Sisu
- Geeni ekspressioon toimib geeni koopiate tegemise teel
- Rakkude spetsialiseerumist mõjutavad sisemised tegurid
- Asümmeetriline eraldamine tekitab erinevaid rakke
- Rakkude signaalimine toimub rakkude diferentseerimise alguses
- Rakkude signaalide difusioon mõjutab kudede arengut
- Kohalik raku signaalimine võimaldab rakkudel oma naabreid ära tunda
- Rakusignaale mõjutavad tegurid mõjutavad rakkude diferentseerumist
- Keskkonnategurid võivad mõjutada rakkude diferentseerumist
Rakkude diferentseerumise käigus mitmerakulistes organismides muutuvad rakud spetsialiseerunuks ja võtavad endale sellised rollid nagu närvi-, lihas- ja vererakud. Rakkude diferentseerumise käivitajate hulka kuuluvad raku signalisatsioon, keskkonnamõjud ja organismi arengutase.
Rakkude põhiline diferentseerumine toimub pärast seda, kui spermarakk viljastab munaraku ja saadud zygote saavutab teatud suuruse. Sel hetkel hakkab zygote arendama erinevaid rakutüüpe ja vajab erifunktsioonide täitmiseks diferentseeritud rakke.
Rakkude diferentseerumise aluseks olev mehhanism on geeniekspressioon. Kõigil organismi rakkudel on identsed geenikomplektid, kuna geneetiline kood kopeeriti spermaraku viljastatud algsest munarakust. Spetsialiseeritud funktsiooni täitmiseks ekspresseerib või kasutab rakk oma geneetilises koodis ainult mõnda geeni ja ignoreerib ülejäänuid.
Näiteks rakk, mis eristub maksarakuks, ekspresseerib maksaraku geene ja kõik ülejäänud maksarakud kasutavad sama maksageeni komplekti. Need erinevad maksa moodustamiseks.
Rakkude diferentseerimine toimub kolmes olukorras:
Mõlemal juhul teavitab raku signaliseerimine rakke, millist tüüpi spetsiaalset lahtrit on vaja. Diferentseerimata rakud ekspresseerivad organismi vajaduste rahuldamiseks vastavaid geene.
Geeni ekspressioon toimib geeni koopiate tegemise teel
Eukarüootsete rakkude geneetiline kood asub tuumas oleval DNA-l. DNA ei saa tuumast lahkuda, nii et rakk peab kopeerima geeni, mida ta soovib ekspresseerida.
Messengeri RNA (mRNA) kinnitub DNA-le ja kopeerib vastava geeni. MRNA võib liikuda väljaspool tuuma ja viia geneetilised juhised ribosoomidesse, mis hõljuvad raku tsütoplasmas või mis on kinnitatud endoplasmaatilise retikulaariga. Ribosoomid toodavad ekspresseeritud geeni poolt kodeeritud valku.
Sõltuvalt raku vastuvõetud signaalidest, raku keskkonnamõjudest ja arenguetapist võib geeniekspressiooni protsessi igal etapil blokeerida. Kui organism ei vaja geeni poolt kodeeritud valku, ei kopeeri mRNA geeni ja geeni ekspressiooniprotsess ei käivitu.
Isegi pärast seda, kui mRNA kopeerib geeni, võib mRNA molekul tuumast väljumise blokeerida või ei pruugi olla võimeline jõudma ribosoomi. Ribosoomid ei pruugi vajalikku valku toota, isegi kui mRNA edastab kopeeritud geneetilise koodi. Geeniekspressiooni võivad kogu selle mitmeastmelise protsessi vältel mõjutada erinevad tegurid.
Rakkude spetsialiseerumist mõjutavad sisemised tegurid
Organismidel on mitu võimalust tagada, et rakud areneksid vajalikeks spetsialiseerunud ja diferentseerunud rakkudeks.
Rakkude diferentseerumise peamine tegur kehas on valkude tootmine. Rakud võivad diferentseeruda sõltuvalt sellest, milliseid geene ekspresseeritakse ja milliseid valke ekspresseeritud geenides kodeeritakse. Toodetud valgud aitavad diferentseerunud rakkudel täita oma erifunktsiooni ja lasevad neil teistele rakkudele öelda, mida nad raku signalisatsiooni kaudu teevad.
Veel üks mehhanism, mis võib mõjutada rakkude diferentseerumist, on asümmeetriline eraldamine rakkude jagunemisel. Sellised ained nagu spetsiaalsed valgud kogunevad raku ühte otsa. Kui rakk jaguneb, on ühes tütarrakus rohkem spetsiaalseid valke kui teises. Rakud muutuvad erinevat tüüpi rakkudeks valkude erineva jaotumise tõttu.
Lahtri diferentseerumisel muutub spetsialiseerumise tüüp, mille ta saab vastu võtta, piiratumaks. Embrüonaalsetest tüvirakkudest võib esialgu saada mis tahes tüüpi rakk, kuid kui rakk on küps ja võtnud endale spetsiaalse rolli, ei saa see sageli enam muutuda. Embrüonaalseid tüvirakke nimetatakse totipotentne rakke, kuna nad saavad endiselt täita mis tahes rolli, samal ajal kui küpsed spetsialiseerunud rakud, mis on täielikult diferentseerunud, saavad täita ainult oma erifunktsioone.
Asümmeetriline eraldamine tekitab erinevaid rakke
Rakkude spetsialiseerumise eest vastutab geeniekspressioon, kuid põhirakud peavad suutma täita spetsiaalseid funktsioone. Enne diferentseerumist ja raku spetsialiseerumist peab olema saadaval õiget tüüpi rakk. Asümmeetriline eraldamine võib toota nii erinevat tüüpi rakke. Totipotentsed embrüonaalsed rakud muutuvad üheks kolmest tüüpi mitmekülgne rakud, mis lõpuks eristuvad keha erinevateks kudedeks.
Kolme tüüpi pluripotentsed rakud on:
Kui raku signaalimine vastutab mõne erinevat tüüpi rakutüübi tootmise ja raku spetsialiseerumise eest, siis asümmeetriline eraldamine toimib raku arengu alguses pluripotentsete rakkude tootmiseks.
DNA transkriptsioon mRNA-le toimub nii, et mRNA toodab raku ühes otsas teatud valke ja teises otsas erinevaid valke. Rakkude jagunemise tulemuseks on kaks erinevat tüüpi tütarrakke, mis võivad tootma erineva spetsialiseerumisega rakke.
Rakkude signaalimine toimub rakkude diferentseerimise alguses
Sisemehhanismid, mis mõjutavad pluripotentsete rakkude raku diferentseerumist, põhinevad peamiselt raku signaliseerimisel. Rakud saavad keemilisi signaale, mis ütlevad neile, millist tüüpi rakke või millist valku on vaja.
Rakkude signaalimismehhanismide hulka kuuluvad:
Rakud väljutavad pidevalt oma tegevusega seotud keemilisi aineid ja saavad signaale selle kohta, mis toimub nende vahetus naabruses, kudedes, kus nad asuvad, ja kehas laiemalt. Need signaalid on peamised tegurid, mis mõjutavad rakkude spetsialiseerumist, ja raku signaalimine on peamine tegur, mis juhib rakkude diferentseerumist kehas.
Rakkude signaalide difusioon mõjutab kudede arengut
Rakud muutuvad tundlikuks teatud keemiliste signaalide suhtes, kuna neil on retseptorid nende rakumembraanil. Retseptorid sõltuvad raku tüübist, kuidas see on arenenud ja milliseid geene ekspresseeritakse. Retseptorite aktiveerumisel eristub rakk veelgi.
Kui rakk annab signaali paljudele läheduses asuvatele rakkudele, eraldab see kemikaali, mis hajub läbi koe, millesse rakk on sisestatud. Keemilise signaali hõivavad ümbritsevate rakkude rakumembraanides olevad retseptorid ja see käivitab vastuse iga raku sees. Need vastused aitavad rakkudel diferentseeruda ehitab kude.
Näiteks eraldavad rakud, mis muutuvad maksa osaks, kemikaale, mis käivitavad lähedalasuvates rakkudes vastavad retseptorid, ja kõik selle asukoha rakud diferentseeruvad, et saada maksarakkudeks. Maksakoe moodustumisel käivitab edasine raku signaliseerimine mõned rakud diferentseerumiseks kanalirakkudeks või ühendavaks kudedeks. Lõpuks moodustavad diferentseerunud rakud tervikliku ja funktsionaalse maksa.
Kohalik raku signaalimine võimaldab rakkudel oma naabreid ära tunda
Organismi vajalikeks spetsiaalseteks rakkudeks arenemiseks peavad rakud teadma, mida teised nende lähiümbruse rakud teevad. Spetsiaalsed retseptorid rakkudevaheliste kontaktide jaoks ja rakkudevahelised ristmikud hõlbustavad signaalide vahetut vahetust naaberrakkude vahel. Rakud saavad tagada, et nende ümbrus vastab nende diferentseeritud spetsialiseerumisele.
Sisse rakkudevaheline signaalimine, raku pinnal spetsiaalselt moodustatud retseptori valgud vastavad naaberrakkude membraanil olevatele vastavatele valkudele. Kui rakud kokku puutuvad, ühendavad need kaks valku ja ühest rakust teise vallandub signaal. Signaal läbib rakumembraani ja siseneb rakku, kus see põhjustab raku spetsiifilise käitumise.
Näiteks peavad naharakud veenduma, et nende ümber on ka teisi naharakke, kuid mõnel naharakul on nende all oleva aluskoe rakud. Rakust-rakke signaliseerimine võimaldab rakkudel tagada, et nende ümbrus vastaks nende diferentseerumisele.
Gap-ristmikud on spetsiaalsed sidemed naaberrakkude vahel, mis võimaldavad s-na toimivate valkude hõlpsat ja otsest vahetust. Kasutades tühimikke, saavad rakud hakkama koordineerida nende tegevust ja vahetage signaale kiiresti ja lihtsalt.
Näiteks kasutavad närvirakud lõheühendusi närviteede loomiseks ja lõheühendused lasevad rakkudel diferentseeruda närvirakkude tüübiks, mis sobib nende paiknemisega nahas, seljaajus või ajus.
Rakusignaale mõjutavad tegurid mõjutavad rakkude diferentseerumist
Rakkude signaalimine ja sellest tulenev raku diferentseerimine on keerulised protsessid, mis hõlmavad paljusid etappe. Signaalid tuleb luua, vastu võtta ja nende alusel tegutseda. Rakusignaalidest tulenevad päästikud peavad töötama ootuspäraselt. Mõnda etappi häirivad tegurid võivad mõjutada rakkude diferentseerumist ja põhjustada muutusi organismis.
Rakkude signaaliülekannet ja rakkude diferentseerumist mõjutavad ja häirivad tegurid hõlmavad toitainete puudust; kui rakukihi ei tekita valku, kuna sellel puuduvad ehitusplokid, ei saa see eristuda. Teine probleem on geneetilise koodi mutatsioonid.
Kui DNA on puudulik või transkriptsioon on vale, on signaalimis- ja diferentseerumisprotsess häiritud. Lisaks neile, kui signaalimiskemikaalid on blokeeritud või kui raku retseptorid on täidetud mittesignaalidega keemiliste sidemetega, siis signaalimisprotsess ei tööta korralikult.
Keskkonnategurid võivad mõjutada rakkude diferentseerumist
Organismi keskkonnamõjud, mis võivad mõjutada raku signalisatsiooni, geeniekspressiooni ja rakkude diferentseerumist, võivad seda protsessi muuta, peatada või häirida. Mõnda keskkonnategurit kasutab organism kohanemiseks, mõnda saab kasutada haiguste vastu võitlemiseks ja mõnda võib organism kahjustada või tappa.
Näiteks võib keskkonna temperatuur mõjutada mõnede organismide arengut. Kõrgemad temperatuurid kiirendavad rakkude kasvu ja nende diferentseerumist, madalad temperatuurid aeglustavad või peatavad arengu.
Ravimid võivad häirida rakkude kahjulikku diferentseerumist. Näiteks võivad ravimid blokeerida kasvaja piiramatu kasvu ühte protsessi etappidest ja peatada vastavate geenide ekspressiooni.
Vigastused võivad mõjutada geeniekspressiooni ja mõjutada seda, millist tüüpi rakke on kahjustuste parandamiseks vaja. Viirused ja bakterid võivad mõjutada rakkude diferentseerumist. Näiteks kui ema on nakatunud sellisesse haigusesse nagu punetised, võib arenev lootel mõjutada rakkude diferentseerumist ja tekkida sünnidefekte.
Lõpuks võivad toksilised kemikaalid mõjutada rakkude diferentseerumist. Ained, mis ründavad või blokeerivad signaalimiskemikaale või blokeerivad signaaliretseptori positsioone rakumembraanidel, võivad peatada signalisatsiooni aktiivsuse ja mõjutada rakkude diferentseerumist.
Nende keskkonnategurite korral üritab organism reageerida, kohandades või muutes sisemisi protsesse. Mõne keskkonnamõju korral on kohanemine efektiivne, teiste puhul võib organism ellu jääda, kuid sellel on puudusi või organism võib surra.