Основно съдържание
Въведение в развитието
Как организмът преминава от една единствена клетка до нещо толкова сложно като жаба, муха или човешко същество? Научи основните принципи на развитието.
Ключови точки:
- Един многоклетъчен организъм се развива от една единствена клетка (зиготата) до съвкупност от много различни видове клетки, организирани в тъкани и органи.
- Развитието включва клетъчно делене, образуване на осите на тялото, развитие на тъкани и органи и клетъчна диференциация (развитие на крайната идентичност на вида клетка).
- По време на развитието клетките използват и вътрешна, или вродена информация, и външни сигнали от съседите си, за да "решат" какво ще е поведението и идентичността им.
- Клетките обикновено стават все повече и повече ограничени в потенциала си на развитие (видовете клетки, които могат да създадат) с напредване на развитието.
Въведение
Ти, приятелю, си вървяща, мислеща, учеща съвкупност от над
Развитие: Голямата картина
По време на развитието един човешки или друг многоклетъчен организъм преминава през удивителна трансформация, поне толкова драматична, колкото метаморфозата на гъсеница, превръщаща се в пеперуда. В течение на часове, дни или месеци организмът се превръща от единична клетка, наречена зигота (продуктът на сливането на сперматозоида и яйцеклетката), в огромна, организирана съвкупност от клетки, тъкани и органи.
Докато ембрионът се развива, клетките му се делят, растат и мигрират в специфични модели, за да създадат все по-сложно и по-сложно тяло. За да функционира правилно, това тяло има нужда от добре определени оси (като глава и опашка). Също така му трябва специфична съвкупност от многоклетъчни органи и други структури, разположени в точните места по осите и свързани помежду си по правилния начин.
Клетките на тялото на един организъм също така трябва да специализират в много функционално различни видове по време на развитието ти. Тялото ти (или дори тялото на едно новородено) съдържа широко разнообразие различни видове клетки, от неврони до чернодробни клетки, до кръвни клетки. Всеки един от тези видове клетки се намира само в определени части на тялото – в определени тъкани на определени органи – където функциите му са необходими.
Как се развива този сложен клетъчен танц? Развитието е до огромна степен под контрола на гените. Зрелите видове клетки на тялото като неврони и чернодробни клетки експресират различни пакети от гени, които им дават техните уникални свойства и функция. По същия начин клетките по време на развитието също експресират специфични пакети гени. Тези модели на генна експресия насочват поведението на клетките и им позволяват да комуникират със съседни клетки, координирайки развитието.
В тази и следващите статии ще разгледаме по-отблизо принципите и примерите за развитие.
Някои основни процеси на развитието
Различните организми се развиват по различни начини, но има някои основни неща, които трябва да се случат по време на ембрионалното развитие на почти всеки организъм:
- Броят клетки трябва да се увеличи чрез делене
- Осите на тялото (глава-опашка, дясно-ляво, т.н.) трябва да се образуват
- Трябва да се образуват тъкани, а органите и структурите трябва да приемат формите си
- Отделните клетки трябва да приемат крайната си идентичност като видове клетки (например неврон)
Да поясним, тези процеси не са отделни събития, които се случват един след друг. Вместо това те се случват по едно и също време, докато ембрионът се развива.
Например различните оси на тялото (като глава-опашка и ляво-дясно) се образуват в различни моменти по време на ранното развитие, докато клетките на ембриона се делят в същото време. Подобно, образуването на един орган изисква клетъчно делене, за да се изгради този орган, както и
диференциация (клетките приемат крайните си идентичности), за да е сигурно, че правилните клетки ще изградят правилните части на органа.
Източници на информация по време на развитието
Откъде клетките знаят какво се очаква да правят по време на развитието? Тоест откъде една клетка знае кога и как да мигрира, да се дели или диференцира? Общо казано, има два вида информация, които насочват поведението на клетките:
- Вътрешната (родословна) информация е наследена от майчината клетка чрез клетъчно делене. Например една клетка може да наследи молекули, който ѝ "казват", че принадлежи на невронно, или произвеждащо нервни клетки, родословие на тялото.
- Външната (позиционна) информация се получава от околната среда на клетката. Например една клетка може да получи химични сигнали от неин съсед, който я инструктира да стане определен вид фоторецептор (засичащ светлина неврон).
По време на развитието клетките често използват и вътрешна, и външна информация, за да вземат решения за идентичността и поведението си. Разбира се, те не "решават" наистина, като обмислят проблема както ти или аз! Вместо това клетките взимат решения по начин, по който един калкулатор или компютър би го направил: като използват гени или протеини, за да извършат логически действия, които изчисляват най-добрия отговор.
Диференциация, детерминация и стволови клетки
По време на развитието клетките стават все повече и повече ограничени в "потенциала си на развитие".
Например една човешка зигота може да положи началото на всички видове клетки в човешкото тяло, както и на клетките, които изграждат плацентата. Да използвам речника от областта на стволовите клетки – способността да се даде начало на всички видове клетки на тялото и плацентата прави зиготата тотипотентна. Но след множество цикли клетъчно делене клетките на ембриона губят способността си да дават начало на клетките на плацентата и стават по-ограничени в потенциала си (плурипотентни)
Клетките на ембриона се разделят на три различни групи, познати като зародишни слоеве: мезодерма, ендодерма и ектодерма. Всеки зародишен слой при нормални условия ще даде начало на специфично множество тъкани и органи.
Всички клетки в един зародишен слой продължават да се делят, взаимодействайки със съседите си и прочитайки собствената си вътрешна информация, а "опциите" за съдбата им стават по-тесни и по-тесни. Отначало клетките може да са специализирани, тоест определени за специфична съдба, но да успеят да я променят при правилните условия. Освен това те може да станат детерминирани, което означава, че необратимо са се "посветили" на определена съдба. След като една клетка е детерминирана, дори и да бъде преместена в нова среда, тя ще се диференциира като вида клетка, на който се е "посветила"
Повечето клетки в тялото се диференцират, т.е. приемат стабилна, крайна идентичност. Примери за диференцирани видове клетки в човешкото тяло включват невроните, клетките, ограждащи червата, и макрофагите, които нападат и поглъщат нахлуващи бактерии в имунната система. Всеки диференциран вид клетки има специфичен модел на генна експресия, който го поддържа стабилен. Гените, експресирани в един вид клетки, специфицират протеините и функционалната РНК, които са необходими на този конкретен вид клетки, определяйки правилната структура и функции, за да свършат работата си.
Например диаграмата по-горе показва два гена, които се експресират различно в чернодробна клетка и в неврон. Генът, кодиращ част на ензим, който разгражда алкохол и други токсини, се експресира само в чернодробната клетка (но не и в неврона). Другият ген, кодиращ един невротрансмитер, се експресира само в неврона (но не и в чернодробната клетка). Много други гени също се експресират по различен начин в тези два вида клетки.
Стволови клетки при възрастните
Не всички клетки в човешкото тяло се диференцират. Някои клетки в тялото на възрастните запазват способността си да се делят и да произвеждат множество видове клетки. Такива са стволовите клетки при възрастните, които обикновено са мултипотентни: могат да произведат повече от един вид клетка, но не широк диапазон от видове клетки
Отличителен белег на стволовите клетки е асиметричното клетъчно делене, при което произвеждат две дъщерни клетки, които се различават една от друга. Едната дъщерна клетка остава стволова клетка – този процес се нарича самоподновяване (делящата се клетка се "подновява", като създава функционално идентична дъщерна клетка). Другата дъщерна клетка приема различна идентичност, или диференцирайки се директно в нужния вид клетка, или преминавайки през допълнително делене, за да създаде повече клетки.
Можеш да научиш повече за развитието и да видиш повече примери за тези принципи и процеси в тези статии:
- Развитие на жабите: научи за ранното развитие на жабите. Бонус: виж експеримент, в който се получава двуглав тритон!
- Хомеостазни гени: научи за "главните регулаторни" гени, които специфицират цели сегменти или структури на тялото. Бонус: виж муха с крака, растящи от главата ѝ!
Искаш ли да се присъединиш към разговора?
Все още няма публикации.