Faktorer som är involverade i celldifferentiering

Under celldifferentiering i flercelliga organismer blir celler specialiserade och tar roller som nerv-, muskel- och blodceller. Faktorer som är involverade i att utlösa celldifferentiering inkluderar cell signalering, miljöpåverkan och organismens utvecklingsnivå.

Grundläggande celldifferentiering sker efter att en spermacell befruktar ett ägg och det resulterande zygot når en viss storlek. Vid den tiden börjar zygoten utveckla olika celltyper och behöver differentierade celler för att ta sig an de specialiserade funktionerna.

Mekanismen som ligger till grund för celldifferentiering är genexpression. Alla celler i en organism har identiska uppsättningar gener eftersom den genetiska koden kopierades från den ursprungliga äggcellen som befruktades av spermierna. För att ta en specialfunktion kommer en cell endast att uttrycka eller använda några av generna i sin genetiska kod och ignorera resten.

Till exempel kommer en cell som skiljer sig från att bli en levercell att uttrycka levercell gener, och alla andra leverceller kommer att använda samma uppsättning levergener. De kommer att differentiera tillsammans för att bilda levern.

Celldifferentiering sker i tre situationer:

• De tillväxt av en omogen organism till en vuxen.
  
• Vanligt omsättning av celler såsom blodkroppar i mogna organismer.
• De reparera av skadade vävnader när specialceller måste bytas ut.

I båda fallen informerar cellsignalering celler vilken typ av specialiserad cell som krävs. Odifferentierade celler uttrycker motsvarande gener för att uppfylla organismens behov.

Den genetiska koden för eukaryota celler finns på DNA i kärna. DNA kan inte lämna kärnan så att cellen måste kopiera den gen som den vill uttrycka.

Messenger RNA (mRNA) fäster vid DNA: n och kopierar relevant gen. MRNA kan resa utanför kärnan och föra de genetiska instruktionerna till ribosomer som flyter i cellcytoplasman eller som är fästa vid det endoplasmatiska retikulumet. De ribosomer producera det protein som kodas av den uttryckta genen.

Beroende på vilka signaler som tas emot av cellen, påverkan på miljön och cellens utvecklingsstadium kan genuttryckningsprocessen blockeras när som helst. Om proteinet som kodas av genen inte behövs av organismen kommer mRNA inte att kopiera genen och genuttrycksprocessen startar inte.

Även efter att mRNA har kopierat genen kan mRNA-molekylen blockeras från att komma ut från kärnan eller kanske inte kunna nå en ribosom. Ribosomer producerar kanske inte det nödvändiga proteinet även om mRNA levererar det kopierade genetisk kod. Olika faktorer kan påverka genuttryck genom denna flerstegsprocess.

Organismer har flera sätt att säkerställa att celler utvecklas till de specialiserade och differentierade celler som behövs.

Nyckelfaktorn som driver celldifferentiering i kroppen är tillverkningen av proteiner. Celler kan skilja sig beroende på vilka gener som uttrycks och vilka proteiner som kodas i de uttryckta generna. De producerade proteinerna hjälper de differentierade cellerna att utföra sin specialiserade funktion och låta dem berätta för andra celler vad de gör genom cellsignalering.

En ytterligare mekanism som kan påverka celldifferentiering är asymmetrisk segregering i celldelning. Ämnen som speciella proteiner samlas i ena änden av en cell. När cellen delar upp har en dottercell mer av de speciella proteinerna än den andra. Cellerna blir olika typer av celler på grund av den olika proteindistributionen.

När en cell differentierar blir den typ av specialisering den kan ta på sig mer begränsad. Embryonal stamceller kan ursprungligen bli vilken typ av cell som helst, men när cellen är mogen och har tagit en specialiserad roll kan den ofta inte längre förändras. Embryonala stamceller kallas totipotent celler eftersom de fortfarande kan ta någon roll medan mogna, specialiserade celler som är helt differentierade bara kan utföra sin specialiserade funktion.

Genuttryck är ansvarig för cellspecialisering, men bascellerna måste kunna ta på sig de specialiserade funktionerna. Innan differentiering och cellspecialisering kan äga rum måste rätt celltyp vara tillgänglig. Asymmetrisk segregering kan producera sådana olika typer av celler. Totipotenta embryonala celler blir en av tre typer av pluripotent celler som så småningom differentieras till olika kroppsvävnader.

De tre typerna av pluripotenta celler är:

• Endoderm celler blir slemhinnan i luftvägarna och matsmältningsorganen samt bildar levern och många av de stora körtlarna som bukspottkörteln.
  
• Mesoderm celler skiljer sig för att bilda muskler, ben, bindväv och hjärtat.
• Ektoderm celler bildar huden och nerverna.

Medan cell signalering är ansvarig för produktionen av vissa olika celltyper och för cell specialisering, asymmetrisk segregation verkar i början av cellutveckling för att producera pluripotent celler.

DNA-transkription till mRNA sker på ett sådant sätt att mRNA producerar vissa proteiner i ena änden av cellen och olika proteiner i den andra änden. Celldelning resulterar i två olika typer av dotterceller som kan producera celler med olika specialiseringar.

Interna mekanismer som påverkar celldifferentieringen av pluripotenta celler baseras huvudsakligen på cellsignalering. Celler tar emot kemiska signaler som berättar vilken typ av cell eller vilken typ av protein som behövs.

Cellsignaleringsmekanismer inkluderar:

• Diffusion, där celler släpper ut kemikalier som sprider sig i vävnaderna.
• Direktkontakt, där celler har speciella kemikalier på cellmembranen.
• Gap korsningar, där signalkemikalier kan passera direkt från en cell till en annan.

Celler skickar kontinuerligt ut kemiska meddelanden om deras aktiviteter och får signaler om vad pågår i deras omedelbara närhet, i vävnaderna där de finns och i kroppen vid stor. Dessa signaler är de viktigaste faktorerna som påverkar cellens specialisering, och cellsignalering är nyckelfaktorn som driver celldifferentiering i kroppen.

Celler blir känsliga för vissa kemiska signaler eftersom de har det receptorer på deras cellmembran. Receptorerna beror på vilken typ av cell, hur den har utvecklats och vilka gener som uttrycks. När receptorer aktiveras, skiljer sig cellen ytterligare.

När en cell skickar en signal till många närliggande celler avger den en kemikalie som diffunderar genom vävnaden där cellen är inbäddad. Den kemiska signalen fångas upp av receptorer i cellmembranen i de omgivande cellerna och utlöser ett svar inuti varje cell. Dessa svar hjälper till att cellerna differentieras på ett sätt som bygger vävnad.

Exempelvis avger celler som kommer att bli en del av en lever kemikalier som utlöser motsvarande receptorer i närliggande celler, och alla celler på den platsen differentieras till att bli leverceller. När levervävnaden bildas utlöser ytterligare cellsignalering vissa celler för att differentieras till kanalceller eller anslutande vävnad. Så småningom bildar de differentierade cellerna en komplett och funktionell lever.

För att utvecklas till de specialiserade celler som organismen behöver, måste cellerna veta vad andra celler i deras omedelbara omgivning gör. Specialreceptorer för cell-till-cell-kontakt och gap-korsningar mellan celler underlättar direkt utbyte av signaler mellan angränsande celler. Celler kan se till att deras omgivningar motsvarar deras differentierade specialisering.

I cell-till-cell-signalering, speciellt bildade receptorproteiner på ytan av en cell matchar motsvarande proteiner på en angränsande cells membran. När cellerna kommer i kontakt kopplas de två proteinerna och en signal utlöses från en cell till en annan. Signalen passerar genom cellmembranet och kommer in i cellen där den orsakar ett specifikt cellbeteende.

Till exempel måste hudceller se till att de har andra hudceller runt sig, men vissa hudceller kommer att ha cellerna i den underliggande vävnaden under sig. Cell-till-cell-signalering låter celler se till att deras omgivningar matchar deras differentiering.

Gap-korsningar är speciella länkar mellan angränsande celler som möjliggör ett enkelt och direkt utbyte av proteiner som fungerar som meddelanden. Med hjälp av gapkorsningar kan celler samordna sina aktiviteteroch utbyta signaler snabbt och enkelt.

Till exempel, nervceller använd gapkorsningar för att etablera nervvägar, och gapkorsningar låter celler differentieras till nervcell som är lämplig för deras placering i huden, i ryggmärgen eller i hjärna.

Cellsignalering och den resulterande celldifferentieringen är komplexa processer med många steg. Signaler måste produceras, spridas mottas och ageras. Utlösare som härrör från cellsignaler måste fungera som förväntat. Faktorer som stör några av stegen kan påverka celldifferentiering och orsaka förändringar i organismen.

Faktorer som kan påverka och störa cellsignalering och celldifferentiering inkluderar brist på näringsämnen; om en cell inte kan producera ett protein eftersom den saknar byggstenarna kan den inte skilja. Mutationer i den genetiska koden är ett annat problem.

Om DNA: t är defekt eller transkriptionen är fel, störs signal- och differentieringsprocessen. Utöver dessa, om signaleringskemikalierna blockeras eller cellreceptorerna är fyllda med kemiska bindningar utan signalering, fungerar inte signalprocessen ordentligt.

Påverkan från organismens miljö som kan påverka cellsignalering, genuttryck och celldifferentiering kan förändra, stoppa eller störa processen. Vissa miljöfaktorer används av organismen för anpassning, andra kan användas för att bekämpa sjukdomar och vissa skadar eller dödar organismen.

Till exempel kan omgivningstemperaturen påverka utvecklingen av vissa organismer. Högre temperaturer påskyndar tillväxten av celler och deras differentiering medan låga temperaturer saktar ner eller stoppar utvecklingen.

Läkemedel kan störa skadlig celldifferentiering. Till exempel kan läkemedel blockera ett av processstegen för obegränsad tumörtillväxt och stoppa uttrycket av motsvarande gener.

Skador kan påverka genuttryck och påverka vilken typ av cell som behövs för att reparera skador. Virus och bakterie kan påverka celldifferentiering. Till exempel, om en mor är infekterad med en sjukdom som röda hund, kan det utvecklande fostret ha sin celldifferentiering påverkad och det kan utveckla fosterskador.

Slutligen kan giftiga kemikalier påverka celldifferentiering. Ämnen som attackerar eller blockerar signaleringskemikalier eller som blockerar signalreceptorpositioner på cellmembran kan stoppa signalaktivitet och påverka celldifferentiering.

När det gäller dessa miljöfaktorer försöker organismen svara genom att anpassa sig eller genom att ändra interna processer. Anpassning är effektivt för vissa av miljöpåverkan, men för andra kan organismen överleva men uppvisa defekter eller så kan organismen dö.