การกำหนดชะตาและการเปลี่ยนแปลงสภาพของเซลล์
เซลล์ที่เริ่มต้นเหมือนกันจะถูกกำหนดให้มีเอกลักษณ์เฉพาะและเปลี่ยนแปลงสภาพไปเป็นเซลล์ชนิดพิเศษที่สร้างเนื้อเยื่อและอวัยวะได้อย่างไร
Definition
ชะตาของเซลล์ (Cell fate) คือเอกลักษณ์สุดท้ายที่เซลล์หรือเซลล์ลูกหลานจะรับเอาในการพัฒนาปกติ; การเปลี่ยนแปลงสภาพ (differentiation) คือกระบวนการที่เซลล์ที่มีความเชี่ยวชาญน้อยกว่าได้รับลักษณะโครงสร้างและโมเลกุลของเซลล์ที่ทำหน้าที่เฉพาะผ่านการแสดงออกของยีนแบบเลือกสรร
Scope
สาขานี้ครอบคลุมถึงวิธีการกำหนดชะตาการพัฒนาและการจำกัดขอบเขตอย่างต่อเนื่อง ความแตกต่างระหว่างการกำหนดชะตา (determination) และการเปลี่ยนแปลงสภาพที่ชัดเจน (overt differentiation) กลไกภายในเซลล์และภายนอกเซลล์ (ปัจจัยกำหนดในไซโตพลาสซึมเทียบกับการส่งสัญญาณแบบเหนี่ยวนำ) ที่กำหนดชะตา และบทบาทของการตายของเซลล์แบบมีโปรแกรมในการสร้างเนื้อเยื่อ โดยถือว่าการเปลี่ยนแปลงสภาพคือการสร้างการแสดงออกของยีนที่จำเพาะต่อชนิดของเซลล์ และเชื่อมโยงกับการทำความเข้าใจสมัยใหม่ว่าชะตาสามารถถูกตั้งโปรแกรมใหม่ได้ด้วยการทดลอง
Sub-topics
Core questions
- เซลล์ที่เริ่มต้นคล้ายกันจะได้รับชะตาที่แตกต่างกันได้อย่างไร
- อะไรคือความแตกต่างระหว่างเซลล์ที่ถูกกำหนดชะตาแล้ว (committed/determined) กับเซลล์ที่เปลี่ยนแปลงสภาพอย่างเห็นได้ชัดแล้ว
- ชะตาถูกกำหนดโดยปัจจัยภายในเซลล์เทียบกับสัญญาณจากเซลล์ข้างเคียงเมื่อใด
- สถานะที่เปลี่ยนแปลงสภาพแล้วถูกรักษาไว้อย่างไร และสามารถย้อนกลับได้มากน้อยเพียงใด
Key theories
- การแสดงออกของยีนที่แตกต่างกัน
- เซลล์ของสิ่งมีชีวิตชนิดเดียวกันมีจีโนมเดียวกัน ดังนั้นความแตกต่างระหว่างชนิดของเซลล์จึงไม่ได้เกิดจากยีนที่แตกต่างกัน แต่เกิดจากยีนที่ถูกแสดงออก; การเปลี่ยนแปลงสภาพคือการสร้างรูปแบบการทำงานของยีนที่จำเพาะต่อชนิดของเซลล์ที่มั่นคง
- ความสามารถในการตั้งโปรแกรมใหม่ของชะตาเซลล์
- เซลล์ที่เปลี่ยนแปลงสภาพแล้วยังคงมีจีโนมที่สมบูรณ์และสามารถถูกผลักดันให้กลับสู่สถานะ pluripotent ได้ด้วยชุดของปัจจัยการถอดรหัสที่กำหนด ซึ่งแสดงให้เห็นว่าสถานะที่เปลี่ยนแปลงสภาพแล้วถูกรักษาไว้โดยปัจจัยควบคุม (regulatory inputs) มากกว่าการสูญเสียข้อมูลทางพันธุกรรมที่ไม่สามารถย้อนกลับได้
Mechanisms
ชะตาถูกกำหนดโดยกลยุทธ์หลักสองประการ ในการกำหนดแบบอิสระ (autonomous หรือ mosaic specification) ปัจจัยกำหนดในไซโตพลาสซึมที่อยู่เฉพาะที่ (localized cytoplasmic determinants) จะถูกแบ่งไปยังเซลล์บางชนิดในระหว่างการแบ่งตัว ทำให้ชะตาของเซลล์เหล่านั้นถูกกำหนดโดยไม่ขึ้นกับเซลล์ข้างเคียง ในการกำหนดแบบมีเงื่อนไข (conditional หรือ regulative specification) เซลล์จะได้รับชะตาจากสัญญาณเหนี่ยวนำและข้อมูลตำแหน่งที่จัดหาโดยเนื้อเยื่อรอบข้าง ในทั้งสองกรณี ชะตาที่เลือกจะถูกดำเนินการโดยเครือข่ายของปัจจัยการถอดรหัส (transcription factors) ที่เปิดใช้งานยีนที่จำเพาะต่อชนิดของเซลล์ และร่วมกับการปรับเปลี่ยนทางเอพิเจเนติกส์ (epigenetic modifications) ทำให้สถานะคงที่ตลอดการแบ่งเซลล์ การกำหนดชะตาจะดำเนินไปจากสถานะที่ถูกกำหนดที่ยังไม่แน่นอน (labile specified state) ไปสู่สถานะที่ถูกกำหนดอย่างถาวร (irreversible determined state) หลังจากนั้นการเปลี่ยนแปลงสภาพที่ชัดเจนจะสร้างโปรตีนและโครงสร้างที่กำหนดชนิดของเซลล์ที่เจริญเต็มที่
Clinical relevance
การทำความเข้าใจว่าชะตาถูกกำหนดและรักษาไว้อย่างไรเป็นพื้นฐานของการแพทย์ฟื้นฟู (regenerative medicine) การผลิตเซลล์ชนิดเฉพาะจากเซลล์ต้นกำเนิด และการตีความโรคมะเร็งว่าเป็นความผิดปกติของการเปลี่ยนแปลงสภาพ ข้อมูลนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อการศึกษาและไม่ได้ให้คำแนะนำทางการแพทย์
History
หลักการที่ว่าการเปลี่ยนแปลงสภาพสะท้อนถึงการแสดงออกของยีนที่แตกต่างกันมากกว่าการสูญเสียยีนได้รับการสนับสนุนจากการทดลองถ่ายโอนนิวเคลียสที่แสดงให้เห็นว่านิวเคลียสที่เปลี่ยนแปลงสภาพแล้วสามารถสนับสนุนการพัฒนาได้ มุมมองนี้ถึงจุดสูงสุดในการแสดงให้เห็นว่าปัจจัยการถอดรหัสที่กำหนดสามารถตั้งโปรแกรมเซลล์ที่เปลี่ยนแปลงสภาพแล้วให้กลับสู่สภาพ pluripotent ได้ ซึ่งเป็นผลงานที่ได้รับการยอมรับด้วยรางวัลโนเบล
Key figures
- Lewis Wolpert
- Conrad Waddington
- John Gurdon
- Shinya Yamanaka
Related topics
Seminal works
- takahashi2006
- gilbert2016
- wolpert1969
Frequently asked questions
- ถ้าเซลล์ทุกเซลล์มี DNA เหมือนกัน ทำไมถึงแตกต่างกัน?
- ชนิดของเซลล์แตกต่างกันเพราะมีการแสดงออกของยีนย่อยที่แตกต่างกันของจีโนมที่ใช้ร่วมกัน; การเปลี่ยนแปลงสภาพคือกระบวนการของการเปิดใช้งานรูปแบบของยีนที่จำเพาะต่อชนิดของเซลล์และรักษาสภาพให้คงที่
- ความแตกต่างระหว่างการกำหนดชะตา (determination) และการเปลี่ยนแปลงสภาพ (differentiation) คืออะไร?
- การกำหนดชะตาคือการที่เซลล์ถูกกำหนดให้มีชะตาเฉพาะ มักจะเกิดขึ้นก่อนที่จะมีการเปลี่ยนแปลงที่มองเห็นได้; การเปลี่ยนแปลงสภาพคือการปรากฏขึ้นในภายหลังของลักษณะเฉพาะของชะตานั้น