Судьба и дифференцировка клетки

Как клетки, изначально эквивалентные, становятся приверженными определенным идентичностям, а затем дифференцируются в специализированные типы клеток, формирующие ткани и органы.

Definition

Судьба клетки — это конечная идентичность, которую клетка или ее потомки примут в нормальном развитии; дифференцировка — это процесс, посредством которого менее специализированная клетка приобретает структурные и молекулярные особенности специфического функционального типа клетки через селективную экспрессию генов.

Scope

Эта область охватывает вопросы определения и прогрессивного ограничения судьбы развития, различия между детерминацией и явной дифференцировкой, внутриклеточные и внеклеточные механизмы (цитоплазматические детерминанты против индуктивной сигнализации), которые определяют судьбу, а также роль программируемой клеточной гибели в формировании тканей. Она рассматривает дифференцировку как установление клеточно-специфической экспрессии генов и связывает ее с современным пониманием того, что судьба может быть экспериментально перепрограммирована.

Sub-topics

• Cell Differentiation in Development
• Cell Fate Determination and Commitment
• Programmed Cell Death in Development
• Inductive Signaling and Competence

Core questions

• Как изначально схожие клетки приобретают разные судьбы?
• Что отличает клетку, которая привержена (детерминирована), от той, которая видимо дифференцирована?
• Когда судьба определяется внутренними детерминантами, а когда сигналами от соседних клеток?
• Как поддерживается дифференцированное состояние и насколько оно обратимо?

Key theories

Дифференциальная экспрессия генов

Клетки одного организма имеют одинаковый геном, поэтому различия между типами клеток возникают не из-за разных генов, а из-за того, какие гены экспрессируются; дифференцировка — это установление стабильных, клеточно-специфических паттернов генной активности.

Перепрограммируемость клеточной судьбы

Дифференцированные клетки сохраняют полный геном и могут быть возвращены в плюрипотентное состояние определенным набором транскрипционных факторов, что показывает, что дифференцированное состояние поддерживается регуляторными воздействиями, а не необратимой потерей генетической информации.

Mechanisms

Судьба определяется двумя широкими стратегиями. При автономной (мозаичной) спецификации локализованные цитоплазматические детерминанты распределяются в определенные клетки во время дробления, фиксируя их судьбу независимо от соседей. При условной (регулятивной) спецификации клетки приобретают судьбу из индуктивных сигналов и позиционной информации, предоставляемой окружающей тканью. В обоих случаях выбранная судьба реализуется сетями транскрипционных факторов, которые включают клеточно-специфические гены и, вместе с эпигенетическими модификациями, стабилизируют состояние на протяжении клеточных делений. Приверженность переходит от лабильного специфицированного состояния к необратимо детерминированному состоянию, после чего явная дифференцировка производит белки и структуры, которые определяют зрелый тип клетки.

Clinical relevance

Понимание того, как определяется и поддерживается судьба, лежит в основе регенеративной медицины, направленного производства специфических типов клеток из стволовых клеток и интерпретации раковых заболеваний как нарушений дифференцировки. Эта статья носит образовательный характер и не предоставляет клинических рекомендаций.

History

Принцип, согласно которому дифференцировка отражает дифференциальную экспрессию генов, а не потерю генов, был подтвержден экспериментами по переносу ядер, показавшими, что дифференцированное ядро может поддерживать развитие. Эта точка зрения достигла кульминации в демонстрации того, что определенные транскрипционные факторы могут перепрограммировать дифференцированные клетки до плюрипотентности, работа, отмеченная Нобелевской премией.

Key figures

• Lewis Wolpert
• Conrad Waddington
• John Gurdon
• Shinya Yamanaka

Seminal works

• takahashi2006
• gilbert2016
• wolpert1969

Frequently asked questions

Если все клетки имеют одинаковую ДНК, почему они разные?

Типы клеток различаются, потому что они экспрессируют разные подмножества общего генома; дифференцировка — это процесс включения клеточно-специфического паттерна генов и поддержания его стабильности.

В чем разница между детерминацией и дифференцировкой?

Детерминация — это приверженность клетки определенной судьбе, часто до каких-либо видимых изменений; дифференцировка — это последующее появление специализированных признаков этой судьбы.