Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен из Cell fate )
Перейти к навигации Перейти к поиску

В области биологии развития одна из целей состоит в том, чтобы понять, как конкретная клетка развивается в конечный тип клеток, известный как определение судьбы. Внутри эмбриона на клеточном и тканевом уровне происходит несколько процессов, создающих организм. Эти процессы включают пролиферацию , дифференцировку , перемещение клеток [1] и запрограммированную гибель клеток. [2] [3] Каждая клетка эмбриона получает молекулярные сигналы от соседних клеток в виде белков, РНК и даже поверхностных взаимодействий. Почти все животные подвергаются сходной последовательности событий на очень раннем этапе развития - консервативного процесса, известного как эмбриогенез . [4]Во время эмбриогенеза клетки существуют в трех зародышевых листках и подвергаются гаструляции . Хотя эмбриогенез изучался более века, только недавно (последние 25 лет или около того) ученые обнаружили, что в эмбриогенезе задействован базовый набор одних и тех же белков и мРНК . Эволюционная консервация - одна из причин того, что модельные системы, такие как муха ( Drosophila melanogaster ), мышь ( Mus musculus ) и другие организмы, используются в качестве моделей для изучения эмбриогенеза и биологии развития. Изучение модельных организмовпредоставляет информацию, относящуюся к другим животным, включая человека. При изучении различных модельных систем было обнаружено, что судьба клеток определяется множеством способов, два из которых связаны с комбинацией факторов транскрипции, которыми обладают клетки, и с помощью межклеточного взаимодействия. [5] Механизмы определения судьбы клеток были разделены на три различных типа: автономно определенные клетки, условно определенные клетки или синцитиальные заданные клетки. Кроме того, судьба клеток определялась в основном с использованием двух типов экспериментов: удаления клеток и трансплантации. [6] Результаты, полученные в этих экспериментах, помогли определить судьбу исследуемых клеток.

Судьба клетки [ править ]

Разработка новых молекулярных инструментов , включая GFP , и основные достижения в области технологий визуализации , включая флуоресцентную микроскопию , сделала возможным отображение в клеточной линии из Caenorhabditis Элеганса , включая его зародыш . [7] [8] Этот метод картирования судеб используется для изучения клеток по мере того, как они дифференцируются и приобретают определенную функцию. Простое наблюдение за клеткой, как она дифференцируется во время эмбриогенеза.не дает никаких указаний на механизмы, которые управляют спецификацией. Использование молекулярных методов, включая нокауты генов и белков, нокауты и сверхэкспрессию, позволяет исследовать механизмы детерминации судьбы. [9] [10] [11] [12] [13] Улучшения в инструментах визуализации, включая конфокальную микроскопию в реальном времени и микроскопию со сверхвысоким разрешением [14], позволяют визуализировать молекулярные изменения в экспериментально измененных клетках по сравнению с контролем. Эксперименты по трансплантации также можно использовать в сочетании с генетическими манипуляциями и отслеживанием клонов. Новые методы определения клеточной судьбы включают отслеживание клонов, выполняемое с использованием индуцируемого Cre-lox.трансгенных мышей, где определенные популяции клеток могут быть экспериментально картированы с использованием репортеров, таких как brainbow , красочного репортера, который используется в мозге и других тканях для отслеживания пути дифференцировки клетки. [15]

Во время эмбриогенеза для ряда клеточных расщеплений (конкретное число зависит от типа организма) все клетки эмбриона будут морфологически и эволюционно эквивалентными. Это означает, что каждая клетка имеет одинаковый потенциал развития, и все клетки по существу взаимозаменяемы, что создает группу эквивалентности . Эквивалентность развития этих клеток обычно устанавливается с помощью экспериментов по трансплантации и удалению клеток. По мере созревания эмбрионов происходит более сложное определение судьбы, поскольку появляются структуры и клетки дифференцируются, начиная выполнять определенные функции. В нормальных условиях, когда клетки имеют определенную судьбу и претерпели клеточную дифференцировку, они обычно не могут вернуться в менее определенные состояния; однако новое исследование показывает, что де-дифференцировка возможна при определенных условиях, включая заживление ран и рак. [16] [17]

Определение клетки с определенной судьбой можно разбить на два состояния, в которых клетка может быть указана (зафиксирована) или определена . В состоянии коммитирования или спецификации тип клетки еще не определен, и любое предубеждение клетки в отношении определенной судьбы может быть обращено или преобразовано в другую судьбу. Если клетка находится в определенном состоянии, судьба клетки не может быть обращена или трансформирована. В общем, это означает, что ячейка определиладифференцироваться в клетку мозга нельзя превратить в клетку кожи. За определением следует дифференциация - фактические изменения биохимии, структуры и функций, которые приводят к появлению определенных типов клеток. Дифференциация часто включает изменение внешнего вида, а также функции.

Режимы спецификации [ править ]

Есть три основных способа, которыми клетка может стать специфицированной для определенной судьбы; это автономная спецификация , условная спецификация и синцитиальная спецификация . [18]

Автономная спецификация [ править ]

Этот тип спецификации является результатом присущих ячейке свойств; это дает начало мозаичному развитию. Присущие клетке свойства возникают в результате расщепления клетки асимметрично экспрессируемыми материнскими цитоплазматическими детерминантами (белками, малыми регуляторными РНК и мРНК). Таким образом, судьба клетки зависит от факторов, секретируемых в ее цитоплазму во время расщепления. Автономная спецификация была продемонстрирована в 1887 году французским студентом-медиком Лораном Шабри, работавшим над оболочковыми эмбрионами. [19] [20] Это асимметричное деление клеток обычно происходит на ранней стадии эмбриогенеза.

Положительная обратная связь может создать асимметрию из однородности. В случаях, когда внешние стимулы или стимулы, которые могут вызвать асимметрию, очень слабые или дезорганизованные, благодаря положительной обратной связи система может спонтанно формировать себя. Как только обратная связь началась, любая небольшая начальная сигнализация усиливается и, таким образом, создает эффективный механизм формирования паттерна. [21] Это обычно то, что происходит в случае латерального ингибирования, при котором соседние клетки индуцируют спецификацию посредством ингибирующих или индуцирующих сигналов (см. Передачу сигналов Notch ). Такая положительная обратная связь на уровне отдельных клеток и тканей ответственна за нарушение симметрии., который представляет собой процесс по принципу «все или ничего», тогда как при нарушении симметрии задействованные клетки становятся совершенно разными. Нарушение симметрии приводит к бистабильной или мультистабильной системе, в которой участвующие клетки или клетки определяются для разных клеточных судеб. Определенные клетки продолжают свою конкретную судьбу даже после того, как исчезнет начальный стимулирующий / тормозной сигнал, давая клеткам память о сигнале. [21]

Конкретные результаты абляции и изоляции клеток, которые выделяют автономно определенные клетки, следующие. Если произошло удаление ткани из определенной клетки, у клетки будет отсутствующая часть. В результате удаленная ткань была автономно указана, поскольку клетка не могла восполнить недостающую часть [18] [19] [22] . Более того, если определенные клетки были изолированы в чашке Петри от всей структуры, эти клетки все равно будут формировать структуру или ткань, которые они собирались сформировать изначально. [18] [19] [22] Другими словами, передача сигналов для формирования определенной ткани происходит внутри ткани, а не из центрального органа или системы.

Условная спецификация [ править ]

В отличие от автономной спецификации, этот тип спецификации является клеточным внешним процессом, который полагается на сигналы и взаимодействия между клетками или на градиенты концентрации морфогенов . Индуктивные взаимодействия между соседними клетками - наиболее распространенный способ формирования паттерна ткани. В этом механизме одна или две клетки из группы клеток с одинаковым потенциалом развития подвергаются воздействию сигнала ( морфогена ) извне группы. Только клетки, подвергшиеся воздействию сигнала, побуждаются следовать другому пути развития, оставляя остальную часть эквивалентной группы неизменной. Другой механизм, который определяет судьбу клетки, - это региональная детерминация (см. Региональную спецификацию). Как следует из названия, эта спецификация возникает в зависимости от того, где внутри эмбриона расположена ячейка, это также известно как позиционное значение. [23] Это было впервые обнаружено, когда мезодерма была взята из предполагаемой области бедра куриного эмбриона, была трансплантирована в область крыла и не трансформировалась в ткань крыла, а вместо этого превратилась в ткань пальца ноги. [24]

В условно заданных ячейках назначенная ячейка требует передачи сигналов от внешней ячейки. Следовательно, если ткань была удалена, клетка сможет регенерировать или подать сигнал на реформирование первоначально удаленной ткани. [18] [19] [22] Кроме того, если ткань живота, например, была удалена и трансплантирована в спину, новая формирующаяся ткань будет тканью спины. [18] [19] [22] Этот результат виден, потому что окружающие клетки и ткани влияют на вновь формирующуюся клетку.

Синцитиальная спецификация [ править ]

Основная статья: Syncytium

Этот тип спецификации представляет собой гибрид автономного и условного, который встречается у насекомых. Этот метод включает действие градиентов морфогенов внутри синцития . Поскольку в синцитии нет клеточных границ, эти морфогены могут влиять на ядра в зависимости от концентрации. Было обнаружено, что клеточность бластодермы происходила либо во время, либо до спецификации областей тела. [25] Кроме того, одна клетка может содержать более одного ядра из-за слияния нескольких неядерных клеток. В результате вариабельное расщепление клеток затрудняет их коммитирование или определение судьбы одной клетки. [22] В конце клеточности автономно заданные клетки становятся отличными от условно заданных один раз.

См. Также [ править ]

Эмбриогенез растений , см. Lau S et al. , Межклеточная коммуникация в раннем эмбриогенезе Arabidopsis. Eur J Cell Biol 2010, 89: 225-230. [26]

Для хорошего обзора части истории передачи сигналов и развития морфогенов см. Briscoe J, Making a grade: Sonic Hedgehog signaling and control the neural cell fate. [27]

В системной биологии предсказывается, что определение судьбы клетки будет демонстрировать определенную динамику, такую ​​как аттрактор-конвергенция (аттрактор может быть точкой равновесия, предельным циклом или странным аттрактором ) или колебательной. [28]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Уоллингфорд, Джон Б. Фрейзер, Скотт Э; Харланд, Ричард М. (2002-06-01). «Конвергентное расширение: молекулярный контроль движения поляризованных клеток во время эмбрионального развития». Клетка развития . 2 (6): 695–706. DOI : 10.1016 / S1534-5807 (02) 00197-1 . ISSN  1534-5807 . PMID  12062082 .
  2. ^ Миура, Масаюки; Ямагути, Ёсифуми (23 февраля 2015 г.). «Запрограммированная смерть клетки в нейроразвитии» . Клетка развития . 32 (4): 478–490. DOI : 10.1016 / j.devcel.2015.01.019 . ISSN 1534-5807 . PMID 25710534 .  
  3. ^ Ранганат, RM; Нагашри, Н.Р. (2001). «Роль запрограммированной гибели клеток в развитии». Международный обзор цитологии . 202 : 159–242. DOI : 10.1016 / s0074-7696 (01) 02005-8 . ISBN 9780123646064. ISSN  0074-7696 . PMID  11061565 .
  4. ^ Саенко, С.В.; Французский, V; Тормозное поле, ПМ; Бельдад, П. (27 апреля 2008 г.). «Сохранение процессов развития и формирование эволюционных новинок: примеры из крыльев бабочек» . Философские труды Лондонского королевского общества. Серия B, Биологические науки . 363 (1496): 1549–55. DOI : 10.1098 / rstb.2007.2245 . PMC 2615821 . PMID 18192179 .  
  5. ^ Штрёли, Charles H. (2009-01-15). «Интегрины и определение судьбы клеток» . Журнал клеточной науки . 122 (2): 171–177. DOI : 10,1242 / jcs.018945 . ISSN 0021-9533 . PMID 19118209 .  
  6. ^ Featherstone, DE; Broadie, KS (2005-01-01), Gilbert, Lawrence I. (ed.), «2.3 - Функциональное развитие нейромускулатуры» , Комплексная молекулярная наука о насекомых , Амстердам: Elsevier, стр. 85–134, ISBN 978-0-444-51924-5, получено 2021-03-22
  7. ↑ Dev Dyn 2010, 239: 1315-1329. Мадуро, MF (2010). «Спецификация клеточной судьбы в эмбрионе C. Elegans» . Динамика развития . 239 (5): 1315–1329. DOI : 10.1002 / dvdy.22233 . PMID 20108317 . S2CID 14633229 .  
  8. ^ Zernicka-Goetz M: Первые решения о судьбе клеток и формирование пространственного паттерна в раннем эмбрионе мыши. Semin Cell Dev Biol 2004, 15: 563-572. Зерницка-Гетц, М. (2004). «Первые решения судьбы клетки и пространственное формирование паттерна в раннем эмбрионе мыши». Семинары по клеточной биологии и биологии развития . 15 (5): 563–572. DOI : 10.1016 / j.semcdb.2004.04.004 . PMID 15271302 . 
  9. ^ Artavanis-Tsakonas S, Rand MD, Lake RJ: Notch signaling: контроль клеточной судьбы и интеграция сигналов в развитии. Science 1999, 284: 770-776. Artavanis-Tsakonas, S .; Rand, MD; Лейк, RJ (1999). "Notch Signaling: контроль клеточной судьбы и интеграция сигналов в развитии". Наука . 284 (5415): 770–6. Bibcode : 1999Sci ... 284..770A . DOI : 10.1126 / science.284.5415.770 . PMID 10221902 . 
  10. ^ Schuurmans C, Guillemot F: Молекулярные механизмы, лежащие в основе спецификации клеточной судьбы в развивающемся телэнцефалоне. Curr Opin Neurobiol 2002, 12: 26-34. Schuurmans, C .; Guillemot, Ф. (2002). «Молекулярные механизмы, лежащие в основе спецификации судьбы клеток в развивающемся конечном мозге». Текущее мнение в нейробиологии . 12 (1): 26–34. DOI : 10.1016 / S0959-4388 (02) 00286-6 . PMID 11861161 . S2CID 27988180 .  
  11. ^ Rohrschneider MR, Nance J: Спецификация полярности и клеточной судьбы в контроле гаструляции Caenorhabditis elegans. Дев Дин 2009, 238: 789-796. Rohrschneider, M .; Нэнс, Дж. (2009). «Спецификация полярности и клеточной судьбы в контроле гаструляции Caenorhabditis elegans» . Динамика развития . 238 (4): 789–796. DOI : 10.1002 / dvdy.21893 . PMC 2929021 . PMID 19253398 .  
  12. ^ Сегален M, Bellaiche Y: Ориентация клеточного деления и пути плоской клеточной полярности. Semin Cell Dev Biol 2009, 20: 972-977. Сегален, М .; Беллаиш, Ю. (2009). «Ориентация деления клеток и пути плоской клеточной полярности». Семинары по клеточной биологии и биологии развития . 20 (8): 972–977. DOI : 10.1016 / j.semcdb.2009.03.018 . PMID 19447051 . 
  13. ^ Fazi F, Nervi C: MicroRNA: основные механизмы и транскрипционные регуляторные сети для определения судьбы клеток. Cardiovasc Res 2008, 79: 553-561. Fazi, F .; Нерви, К. (2008). «МикроРНК: основные механизмы и транскрипционные регуляторные сети для определения клеточной судьбы» . Сердечно-сосудистые исследования . 79 (4): 553–561. DOI : 10.1093 / CVR / cvn151 . PMID 18539629 . 
  14. ^ «Мультиплексный режим для серии LSM 9 с Airyscan 2: быстрое и мягкое конфокальное сверхвысокое разрешение в больших объемах» (PDF) .
  15. ^ Вайсман, Тамили А .; Пан, Ю. Альберт (февраль 2015 г.). «Brainbow: новые ресурсы и новые биологические приложения для многоцветной генетической маркировки и анализа» . Генетика . 199 (2): 293–306. DOI : 10.1534 / genetics.114.172510 . ISSN 0016-6731 . PMC 4317644 . PMID 25657347 .   
  16. ^ Фридман-Морвински, Динора; Верма, Индер М. (март 2014 г.). «Дедифференцировка и репрограммирование: происхождение раковых стволовых клеток» . EMBO Reports . 15 (3): 244–253. DOI : 10.1002 / embr.201338254 . ISSN 1469-221X . PMC 3989690 . PMID 24531722 .   
  17. ^ Vibert, Лаура; Даульни, Энн; Жаррио, Софи (2018). «Заживление ран, клеточная регенерация и пластичность: путь elegans» . Международный журнал биологии развития . 62 (6–7–8): 491–505. DOI : 10.1387 / ijdb.180123sj . ISSN 0214-6282 . PMC 6161810 . PMID 29938761 .   
  18. ^ a b c d e Гилберт, Скотт (2006). Биология развития (8-е изд.). Сандерленд, Массачусетс: Издательство Sinauer Associates, Inc. С.  53–55 . ISBN 978-0-87893-250-4.
  19. ^ а б в г е Гилберт, С.Ф. (2000). Биология развития (6-е изд.).
  20. ↑ Whittaker, JR (июль 1973 г.). «Сегрегация во время асцидийного эмбриогенеза цитоплазматической информации яйца для развития тканеспецифических ферментов» . PNAS . 70 (7): 2096–100. Bibcode : 1973PNAS ... 70.2096W . DOI : 10.1073 / pnas.70.7.2096 . PMC 433673 . PMID 4198663 .  
  21. ^ a b Xiong, W .; Феррелл-младший, Дж. (2003). «Основанный на положительной обратной связи бистабильный« модуль памяти », который управляет решением судьбы клетки». Природа . 426 (6965): 460–465. Bibcode : 2003Natur.426..460X . DOI : 10,1038 / природа02089 . PMID 14647386 . S2CID 4396489 .  
  22. ^ a b c d e Гилберт, Скотт (2014). Биология развития (10-е изд.) . Sinauer Associates, Inc.
  23. ^ Guo G, Huss M, Tong GQ, Wang C, Li Sun L, Clarke ND, Robson P: Решение судьбы клеток, выявленное анализом экспрессии одноклеточных генов от зиготы до бластоцисты. Dev Cell 2010, 18: 675-685. Guo, G .; Huss, M .; Тонг, G .; Wang, C .; Li Sun, L .; Clarke, N .; Робсон, П. (2010). «Разрешение решений клеточной судьбы, выявленное анализом экспрессии одноклеточных генов от зиготы до бластоцисты». Клетка развития . 18 (4): 675–685. DOI : 10.1016 / j.devcel.2010.02.012 . PMID 20412781 . 
  24. ^ Кэрнс JM: Развитие трансплантатов от эмбрионов мыши к зачатку крыла куриного эмбриона. Дев Биол 1965, 12: 36-52. Кэрнс, Дж. (1965). «Развитие трансплантатов от эмбрионов мыши к зачатку крыла куриного эмбриона». Биология развития . 12 (1): 36–00. DOI : 10.1016 / 0012-1606 (65) 90019-9 . PMID 5833110 . 
  25. ^ «Визуализация трансгенных эмбрионов сверчка выявляет движения клеток в соответствии с механизмом формирования синцитиального паттерна» . Текущая биология . 20 (18): 1641–1647. 2010-09-28. DOI : 10.1016 / j.cub.2010.07.044 . ISSN 0960-9822 . 
  26. ^ Lau S, Ehrismann JS, Schlereth A, Takada S, Mayer U, Jurgens G: межклеточная коммуникация в раннем эмбриогенезе Arabidopsis. Eur J Cell Biol 2010, 89: 225-230. Lau, S .; Ehrismann, J .; Schlereth, A .; Takada, S .; Mayer, U .; Юргенс, Г. (2010). «Межклеточная коммуникация в раннем эмбриогенезе Arabidopsis». Европейский журнал клеточной биологии . 89 (2–3): 225–230. DOI : 10.1016 / j.ejcb.2009.11.010 . PMID 20031252 . 
  27. Перейти ↑ Briscoe, J (2009). «Делая оценку: передача сигналов Sonic Hedgehog и контроль судьбы нервных клеток» . EMBO J . 28 (5): 457–465. DOI : 10.1038 / emboj.2009.12 . PMC 2647768 . PMID 19197245 .  
  28. ^ Rabajante JF, Babierra AL (30 января 2015). «Ветвление и колебания в эпигенетическом ландшафте детерминации клеточной судьбы». Прогресс в биофизике и молекулярной биологии . 117 (2–3): 240–249. DOI : 10.1016 / j.pbiomolbio.2015.01.006 . PMID 25641423 .