blokujú signalizačné chemikálie alebo blokujú pozície signálnych receptorov na bunkových membránach, môžu zastaviť signalizačnú aktivitu a ovplyvniť diferenciáciu buniek.

V prípade týchto faktorov prostredia sa organizmus snaží reagovať adaptáciou alebo zmenou vnútorných procesov. Prispôsobenie je účinný pri niektorých environmentálnych vplyvoch, ale pri iných môže organizmus prežiť, môže však vykazovať chyby alebo môže zomrieť.