Клетъчна специализация (диференциация)

Вероятно терминът "стволови клетки" ти е познат. Вероятно знаеш, че всяка клетка в твоето тяло, без значение дали мускулна клетка, нервна клетка, кожна клетка или червено кръвно телце, всяка клетка произлиза от обща група стволови клетки по време на зародишното развитие. Всички тези тясно специализирани клетки като тази мускулна клетка тук със своите малки съкратителни протеини, тази нервна клетка, която може да изпраща сигнали, тази водоустойчива кожна клетка и това червено кръвно телце, което пренася кислород, всички те произлизат от ето тези стволови клетки, които преди това са били напълно неспециализирани. Как е възможно подобно нещо? Всъщност е много интересно. Нека първо да направим една аналогия. Представи си библиотека, например библиотеката от юношеските ти години, която, надявам се, все още посещаваш. Тази библиотека разполага с всички книги, които можеш да си представиш, и книгите, които избираш и прочиташ, те променят. Научаваш съвсем различни неща в сравнение с читател, който прочита различни книги, нали? Но всички книги, които и двамата четете, се намират в тази библиотека. По същия начин работи системата с нашите гени и с нашето ДНК. Спомни си, че в ядрото на всяка клетка се намира нашата ДНК. Това е библиотеката ни – нашият набор от генетични инструкции за изграждане на цялото човешко тяло. В библиотеката на нашата ДНК имаме книги, които представляват сегменти от ДНК, наречени гени. Гените дават на клетките ни конкретни инструкции как да произвеждат различни видове протеини. Наличието на различни протеини променя структурата и поведението на клетките, с други думи различните протеини придават различни способности на клетките. С изключение на червените кръвни телца, в които липсва ядро, всяка една соматична клетка в твоето тяло съдържа една и съща ДНК. Въпреки това ето тази мускулна клетка изглежда и функционира по различен начин от този неврон. Това е така, защото те четат различни книги от "библиотеката" на нашата ДНК. Използват различни гени при произвеждането на протеините си. Малко терминология – когато дадена клетка активно използва определени гени, говорим за генна експресия. Ако даден ген се експресира, той е активиран (включен), а ако не се експресира – той е потиснат (изключен). Имай го предвид. Защо ти разказвам всичко това? Защото в крайна сметка е свързано с това как нашите стволови клетки тук горе се диференцират в специализираните клетки тук долу. Това, което искам да запомниш, е, че за да се специализира в мускулната клетка долу вляво, тази стволова клетка е активирала своите гени за мускулна клетка. Това е ДНК на тази стволова клетка, а това тук са гените за мускулни клетки, които тя активира. Същевременно клетката потиска други гени. Включването на гените за мускулна клетка позволява производството на протеини вътре в клетката, а това променя външните ѝ характеристики. Тази мускулна клетка например е продълговата. Променят се не само външните характеристики на клетката, но и нейните функции. Мускулната ни клетка вече разполага със съкратителни протеини, благодарение на които тя ще изпълнява функциите си да ни помага да се движим. За да създаде този неврон тук, стволовата клетка е активирала невронните гени, потискайки други гени, след което клетката е започнала да произвежда всички протеини, необходими за превръщането ѝ в неврон. Като например протеините, които я правят продълговата и стимулират появата на тези бодливи израстъци, наречени дендрити. Ако си спомняш, стволовата клетка е мултифункционална. Тя може да се превърне в която и да е соматична клетка от тялото на възрастен индивид. Зрелите клетки обаче, след специализацията си, вече не могат да се диференцират в други клетки. Процесът на диференциация е необратим. Зрелите клетки не могат да се върнат към първоначалното си състояние на стволови клетки по естествен път, или поне при човека. Тези клетки участват в изграждането на човешкото тяло. Вече сигурно се питаш какво определя кои гени в дадена клетка се активират или потискат. С други думи, как клетката разбира, че е време да се специализира в различен вид клетка? Истината е, че клетките решават в какво ще се превърнат въз основа на сигналите, които получават. Тези сигнали могат да идват от вътрешната или от външната среда на клетката. или от външната среда на клетката. Сега ще ти покажа два основни начина, по които това може да се случи. Наред с много различни организми, човекът също започва развитието си от една единствена клетка, наречена зигота. Зиготата съдържа транскрипционни фактори – протеини, които плават в цитоплазмата ѝ. Освен тях можем да видим и техните молекули-предшественици – частици информационна РНК (иРНК) Забележи две неща. Първо, транскрипционният фактор активира определени гени. Това е функцията му. Второ, обърни внимание как всички транскрипционни фактори са събрани в една част от клетката. Това е важно при процеса на клетъчно делене. Къде ще отидат всички транскрипционни фактори, когато зиготата започне да се дели? Както се вижда тук, те ще отидат в клетките, разделили се в същата област, в която първоначално се намират транскрипционните фактори. Така че тези клетки по-горе разполагат с малко, да не кажем с никакви, транскрипционни фактори, докато тези по-долу могат да се похвалят с цял куп транксрипционни фактори. Ясно е, че в различните клетки ще се активират различни гени. Това ще определи специализацията на всяка една от тези клетки, която ще произвежда различни протеини. Този механизъм доста удачно се нарича асиметрично разположение на клетъчни включвания. Звучи сложно, но не и ако разгледаме всеки термин поотделно. "Асиметрично" всъщност се отнася до неравномерното разпределение на транскрипционните фактори сред дъщерните клетки. "Клетъчни включвания" се отнася до транскрипционните фактори или до техните молекули-предшественици (прекурсори). Наличието на различни транскрипционни фактори е един от начините, по които клетките се специализират. Вторият начин за клетъчна специализация се нарича индуктивно сигнализиране или просто индукция. Индукцията е нещо като силно насърчаване, почти натиск над дадена клетка. В този процес една клетка или по-често група клетки подтиква друга група клетки да се диференцира, изпращайки определени сигнали. Тези сигнали могат да бъдат изпратени по различни начини, един от които е посредством дифузия или разсейване. Сигналите могат да бъдат изпратени от една група на съседна група и да се свържат с рецептори на другите групи, което ще подтикне клетките да се диференцират. Вторият вид индукция се осъществява посредством директен контакт между клетките. Ето тук можеш да видиш как повърхностните протеини на всяка от тези клетки се свързват помежду си. Този процес се нарича директен контакт. При третия вид междуклетъчно сигнализиране сигналите се предават чрез цепковиден контакт. Става дума за малки връзки, или по-точно конексони, които свързват две клетки и могат да предизвикат специализацията на една от тях, на ето тази тук. Тези връзки се наричат конексони, защото в цитологията (клетъчна биология) протеините, нужни за осъществяването на цепковидния контакт, са известни под общото наименование "конексон". Индукцията е от изключително значение за развитието на нашето тяло. Крайниците ни например са образувани частично в резултат на индукция. Други части на тялото ни, съществуващи благодарение на процеса индукция по време на ембрионалния период, са ушите, очите и много други. Следователно индукцията играе изключително важна роля при специализацията на клетките. Искам да ти напомня, че функцията на цитоплазмените включвания, т.е. транскрипционните фактори, които споменах преди малко, и на сигналите, изпращани посредством индукция, е да се стимулират клетките да променят генната си експресия. С други думи, да активират или да потискат дадени гени, което в крайна сметка води до клетъчна диференциация, или развитието на по-специализирани клетки.