Фактори, що беруть участь у диференціації клітин

Протягом диференціація клітин у багатоклітинних організмах клітини стають спеціалізованими і беруть на себе такі функції, як нервові, м’язові та клітини крові. Фактори, що беруть участь у спрацьовуванні диференціації клітин, включають клітинна сигналізація, впливи навколишнього середовища та рівень розвитку організму.

Основна диференціація клітин відбувається після того, як сперматозоїд запліднює яйцеклітину і в результаті зигота досягає певного розміру. У цей момент зигота починає розвивати різні типи клітин і потребує диференційованих клітин, щоб взяти на себе спеціалізовані функції.

Механізм, який лежить в основі диференціації клітин, є експресія гена. Усі клітини організму мають однакові набори генів, оскільки генетичний код був скопійований з вихідної яйцеклітини, заплідненої сперматозоїдом. Щоб взяти на себе спеціалізовану функцію, клітина буде експресувати або використовувати лише деякі гени у своєму генетичному коді, а решту ігноруватиме.

Наприклад, клітина, яка диференціюється і стає клітиною печінки, буде виражати

Клітинна диференціація відбувається в трьох ситуаціях:

• зростання незрілого організму у дорослу людину.
  
• Звичайний оборот таких клітин, як клітини крові у зрілих організмах.
• ремонт пошкоджених тканин, коли спеціалізовані клітини доводиться замінювати.

У кожному випадку сигналізація комірок повідомляє клітинам, який тип спеціалізованої комірки необхідний. Недиференційовані клітини експресують відповідні гени для задоволення потреб організму.

Генетичний код еукаріотичних клітин розташований на ДНК в ядро. ДНК не може покинути ядро, тому клітина повинна копіювати ген, який вона хоче експресувати.

РНК месенджера (мРНК) приєднується до ДНК і копіює відповідний ген. МРНК може виходити за межі ядра і передавати генетичні вказівки рибосомам, які плавають у клітинній цитоплазмі або які прикріплені до ендоплазматичної сітки. рибосоми продукують білок, кодований експресованим геном.

Залежно від сигналів, отриманих клітиною, впливів навколишнього середовища та стадії розвитку клітини, процес експресії генів може бути заблокований на будь-якій стадії. Якщо білок, кодований геном, не потрібен організму, мРНК не копіює ген, і процес експресії гена не розпочнеться.

Навіть після того, як мРНК копіює ген, молекула мРНК може бути заблокована для виходу з ядра або може не досягти рибосоми. Рибосоми можуть не виробляти необхідний білок, навіть якщо мРНК доставляє скопійоване генетичний код. Різні фактори можуть впливати на експресію генів протягом усього цього багатоетапного процесу.

Організми мають кілька способів забезпечити, щоб клітини переросли в необхідні спеціалізовані та диференційовані клітини.

Ключовим фактором, що стимулює клітинну диференціацію в організмі, є виробництво білків. Клітини можуть диференціюватись залежно від того, які гени експресуються, а які білки кодуються в експресованих генах. Вироблені білки допомагають диференційованим клітинам виконувати свою спеціалізовану функцію і дозволяють їм розповідати іншим клітинам, що вони роблять за допомогою клітинної сигналізації.

Подальшим механізмом, який може впливати на диференціацію клітин, є асиметрична сегрегація в поділ клітин. Такі речовини, як спеціальні білки, збираються на одному кінці клітини. Коли клітина ділиться, одна дочірня клітина має більше спеціальних білків, ніж інша. Клітини стають різними типами клітин через різний розподіл білка.

У міру диференціації клітини тип спеціалізації, який вона може прийняти, стає більш обмеженим. Ембріональний стовбурові клітини спочатку може стати клітиною будь-якого типу, але як тільки клітина дозріла і взяла на себе спеціалізовану роль, вона часто вже не може змінюватися. Ембріональні стовбурові клітини називаються тотипотентний клітини, оскільки вони все ще можуть приймати будь-яку роль, тоді як зрілі, спеціалізовані клітини, які повністю диференційовані, можуть виконувати лише свою спеціалізовану функцію.

Експресія генів відповідає за спеціалізацію клітин, але основні клітини повинні мати можливість виконувати спеціалізовані функції. Перш ніж може відбутися диференціація та спеціалізація клітин, повинен бути доступний потрібний тип клітини. Асиметрична сегрегація може продукувати такі різні типи клітин. Тотипотентні ембріональні клітини стають одним з трьох типів плюрипотентний клітини, які з часом диференціюються в різні тканини організму.

Три типи плюрипотентних клітин:

• Ентодерма клітини стають оболонкою дихальних та травних шляхів, а також формують печінку та багато головних залоз, таких як підшлункова залоза.
  
• Мезодерма клітини диференціюються, утворюючи м’язи, кістки, сполучну тканину та серце.
• Ектодерма клітини формують шкіру і нерви.

У той час як клітинна сигналізація відповідає за виробництво деяких різних типів клітин і за клітину спеціалізація, асиметрична сегрегація діє на початку розвитку клітин, виробляючи плюрипотент клітин.

Транскрипція ДНК до мРНК відбувається таким чином, що мРНК виробляє певні білки на одному кінці клітини і різні білки на іншому кінці. В результаті поділу клітин виникають два різні типи дочірніх клітин, які можуть продовжувати виробляти клітини з різною спеціалізацією.

Внутрішні механізми, що впливають на диференціювання клітин плюрипотентних клітин, в основному засновані на клітинній сигналізації. Клітини отримують хімічні сигнали, які повідомляють їм, який тип клітини або який білок необхідний.

Механізми сигналізації клітин включають:

• Дифузія, в якому клітини виділяють хімічні речовини, які поширюються по тканинах.
• Прямий контакт, в якому клітини мають на клітинних мембранах спеціальні хімічні речовини.
• Розриви, в якому сигнальні хімікати можуть переходити безпосередньо з однієї клітини в іншу.

Клітини постійно розсилають хімічні повідомлення про свою діяльність і отримують сигнали про те, що відбувається в їх безпосередньому сусідстві, в тканинах, де вони знаходяться, і в тілі в великий. Ці сигнали є головними факторами, що впливають на спеціалізацію клітин, а сигналізація клітин є ключовим фактором, що сприяє диференціації клітин в організмі.

Клітини стають чутливими до певних хімічних сигналів, оскільки вони є рецептори на їх клітинній мембрані. Рецептори залежать від типу клітини, того, як вона розвинулася і які гени експресуються. У міру активації рецепторів клітина диференціюється далі.

Коли клітина посилає сигнал багатьом сусіднім клітинам, вона випромінює хімічну речовину, яка дифундує крізь тканину, в якій клітина вбудована. Хімічний сигнал захоплюється рецепторами в клітинних мембранах навколишніх клітин і викликає реакцію всередині кожної клітини. Ці відповіді допомагають клітинам диференціюватися таким чином нарощує тканини.

Наприклад, клітини, які стануть частиною печінки, виділяють хімічні речовини, які викликають відповідні рецептори в сусідніх клітинах, і всі клітини в цьому місці диференціюються, перетворюючись на клітини печінки. У міру формування печінкової тканини подальша клітинна сигналізація приводить до того, що деякі клітини диференціюються в клітини протоки або сполучну тканину. Зрештою диференційовані клітини утворюють цілісну і функціональну печінку.

Щоб перерости в спеціалізовані клітини, необхідні організму, клітини повинні знати, що роблять інші клітини в їх безпосередньому оточенні. Спеціальні рецептори для контакту між клітинами та розривів між клітинами сприяють безпосередньому обміну сигналами між сусідніми клітинами. Клітини можуть гарантувати, що їх оточення відповідає їхній диференційованій спеціалізації.

В передача сигналів від клітини до клітини, спеціально сформовані рецепторні білки на поверхні клітини збігаються з відповідними білками на мембрані сусідньої клітини. Коли клітини контактують, два білки зв’язуються, і сигнал подається від однієї клітини до іншої. Сигнал проходить через клітинну мембрану і потрапляє в клітину, де викликає специфічну поведінку клітини.

Наприклад, клітини шкіри повинні переконатися, що навколо них є інші клітини шкіри, але деякі клітини шкіри матимуть клітини основної тканини під собою. Сигналізація від клітини до клітини дозволяє клітинам гарантувати, що їх оточення відповідає їх диференціації.

Проміжки - це спеціальні зв’язки між сусідніми клітинами, які дозволяють легко і безпосередньо обмінюватися білками, які діють як повідомлення. За допомогою щілинних з’єднань клітини можуть координувати свою діяльністьі обмінюватися сигналами швидко і легко.

Наприклад, нервові клітини використовуйте щілинні з’єднання для встановлення нервових шляхів, а щілинні з’єднання дозволяють клітинам диференціюватися в тип нервових клітин, який відповідає їх розташуванню в шкірі, в спинному мозку або в мозку.

Клітинна сигналізація та результуюча диференціація клітин - це складні процеси з багатьма етапами. Сигнали повинні вироблятися, поширюватися, прийматися і діяти. Тригери, що виникають внаслідок сигналів клітин, повинні працювати належним чином. Фактори, що порушують будь-який із етапів, можуть впливати на диференціацію клітин і спричиняти зміни в організмі.

До факторів, які можуть впливати і порушувати клітинну сигналізацію та диференціацію клітин, належать брак поживних речовин; якщо клітина не може виробляти білок, оскільки їй не вистачає будівельних блоків, вона не може диференціюватися. Мутації генетичного коду - ще одна проблема.

Якщо ДНК дефектна або транскрипція неправильна, процес сигналізації та диференціювання порушується. На додаток до цього, якщо хімічні речовини, що сигналізують, заблоковані або клітинні рецептори заповнені несигнальними хімічними зв'язками, процес передачі сигналів не працюватиме належним чином.

Вплив навколишнього середовища організму, який може впливати на клітинну сигналізацію, експресію генів та диференціацію клітин, може змінити, зупинити або порушити процес. Деякі фактори навколишнього середовища використовуються організмом для адаптації, інші можуть використовуватися для боротьби з хворобами, а деякі шкодять або вбивають організм.

Наприклад, температура навколишнього середовища може впливати на розвиток деяких організмів. Більш високі температури прискорюють ріст клітин та їх диференціацію, тоді як низькі температури уповільнюють або зупиняють розвиток.

Наркотики можуть порушити шкідливу диференціацію клітин. Наприклад, ліки можуть блокувати один із етапів процесу для необмеженого росту пухлини та зупиняти експресію відповідних генів.

Травми можуть впливати на експресію генів і впливати на тип клітини, необхідний для відновлення пошкоджень. Віруси та бактерії може впливати на диференціацію клітин. Наприклад, якщо мати інфікована таким захворюванням, як краснуха, плід, що розвивається, може впливати на його диференціацію клітин, і у нього можуть виникати вроджені вади.

Нарешті, токсичні хімічні речовини можуть впливати на диференціацію клітин. Речовини, які атакують або блокують сигнальні хімічні речовини або блокують положення рецепторів сигналу на клітинних мембранах, можуть припинити сигнальну активність і впливати на диференціацію клітин.

У випадку цих факторів навколишнього середовища організм намагається реагувати шляхом адаптації або зміни внутрішніх процесів. Адаптація ефективний для деяких впливів навколишнього середовища, але для інших організм може вижити, але мати дефекти, або організм може загинути.