การกำหนดและการผูกมัดชะตาเซลล์

เซลล์พัฒนาจากสภาวะที่ยืดหยุ่นและจำเพาะเจาะจงไปสู่การผูกมัดที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ต่อชะตากรรมการพัฒนาที่เฉพาะเจาะจงได้อย่างไร

Definition

การกำหนด (determination) คือการผูกมัดที่เสถียรของเซลล์ต่อชะตากรรมการพัฒนาที่เฉพาะเจาะจง ซึ่งเซลล์จะสร้างชะตากรรมนั้นแม้ว่าจะถูกย้ายไปยังสภาพแวดล้อมใหม่ ส่วนการผูกมัด (commitment) เป็นกระบวนการที่กว้างกว่าซึ่งศักยภาพในการพัฒนาของเซลล์จะถูกจำกัดลงเรื่อยๆ จากหลายความเป็นไปได้ให้เหลือเพียงหนึ่งเดียว

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมขั้นตอนของการจำกัดชะตากรรม — ตั้งแต่ความสามารถ (competence) ผ่านการจำเพาะเจาะจง (specification) ไปจนถึงการกำหนด (determination) — และการทดสอบเชิงทดลอง (การแยกและการปลูกถ่าย) ที่ใช้ในการแยกแยะความแตกต่างระหว่างขั้นตอนเหล่านี้ นอกจากนี้ยังเปรียบเทียบรูปแบบการจำเพาะเจาะจงแบบอิสระ (mosaic) และแบบมีเงื่อนไข (regulative) และตรวจสอบว่าการผูกมัด (commitment) มีความเสถียรได้อย่างไร เพื่อให้เซลล์และเซลล์ลูกหลานสามารถสร้างเซลล์ชนิดที่ถูกต้องได้อย่างน่าเชื่อถือ

Core questions

• ความแตกต่างระหว่างเซลล์ที่ถูกจำเพาะเจาะจง (specified) กับเซลล์ที่ถูกกำหนด (determined) คืออะไร
• การทดลองสามารถเปิดเผยได้อย่างไรว่าเซลล์ได้ถูกผูกมัด (committed) แล้ว
• ชะตากรรมถูกกำหนดโดยปัจจัยภายในเทียบกับสัญญาณภายนอกเมื่อใด
• การผูกมัดมีความเสถียรตลอดการแบ่งเซลล์ครั้งต่อๆ ไปได้อย่างไร

Key concepts

• ความสามารถ (Competence), การจำเพาะเจาะจง (specification) และการกำหนด (determination)
• การจำเพาะเจาะจงแบบอิสระ (autonomous หรือ mosaic) เทียบกับแบบมีเงื่อนไข (conditional หรือ regulative)
• สารกำหนดในไซโทพลาซึม (Cytoplasmic determinants)
• การจำกัดศักยภาพในการพัฒนา (Restriction of developmental potential)
• การทดสอบการผูกมัดโดยการปลูกถ่ายและการแยก (Transplantation and isolation tests of commitment)

Mechanisms

เซลล์จะมีความสามารถ (competent) ก่อน — คือสามารถตอบสนองต่อสัญญาณที่กำหนดชะตากรรม — จากนั้นจึงถูกจำเพาะเจาะจง (specified) ซึ่งหมายความว่าเซลล์จะดำเนินตามชะตากรรมหากไม่ถูกรบกวน แต่ก็ยังสามารถเปลี่ยนทิศทางได้ เมื่อเกิดการกำหนด (determination) ชะตากรรมจะถูกกำหนดตายตัวและคงอยู่แม้หลังจากเซลล์ถูกปลูกถ่ายไปยังบริเวณอื่น การจำเพาะเจาะจงอาจเป็นแบบอิสระ (autonomous) ซึ่งขับเคลื่อนโดยสารกำหนดในไซโทพลาซึม (cytoplasmic determinants) ที่สืบทอดมาในระหว่างการแบ่งเซลล์ หรือแบบมีเงื่อนไข (conditional) ซึ่งขึ้นอยู่กับสัญญาณกระตุ้นจากเซลล์ข้างเคียง การผูกมัดถูกดำเนินการโดยเครือข่ายปัจจัยการถอดรหัส (transcription-factor networks) ซึ่งเมื่อทำงานแล้วจะเสริมการแสดงออกของตนเองและดึงดูดการปรับเปลี่ยนทางเอพิเจเนติกส์ (epigenetic modifications) เพื่อล็อกโปรแกรมที่เลือกไว้ เพื่อให้โปรแกรมนั้นถูกส่งต่อไปยังเซลล์ลูกสาว

Clinical relevance

ตรรกะของการจำกัดชะตากรรมเป็นพื้นฐานในการพยายามชี้นำเซลล์ต้นกำเนิดไปสู่สายเลือดที่กำหนดไว้ และเพื่อทำความเข้าใจว่าการผูกมัดอาจล้มเหลวหรือถูกข้ามไปได้อย่างไรในโรค ข้อมูลนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อการศึกษาและไม่ใช่แหล่งคำแนะนำทางการแพทย์

History

การทดลองทางคัพภวิทยาแบบคลาสสิก — การแยกบลาสโตเมียร์ (blastomeres) และการปลูกถ่ายเนื้อเยื่อระหว่างตัวอ่อน — ได้สร้างความแตกต่างระหว่างการพัฒนาแบบโมเสก (mosaic) และแบบควบคุม (regulative) และกำหนดความหมายเชิงปฏิบัติของการจำเพาะเจาะจงและการกำหนดที่ยังคงใช้มาจนถึงปัจจุบัน

Seminal works

• gilbert2016

Frequently asked questions

นักวิทยาศาสตร์ทราบได้อย่างไรว่าเซลล์ถูกกำหนด (determined) แล้ว?

โดยการย้ายเซลล์ไปยังสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน: เซลล์ที่ถูกกำหนดแล้วจะรักษาสภาพเดิมไว้ ในขณะที่เซลล์ที่เพียงแค่ถูกจำเพาะเจาะจง (specified) ยังสามารถเปลี่ยนทิศทางได้โดยสภาพแวดล้อมใหม่

สารกำหนดในไซโทพลาซึม (cytoplasmic determinants) คืออะไร?

เป็นโมเลกุลที่อยู่ในบริเวณเฉพาะของไข่หรือตัวอ่อนระยะแรก ซึ่งจะถูกส่งต่อไปยังเซลล์ที่เฉพาะเจาะจงในระหว่างการแบ่งเซลล์ และช่วยกำหนดชะตากรรมของเซลล์เหล่านั้น