การส่งสัญญาณแบบอุปนัยและความสามารถในการตอบสนอง

การที่กลุ่มเซลล์หนึ่งสั่งการกำหนดชะตาของอีกกลุ่มเซลล์หนึ่งผ่านสัญญาณ และเหตุใดเฉพาะเซลล์ที่มีความสามารถในการตอบสนองเท่านั้นจึงจะสามารถตอบสนองได้

Definition

การส่งสัญญาณแบบอุปนัย (inductive signaling) คือกระบวนการที่เนื้อเยื่อส่งสัญญาณเปลี่ยนแปลงชะตากรรมการพัฒนาของเนื้อเยื่อที่ตอบสนองผ่านสัญญาณที่หลั่งออกมาหรือที่อยู่บนพื้นผิว; ความสามารถในการตอบสนอง (competence) คือศักยภาพของเนื้อเยื่อที่ตอบสนอง ณ เวลาใดเวลาหนึ่ง ในการตอบสนองต่อสัญญาณเหล่านั้น

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงการเหนี่ยวนำในตัวอ่อน (embryonic induction) ซึ่งคืออิทธิพลของเนื้อเยื่อหนึ่งต่อการพัฒนาของอีกเนื้อเยื่อหนึ่ง ควบคู่ไปกับวิถีการส่งสัญญาณหลักที่ได้รับการอนุรักษ์ไว้ซึ่งใช้ในระหว่างการพัฒนา และแนวคิดเรื่องความสามารถในการตอบสนอง (competence) ซึ่งคือความสามารถที่จำกัดเวลาของเนื้อเยื่อในการตอบสนองต่อสัญญาณที่กำหนดไว้ นอกจากนี้ยังกล่าวถึงการไล่ระดับของมอร์โฟเจน (morphogen gradients) การเหนี่ยวนำแบบซึ่งกันและกันและแบบต่อเนื่อง (reciprocal and sequential inductions) และวิธีการที่การตีความสัญญาณสร้างขอบเขตที่ชัดเจนของชะตากรรม

Core questions

• เนื้อเยื่อหนึ่งเปลี่ยนแปลงชะตากรรมของเนื้อเยื่อข้างเคียงได้อย่างไร?
• เหตุใดสัญญาณเดียวกันจึงสามารถสร้างการตอบสนองที่แตกต่างกันในเนื้อเยื่อที่แตกต่างกันหรือในเวลาที่แตกต่างกัน?
• สัญญาณที่มีการไล่ระดับสร้างขอบเขตที่ชัดเจนของชะตากรรมเซลล์ได้อย่างไร?
• วิถีการส่งสัญญาณที่ได้รับการอนุรักษ์ไว้ใดบ้างที่ถูกนำมาใช้ซ้ำๆ ในระหว่างการพัฒนา?

Key concepts

• การเหนี่ยวนำในตัวอ่อน
• ความสามารถในการตอบสนองและข้อจำกัดทางเวลา
• วิถีการส่งสัญญาณการพัฒนาที่ได้รับการอนุรักษ์ไว้
• การเหนี่ยวนำแบบซึ่งกันและกันและแบบต่อเนื่อง
• การตอบสนองแบบเกณฑ์ต่อมอร์โฟเจน

Key theories

การตีความการไล่ระดับของมอร์โฟเจน

สัญญาณที่แพร่กระจายได้จะสร้างการไล่ระดับความเข้มข้นทั่วบริเวณที่ตอบสนอง และเซลล์จะกำหนดชะตากรรมที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับระดับสัญญาณที่ได้รับ โดยเปลี่ยนข้อมูลที่มีการไล่ระดับให้เป็นขอบเขตที่ชัดเจนของการแสดงออกของยีน

Mechanisms

เซลล์ที่เหนี่ยวนำจะปล่อยสัญญาณที่จับกับตัวรับบนเซลล์ที่ตอบสนอง กระตุ้นวิถีภายในเซลล์ที่เปลี่ยนแปลงการแสดงออกของยีน วิถีที่ได้รับการอนุรักษ์ไว้จำนวนน้อย ซึ่งรวมถึงวิถีที่ทำงานผ่าน hedgehog, Wnt, transforming growth factor-beta family, fibroblast growth factor และ Notch signaling ถูกนำกลับมาใช้ซ้ำตลอดการพัฒนา ผลลัพธ์ขึ้นอยู่กับความสามารถในการตอบสนองของเซลล์ที่ตอบสนอง ซึ่งถูกกำหนดโดยตัวรับและปัจจัยการถอดรหัสที่เซลล์นั้นแสดงออกอยู่ในปัจจุบัน และซึ่งเปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา เมื่อสัญญาณมีการไล่ระดับ เซลล์ที่ตอบสนองจะตีความเกณฑ์ความเข้มข้นเพื่อสร้างชะตากรรมที่แตกต่างกัน และการเหนี่ยวนำแบบซึ่งกันและกันหรือแบบต่อเนื่องจะปรับปรุงรูปแบบและสร้างโครงสร้างที่ซับซ้อนทีละขั้นตอน

Clinical relevance

วิถีการส่งสัญญาณเดียวกันที่ขับเคลื่อนการเหนี่ยวนำมักจะถูกรบกวนในความผิดปกติแต่กำเนิด และเมื่อถูกกระตุ้นอย่างไม่เหมาะสมในโรคมะเร็ง การศึกษาของวิถีเหล่านี้เป็นพื้นฐานสำหรับความพยายามในการชี้นำการสร้างเนื้อเยื่อในการแพทย์ฟื้นฟู ข้อมูลนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อการศึกษาเท่านั้นและไม่ใช่คำแนะนำทางการแพทย์

History

แนวคิดของการเหนี่ยวนำเติบโตมาจากการทดลองของ Spemann และ Mangold เกี่ยวกับ organizer ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเนื้อเยื่อที่ปลูกถ่ายสามารถเหนี่ยวนำให้เกิดแกนร่างกายใหม่ได้ แนวคิดเรื่องความสามารถในการตอบสนองเกิดขึ้นจากการสังเกตว่าเนื้อเยื่อที่ตอบสนองจะตอบสนองต่อตัวเหนี่ยวนำเฉพาะในช่วงเวลาการพัฒนาที่กำหนดไว้เท่านั้น และงานวิจัยระดับโมเลกุลในภายหลังได้ระบุวิถีการส่งสัญญาณที่ได้รับการอนุรักษ์ไว้ที่เกี่ยวข้อง

Key figures

• Hans Spemann
• Hilde Mangold
• Lewis Wolpert

Seminal works

• wolpert1969
• gilbert2016

Frequently asked questions

การเหนี่ยวนำในตัวอ่อนคืออะไร?

เป็นกระบวนการที่กลุ่มเซลล์หนึ่งส่งสัญญาณไปยังกลุ่มเซลล์ข้างเคียงและเปลี่ยนแปลงชะตากรรมการพัฒนาของเซลล์นั้น เช่น organizer เหนี่ยวนำเนื้อเยื่อรอบข้างให้สร้างแกนร่างกาย

เหตุใดความสามารถในการตอบสนองจึงมีความสำคัญ?

เนื้อเยื่อจะสามารถตอบสนองต่อสัญญาณเหนี่ยวนำได้ก็ต่อเมื่อมีความสามารถในการตอบสนอง ณ ขณะนั้นเท่านั้น สัญญาณเดียวกันอาจไม่มีผลในช่วงเวลาที่เร็วกว่าหรือช้ากว่า ซึ่งช่วยให้เหตุการณ์การพัฒนาเกิดขึ้นอย่างถูกต้องตามเวลา