Περιεχόμενο
- Η έκφραση γονιδίων λειτουργεί με την παραγωγή αντιγράφων του γονιδίου
- Εσωτερικοί παράγοντες που επηρεάζουν την εξειδίκευση των κυττάρων
- Ο ασύμμετρος διαχωρισμός παράγει διαφορετικά κύτταρα
- Η κυτταρική σηματοδότηση είναι στην ρίζα της διαφοροποίησης των κυττάρων
- Η κυτταρική σηματοδότηση με διάχυση επηρεάζει την ανάπτυξη ιστών
- Η τοπική σηματοδότηση κυττάρων επιτρέπει στα κύτταρα να αναγνωρίζουν τους γείτονές τους
- Παράγοντες που επηρεάζουν τη κυτταρική διαφοροποίηση κυτταρικής σήμανσης
- Οι περιβαλλοντικοί παράγοντες μπορούν να επηρεάσουν τη διαφοροποίηση των κυττάρων
Κατά τη διαφοροποίηση των κυττάρων σε πολυκύτταρους οργανισμούς, τα κύτταρα γίνονται εξειδικευμένα και αναλαμβάνουν ρόλους όπως εκείνοι των νεύρων, των μυών και των κυττάρων του αίματος. Οι παράγοντες που εμπλέκονται στην ενεργοποίηση της κυτταρικής διαφοροποίησης περιλαμβάνουν κυτταρικής σηματοδότησης, τις περιβαλλοντικές επιρροές και το επίπεδο ανάπτυξης του οργανισμού.
Η βασική διαφοροποίηση των κυττάρων λαμβάνει χώρα αφού ένα σπερματοζωάριο γονιμοποιήσει ένα ωάριο και το προκύπτον ζυγωτό φτάσει σε ένα συγκεκριμένο μέγεθος. Σε αυτό το σημείο ο ζυγώτης αρχίζει να αναπτύσσει διαφορετικούς τύπους κυττάρων και χρειάζεται διαφοροποιημένα κύτταρα για να αναλάβει τις εξειδικευμένες λειτουργίες.
Ο μηχανισμός που βρίσκεται στη ρίζα της κυτταρικής διαφοροποίησης είναι γονιδιακή έκφραση. Όλα τα κύτταρα ενός οργανισμού έχουν πανομοιότυπα σύνολα γονιδίων επειδή ο γενετικός κώδικας αντιγράφηκε από το αρχικό κύτταρο αυγού που γονιμοποιήθηκε από το κύτταρο σπέρματος. Για να αναλάβει μια εξειδικευμένη λειτουργία, ένα κύτταρο θα εκφράσει ή θα χρησιμοποιήσει μόνο μερικά από τα γονίδια στον γενετικό του κώδικα και θα αγνοήσει τα υπόλοιπα.
Για παράδειγμα, ένα κύτταρο που διαφοροποιείται για να γίνει ηπατικό κύτταρο θα εκφράσει τα γονίδια των ηπατικών κυττάρων και όλα τα άλλα κύτταρα του ήπατος θα χρησιμοποιήσουν το ίδιο σύνολο γονιδίων του ήπατος. Θα διαφοροποιηθούν μαζί για να σχηματίσουν το ήπαρ.
Η κυτταρική διαφοροποίηση λαμβάνει χώρα σε τρεις περιπτώσεις:
Σε κάθε περίπτωση, η κυτταρική σηματοδότηση ενημερώνει τα κύτταρα για τον τύπο του εξειδικευμένου κυττάρου που απαιτείται. Τα μη διαφοροποιημένα κύτταρα εκφράζουν τα αντίστοιχα γονίδια για να ικανοποιήσουν τις ανάγκες του οργανισμού.
Η έκφραση γονιδίων λειτουργεί με την παραγωγή αντιγράφων του γονιδίου
Ο γενετικός κώδικας των ευκαρυωτικών κυττάρων βρίσκεται στο DNA στον πυρήνα. Το επίκλιμα του DNA εγκαταλείπει τον πυρήνα έτσι ώστε το κύτταρο να αντιγράψει το γονίδιο που θέλει να εκφράσει.
Αγγελιοφόρο RNA (mRNA) συνδέεται με το DNA και αντιγράφει το σχετικό γονίδιο. Το mRNA μπορεί να ταξιδέψει έξω από τον πυρήνα και να φέρει τις γενετικές οδηγίες σε ριβοσώματα που επιπλέουν στο κυτταρόπλασμα των κυττάρων ή που συνδέονται με το ενδοπλασματικό δίκτυο. Τα ριβοσώματα παράγουν την πρωτεΐνη που κωδικοποιείται από το εκφρασμένο γονίδιο.
Ανάλογα με τα σήματα που λαμβάνονται από το κύτταρο, τις περιβαλλοντικές επιδράσεις και το αναπτυξιακό στάδιο του κυττάρου, η διαδικασία της γονιδιακής έκφρασης μπορεί να αποκλειστεί σε οποιοδήποτε στάδιο. Εάν η πρωτεΐνη που κωδικοποιείται από το γονίδιο δεν χρειάζεται από τον οργανισμό, το mRNA δεν θα αντιγράψει το γονίδιο και η διαδικασία γονιδιακής έκφρασης δεν θα ξεκινήσει.
Ακόμη και αφού το mRNA αντιγράψει το γονίδιο, το μόριο mRNA μπορεί να αποκλειστεί από την έξοδο από τον πυρήνα ή μπορεί να μην είναι σε θέση να φθάσει σε ριβόσωμα. Τα ριβοσώματα μπορεί να μην παράγουν την απαιτούμενη πρωτεΐνη ακόμη και αν το mRNA παραδίδει τον αντιγραφόμενο γενετικό κώδικα. Διαφορετικοί παράγοντες μπορούν να επηρεάσουν τη γονιδιακή έκφραση σε όλη αυτή τη διαδικασία πολλαπλών βημάτων.
Εσωτερικοί παράγοντες που επηρεάζουν την εξειδίκευση των κυττάρων
Οι οργανισμοί έχουν διάφορους τρόπους να εξασφαλίσουν ότι τα κύτταρα αναπτύσσονται στα εξειδικευμένα και διαφοροποιημένα κύτταρα που χρειάζονται.
Ο βασικός παράγοντας που οδηγεί στην κυτταρική διαφοροποίηση στο σώμα είναι η παραγωγή πρωτεϊνών. Τα κύτταρα μπορούν να διαφοροποιηθούν ανάλογα με τα γονίδια που εκφράζονται και ποιες πρωτεΐνες κωδικοποιούνται στα εκφρασμένα γονίδια. Οι παραγόμενες πρωτεΐνες βοηθούν τα διαφοροποιημένα κύτταρα να εκτελούν την εξειδικευμένη λειτουργία τους και να τους αφήνουν να λένε σε άλλα κύτταρα τι κάνουν μέσω της κυτταρικής σηματοδότησης.
Ένας περαιτέρω μηχανισμός που μπορεί να επηρεάσει τη διαφοροποίηση των κυττάρων είναι ασύμμετρο διαχωρισμό στην κυτταρική διαίρεση. Ουσίες όπως ειδικές πρωτεΐνες συγκεντρώνονται στο ένα άκρο ενός κυττάρου. Όταν το κύτταρο χωρίζεται, ένα θυγατρικό κύτταρο έχει περισσότερες από τις ειδικές πρωτεΐνες από το άλλο. Τα κύτταρα γίνονται διαφορετικοί τύποι κυττάρων λόγω της διαφορετικής κατανομής πρωτεϊνών.
Καθώς διαφοροποιείται ένα κύτταρο, ο τύπος εξειδίκευσης που μπορεί να αναλάβει γίνεται πιο περιορισμένος. Τα εμβρυϊκά βλαστοκύτταρα μπορούν αρχικά να γίνουν οποιοδήποτε είδος κυττάρου, αλλά μόλις το κύτταρο είναι ώριμο και έχει αναλάβει έναν εξειδικευμένο ρόλο, συχνά δεν μπορεί πλέον να αλλάξει. Τα εμβρυϊκά βλαστοκύτταρα ονομάζονται παντοδύναμος κυττάρων επειδή μπορούν ακόμα να αναλάβουν οποιοδήποτε ρόλο, ενώ ώριμα εξειδικευμένα κύτταρα που είναι πλήρως διαφοροποιημένα μπορούν να εκτελούν μόνο την εξειδικευμένη λειτουργία τους.
Ο ασύμμετρος διαχωρισμός παράγει διαφορετικά κύτταρα
Η έκφραση γονιδίων είναι υπεύθυνη για την εξειδίκευση των κυττάρων, αλλά τα βασικά κύτταρα πρέπει να είναι σε θέση να αναλάβουν τις εξειδικευμένες λειτουργίες. Πριν από τη διαφοροποίηση και την εξειδίκευση των κυττάρων, πρέπει να υπάρχει ο σωστός τύπος κυττάρων. Ο ασύμμετρος διαχωρισμός μπορεί να παράγει διαφορετικούς τύπους κυττάρων. Τα τοξωτά εμβρυϊκά κύτταρα γίνονται ένας από τους τρεις τύπους πολυδύναμη κύτταρα που τελικά διαφοροποιούνται στους διάφορους ιστούς του σώματος.
Οι τρεις τύποι πολυδύναμων κυττάρων είναι:
Ενώ η κυτταρική σηματοδότηση είναι υπεύθυνη για την παραγωγή μερικών διαφορετικών κυτταρικών τύπων και για την εξειδίκευση των κυττάρων, ο ασύμμετρος διαχωρισμός ενεργεί στην αρχή της κυτταρικής ανάπτυξης για να παράγει πολυδύναμα κύτταρα.
Η μεταγραφή του DNA στο mRNA λαμβάνει χώρα με τέτοιο τρόπο ώστε το mRNA να παράγει ορισμένες πρωτεΐνες στο ένα άκρο του κυττάρου και διαφορετικές πρωτεΐνες στο άλλο άκρο. Η κυτταρική διαίρεση έχει ως αποτέλεσμα δύο διαφορετικούς τύπους θυγατρικών κυττάρων που μπορούν να συνεχίσουν να παράγουν κύτταρα με διαφορετικές ειδικότητες.
Η κυτταρική σηματοδότηση είναι στην ρίζα της διαφοροποίησης των κυττάρων
Οι εσωτερικοί μηχανισμοί που επηρεάζουν την κυτταρική διαφοροποίηση των πολυδύναμων κυττάρων βασίζονται κυρίως στη σηματοδότηση των κυττάρων. Τα κύτταρα λαμβάνουν χημικά σήματα που τους λένε τι είδους κύτταρο ή τι είδους πρωτεΐνη χρειάζεται.
Οι μηχανισμοί κυτταρικής σηματοδότησης περιλαμβάνουν:
Τα κύτταρα συνεχώς εξουδετερώνουν τις δραστηριότητές τους και λαμβάνουν μηνύματα για το τι συμβαίνει στην άμεση γειτονιά τους, στους ιστούς όπου βρίσκονται και στο σώμα γενικά. Αυτά τα σήματα είναι οι κυριότεροι παράγοντες που επηρεάζουν την εξειδίκευση των κυττάρων και η κυτταρική σηματοδότηση είναι ο βασικός παράγοντας που οδηγεί τη διαφοροποίηση των κυττάρων στο σώμα.
Η κυτταρική σηματοδότηση με διάχυση επηρεάζει την ανάπτυξη ιστών
Τα κύτταρα γίνονται ευαίσθητα σε ορισμένα χημικά σήματα επειδή έχουν υποδοχείς στην κυτταρική τους μεμβράνη. Οι υποδοχείς εξαρτώνται από τον τύπο του κυττάρου, τον τρόπο με τον οποίο έχει αναπτυχθεί και τα γονίδια που εκφράζονται. Καθώς ενεργοποιούνται οι υποδοχείς, το κύτταρο διαφοροποιείται περαιτέρω.
Όταν ένα κύτταρο είναι ένα σήμα σε πολλά κοντινά κύτταρα, εκπέμπει μια χημική ουσία που διαχέεται μέσω του ιστού στον οποίο είναι ενσωματωμένο το κύτταρο. Το χημικό σήμα συλλαμβάνεται από τους υποδοχείς στις κυτταρικές μεμβράνες των περιβαλλόντων κυττάρων και προκαλεί μια απόκριση μέσα σε κάθε κύτταρο. Αυτές οι απαντήσεις βοηθούν τα κύτταρα να διαφοροποιηθούν με τέτοιο τρόπο χτίζει ιστό.
Για παράδειγμα, τα κύτταρα που θα γίνουν μέρος ενός ήπατος εκπέμπουν χημικές ουσίες που ενεργοποιούν τους αντίστοιχους υποδοχείς σε κοντινά κύτταρα και όλα τα κύτταρα σε αυτό το σημείο διαφοροποιούνται για να γίνουν ηπατικά κύτταρα. Καθώς σχηματίζεται ο ιστός του ήπατος, η περαιτέρω σηματοδότηση κυττάρων προκαλεί ορισμένα κύτταρα να διαφοροποιηθούν σε κύτταρα αγωγού ή σε ιστό σύνδεσης. Τελικά τα διαφοροποιημένα κύτταρα σχηματίζουν ένα πλήρες και λειτουργικό ήπαρ.
Η τοπική σηματοδότηση κυττάρων επιτρέπει στα κύτταρα να αναγνωρίζουν τους γείτονές τους
Για να αναπτυχθούν στα εξειδικευμένα κύτταρα που χρειάζεται ο οργανισμός, τα κύτταρα πρέπει να γνωρίζουν τι κάνουν τα άλλα κύτταρα στο άμεσο περιβάλλον τους. Ειδικοί υποδοχείς για επαφή κυττάρου προς κύτταρο και διασταυρώσεις μεταξύ κυττάρων διευκολύνουν την άμεση ανταλλαγή σημάτων μεταξύ γειτονικών κυττάρων. Τα κύτταρα μπορούν να εξασφαλίσουν ότι το περιβάλλον τους αντιστοιχεί στη διαφοροποιημένη εξειδίκευση τους.
Σε σηματοδότηση κυψέλης-κυττάρου, οι ειδικά διαμορφωμένες πρωτεΐνες υποδοχέα στην επιφάνεια ενός κυττάρου ταιριάζουν με τις αντίστοιχες πρωτεΐνες σε μια γειτονική κυτταρική μεμβράνη. Όταν τα κύτταρα έρχονται σε επαφή, οι δύο πρωτεΐνες συνδέονται και ένα σήμα ενεργοποιείται από το ένα κύτταρο στο άλλο. Το σήμα περνάει από την κυτταρική μεμβράνη και εισέρχεται στο κύτταρο όπου προκαλεί μια συγκεκριμένη συμπεριφορά των κυττάρων.
Για παράδειγμα, τα κύτταρα του δέρματος πρέπει να βεβαιωθούν ότι έχουν άλλα κύτταρα του δέρματος γύρω τους, αλλά μερικά κύτταρα του δέρματος θα έχουν τα κύτταρα του υποκείμενου ιστού κάτω από αυτά. Η σηματοδότηση κυψέλης-κυττάρου επιτρέπει στα κύτταρα να εξασφαλίζουν ότι το περιβάλλον τους ταιριάζει με τη διαφοροποίησή τους.
Οι διακλαδώσεις κόμβων είναι ειδικοί δεσμοί μεταξύ γειτονικών κυττάρων που επιτρέπουν την εύκολη και άμεση ανταλλαγή πρωτεϊνών που ενεργούν ως s. Χρησιμοποιώντας κόμβους διαστήματος, τα κύτταρα μπορούν συντονίζουν τις δραστηριότητές τους και ανταλλαγή σημάτων γρήγορα και εύκολα.
Για παράδειγμα, τα νευρικά κύτταρα χρησιμοποιούν διακλαδώσεις για να δημιουργήσουν διαδρομές νεύρων και διασταυρώσεις διαστήματος επιτρέπουν στα κύτταρα να διαφοροποιούνται στον τύπο των νευρικών κυττάρων που είναι κατάλληλα για τη θέση τους στο δέρμα, στον νωτιαίο μυελό ή στον εγκέφαλο.
Παράγοντες που επηρεάζουν τη κυτταρική διαφοροποίηση κυτταρικής σήμανσης
Η κυτταρική σηματοδότηση και η προκύπτουσα κυτταρική διαφοροποίηση είναι πολύπλοκες διαδικασίες με πολλά βήματα. Τα σήματα πρέπει να παράγονται, να διαδίδονται λαμβανόμενα και να ενεργούν. Οι ενεργοποιήσεις που προκύπτουν από τα κυτταρικά σήματα πρέπει να λειτουργούν όπως αναμένεται. Παράγοντες που διαταράσσουν οποιοδήποτε από τα βήματα μπορούν να επηρεάσουν τη διαφοροποίηση των κυττάρων και να προκαλέσουν αλλαγές στον οργανισμό.
Παράγοντες που μπορούν να επηρεάσουν και να διαταράξουν την κυτταρική σηματοδότηση και τη διαφοροποίηση των κυττάρων περιλαμβάνουν την έλλειψη θρεπτικών συστατικών. εάν ένα κυλινδρικό επίκλιμα παράγει μια πρωτεΐνη επειδή δεν διαθέτει τα δομικά στοιχεία, δεν μπορεί να διαφοροποιηθεί. Οι μεταλλάξεις στον γενετικό κώδικα είναι ένα άλλο πρόβλημα.
Εάν το DNA είναι ελαττωματικό ή η μεταγραφή είναι λανθασμένη, διακόπτεται η διαδικασία σηματοδότησης και διαφοροποίησης. Εκτός αυτών, εάν οι χημικές ουσίες σηματοδότησης μπλοκαριστούν ή οι υποδοχείς των κυττάρων είναι γεμάτοι με μη-σηματοδοτικούς χημικούς δεσμούς, η διαδικασία σηματοδότησης δεν θα λειτουργήσει σωστά.
Οι περιβαλλοντικοί παράγοντες μπορούν να επηρεάσουν τη διαφοροποίηση των κυττάρων
Οι επιδράσεις από το περιβάλλον του οργανισμού που μπορούν να επηρεάσουν την κυτταρική σηματοδότηση, την έκφραση γονιδίων και τη διαφοροποίηση των κυττάρων μπορούν να αλλάξουν, να σταματήσουν ή να διαταράξουν τη διαδικασία. Κάποιοι περιβαλλοντικοί παράγοντες χρησιμοποιούνται από τον οργανισμό για την προσαρμογή, μερικοί μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την καταπολέμηση ασθενειών και για κάποια βλάβη ή για να σκοτώσουν τον οργανισμό.
Για παράδειγμα, η θερμοκρασία περιβάλλοντος μπορεί να επηρεάσει την ανάπτυξη ορισμένων οργανισμών. Οι υψηλότερες θερμοκρασίες επιταχύνουν την ανάπτυξη των κυττάρων και τη διαφοροποίησή τους ενώ οι χαμηλές θερμοκρασίες επιβραδύνουν ή σταματούν την ανάπτυξη.
Τα φάρμακα μπορούν να διαταράξουν την επιβλαβή διαφοροποίηση των κυττάρων. Για παράδειγμα, φάρμακα μπορούν να μπλοκάρουν ένα από τα στάδια της διαδικασίας για απεριόριστη ανάπτυξη όγκου και να σταματήσουν την έκφραση των αντίστοιχων γονιδίων.
Οι τραυματισμοί μπορούν να επηρεάσουν την έκφραση γονιδίων και να επηρεάσουν τον τύπο του κυττάρου που απαιτείται για την αποκατάσταση των ζημιών. Οι ιοί και τα βακτηρίδια μπορούν να επηρεάσουν την κυτταρική διαφοροποίηση. Για παράδειγμα, αν μια μητέρα μολυνθεί από μια ασθένεια όπως η ερυθρά, το αναπτυσσόμενο έμβρυο μπορεί να επηρεάσει την κυτταρική διαφοροποίησή του και μπορεί να εμφανίσει γενετικές ανωμαλίες.
Τέλος τοξικές χημικές ουσίες μπορούν να επηρεάσουν τη διαφοροποίηση των κυττάρων Ουσίες που προσβάλλουν ή αποκλείουν χημικές ουσίες σηματοδότησης ή που μπλοκάρουν τις θέσεις των υποδοχέων σημάτων στις κυτταρικές μεμβράνες μπορεί να σταματήσουν τη δραστηριότητα σηματοδότησης και να επηρεάσουν τη διαφοροποίηση των κυττάρων
Στην περίπτωση αυτών των περιβαλλοντικών παραγόντων, ο οργανισμός προσπαθεί να ανταποκριθεί προσαρμόζοντας ή μεταβάλλοντας τις εσωτερικές διαδικασίες. Η προσαρμογή είναι αποτελεσματική για ορισμένες από τις περιβαλλοντικές επιρροές, αλλά για άλλους, ο οργανισμός μπορεί να επιβιώσει αλλά να παρουσιάσει ελαττώματα ή ο οργανισμός να πεθάνει.