3.6: Клітинна диференціація

Last updated
Save as PDF

Page ID: 1543

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Обговоріть, як генералізовані клітини ембріона, що розвивається, або стовбурові клітини дорослого організму диференціюються на спеціалізовані клітини
Розрізняють категорії стовбурових клітин

Як складний організм, такий як людина, розвивається з однієї клітини - заплідненої яйцеклітини - у широкий спектр типів клітин, таких як нервові клітини, м'язові клітини та епітеліальні клітини, які характеризують дорослого? Протягом усього розвитку та дорослого життя процес клітинної диференціації призводить клітини до припущення їх остаточної морфології та фізіології. Диференціація - це процес, за допомогою якого неспеціалізовані клітини стають спеціалізованими для виконання різних функцій.

Стовбурові клітини

Стовбурова клітина - це неспеціалізована клітина, яка може ділитися без обмежень у міру необхідності і може за певних умов диференціюватися на спеціалізовані клітини. Стовбурові клітини поділяються на кілька категорій відповідно до їх потенціалу диференціювання.

Перші ембріональні клітини, що виникають внаслідок поділу зиготи, є кінцевими стовбуровими клітинами; ці стовбурові клітини описуються як тотипотентні, оскільки вони мають потенціал диференціюватися в будь-яку з клітин, необхідних для того, щоб організм міг рости і розвиватися.

Ембріональні клітини, які розвиваються з тотипотентних стовбурових клітин і є попередниками основних тканинних шарів ембріона, класифікуються як плюрипотентні. Плюрипотентна стовбурова клітина - це та, яка може диференціюватися на будь-який тип людської тканини, але не може підтримувати повноцінний розвиток організму. Потім ці клітини стають трохи більш спеціалізованими і називаються мультипотентними клітинами.

Мультипотентна стовбурова клітина може диференціюватися на різні типи клітин у межах певної клітинної лінії або невеликої кількості родовищ, таких як еритроцити або лейкоцити.

Нарешті, мультипотентні клітини можуть стати подальшими спеціалізованими олігопотентними клітинами. Олігопотентна стовбурова клітина обмежується тим, щоб стати одним з декількох різних типів клітин. Навпаки, уніпотентна клітина повністю спеціалізована і може відтворюватися лише для створення більшої кількості власного конкретного типу клітин.

Стовбурові клітини унікальні тим, що вони також можуть постійно ділити і регенерувати нові стовбурові клітини замість подальшої спеціалізації. Існують різні стовбурові клітини на різних етапах життя людини. До них відносяться ембріональні стовбурові клітини ембріона, стовбурові клітини плода та стовбурові клітини дорослої людини. Одним з видів дорослих стовбурових клітин є епітеліальна стовбурова клітина, яка породжує кератиноцити в декількох шарах епітеліальних клітин епідермісу шкіри. Кістковий мозок дорослого має три різних типи стовбурових клітин: гемопоетичні стовбурові клітини, які породжують еритроцити, лейкоцити та тромбоцити (рис.\(\PageIndex{1}\)); ендотеліальні стовбурові клітини, які породжують типи ендотеліальних клітин, що вирівнюють кровоносні та лімфатичні судини; і мезенхімальні стовбурові клітини, які породжують різні типи м'язових клітин.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Кровотворення. Процес кровотворення передбачає диференціювання мультипотентних клітин на клітини крові та імунної системи. Мультипотентні гемопоетичні стовбурові клітини породжують безліч різних типів клітин, включаючи клітини імунної системи та еритроцити.

Диференціація

Коли клітина диференціюється (стає більш спеціалізованою), вона може здійснити значні зміни в її розмірі, формі, метаболічної активності та загальної функції. Оскільки всі клітини в організмі, починаючи з заплідненої яйцеклітини, містять однакову ДНК, як різні типи клітин стають такими різними? Відповідь аналогічна сценарію фільму. Різні актори у фільмі читають з одного сценарію, однак, кожен з них читає лише власну частину сценарію. Аналогічно всі клітини містять однаковий повний доповнення ДНК, але кожен тип клітини тільки «зчитує» ті частини ДНК, які мають відношення до її власної функції. У біології це називають унікальною генетичною експресією кожної клітини.

Для того щоб клітина диференціювалася на свою спеціалізовану форму і функцію, їй потрібно лише маніпулювати тими генами (а значить і тими білками), які будуть виражені, а не тими, які будуть мовчати. Первинний механізм, за допомогою якого гени включаються або «вимкнені», - це через транскрипційні фактори. Фактор транскрипції - це один з класу білків, які зв'язуються з конкретними генами на молекулі ДНК і або сприяють або гальмують їх транскрипцію (рис.\(\PageIndex{2}\)).

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Фактори транскрипції регулюють експресію генів.Хоча кожна клітина тіла містить весь геном організму, різні клітини регулюють експресію генів з використанням різних факторів транскрипції. Факторами транскрипції є білки, які впливають на зв'язування РНК-полімерази з певним геном на молекулі ДНК.

ПОВСЯКДЕННЕ З'ЄДНАННЯ

Дослідження стовбурових клітин

Дослідження стовбурових клітин спрямовані на пошук способів використання стовбурових клітин для регенерації та відновлення клітинних пошкоджень. Згодом більшість дорослих клітин піддаються зносу старіння і втрачають здатність ділитися і відновлюватися самостійно. Стовбурові клітини не відображають певної морфології або функції. Стовбурові клітини дорослих, які існують як невелика підмножина клітин у більшості тканин, продовжують ділитися і можуть диференціюватися на ряд спеціалізованих клітин, які зазвичай утворюються цією тканиною. Ці клітини дозволяють організму оновлювати і відновлювати тканини організму.

Механізми, які спонукають недиференційовану клітину стати спеціалізованою клітиною, погано вивчені. У лабораторних умовах можна спонукати стовбурові клітини диференціюватися на спеціалізовані клітини, змінюючи фізико-хімічні умови росту. Кілька джерел стовбурових клітин використовуються експериментально і класифікуються за їх походженням та потенціалом диференціювання. Ембріональні стовбурові клітини людини (HESC) витягуються з ембріонів і є плюрипотентними. Стовбурові клітини дорослих, які присутні в багатьох органах та диференційованих тканині, таких як кістковий мозок та шкіра, є мультипотентними, обмежуючись диференціацією типами клітин, що містяться в цих тканині. Стовбурові клітини, виділені з пуповинної крові, також є мультипотентними, як і клітини молочних зубів (молочних зубів). Нещодавно дослідники розробили індуковані плюрипотентні стовбурові клітини (IPSCs) з мишачих та людських стовбурових клітин дорослих. Ці клітини є генетично перепрограмованими мультипотентними клітинами дорослих, які функціонують як ембріональні стовбурові клітини; вони здатні генерувати клітини, характерні для всіх трьох зародкових шарів.

Через здатність ділитися та диференціюватися на спеціалізовані клітини стовбурові клітини пропонують потенційне лікування таких захворювань, як діабет та хвороби серця (рис.\(\PageIndex{3}\)). Клітинна терапія відноситься до лікування, при якому стовбурові клітини, індуковані диференціюватися в ростовій тарілці, вводяться пацієнту для відновлення пошкоджених або зруйнованих клітин або тканин. Для застосування клітинної терапії необхідно подолати багато перешкод. Хоча ембріональні стовбурові клітини мають майже необмежений діапазон потенціалу диференціації, вони розглядаються імунною системою пацієнта як чужорідні і можуть викликати відторгнення. Також знищення ембріонів для виділення ембріональних стовбурових клітин викликає значні етичні та правові питання.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Стовбурові клітини. Здатність стовбурових клітин диференціюватися на спеціалізовані клітини робить їх потенційно цінними в терапевтичних додатках, призначених для заміни пошкоджених клітин різних тканин організму.

Навпаки, стовбурові клітини дорослих, виділені від пацієнта, не розглядаються організмом як чужорідні, але вони мають обмежений діапазон диференціації. Деякі люди зберігають пуповинну кров або молочні зуби своєї дитини, зберігаючи ці джерела стовбурових клітин для подальшого використання, якщо їх дитина потребує. Індуковані плюрипотентні стовбурові клітини вважаються перспективним прогресом у цій галузі, оскільки їх використання дозволяє уникнути правових, етичних та імунологічних підводних каменів ембріональних стовбурових клітин.

Огляд глави

Однією з основних напрямків досліджень в біології є те, як клітини спеціалізуються, щоб взяти на себе свої унікальні структури та функції, оскільки всі клітини по суті походять від однієї заплідненої яйцеклітини. Клітинна диференціація - це процес, коли клітини стають спеціалізованими, коли вони розвиваються. Стовбурова клітина - це неспеціалізована клітина, яка може ділитися без обмежень у міру необхідності і може за певних умов диференціюватися на спеціалізовані клітини. Стовбурові клітини поділяються на кілька категорій відповідно до їх потенціалу диференціювання. Хоча всі соматичні клітини містять точно такий же геном, різні типи клітин виражають лише деякі з цих генів у будь-який момент часу. Ці відмінності в експресії генів в кінцевому підсумку диктують унікальні морфологічні та фізіологічні характеристики клітини. Первинний механізм, який визначає, які гени будуть виражені, а які - ні, полягає у використанні різних білків фактора транскрипції, які зв'язуються з ДНК та сприяють або перешкоджають транскрипції різних генів. Завдяки дії цих факторів транскрипції клітини спеціалізуються на одному з сотень різних типів клітин в організмі людини.

Переглянути питання

К. організувати наступні терміни в порядку підвищення спеціалізації: олігопотенція, плеврипотенція, уніпотенція, багатопотенція.

А. мультипотенція, плеврипотенція, олігопотенція, уніпотенція

Б. плеврипотенція, олігопотенція, багатопотенція

С. олігопотенція, плеврипотенція, уніпотенція, мультипотенція

Д. плеврипотенція, мультипотенція, олігопотенція, уніпотенція

Відповідь: D

Питання: Який тип стовбурових клітин породжує червоні та білі кров'яні клітини?

А. ендотеліальний

Б. епітеліальний

C. кровотворний

D. мезенхімальний

Відповідь: C

Питання: Які мультипотентні стовбурові клітини дітей іноді банкують батьками?

A. стовбурові клітини плода

B. ембріональні стовбурові клітини

С. клітини з пуповини і з молочних зубів

D. гемопоетичні стовбурові клітини з еритроцитів і білих кров'яних тілець

Відповідь: C

Питання критичного мислення

Питання: Поясніть, як фактор транскрипції в кінцевому підсумку визначає, чи буде білок присутній в даній клітині?

А. фактори транскрипції зв'язуються з ДНК і або сприяють або інгібують транскрипцію гена. Якщо вони сприяють транскрипції певного гена, то цей ген буде транскрибуватися, а мРНК згодом перекладається на білок. Якщо транскрипція генів пригнічена, то не буде можливості синтезувати відповідний білок гена.

Питання: Обговорити дві причини, чому терапевтичне використання ембріональних стовбурових клітин може становити проблему.

А. ембріональні стовбурові клітини походять з ембріонів людини, які руйнуються для отримання клітин. Знищення ембріонів людини - це етична проблема. І ДНК в ембріональній стовбуровій клітині відрізнялася б від ДНК людини, що лікується, що може призвести до імунних проблем або відхилення тканини.

Глосарій

мультипотентний: описує стан здатності диференціюватися на різні типи клітин в межах даної клітинної лінії або невеликої кількості родовищ, таких як еритроцити або лейкоцити

олігопотентний: описує стан бути більш спеціалізованим, ніж мультипотенція; умова можливості диференціюватися на один з декількох можливих типів клітин

плюрипотентний: описує умову здатності диференціюватися на велику різноманітність типів клітин

стовбурових клітин: клітина, яка є оліго-, мульти- або плеврипотентною, яка має здатність виробляти додаткові стовбурові клітини, а не ставати додатково спеціалізованими

тотипотентний: ембріональні клітини, які мають здатність диференціюватися на будь-який тип клітин і органів в організмі

фактор транскрипції: один з білків, які регулюють транскрипцію генів

уніпотентний: описує умову вчинення до єдиного спеціалізованого типу клітин