تمایز سلولی و تعیین رده سلولی

تمایز سلولی فرآیندی است که طی آن یک سلول کمتر تخصص‌یافته، ساختار و عملکرد یک نوع سلول خاص را کسب می‌کند، و تعیین رده سلولی تعهد تدریجی سلول‌ها به سرنوشت‌های تکوینی خاص است. سلول‌های جنینی، با شروع از حالت پرتوان، گام به گام محدود می‌شوند، ابتدا به رده‌های وسیع و سپس به انواع سلولی خاص، زیرا برنامه‌های تنظیم‌کننده ژن هویت را تثبیت می‌کنند. این محدود شدن تدریجی پتانسیل، که توسط سیگنال‌ها و فاکتورهای رونویسی هدایت می‌شود، انواع سلولی متمایز بدن را از یک تخمک بارور شده واحد تولید می‌کند.

Definition

تمایز سلولی فرآیندی است که طی آن یک سلول ویژگی‌های تخصصی یک نوع سلول تعریف‌شده را کسب می‌کند، که با الگوی مشخصی از بیان ژن همراه است. تعیین رده سلولی محدودیت تدریجی پتانسیل تکوینی یک سلول است که به سرنوشت خاصی متعهد می‌شود، و در نهایت به یک نوع سلول تمایزیافته خاص تبدیل می‌گردد.

Scope

این مدخل مفاهیم توانایی و تعهد، چگونگی تعیین و تثبیت سرنوشت سلولی توسط سیگنال‌ها و شبکه‌های تنظیم‌کننده ژن، و اثبات این که حالت‌های تمایزیافته می‌توانند بازبرنامه‌ریزی شوند را پوشش می‌دهد. این مدخل تمایز و تعیین رده سلولی را به عنوان موضوعات مولکولی و سلولی بررسی می‌کند و مرجع و آموزشی است، نه راهنمای بالینی.

Core questions

• چه چیزی تمایز، تعهد و تمایز نهایی را از هم متمایز می‌کند؟
• چگونه سیگنال‌ها و فاکتورهای رونویسی سرنوشت یک سلول را ایجاد و تثبیت می‌کنند؟
• چرا پتانسیل تکوینی به تدریج محدود می‌شود؟
• آیا هویت یک سلول تمایزیافته می‌تواند معکوس یا تغییر یابد؟

Key concepts

• توانایی: تمام‌توانی، پرتوانی، چندتوانی
• تعیین در مقابل تعهد (تثبیت)
• تمایز نهایی
• فاکتورهای رونویسی تعیین‌کننده رده
• القای و صلاحیت
• شبکه‌های تنظیم‌کننده ژن
• بازبرنامه‌ریزی سلولی و انعطاف‌پذیری

Key theories

شبکه‌های تنظیم‌کننده ژن سرنوشت را تعیین می‌کنند

سرنوشت سلولی توسط شبکه‌های تنظیم‌کننده ژن سلسله‌مراتبی کنترل می‌شود که در آن‌ها ترکیبی از فاکتورهای رونویسی، که توسط ورودی‌های سیگنالی و تاریخچه سلولی تنظیم می‌شوند، مجموعه‌های ژنی را فعال می‌کنند که هر رده را تعریف کرده و حالت‌های تمایزیافته را تثبیت می‌کنند.

تمایز قابل بازبرنامه‌ریزی است

القای سلول‌های بنیادی پرتوان با معرفی مجموعه‌ای کوچک از فاکتورهای رونویسی نشان داد که حالت تمایزیافته برگشت‌ناپذیر نیست، بلکه توسط یک شبکه تنظیمی زیربنایی حفظ می‌شود که می‌تواند بازنشانی شود، و این امر انعطاف‌پذیری هویت سلولی را نشان می‌دهد.

Mechanisms

تمایز با حرکت سلول‌ها از پتانسیل وسیع به پتانسیل محدود پیش می‌رود. سلول‌های جنینی اولیه پرتوان هستند و قادر به تشکیل بسیاری از انواع سلول‌ها می‌باشند؛ سیگنال‌های دریافتی از سلول‌ها و بافت‌های مجاور، که با تاریخچه هر سلول یکپارچه می‌شوند، ترکیبی از فاکتورهای رونویسی را فعال می‌کنند که یک سرنوشت را تعیین می‌کنند. ابتدا یک سلول تعیین می‌شود — اگر بدون مزاحمت رها شود، سرنوشت خود را دنبال خواهد کرد اما هنوز می‌تواند تغییر مسیر دهد — و سپس متعهد یا تثبیت می‌شود، به طوری که سرنوشت آن حتی در یک محیط جدید نیز ثابت می‌ماند. فاکتورهای رونویسی تعیین‌کننده رده، مجموعه‌های ژنی مشخصه یک نوع سلول را روشن می‌کنند و اغلب از طریق بازخورد و تغییرات کروماتین، آن هویت را تثبیت می‌کنند، در حالی که برنامه‌های جایگزین را سرکوب می‌کنند. خروجی هماهنگ این شبکه‌های تنظیم‌کننده ژن، ساختار و عملکرد تخصصی انواع سلول‌های نهایی را تولید می‌کند. این که سلول‌های تمایزیافته می‌توانند به صورت تجربی با فراهم کردن فاکتورهای رونویسی تعریف‌کننده به حالت پرتوانی بازبرنامه‌ریزی شوند، نشان می‌دهد که این حالت به طور فعال حفظ می‌شود و نه این که به طور دائم از بین می‌رود، که بر نقش مرکزی شبکه‌های تنظیمی در هویت سلولی تأکید می‌کند.

Clinical relevance

درک چگونگی تعهد و حفظ هویت سلول‌ها، اساس پزشکی بازساختی و زیست‌شناسی سلول‌های بنیادی را تشکیل می‌دهد و به تفسیر اختلالاتی که در آن‌ها تمایز مختل می‌شود، کمک می‌کند. این مدخل مکانیسم‌ها را برای مرجع و آموزش توصیف می‌کند و مبنایی برای تشخیص یا درمان نیست.

Evidence & guidelines

شواهد از زیست‌شناسی تکوینی و سلول‌های بنیادی — نقشه‌برداری سرنوشت جنینی، تحلیل ژنتیکی و مولکولی فاکتورهای تعیین‌کننده رده، و آزمایش‌های بازبرنامه‌ریزی — که در ادبیات مروری و کتاب‌های درسی سنتز شده‌اند، به دست می‌آید تا از دستورالعمل‌های بالینی.

History

جنین‌شناسی کلاسیک سلول‌هایی را که صرفاً تعیین شده بودند از سلول‌های غیرقابل برگشت متعهد متمایز می‌کرد، و ایده چشم‌انداز تکوینی، محدود شدن تدریجی سرنوشت را به تصویر می‌کشید. آزمایش‌های انتقال هسته بعداً نشان دادند که سلول‌های تمایزیافته یک ژنوم کامل را حفظ می‌کنند، و دوران مولکولی فاکتورهای رونویسی و شبکه‌های تنظیم‌کننده ژن را که رده‌ها را تعیین می‌کنند، تعریف کرد. اثبات در سال ۲۰۰۶ که چند فاکتور می‌توانند سلول‌های تمایزیافته را به حالت پرتوانی بازبرنامه‌ریزی کنند، هویت سلولی را به عنوان یک حالت حفظ‌شده و برگشت‌پذیر بازتعریف کرد.

Key figures

• Eric Davidson
• Shinya Yamanaka
• Conrad Waddington
• John Gurdon
• Norbert Perrimon

Seminal works

• davidson-2006
• takahashi-yamanaka-2006
• perrimon-2012

Frequently asked questions

تفاوت بین تعیین و تعهد چیست؟

یک سلول تعیین‌شده اگر در یک محیط خنثی رها شود، سرنوشت خود را خواهد پذیرفت اما هنوز می‌تواند توسط سیگنال‌های جدید تغییر مسیر دهد، در حالی که یک سلول متعهد (تثبیت‌شده) حتی در صورت انتقال به محیطی متفاوت، سرنوشت خود را حفظ خواهد کرد.

اگر هر سلول DNA یکسانی دارد، چرا سلول‌ها با هم تفاوت دارند؟

سلول‌های تمایزیافته ژنوم یکسانی دارند اما زیرمجموعه‌های متفاوتی از ژن‌ها را بیان می‌کنند؛ ترکیبی از فاکتورهای رونویسی و حالت‌های کروماتین که در طول تکوین انتخاب می‌شوند، تعیین می‌کنند کدام ژن‌ها فعال هستند و به هر نوع سلول هویت خاص خود را می‌دهند.