Hücre kaderi belirleme - Cell fate determination
Gelişim biyolojisi alanındaki bir amaç, belirli bir hücrenin kader belirleme olarak bilinen nihai bir hücre tipine nasıl geliştiğini anlamaktır. Bir embriyo içinde, bir organizma yaratmak için hücresel ve doku düzeyinde birkaç süreç gerçekleşir. Bu süreçler hücre çoğalmasını , farklılaşmasını , hücresel hareketi ve programlanmış hücre ölümünü içerir. Bir embriyodaki her hücre, komşu hücrelerden proteinler, RNA'lar ve hatta yüzey etkileşimleri şeklinde moleküler sinyaller alır. Hemen hemen tüm hayvanlar, embriyogenez olarak bilinen korunmuş bir süreç olan çok erken gelişim sırasında benzer bir olay dizisinden geçer . Embriyogenez sırasında hücreler üç germ tabakasında bulunur ve gastrulasyona uğrar . Embriyogenez bir asırdan fazla bir süredir çalışılıyor olsa da, bilim adamlarının aynı proteinlerin ve mRNA'ların temel bir setinin embriyogenezde rol oynadığını keşfetmeleri ancak son zamanlarda (son 25 yıl kadar) oldu . Evrimsel koruma , sinek ( Drosophila melanogaster ), fare ( Mus musculus ) ve diğer organizmalar gibi model sistemlerin embriyogenez ve gelişim biyolojisini incelemek için model olarak kullanılmasının nedenlerinden biridir. Model organizmaları incelemek , insanlar da dahil olmak üzere diğer hayvanlarla ilgili bilgiler sağlar. Farklı model sistemleri incelerken, hücrelerin kaderinin, ikisi hücrelerin sahip olduğu transkripsiyon faktörlerinin kombinasyonu ve hücre-hücre etkileşimi olmak üzere birçok yolla belirlendiği keşfedildi. Hücrelerin kader belirleme mekanizmaları, özerk olarak belirtilen hücreler, koşullu olarak belirtilen hücreler veya sinsityal olarak belirtilen hücreler olmak üzere üç farklı tipte kategorize edildi. Ayrıca, hücrelerin kaderi, esas olarak iki tür deney, hücre ablasyonu ve transplantasyon kullanılarak belirlendi. Bu deneylerden elde edilen sonuçlar, incelenen hücrelerin kaderinin belirlenmesine yardımcı oldu.
hücre kaderi
Dahil olmak üzere yeni moleküler araçlar geliştirilmesi GFP ve önemli gelişmeler görüntüleme teknolojisi de dahil olmak üzere floresan mikroskobu , mümkün kılmıştır eşleştirmeyi ait hücre soyundan ait Caenorhabditis elegans onun dahil embriyo . Bu kader haritalama tekniği, hücreleri farklılaştıkça ve belirli bir işlev kazandıkça incelemek için kullanılır . Bir hücreyi embriyogenez sırasında farklılaşırken gözlemlemek , spesifikasyonu yönlendiren mekanizmalara dair hiçbir gösterge sağlamaz. Gen ve protein yıkımları, devre dışı bırakmalar ve aşırı ekspresyon dahil olmak üzere moleküler tekniklerin kullanımı, kader belirleme mekanizmalarının araştırılmasına izin verir. Canlı konfokal mikroskopi ve süper çözünürlüklü mikroskopi dahil olmak üzere görüntüleme araçlarındaki iyileştirmeler, deneysel olarak manipüle edilmiş hücrelerde kontrollere kıyasla moleküler değişikliklerin görselleştirilmesine izin verir. Transplantasyon deneyleri, genetik manipülasyon ve soy izleme ile birlikte de kullanılabilir. Daha yeni hücre kaderi belirleme teknikleri, indüklenebilir Cre-lox transgenik fareler kullanılarak gerçekleştirilen soy izlemeyi içerir ; burada spesifik hücre popülasyonları , beyin ve diğer dokularda hücrenin farklılaşma yolunu takip etmek için yararlı olan renkli bir muhabir olan beyin kuşağı gibi muhabirler kullanılarak deneysel olarak haritalanabilir. .
Embriyogenez sırasında, bir dizi hücre bölünmesi için (belirli sayı organizmanın tipine bağlıdır) bir embriyonun tüm hücreleri morfolojik ve gelişimsel olarak eşdeğer olacaktır. Bu, her hücrenin aynı gelişme potansiyeline sahip olduğu ve tüm hücrelerin esasen birbirinin yerine geçebildiği, dolayısıyla bir denklik grubu oluşturduğu anlamına gelir . Bu hücrelerin gelişimsel eşdeğerliği genellikle transplantasyon ve hücre ablasyon deneyleri yoluyla belirlenir. Embriyolar olgunlaştıkça, yapılar ortaya çıktıkça ve hücreler farklılaşarak belirli işlevleri yerine getirmeye başladıkça daha karmaşık kader belirleme gerçekleşir. Normal koşullar altında, hücreler bir kez belirli bir kadere sahip olduklarında ve hücresel farklılaşmadan geçtiklerinde, genellikle daha az belirlenmiş durumlara geri dönemezler; ancak yeni araştırmalar, yara iyileşmesi ve kanser dahil olmak üzere belirli koşullar altında farklılaşmanın mümkün olduğunu göstermektedir.
Bir hücrenin belirli bir kaderi belirlemesi, hücrenin belirtilebileceği (taahhüt edilebileceği) veya belirlenebileceği iki duruma bölünebilir . Taahhüt edilmiş veya belirlenmiş durumda, hücre tipi henüz belirlenmemiştir ve hücrenin belirli bir kadere yönelik herhangi bir önyargısı tersine çevrilebilir veya başka bir kadere dönüştürülebilir. Bir hücre belirli bir durumdaysa, hücrenin kaderi tersine çevrilemez veya dönüştürülemez. Genel olarak bu, beyin hücresine farklılaşmaya karar verilen bir hücrenin deri hücresine dönüştürülemeyeceği anlamına gelir . Belirlemeyi farklılaşma, belirli hücre tipleriyle sonuçlanan biyokimya, yapı ve işlevdeki gerçek değişiklikler takip eder. Farklılaşma genellikle görünümde olduğu kadar işlevde de bir değişikliği içerir.
Spesifikasyon modları
Bir hücrenin belirli bir kader için belirtilebilmesinin üç genel yolu vardır; bunlar otonom belirtim , koşullu belirtim ve sinsi belirtimdir .
Özerk belirtim
Bu tür belirtim, hücreye özgü özelliklerden kaynaklanır; mozaik gelişimine yol açar. Hücreye özgü özellikler , asimetrik olarak ifade edilen maternal sitoplazmik belirleyicilere (proteinler, küçük düzenleyici RNA'lar ve mRNA) sahip bir hücrenin bölünmesinden kaynaklanır . Bu nedenle hücrenin kaderi, bölünme sırasında sitoplazmasına salgılanan faktörlere bağlıdır. Özerk spesifikasyon 1887'de bir Fransız tıp öğrencisi Laurent Chabry tarafından tunik embriyolar üzerinde çalışırken gösterildi. Bu asimetrik hücre bölünmesi genellikle embriyogenezin erken döneminde meydana gelir.
Olumlu geribildirim homojenlikten asimetri yaratabilir. Asimetriye neden olacak dış uyaranların veya uyaranların çok zayıf veya düzensiz olduğu durumlarda, pozitif geri besleme ile sistem kendiliğinden kendini modelleyebilir. Geri besleme başladıktan sonra, herhangi bir küçük başlangıç sinyali büyütülür ve böylece etkili bir model oluşturma mekanizması üretilir. Bu normalde, komşu hücrelerin inhibitör veya indükleyici sinyaller yoluyla spesifikasyonu indüklediği lateral inhibisyon durumunda meydana gelen şeydir (bkz. Çentik sinyali ). Tek hücre düzeyinde ve doku düzeyinde bu tür bir pozitif geri besleme, ya hep ya hiç süreci olan simetri kırılmasından sorumludur , oysa simetri bir kez bozulduğunda, ilgili hücreler çok farklı hale gelir. Simetri kırılması, ilgili hücre veya hücrelerin farklı hücre kaderleri için belirlendiği iki durumlu veya çok kararlı bir sisteme yol açar. Belirlenen hücreler, ilk uyarıcı/inhibitör sinyal gittikten sonra bile kendi kaderlerine devam ederek hücrelere sinyalin bir hafızasını verir.
Özerk olarak belirtilen hücreleri vurgulayan hücre ablasyonu ve izolasyonunun spesifik sonuçları aşağıdaki gibidir. Belirli bir hücreden bir doku ablasyonu meydana gelirse, hücrenin eksik bir parçası olacaktır. Sonuç olarak, hücre eksik parçayı telafi edemediğinden, çıkarılan doku özerk olarak belirlendi. Ayrıca, belirli hücreler tüm yapıdan bir petri kabında izole edildiyse, bu hücreler yine de başlangıçta oluşturacakları yapıyı veya dokuyu oluşturacaktır. Başka bir deyişle, belirli bir doku oluşturma sinyali, merkezi bir organ veya sistemden gelmeyen dokunun içindedir.
koşullu belirtim
Otonom spesifikasyonun aksine, bu tip spesifikasyon, hücreler arasındaki ipuçlarına ve etkileşimlere veya morfojenlerin konsantrasyon gradyanlarından gelen hücre dışı bir süreçtir . Komşu hücreler arasındaki endüktif etkileşimler, doku modellemenin en yaygın modudur. Bu mekanizmada, aynı gelişim potansiyeline sahip bir hücre grubundan bir veya iki hücre, grup dışından bir sinyale ( morfojen ) maruz bırakılır . Yalnızca sinyale maruz kalan hücreler, eşdeğerlik grubunun geri kalanını değiştirmeden bırakarak farklı bir gelişimsel yol izlemeye teşvik edilir . Hücre kaderini belirleyen başka bir mekanizma da bölgesel belirlemedir (bkz. Bölgesel spesifikasyon ). Adından da anlaşılacağı gibi, bu belirtim, hücrenin embriyo içinde nerede konumlandığına bağlı olarak gerçekleşir, aynı zamanda konum değeri olarak da bilinir. Bu, ilk olarak bir civciv embriyosunun muhtemel uyluk bölgesinden mezoderm alınıp kanat bölgesine aşılandığında ve kanat dokusuna değil, parmak dokusuna dönüştüğünde gözlendi .
Koşullu olarak belirtilen hücrelerde, belirtilen hücre, bir dış hücreden sinyal almayı gerektirir. Bu nedenle, doku ablasyona tabi tutulmuşsa, hücre rejenere olabilecek veya başlangıçta ablasyonu yapılan dokuyu yeniden biçimlendirmek için sinyal verebilecektir. Ek olarak, örneğin bir göbek dokusu çıkarılıp arkaya nakledildiyse, yeni oluşan doku bir sırt dokusu olacaktır. Bu sonuç, çevredeki hücre ve dokuların yeni oluşan hücreyi etkilemesinden dolayı görülmektedir.
Sinsityal belirtim
Bu tür bir spesifikasyon, böceklerde meydana gelen otonom ve koşullunun bir melezidir. Bu yöntem, sinsityum içindeki morfojen gradyanlarının etkisini içerir . Sinsityumda hücre sınırları olmadığından, bu morfojenler çekirdekleri konsantrasyona bağlı bir şekilde etkileyebilir. Blastodermin hücreselleşmesinin, vücut bölgelerinin özellikleri sırasında veya öncesinde gerçekleştiği keşfedildi. Ayrıca, birden fazla tek çekirdekli hücrenin füzyonu nedeniyle bir hücre birden fazla çekirdek içerebilir. Sonuç olarak, hücrelerin değişken bölünmesi, hücrelerin bir hücre kaderine bağlanmasını veya belirlenmesini zorlaştıracaktır. Hücreselleştirmenin sonunda, özerk olarak belirtilen hücreler, koşullu olarak belirtilen bir kezden ayırt edilir.
Ayrıca bakınız
Bitki embriyogenezi , bkz. Lau S ve ark. Arabidopsis erken embriyogenezde hücre-hücre iletişimi. Eur J Cell Biol 2010, 89:225-230.
Morfojen sinyalleşme ve gelişim tarihinin bir kısmının iyi bir incelemesi için bkz.
Sistem biyolojisinde, hücre kaderi belirlemesinin, çekici yakınsaması (çekici bir denge noktası, limit döngüsü veya garip çekici olabilir ) veya salınım gibi belirli dinamikler sergilediği tahmin edilmektedir .