Dejavniki, ki sodelujejo pri diferenciaciji celic

Med diferenciacija celic v večceličnih organizmih se celice specializirajo in prevzamejo vloge, kot so živčne, mišične in krvne celice. Dejavniki, ki sodelujejo pri sprožanju celične diferenciacije, vključujejo celična signalizacija, vplivi okolja in stopnja razvitosti organizma.

Osnovna diferenciacija celic se pojavi po tem, ko spermatozoid oplodi jajčece in posledično zigota doseže določeno velikost. Takrat začne zigota razvijati različne tipe celic in potrebuje diferencirane celice, da prevzame specializirane funkcije.

Mehanizem, ki je v osnovi diferenciacije celic, je izražanje genov. Vse celice organizma imajo enake sklope genov, ker je bila genetska koda kopirana iz prvotne jajčne celice, ki jo je oplodila spermatozoida. Za prevzem posebne funkcije bo celica izrazila ali uporabila le nekatere gene v svoji genski kodi, ostale pa ignorirala.

Na primer, celica, ki se diferencira in postane jetrna celica, bo izrazila jetrna celica vse druge jetrne celice bodo uporabljale enak niz jetrnih genov. Skupaj se bodo razlikovali in tvorili jetra.

Diferenciacija celic poteka v treh situacijah:

• The rast nezrelega organizma v odraslo osebo.
  
• Običajno prometa celic, kot so krvne celice v zrelih organizmih.
• The popravilo poškodovanih tkiv, ko je treba zamenjati specializirane celice.

V vsakem primeru signalizacija celic celicam sporoči, katera vrsta specializirane celice je potrebna. Nediferencirane celice izražajo ustrezne gene, da zadovoljijo potrebe organizma.

Genetska koda evkariontskih celic se nahaja na DNK v jedro. DNK ne more zapustiti jedra, zato mora celica kopirati gen, ki ga želi izraziti.

Messenger RNA (mRNA) pritrdi na DNA in kopira ustrezen gen. MRNA lahko potuje zunaj jedra in pripelje genetska navodila do ribosomov, ki plavajo v celični plazmi ali so pritrjeni na endoplazemski retikulum. The ribosomi proizvajajo beljakovine, ki jih kodira izraženi gen.

Odvisno od signalov, ki jih prejme celica, vplivov okolja in razvojne faze celice, je proces izražanja genov lahko blokiran v kateri koli fazi. Če beljakovine, ki jih kodira gen, organizem ne potrebuje, mRNA ne bo kopirala gena in se proces izražanja genov ne bo začel.

Tudi po tem, ko mRNA kopira gen, lahko molekula mRNA blokira izstop iz jedra ali morda ne bo mogla doseči ribosoma. Ribosomi morda ne bodo proizvedli potrebnih beljakovin, tudi če mRNA dostavi kopirano genetska koda. Skozi ta večstopenjski proces lahko na izražanje genov vplivajo različni dejavniki.

Organizmi lahko na več načinov zagotovijo, da se celice razvijejo v potrebne specializirane in diferencirane celice.

Ključni dejavnik, ki spodbuja celično diferenciacijo v telesu, je proizvodnja beljakovin. Celice se lahko razlikujejo glede na to, kateri geni so izraženi in kateri proteini so kodirani v izraženih genih. Proizvedeni proteini pomagajo diferenciranim celicam opravljati svojo specializirano funkcijo in jim omogočajo, da drugim celicam sporočajo, kaj počnejo s pomočjo celične signalizacije.

Nadaljnji mehanizem, ki lahko vpliva na diferenciacijo celic, je asimetrična segregacija v delitev celic. Snovi, kot so posebne beljakovine, se zbirajo na enem koncu celice. Ko se celica deli, ima ena hčerinska celica več posebnih beljakovin kot druga. Celice zaradi različne porazdelitve beljakovin postanejo različne vrste celic.

Ko se celica razlikuje, je vrsta specializacije, ki jo lahko sprejme, bolj omejena. Zarodek stebelna celica lahko sprva postane katera koli vrsta celice, a ko je celica dozorela in je prevzela specializirano vlogo, se pogosto ne more več spremeniti. Imenujejo se zarodne izvorne celice totipotenten celice, ker lahko še vedno prevzamejo katero koli vlogo, medtem ko zrele, specializirane celice, ki so popolnoma diferencirane, lahko opravljajo samo svojo specializirano funkcijo.

Genska ekspresija je odgovorna za specializacijo celic, vendar morajo osnovne celice prevzeti specializirane funkcije. Preden lahko pride do diferenciacije in specializacije celic, mora biti na voljo prava vrsta celic. Asimetrično ločevanje lahko povzroči tako različne vrste celic. Totipotentne zarodne celice postanejo ena od treh vrst pluripotentni celice, ki se sčasoma diferencirajo v različna telesna tkiva.

Tri vrste pluripotentnih celic so:

• Endoderm celice postanejo obloga dihalnega in prebavnega trakta ter tvorijo jetra in številne glavne žleze, kot je trebušna slinavka.
  
• Mesoderm celice se diferencirajo in tvorijo mišice, kosti, vezivno tkivo in srce.
• Ektoderm celice tvorijo kožo in živce.

Medtem ko je celična signalizacija odgovorna za proizvodnjo nekaterih različnih vrst celic in za celico specializacija, asimetrična segregacija deluje na začetku razvoja celic, da proizvede pluripotent celic.

Prepis DNK do mRNA poteka tako, da mRNA tvori določene beljakovine na enem koncu celice in različne beljakovine na drugem koncu. Delitev celic ima za posledico dve različni vrsti hčerinskih celic, ki lahko nadaljujeta s tvorbo celic z različnimi specializacijami.

Notranji mehanizmi, ki vplivajo na celično diferenciacijo pluripotentnih celic, temeljijo predvsem na celični signalizaciji. Celice prejemajo kemične signale, ki jim sporočajo, kakšno vrsto celic ali kakšne beljakovine so potrebne.

Mehanizmi celične signalizacije vključujejo:

• Difuzija, pri katerem celice sproščajo kemikalije, ki se širijo po tkivih.
• Neposreden stik, v katerem imajo celice na svojih celičnih membranah posebne kemikalije.
• Vrzeli, pri katerem lahko signalne kemikalije prehajajo neposredno iz ene celice v drugo.

Celice neprestano pošiljajo kemična sporočila o svojih dejavnostih in prejemajo signale o tem, kaj se dogaja v njihovi neposredni soseščini, v tkivih, kjer se nahajajo, in v telesu na velik. Ti signali so glavni dejavniki, ki vplivajo na specializacijo celic, celična signalizacija pa je ključni dejavnik, ki spodbuja diferenciacijo celic v telesu.

Celice postanejo občutljive na določene kemične signale, ker jih imajo receptorji na njihovi celični membrani. Receptorji so odvisni od vrste celice, od njenega razvoja in od izražanja genov. Ko se receptorji aktivirajo, se celica še bolj diferencira.

Ko celica pošlje signal številnim bližnjim celicam, odda kemikalijo, ki difundira skozi tkivo, v katerem je celica vgrajena. Kemični signal zajamejo receptorji v celičnih membranah okoliških celic in sprožijo odziv znotraj vsake celice. Ti odzivi pomagajo, da se celice diferencirajo na tak način gradi tkivo.

Na primer, celice, ki bodo postale del jeter, oddajajo kemikalije, ki sprožijo ustrezne receptorje v bližnjih celicah, in vse celice na tem mestu se diferencirajo in postanejo jetrne celice. Ko se jetrno tkivo oblikuje, nadaljnje celično signaliziranje sproži nekatere celice, da se diferencirajo v kanalske celice ali vezno tkivo. Sčasoma diferencirane celice tvorijo popolna in funkcionalna jetra.

Da bi se celice razvile v specializirane celice, ki jih potrebuje organizem, morajo vedeti, kaj počnejo druge celice v njihovi neposredni okolici. Posebni receptorji za stike med celicami in reže med celicami olajšajo neposredno izmenjavo signalov med sosednjimi celicami. Celice lahko zagotovijo, da njihova okolica ustreza njihovi diferencirani specializaciji.

V signalizacija med celicami, posebej oblikovani receptorski proteini na površini celice se ujemajo z ustreznimi beljakovinami na membrani sosednje celice. Ko celice pridejo v stik, se beljakovini povežeta in signal se sproži iz ene celice v drugo. Signal prehaja skozi celično membrano in vstopi v celico, kjer povzroči določeno vedenje celice.

Na primer, kožne celice morajo zagotoviti, da imajo okoli sebe druge kožne celice, nekatere celice kože pa bodo imele pod seboj celice osnovnega tkiva. Signalizacija med celicami omogoča celicam, da zagotovijo, da se njihova okolica ujema z njihovo diferenciacijo.

Ločnice so posebne povezave med sosednjimi celicami, ki omogočajo enostavno in neposredno izmenjavo beljakovin, ki delujejo kot sporočila. Z uporabo vrzeli, celice lahko usklajujejo svoje dejavnostiin si izmenjujejo signale hitro in enostavno.

Na primer živčne celice uporabite reže, da vzpostavite živčne poti, in reže omogočajo, da se celice diferencirajo v vrsta živčne celice, ki ustreza njihovemu položaju v koži, v hrbtenjači ali v možgane.

Signalizacija celic in posledična diferenciacija celic sta zapletena procesa z več koraki. Signale je treba proizvajati, razširjati, sprejemati in po njih ravnati. Sprožilci, ki izhajajo iz celičnih signalov, morajo delovati po pričakovanjih. Dejavniki, ki motijo ​​kateri koli korak, lahko vplivajo na diferenciacijo celic in povzročajo spremembe v organizmu.

Dejavniki, ki lahko vplivajo in motijo ​​celično signalizacijo in diferenciacijo celic, vključujejo pomanjkanje hranil; če celica ne more proizvesti beljakovin, ker nima gradnikov, ne more razlikovati. Mutacija genetske kode je še en problem.

Če je DNA okvarjena ali je transkripcija napačna, se moti postopek signalizacije in diferenciacije. Poleg tega, če so signalne kemikalije blokirane ali so celični receptorji napolnjeni z nesignalnimi kemičnimi vezmi, signalni postopek ne bo deloval pravilno.

Vplivi iz okolja organizma, ki lahko vplivajo na celično signalizacijo, ekspresijo genov in diferenciacijo celic, lahko spremenijo, ustavijo ali motijo ​​postopek. Nekatere okoljske dejavnike organizem uporablja za prilagajanje, nekatere lahko uporabi za boj proti boleznim, nekatere pa škodujejo ali ubijejo organizem.

Na primer, temperatura okolja lahko vpliva na razvoj nekaterih organizmov. Višje temperature pospešijo rast celic in njihovo diferenciacijo, medtem ko nizke temperature upočasnijo ali ustavijo razvoj.

Zdravila lahko motijo ​​škodljivo diferenciacijo celic. Zdravila lahko na primer blokirajo enega od korakov postopka za neomejeno rast tumorja in ustavijo ekspresijo ustreznih genov.

Poškodbe lahko vplivajo na izražanje genov in vplivajo na vrsto celice, ki je potrebna za popravilo škode. Virusi in bakterije lahko vplivajo na diferenciacijo celic. Na primer, če je mati okužena z boleznijo, kot je rdečka, lahko plod v razvoju vpliva na njegovo celično diferenciacijo in razvije prirojene okvare.

Končno strupene kemikalije lahko vplivajo na diferenciacijo celic. Snovi, ki napadajo ali blokirajo signalne kemikalije ali blokirajo položaje signalnih receptorjev na celičnih membranah, lahko ustavijo signalno aktivnost in vplivajo na diferenciacijo celic.

V primeru teh okoljskih dejavnikov se organizem poskuša odzvati s prilagajanjem ali spreminjanjem notranjih procesov. Prilagoditev je učinkovit za nekatere vplive iz okolja, za druge pa lahko organizem preživi, ​​vendar ima napake ali pa lahko umre.