У току диференцијација ћелија у вишећелијским организмима ћелије се специјализују и преузимају улоге попут улога нервних, мишићних и крвних ћелија. Фактори који учествују у покретању диференцијације ћелија укључују ћелијска сигнализација, утицаји околине и ниво развијености организма.
Основна диференцијација ћелија настаје након што сперматозоид оплоди јајну ћелију и као резултат зигота достигне одређену величину. У том тренутку зигота почиње да развија различите типове ћелија и требају диференциране ћелије да би преузеле специјализоване функције.
Механизам који је у основи диференцијације ћелија је Експресија гена. Све ћелије организма имају идентичне сетове гена, јер је генетски код копиран из оригиналне јајне ћелије оплођене ћелијом сперме. Да би преузела специјализовану функцију, ћелија ће само изразити или користити неке гене у свом генетском коду, а остатак ће игнорисати.
На пример, ћелија која се диференцира и постане ћелија јетре изразиће ћелија јетре гени, а све остале ћелије јетре ће користити исти сет гена јетре. Заједно ће се разликовати да би формирали јетру.
Диференцијација ћелија се одвија у три ситуације:
- Тхе раст незрелог организма у одраслу особу.
- Нормално промет ћелија као што су крвне ћелије у зрелим организмима.
- Тхе поправка оштећених ткива када треба заменити специјализоване ћелије.
У сваком случају, ћелијска сигнализација информише ћелије који тип специјализоване ћелије је потребан. Недиференциране ћелије изражавају одговарајуће гене како би задовољиле потребе организма.
Изражавање гена делује копирањем гена
Генетски код еукариотских ћелија налази се на ДНК у језгро. ДНК не може да напусти језгро, тако да ћелија мора да копира ген који жели да изрази.
Мессенгер РНА (мРНК) везује се за ДНК и копира одговарајући ген. МРНА може да путује изван језгра и доноси генетске инструкције рибосомима који лебде у ћелијској цитоплазми или који су везани за ендоплазматски ретикулум. Тхе рибозоми производе протеин кодиран израженим геном.
У зависности од сигнала које ћелија прима, утицаја околине и стадијума развоја ћелије, процес експресије гена може бити блокиран у било којој фази. Ако протеин кодиран геном није потребан организму, мРНА неће копирати ген и процес експресије гена неће започети.
Чак и након што мРНК копира ген, молекулу мРНК може бити блокиран излаз из језгра или можда неће моћи да дође до рибозома. Рибосоми можда неће произвести потребан протеин, чак и ако мРНК доставља копирано генетски код. Кроз овај процес у више корака различити фактори могу утицати на експресију гена.
Унутрашњи фактори који утичу на ћелијску специјализацију
Организми имају неколико начина да обезбеде да се ћелије развију у потребне специјализоване и диференциране ћелије.
Кључни фактор који покреће ћелијску диференцијацију у телу је производња протеина. Ћелије се могу разликовати у зависности од тога који су гени изражени и који су протеини кодирани у израженим генима. Произведени протеини помажу диференцираним ћелијама да изврше своју специјализовану функцију и омогућавају им да другим ћелијама кажу шта раде путем ћелијске сигнализације.
Даљи механизам који може утицати на диференцијацију ћелија је асиметрична сегрегација у ћелијске деобе. Супстанце попут посебних протеина сакупљају се на једном крају ћелије. Када се ћелија дели, једна ћерка има више посебних протеина од друге. Ћелије постају различите врсте ћелија због различите дистрибуције протеина.
Како се ћелија диференцира, врста специјализације коју може предузети постаје све ограниченија. Ембрионални матичне ћелије у почетку може постати било која врста ћелије, али када ћелија једном сазри и преузме специјализовану улогу, често се више не може променити. Зове се ембрионалне матичне ћелије тотипотентни ћелије јер још увек могу да преузму било коју улогу док зреле, специјализоване ћелије које су потпуно диференциране могу да извршавају само своју специјализовану функцију.
Асиметрична сегрегација производи различите ћелије
Експресија гена одговорна је за специјализацију ћелија, али основне ћелије морају да преузму специјализоване функције. Пре него што се изврши диференцијација и специјализација ћелија, мора бити доступан прави тип ћелије. Асиметрична сегрегација може да произведе тако различите врсте ћелија. Тотипотентне ембрионалне ћелије постају једна од три врсте плурипотентни ћелије које се на крају диференцирају у различита телесна ткива.
Три врсте плурипотентних ћелија су:
-
Ендодерм ћелије постају слузница респираторног и дигестивног тракта, као и формирајући јетру и многе главне жлезде попут панкреаса.
- Месодерм ћелије се диференцирају и формирају мишиће, кости, везивно ткиво и срце.
- Ектодерм ћелије формирају кожу и живце.
Иако је ћелијска сигнализација одговорна за производњу неких различитих типова ћелија и за ћелију специјализација, асиметрична сегрегација делује на почетку развоја ћелија да би произвела плурипотент ћелије.
ДНК транскрипција до мРНК се одвија на такав начин да мРНК ствара одређене протеине на једном крају ћелије, а различите протеине на другом крају. Дељењем ћелија настају две различите врсте ћерки ћелија које могу да наставе да производе ћелије различитих специјализација.
Сигнализација ћелија је у основи диференцијације ћелија
Унутрашњи механизми који утичу на ћелијску диференцијацију плурипотентних ћелија углавном се заснивају на ћелијској сигнализацији. Ћелије примају хемијске сигнале који им говоре која врста ћелија или врста протеина је потребна.
Механизми ћелијске сигнализације укључују:
- Дифузија, у којем ћелије ослобађају хемикалије које се шире по ткивима.
- Директан контакт, у којем ћелије на својим ћелијским мембранама имају посебне хемикалије.
- Гап спојеви, у коме сигналне хемикалије могу директно прелазити из једне ћелије у другу.
Ћелије непрекидно шаљу хемијске поруке у вези са својим активностима и примају сигнале о чему се дешава у њиховом непосредном суседству, у ткивима у којима се налазе и у телу велика. Ови сигнали су главни фактори који утичу на специјализацију ћелија, а ћелијска сигнализација је кључни фактор који покреће диференцијацију ћелија у телу.
Сигнализација ћелија дифузијом утиче на развој ткива
Ћелије постају осетљиве на одређене хемијске сигнале јер имају рецептори на њиховој ћелијској мембрани. Рецептори зависе од врсте ћелије, како се она развила и који се гени изражавају. Како се рецептори активирају, ћелија се даље диференцира.
Када ћелија пошаље сигнал многим оближњим ћелијама, она емитује хемикалију која дифундира кроз ткиво у којем је ћелија уграђена. Хемијски сигнал захваћају рецептори у ћелијским мембранама околних ћелија и покреће одговор унутар сваке ћелије. Ови одговори помажу да се ћелије диференцирају на такав начин гради ткиво.
На пример, ћелије које ће постати део јетре емитују хемикалије које покрећу одговарајуће рецепторе у оближњим ћелијама, а све ћелије на том месту се диференцирају и постају ћелије јетре. Како се ткиво јетре формира, даљња ћелијска сигнализација покреће неке ћелије да се диференцирају у ћелије канала или повезујуће ткиво. На крају диференциране ћелије формирају комплетну и функционалну јетру.
Локална ћелијска сигнализација омогућава да ћелије препознају своје комшије
Да би се развиле у специјализоване ћелије потребне организму, ћелије морају знати шта раде друге ћелије у њиховом непосредном окружењу. Специјални рецептори за контакт између ћелија и ћелијских спојева између ћелија олакшавају директну размену сигнала између суседних ћелија. Ћелије могу осигурати да њихова околина одговара њиховој диференцираној специјализацији.
У сигнализација од ћелије до ћелије, посебно формирани рецепторски протеини на површини ћелије одговарају одговарајућим протеинима на мембрани суседне ћелије. Када ћелије дођу у контакт, два протеина се повезују и сигнал се покреће из једне ћелије у другу. Сигнал пролази кроз ћелијску мембрану и улази у ћелију где узрокује одређено понашање ћелије.
На пример, ћелије коже морају бити сигурне да имају друге ћелије коже око себе, али неке ћелије коже ће имати ћелије основног ткива испод себе. Сигнализација од ћелије до ћелије омогућава ћелијама да осигурају да њихова околина одговара њиховој диференцијацији.
Спојеви између празнина су посебне везе између суседних ћелија које омогућавају лаку и директну размену протеина који делују као поруке. Коришћењем спојних места, ћелије могу координирају своје активностии размењују сигнале брзо и лако.
На пример, нервне ћелије користите спојеве за раздвајање како бисте успоставили нервне путеве, а спојеви за раздвајање омогућавају ћелијама да се диференцирају у врста нервних ћелија која одговара њиховом положају у кожи, у кичменој мождини или у мозак.
Фактори који утичу на ћелијски сигнални утицај на диференцијацију ћелија
Сигнализација ћелија и резултујућа диференцијација ћелија су сложени процеси са више корака. Сигнали се морају производити, ширити, примати и према њима поступати. Окидачи који проистичу из ћелијских сигнала морају да раде како се очекивало. Фактори који ремете било који од корака могу утицати на диференцијацију ћелија и изазвати промене у организму.
Фактори који могу утицати и пореметити ћелијску сигнализацију и ћелијску диференцијацију укључују недостатак хранљивих састојака; ако ћелија не може да произведе протеин, јер јој недостају грађевни блокови, не може да разликује. Мутације у генетском коду су још један проблем.
Ако је ДНК оштећена или је транскрипција погрешна, процес сигнализације и диференцијације је поремећен. Поред ових, ако су сигналне хемикалије блокиране или су ћелијски рецептори напуњени несигналним хемијским везама, процес сигнализације неће функционисати правилно.
Фактори животне средине могу утицати на диференцијацију ћелија
Утицаји из околине организма који могу утицати на ћелијску сигнализацију, експресију гена и ћелијску диференцијацију могу променити, зауставити или пореметити процес. Неке факторе животне средине организам користи за прилагођавање, неке се може користити за борбу против болести, а неке за штету или убијање организма.
На пример, температура околине може утицати на развој неких организама. Више температуре убрзавају раст ћелија и њихову диференцијацију, док ниске температуре успоравају или заустављају развој.
Лекови могу пореметити штетну ћелијску диференцијацију. На пример, лекови могу блокирати један од корака процеса за неограничени раст тумора и зауставити експресију одговарајућих гена.
Повреде могу утицати на експресију гена и утицати на то који тип ћелије је потребан за санирање оштећења. Вируси и бактерија могу утицати на диференцијацију ћелија. На пример, ако је мајка заражена болешћу као што је рубеола, фетус у развоју може утицати на диференцијацију ћелија и може развити урођене недостатке.
Коначно, токсичне хемикалије могу утицати на диференцијацију ћелија. Супстанце које нападају или блокирају сигналне хемикалије или које блокирају положаје сигналних рецептора на ћелијским мембранама могу зауставити сигналну активност и утицати на диференцијацију ћелија.
У случају ових фактора околине, организам покушава да одговори прилагођавањем или променом унутрашњих процеса. Адаптација је ефикасан за неке утицаје из околине, али за друге организам може преживети, али показивати недостатке, или ће организам умрети.