Zawartość
- Ekspresja genów polega na tworzeniu kopii genów
- Czynniki wewnętrzne wpływające na specjalizację komórek
- Asymetryczna segregacja wytwarza różne komórki
- Sygnalizacja komórkowa jest przyczyną różnicowania komórek
- Sygnalizacja komórkowa przez dyfuzję wpływa na rozwój tkanek
- Lokalna sygnalizacja komórkowa pozwala komórkom rozpoznać swoich sąsiadów
- Czynniki wpływające na sygnalizację komórkową wpływają na różnicowanie komórek
- Czynniki środowiskowe mogą wpływać na różnicowanie komórek
Podczas różnicowania komórek w organizmach wielokomórkowych komórki stają się wyspecjalizowane i przyjmują role komórek nerwowych, mięśniowych i krwi. Czynniki zaangażowane w wyzwalanie różnicowania komórek obejmują sygnalizacja komórkowa, wpływy środowiska i poziom rozwoju organizmu.
Podstawowe różnicowanie komórek następuje po zapłodnieniu komórki plemnika przez komórkę jajową i uzyskana zygota osiąga określony rozmiar. W tym momencie zygota zaczyna opracowywać różne typy komórek i potrzebuje zróżnicowanych komórek, aby przyjąć wyspecjalizowane funkcje.
Mechanizm leżący u podstaw różnicowania komórek to Ekspresja genu. Wszystkie komórki organizmu mają identyczne zestawy genów, ponieważ kod genetyczny został skopiowany z oryginalnej komórki jajowej zapłodnionej przez plemnik. Aby przyjąć wyspecjalizowaną funkcję, komórka będzie wyrażać lub wykorzystywać tylko niektóre geny w kodzie genetycznym, a resztę zignorować.
Na przykład komórka, która różnicuje się w komórkę wątroby, będzie wyrażać geny komórek wątroby, a wszystkie inne komórki wątroby będą używać tego samego zestawu genów wątroby. Będą się różnicować razem, tworząc wątrobę.
Różnicowanie komórek zachodzi w trzech sytuacjach:
W każdym przypadku sygnalizacja komórkowa informuje komórki, jaki typ specjalistycznej komórki jest wymagany. Niezróżnicowane komórki wyrażają odpowiednie geny, aby zaspokoić potrzeby organizmu.
Ekspresja genów polega na tworzeniu kopii genów
Kod genetyczny komórek eukariotycznych znajduje się na DNA w jądrze. DNA nie może opuścić jądra, więc komórka musi skopiować gen, który chce wyrazić.
Messenger RNA (mRNA) dołącza się do DNA i kopiuje odpowiedni gen. MRNA może podróżować poza jądro i przekazywać instrukcje genetyczne rybosomom, które unoszą się w cytoplazmie komórkowej lub są przymocowane do retikulum endoplazmatycznego. Rybosomy wytwarzają białko kodowane przez gen ulegający ekspresji.
W zależności od sygnałów odbieranych przez komórkę, wpływów środowiska i etapu rozwoju komórki, proces ekspresji genów może być zablokowany na dowolnym etapie. Jeśli białko kodowane przez gen nie jest potrzebne organizmowi, mRNA nie skopiuje genu i proces ekspresji genu nie rozpocznie się.
Nawet po tym, jak mRNA skopiuje gen, cząsteczka mRNA może zostać zablokowana przed wyjściem z jądra lub może nie być w stanie dotrzeć do rybosomu. Rybosomy mogą nie wytwarzać wymaganego białka, nawet jeśli mRNA dostarcza skopiowany kod genetyczny. Różne czynniki mogą wpływać na ekspresję genów przez cały ten wieloetapowy proces.
Czynniki wewnętrzne wpływające na specjalizację komórek
Organizmy mają kilka sposobów zapewnienia, że komórki rozwiną się w potrzebne wyspecjalizowane i zróżnicowane komórki.
Kluczowym czynnikiem wpływającym na różnicowanie komórek w ciele jest produkcja białek. Komórki mogą różnicować się w zależności od tego, które geny ulegają ekspresji i które białka są kodowane w genach ulegających ekspresji. Wytworzone białka pomagają zróżnicowanym komórkom w spełnianiu ich wyspecjalizowanych funkcji i pozwalają im mówić innym komórkom, co robią poprzez sygnalizację komórkową.
Kolejnym mechanizmem, który może wpływać na różnicowanie komórek jest segregacja asymetryczna w podziale komórek. Substancje takie jak specjalne białka gromadzą się na jednym końcu komórki. Kiedy komórka dzieli się, jedna komórka potomna ma więcej specjalnych białek niż druga. Komórki stają się różnymi typami komórek ze względu na różny rozkład białek.
Gdy komórka się różnicuje, rodzaj specjalizacji, którą może przyjąć, staje się coraz bardziej ograniczony. Embrionalne komórki macierzyste mogą początkowo stać się dowolnym typem komórki, ale gdy komórka dojrzeje i przyjmie specjalną rolę, często nie może się już zmienić. Zarodkowe komórki macierzyste są nazywane totipotent komórki, ponieważ nadal mogą odgrywać dowolną rolę, podczas gdy dojrzałe, wyspecjalizowane komórki, które są w pełni zróżnicowane, mogą jedynie spełniać swoją specjalistyczną funkcję.
Asymetryczna segregacja wytwarza różne komórki
Ekspresja genów jest odpowiedzialna za specjalizację komórek, ale podstawowe komórki muszą mieć możliwość pełnienia wyspecjalizowanych funkcji. Przed różnicowaniem i specjalizacją komórki musi być dostępny odpowiedni typ komórki. Asymetryczna segregacja może wytwarzać tak różne typy komórek. Totipotencjalne komórki embrionalne stają się jednym z trzech rodzajów pluripotentny komórki, które ostatecznie różnicują się w różne tkanki ciała.
Trzy rodzaje komórek pluripotencjalnych to:
Podczas gdy sygnalizacja komórkowa jest odpowiedzialna za wytwarzanie niektórych różnych typów komórek i za specjalizację komórek, asymetryczna segregacja działa na początku rozwoju komórki w celu wytworzenia komórek pluripotencjalnych.
Transkrypcja DNA do mRNA odbywa się w taki sposób, że mRNA wytwarza pewne białka na jednym końcu komórki i różne białka na drugim końcu. Podział komórek skutkuje dwoma różnymi typami komórek potomnych, które mogą dalej wytwarzać komórki o różnych specjalizacjach.
Sygnalizacja komórkowa jest przyczyną różnicowania komórek
Mechanizmy wewnętrzne, które wpływają na różnicowanie komórek w pluripotencjalnych komórkach, oparte są głównie na sygnalizacji komórkowej. Komórki otrzymują sygnały chemiczne, które mówią im, jaki typ komórki lub jakiego rodzaju białka jest potrzebne.
Mechanizmy sygnalizacji komórkowej obejmują:
Komórki stale wydzielają substancje chemiczne dotyczące ich aktywności i odbierają sygnały o tym, co dzieje się w ich bezpośrednim sąsiedztwie, w tkankach, w których się znajdują, i w całym ciele. Sygnały te są głównymi czynnikami wpływającymi na specjalizację komórek, a sygnalizacja komórkowa jest kluczowym czynnikiem warunkującym różnicowanie komórek w ciele.
Sygnalizacja komórkowa przez dyfuzję wpływa na rozwój tkanek
Komórki stają się wrażliwe na niektóre sygnały chemiczne, ponieważ mają receptory na błonie komórkowej. Receptory zależą od rodzaju komórki, jej rozwoju i ekspresji genów. Gdy receptory są aktywowane, komórka dalej się różnicuje.
Gdy komórka jest sygnałem dla wielu pobliskich komórek, emituje substancję chemiczną, która dyfunduje przez tkankę, w której komórka jest osadzona. Sygnał chemiczny jest wychwytywany przez receptory w błonach komórkowych otaczających komórek i wyzwala odpowiedź wewnątrz każdej komórki. Te odpowiedzi pomagają w różnicowaniu komórek w ten sposób buduje tkankę.
Na przykład komórki, które staną się częścią wątroby, emitują substancje chemiczne, które wyzwalają odpowiednie receptory w pobliskich komórkach, a wszystkie komórki w tej lokalizacji różnicują się, by stać się komórkami wątroby. Gdy tworzy się tkanka wątroby, dalsza sygnalizacja komórkowa powoduje różnicowanie się niektórych komórek w komórki przewodowe lub tkankę łączącą. W końcu zróżnicowane komórki tworzą pełną i funkcjonalną wątrobę.
Lokalna sygnalizacja komórkowa pozwala komórkom rozpoznać swoich sąsiadów
Aby rozwinąć się w wyspecjalizowane komórki potrzebne organizmowi, komórki muszą wiedzieć, co robią inne komórki w ich bezpośrednim otoczeniu. Specjalne receptory do kontaktu między komórkami i połączenia przerw między komórkami ułatwiają bezpośrednią wymianę sygnałów między sąsiednimi komórkami. Komórki mogą zapewnić, że ich otoczenie odpowiada ich zróżnicowanej specjalizacji.
W sygnalizacja między komórkami, specjalnie utworzone białka receptorowe na powierzchni komórki pasują do odpowiednich białek na błonie sąsiednich komórek. Kiedy komórki się zetkną, dwa białka łączą się, a sygnał jest wyzwalany z jednej komórki do drugiej. Sygnał przechodzi przez błonę komórkową i wchodzi do komórki, gdzie powoduje określone zachowanie komórki.
Na przykład komórki skóry muszą upewnić się, że mają wokół siebie inne komórki skóry, ale niektóre komórki skóry będą miały pod sobą komórki tkanki podstawowej. Sygnalizacja między komórkami pozwala komórkom upewnić się, że ich otoczenie odpowiada ich różnicowaniu.
Złącza szczelinowe to specjalne połączenia między sąsiadującymi komórkami, które umożliwiają łatwą i bezpośrednią wymianę białek działających jako s. Za pomocą połączeń szczelinowych komórki mogą koordynują swoje działania i wymieniać sygnały szybko i łatwo.
Na przykład komórki nerwowe wykorzystują połączenia szczelinowe do ustanowienia ścieżek nerwowych, a połączenia szczelinowe pozwalają komórkom różnicować się w typ komórek nerwowych odpowiednich do ich umiejscowienia w skórze, rdzeniu kręgowym lub mózgu.
Czynniki wpływające na sygnalizację komórkową wpływają na różnicowanie komórek
Sygnalizacja komórkowa i wynikające z niej różnicowanie komórek są złożonymi procesami złożonymi z wielu etapów. Sygnały muszą być wytwarzane, propagowane, odbierane i obsługiwane. Wyzwalacze wynikające z sygnałów komórkowych muszą działać zgodnie z oczekiwaniami. Czynniki, które zakłócają którykolwiek z etapów, mogą wpływać na różnicowanie komórek i powodować zmiany w organizmie.
Czynniki, które mogą wpływać i zakłócać sygnalizację komórkową i różnicowanie komórek obejmują brak składników odżywczych; jeśli komórka nie może wytworzyć białka, ponieważ brakuje mu elementów budulcowych, nie może się różnicować. Innym problemem są mutacje w kodzie genetycznym.
Jeśli DNA jest uszkodzony lub transkrypcja jest nieprawidłowa, proces sygnalizacji i różnicowania jest zakłócany. Oprócz tego, jeśli chemikalia sygnalizujące są zablokowane lub receptory komórkowe są wypełnione niesygnalnymi wiązaniami chemicznymi, proces sygnalizacji nie będzie działał poprawnie.
Czynniki środowiskowe mogą wpływać na różnicowanie komórek
Wpływy ze środowiska organizmu, które mogą wpływać na sygnalizację komórkową, ekspresję genów i różnicowanie komórek, mogą zmienić, zatrzymać lub zakłócić proces. Niektóre czynniki środowiskowe są wykorzystywane przez organizm do adaptacji, niektóre mogą być wykorzystywane do zwalczania chorób, a niektóre do szkodzenia lub zabijania organizmu.
Na przykład temperatura otoczenia może wpływać na rozwój niektórych organizmów. Wyższe temperatury przyspieszają wzrost komórek i ich różnicowanie, podczas gdy niskie temperatury spowalniają lub zatrzymują rozwój.
Leki mogą zakłócać szkodliwe różnicowanie komórek. Na przykład leki mogą blokować jeden z etapów procesu dla nieograniczonego wzrostu guza i zatrzymać ekspresję odpowiednich genów.
Urazy mogą wpływać na ekspresję genów i wpływać na rodzaj komórek potrzebnych do naprawy uszkodzeń. Wirusy i bakterie mogą wpływać na różnicowanie komórek. Na przykład, jeśli matka jest zarażona chorobą, taką jak różyczka, rozwój płodu może mieć wpływ na różnicowanie komórek i może rozwinąć się wady wrodzone.
Wreszcie toksyczne chemikalia mogą wpływać na różnicowanie komórek. Substancje atakujące lub blokujące chemikalia sygnalizujące lub blokujące pozycje receptorów sygnałowych na błonach komórkowych mogą zatrzymać aktywność sygnalizacyjną i wpływać na różnicowanie komórek.
W przypadku tych czynników środowiskowych organizm próbuje odpowiedzieć, dostosowując lub zmieniając procesy wewnętrzne. Adaptacja jest skuteczna w przypadku niektórych wpływów środowiska, ale w innych organizm może przetrwać, ale wykazywać defekty lub organizm może umrzeć.