Sự biệt hóa tế bào trong quá trình phát triển

Cách một tế bào đã biệt hóa có được cấu trúc chuyên biệt, biểu hiện gen và chức năng của một loại tế bào trưởng thành cụ thể.

Definition

Biệt hóa tế bào trong quá trình phát triển là quá trình mà một tế bào tiền thân đã biệt hóa biểu hiện một tập hợp gen đặc hiệu cho loại tế bào và có được hình thái cũng như chức năng của một tế bào trưởng thành, chuyên biệt trong cơ thể đang phát triển.

Scope

Chủ đề này bao gồm việc thực hiện phân tử của sự biệt hóa: các yếu tố phiên mã điều hòa chính, việc thiết lập các chương trình biểu hiện gen đặc hiệu cho từng loại tế bào, sự ổn định biểu sinh của các chương trình đó, và mối quan hệ giữa sự biệt hóa, phân chia và thoát khỏi chu kỳ tế bào. Nó cũng đề cập đến tính dẻo của trạng thái biệt hóa được tiết lộ thông qua tái lập trình và chuyển biệt hóa.

Core questions

• Làm thế nào một chương trình biểu hiện gen đặc hiệu cho loại tế bào được bật và ổn định?
• Các yếu tố phiên mã điều hòa chính đóng vai trò gì trong sự biệt hóa?
• Các biến đổi biểu sinh duy trì trạng thái biệt hóa qua các lần phân chia tế bào như thế nào?
• Trạng thái biệt hóa có thể đảo ngược hoặc linh hoạt đến mức nào?

Key theories

Các yếu tố điều hòa chính và mạng lưới điều hòa gen

Các loại tế bào được thiết lập bởi các yếu tố phiên mã hoạt động ở đầu các mạng lưới điều hòa gen, bật các nhóm gen đặc hiệu cho loại tế bào; trong một số trường hợp, một yếu tố như vậy có thể chuyển hướng một loại tế bào biệt hóa sang một loại khác.

Tính dẻo và tái lập trình của trạng thái biệt hóa

Sự biệt hóa được duy trì bởi các yếu tố điều hòa và biểu sinh liên tục chứ không phải là sự thay đổi di truyền vĩnh viễn, vì vậy một sự kết hợp xác định các yếu tố có thể đặt lại một tế bào biệt hóa về trạng thái đa năng.

Mechanisms

Khi một tế bào đã biệt hóa, các yếu tố phiên mã điều hòa chính sẽ kích hoạt các mạng lưới gen hạ nguồn tạo ra các protein xác định loại tế bào, đồng thời ngăn chặn các chương trình của các số phận thay thế. Sự biệt hóa được củng cố bởi các biến đổi biểu sinh — methyl hóa DNA và các dấu hiệu histone — và bởi sự tái tổ chức nhiễm sắc thể làm cho mô hình biểu hiện có thể di truyền qua quá trình phân chia. Nhiều loại tế bào thoát khỏi chu kỳ tế bào khi chúng biệt hóa cuối cùng. Tuy nhiên, trạng thái này không phải là tuyệt đối: biểu hiện thực nghiệm của các yếu tố thích hợp có thể thúc đẩy chuyển biệt hóa giữa các loại tế bào hoặc tái lập trình hoàn toàn thành trạng thái đa năng, chứng tỏ rằng bộ gen vẫn còn nguyên vẹn và các yếu tố điều hòa xác định bản sắc.

Clinical relevance

Sự biệt hóa có định hướng của tế bào gốc thành các loại tế bào cụ thể là trung tâm của y học tái tạo và mô hình hóa bệnh tật, trong khi sự mất biệt hóa bình thường là một dấu hiệu của nhiều bệnh ung thư. Mục này mang tính giáo dục và không cung cấp hướng dẫn y tế.

History

Hình ảnh cảnh quan biểu sinh của Waddington đã nắm bắt ý tưởng về các tế bào lăn xuống các con đường phân nhánh hướng tới các trạng thái biệt hóa. Các thí nghiệm chuyển nhân cho thấy nhân biệt hóa vẫn giữ được toàn bộ tiềm năng, và việc sau đó cảm ứng tính đa năng bằng các yếu tố xác định đã xác nhận rằng sự biệt hóa về nguyên tắc là có thể đảo ngược.

Key figures

• Conrad Waddington
• John Gurdon
• Shinya Yamanaka

Seminal works

• takahashi2006
• gilbert2016

Frequently asked questions

Điều gì ngăn một tế bào biệt hóa thay đổi thành loại khác?

Các mô hình biểu hiện gen ổn định, được củng cố bởi các dấu hiệu biểu sinh, khóa chặt bản sắc của tế bào và được truyền cho các tế bào con, vì vậy loại tế bào thường được duy trì.

Một tế bào biệt hóa có thể được đặt lại không?

Có — các thí nghiệm cho thấy việc cung cấp một tập hợp các yếu tố phiên mã xác định có thể tái lập trình một tế bào biệt hóa trở lại trạng thái đa năng, vì bộ gen của nó vẫn còn nguyên vẹn.