stringtranslate.com

Определение судьбы клеток

В области биологии развития одна из целей состоит в том, чтобы понять, как конкретная клетка развивается в окончательный тип клеток, известный как определение судьбы . Внутри эмбриона на клеточном и тканевом уровне происходит несколько процессов, приводящих к созданию организма. Эти процессы включают пролиферацию клеток , дифференцировку , движение 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 претерпевают схожую последовательность событий на самых ранних стадиях развития — консервативный процесс, известный как эмбриогенез . [4] Во время эмбриогенеза клетки существуют в трех зародышевых листках и подвергаются гаструляции . Хотя эмбриогенез изучается уже более столетия, только недавно (последние 25 лет или около того) ученые обнаружили, что в эмбриогенезе участвует основной набор одних и тех же белков и мРНК . Эволюционное сохранение — одна из причин, по которой 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 организмов дает информацию, касающуюся других животных, включая человека. При изучении различных модельных систем было обнаружено, что судьба клеток определяется несколькими способами, два из которых связаны с комбинацией факторов транскрипции, которые есть в клетках, и межклеточным взаимодействием. [5] Механизмы определения судьбы клеток были разделены на три различных типа: автономно определенные клетки, условно определенные клетки и синцитиальные определенные клетки. Кроме того, судьба клеток определялась в основном с помощью двух типов экспериментов: абляции клеток и трансплантации. [6] Результаты, полученные в результате этих экспериментов, помогли определить судьбу исследованных клеток.

Судьба клетки

Разработка новых молекулярных инструментов, включая GFP , и значительные достижения в технологии визуализации , включая флуоресцентную микроскопию , сделали возможным картирование клеточной линии Caenorhabditis elegans , включая ее эмбрионы . [7] [8] Этот метод картирования судеб используется для изучения клеток по мере их дифференцировки и обретения определенной функции. Простое наблюдение за клеткой, которая дифференцируется во время эмбриогенеза , не дает указаний на механизмы, которые управляют этой спецификацией. Использование молекулярных методов, включая нокдауны, нокауты и сверхэкспрессию генов и белков, позволяет исследовать механизмы детерминации судьбы. [9] [10] [11] [12] [13] Усовершенствования инструментов визуализации, включая живую конфокальную микроскопию и микроскопию сверхвысокого разрешения [14], позволяют визуализировать молекулярные изменения в экспериментально манипулируемых клетках по сравнению с контролем. Эксперименты по трансплантации также могут использоваться в сочетании с генетическими манипуляциями и отслеживанием происхождения. Новые методы определения судьбы клеток включают отслеживание линий, выполняемое с использованием индуцибельных трансгенных мышей Cre-lox , где конкретные популяции клеток могут быть экспериментально картированы с использованием репортеров, таких как Brainbow , красочный репортер, который полезен в мозге и других тканях для отслеживания пути дифференцировки клетки. . [15]

В ходе эмбриогенеза при ряде клеточных дроблений (конкретное число зависит от вида организма) все клетки зародыша будут морфологически и онтогенетически эквивалентны. 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 абляции клеток. По мере взросления эмбрионов происходит более сложное определение судьбы: появляются структуры и клетки дифференцируются, начиная выполнять специфические функции. В нормальных условиях, когда клетки имеют определенную судьбу и прошли клеточную дифференцировку , они обычно не могут вернуться в менее определенные состояния; однако новые исследования показывают, что дедифференцировка возможна при определенных условиях, включая заживление ран и рак. [16] [17]

Принятие клетки к определенной судьбе можно разбить на два состояния, в которых ячейку можно указать (зафиксировать) или определить . В состоянии коммитирования или спецификации тип клетки еще не определен, и любая предрасположенность клетки к определенной судьбе может быть обращена вспять или трансформирована в другую судьбу. Если клетка находится в детерминированном состоянии, ее судьбу нельзя повернуть вспять или изменить. В целом это означает, что клетка, призванная дифференцироваться в клетку мозга, не может трансформироваться в клетку кожи. За определением следует дифференциация, фактические изменения в биохимии, структуре и функциях, которые приводят к образованию определенных типов клеток. Дифференциация часто включает в себя изменение внешнего вида, а также функций. [18]

Режимы спецификации

Есть три основных способа, которыми клетка может стать определенной для определенной судьбы; это автономная спецификация , условная спецификация и синцитиальная спецификация . [19]

Автономная спецификация

Этот тип спецификации является результатом внутренних свойств клетки; это приводит к мозаичному развитию. Внутренние свойства клетки возникают в результате расщепления клетки с асимметрично экспрессируемыми материнскими цитоплазматическими детерминантами (белками, малыми регуляторными РНК и мРНК). Таким образом, судьба клетки зависит от факторов, секретируемых в ее цитоплазму при дроблении. Автономная спецификация была продемонстрирована в 1887 году французским студентом-медиком Лораном Шабри, работавшим над оболочниковыми эмбрионами. [20] [21] Это асимметричное деление клеток обычно происходит на ранних стадиях эмбриогенеза.

Положительная обратная связь может создать асимметрию из-за однородности. В тех случаях, когда внешние стимулы, вызывающие асимметрию, очень слабы или дезорганизованы, благодаря положительной обратной связи система может спонтанно моделировать себя. Как только обратная связь началась, любая небольшая первоначальная сигнализация усиливается и, таким образом, создает эффективный механизм формирования паттернов. [22] Обычно это происходит в случае латерального ингибирования , при котором соседние клетки индуцируют спецификацию посредством ингибирующих или индуцирующих сигналов (см. Передача сигналов Notch ). Подобная положительная обратная связь на уровне отдельных клеток и тканей ответственна за нарушение симметрии , что представляет собой процесс «все или ничего», тогда как как только симметрия нарушается, вовлеченные клетки становятся совсем другими. Нарушение симметрии приводит к образованию бистабильной или мультистабильной системы, в которой задействованная клетка или клетки имеют различную клеточную судьбу. Определенные клетки продолжают следовать своей судьбе даже после того, как первоначальный стимулирующий/ингибирующий сигнал исчез, оставляя клеткам память о сигнале. [22]

Конкретные результаты абляции и выделения клеток, которые выделяют автономно определенные клетки, следующие. Если произошла абляция ткани из определенной клетки, в клетке останется недостающая часть. В результате удаленная ткань была автономно уточнена, поскольку клетка не могла восполнить недостающую часть [19] [20] [23] . Более того, если определенные клетки были изолированы в чашке Петри из всей структуры, эти клетки все равно будут формировать структуру или ткань, которую они собирались сформировать изначально. [19] [20] [23] Другими словами, сигнал для формирования конкретной ткани находится внутри ткани, а не исходит от центрального органа или системы.

Условная спецификация

В отличие от автономной спецификации, этот тип спецификации представляет собой внешний для клетки процесс, который опирается на сигналы и взаимодействия между клетками или на градиенты концентрации морфогенов . Индуктивные взаимодействия между соседними клетками являются наиболее распространенным способом формирования тканевого паттерна. 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, заставляют следовать другому пути развития, оставляя остальную часть эквивалентной группы неизмененной. Другим механизмом, определяющим судьбу клеток, является региональная детерминация (см. Региональную спецификацию ). Как следует из названия, эта спецификация возникает в зависимости от того, где внутри эмбриона расположена клетка. Это также известно как позиционное значение. [24] Впервые это наблюдалось, когда мезодерма была взята из предполагаемой области бедра куриного эмбриона, привита к области крыла и трансформировалась не в ткань крыла, а вместо этого в ткань пальца ноги. [25]

В условно заданных ячейках назначенная ячейка требует передачи сигналов от внешней ячейки. Следовательно, если ткань была удалена, клетка сможет регенерировать или подать сигнал о реформировании первоначально удаленной ткани. [19] [20] [23] Кроме того, если ткань живота, например, была удалена и трансплантирована на спину, вновь образующаяся ткань будет тканью спины. [19] [20] [23] Этот результат наблюдается потому, что окружающие клетки и ткани влияют на вновь образующуюся клетку.

Синцитиальная спецификация

Этот тип спецификации представляет собой гибрид автономного и условного, который встречается у насекомых. Этот метод предполагает воздействие градиентов морфогена внутри синцития . Поскольку в синцитии нет клеточных границ, эти морфогены могут влиять на ядра в зависимости от концентрации. Было обнаружено, что клеточная обработка бластодермы происходила либо во время, либо до спецификации участков тела. [26] Кроме того, одна клетка может содержать более одного ядра из-за слияния нескольких одноядерных клеток. В результате вариабельное расщепление клеток затрудняет фиксацию или определение одной клеточной судьбы. [23] В конце клеточности автономно определенные клетки начинают отличаться от условно определенных один раз.

Смотрите также

Эмбриогенез растений , см. Lau S et al. , Межклеточная коммуникация в раннем эмбриогенезе Arabidopsis. Eur J Cell Biol 2010, 89:225-230. [27]

Хороший обзор части истории передачи сигналов и развития морфогенов см. в Briscoe J. Making a Grade: Sonic Hedgehog signaling and control of Neural Cell. [28]

В системной биологии предсказывается, что детерминация клеточной судьбы будет проявлять определенную динамику, такую ​​как конвергенция аттракторов (аттрактор может быть точкой равновесия, предельным циклом или странным аттрактором ) или колебательная. [29]

Рекомендации

  1. ^ Уоллингфорд, Джон Б; Фрейзер, Скотт Э; Харланд, Ричард М. (1 июня 2002 г.). «Конвергентное расширение: молекулярный контроль движения поляризованных клеток во время эмбрионального развития». Развивающая клетка . 2 (6): 695–706. дои : 10.1016/S1534-5807(02)00197-1 . ISSN  1534-5807. ПМИД  12062082.
  2. ^ Миура, Масаюки; Ямагути, Ёсифуми (23 февраля 2015 г.). «Запрограммированная смерть клеток в развитии нервной системы». Развивающая клетка . 32 (4): 478–490. дои : 10.1016/j.devcel.2015.01.019 . ISSN  1534-5807. ПМИД  25710534.
  3. ^ Ранганатх, РМ; Нагашри, Северная Каролина (2001). «Роль запрограммированной гибели клеток в развитии». Международный обзор цитологии . 202 : 159–242. дои : 10.1016/s0074-7696(01)02005-8. ISBN 9780123646064. ISSN  0074-7696. ПМИД  11061565.
  4. ^ Саенко, СВ; Французский, В; Брейкфилд, премьер-министр; Бельдаде, П. (27 апреля 2008 г.). «Консервативные процессы развития и формирование эволюционных новинок: примеры крыльев бабочки». Философские труды Лондонского королевского общества. Серия Б, Биологические науки . 363 (1496): 1549–55. дои : 10.1098/rstb.2007.2245. ПМК 2615821 . ПМИД  18192179. 
  5. ^ Стреули, Чарльз Х. (15 января 2009 г.). «Интегрины и определение клеточной судьбы». Журнал клеточной науки . 122 (2): 171–177. дои : 10.1242/jcs.018945 . ISSN  0021-9533. ПМК 2714415 . ПМИД  19118209. 
  6. ^ Фезерстоун, Делавэр; Броуди, К.С. (01 января 2005 г.), Гилберт, Лоуренс И. (редактор), «2.3 - Функциональное развитие нервной мускулатуры», Комплексная молекулярная наука о насекомых , Амстердам: Elsevier, стр. 85–134, ISBN 978-0-444-51924-5, получено 22 марта 2021 г.
  7. ^ Дев Дин 2010, 239:1315-1329. Мадуро, МФ (2010). «Спецификация судьбы клеток эмбриона C. Elegans». Динамика развития . 239 (5): 1315–1329. дои : 10.1002/dvdy.22233 . PMID  20108317. S2CID  14633229.
  8. ^ Зерницка-Гетц М: Первые решения судьбы клеток и формирование пространственного паттерна у раннего эмбриона мыши. Semin Cell Dev Biol 2004, 15:563-572. Зерницка-Гетц, М. (2004). «Первые решения о судьбе клеток и формирование пространственного паттерна у раннего эмбриона мыши». Семинары по клеточной биологии и биологии развития . 15 (5): 563–572. doi :10.1016/j.semcdb.2004.04.004. ПМИД  15271302.
  9. ^ Артаванис-Цаконас С., Рэнд, доктор медицинских наук, Лейк Р.Дж.: Передача сигналов Notch: контроль судьбы клеток и интеграция сигналов в развитии. Наука 1999, 284:770-776. Артаванис-Цаконас, С.; Рэнд, доктор медицины; Лейк, Р.Дж. (1999). «Передача сигналов Notch: контроль судьбы клеток и интеграция сигналов в развитии». Наука . 284 (5415): 770–6. Бибкод : 1999Sci...284..770A. дои : 10.1126/science.284.5415.770. ПМИД  10221902.
  10. ^ Шуурманс С., Гийемо Ф.: Молекулярные механизмы, лежащие в основе спецификации судеб клеток в развивающемся конечном мозге. Курр Опин Нейробиол 2002, 12:26-34. Шурманс, К.; Гиймо, Ф. (2002). «Молекулярные механизмы, лежащие в основе спецификации судьбы клеток в развивающемся конечном мозге». Современное мнение в нейробиологии . 12 (1): 26–34. дои : 10.1016/S0959-4388(02)00286-6. PMID  11861161. S2CID  27988180.
  11. ^ Роршнайдер М.Р., Нэнс Дж.: Спецификация полярности и судьбы клеток в контроле гаструляции Caenorhabditis elegans. Дев Дин 2009, 238:789-796. Роршнайдер, М.; Нэнс, Дж. (2009). «Спецификация полярности и судьбы клеток в контроле гаструляции Caenorhabditis elegans». Динамика развития . 238 (4): 789–796. дои : 10.1002/dvdy.21893. ПМК 2929021 . ПМИД  19253398. 
  12. ^ Сегален М., Беллаиш Ю.: Ориентация деления клеток и пути полярности планарных клеток. Semin Cell Dev Biol 2009, 20:972-977. Сегален, М.; Беллаиш, Ю. (2009). «Ориентация деления клеток и пути полярности планарных клеток». Семинары по клеточной биологии и биологии развития . 20 (8): 972–977. doi :10.1016/j.semcdb.2009.03.018. ПМИД  19447051.
  13. ^ Фази Ф, Nervi C: МикроРНК: основные механизмы и сети регуляции транскрипции для определения судьбы клеток. Кардиоваск Res 2008, 79:553-561. Фази, Ф.; Нерви, К. (2008). «МикроРНК: основные механизмы и сети регуляции транскрипции для определения судьбы клеток». Сердечно-сосудистые исследования . 79 (4): 553–561. дои : 10.1093/cvr/cvn151 . ПМИД  18539629.
  14. ^ «Мультиплексный режим для серии LSM 9 с Airyscan 2: быстрое и щадящее конфокальное сверхразрешение 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. ПМЦ 4317644 . ПМИД  25657347. 
  16. ^ Фридман-Морвински, Динора; Верма, Индер М. (март 2014 г.). «Дедифференциация и перепрограммирование: происхождение раковых стволовых клеток». Отчеты ЭМБО . 15 (3): 244–253. дои : 10.1002/эмбр.201338254. ISSN  1469-221X. ПМЦ 3989690 . ПМИД  24531722. 
  17. ^ Виберт, Лаура; Даулни, Энн; Жаррио, Софи (2018). «Заживление ран, клеточная регенерация и пластичность: путь элегантности». Международный журнал биологии развития . 62 (6–7–8): 491–505. дои : 10.1387/ijdb.180123sj. ISSN  0214-6282. ПМК 6161810 . ПМИД  29938761. 
  18. ^ Шохайеб Б. и др. (октябрь 2021 г.). «Сохранение идентичности нейронных предшественников и появление разнообразия неокортикальных нейронов». Семинары по клеточной биологии и биологии развития . 118 (118): 4–13. doi :10.1016/j.semcdb.2021.05.024. PMID  34083116. S2CID  235336596.
  19. ^ abcde Гилберт, Скотт (2006). Биология развития (8-е изд.). Сандерленд, Массачусетс: Издательство Sinauer Associates, Inc. стр. 53–55. ISBN 978-0-87893-250-4.
  20. ^ abcde Гилберт, Сан-Франциско (2000). Биология развития (6-е изд.).
  21. ^ Уиттакер, младший (июль 1973 г.). «Сегрегация цитоплазматической информации яйцеклетки во время асцидийского эмбриогенеза для развития тканеспецифических ферментов». ПНАС . 70 (7): 2096–100. Бибкод : 1973PNAS...70.2096W. дои : 10.1073/pnas.70.7.2096 . ПМЦ 433673 . ПМИД  4198663. 
  22. ^ Аб Сюн, В.; Феррелл-младший, Дж. (2003). «Бистабильный« модуль памяти », основанный на положительной обратной связи, который управляет решением судьбы клетки». Природа . 426 (6965): 460–465. Бибкод : 2003Natur.426..460X. дои : 10.1038/nature02089. PMID  14647386. S2CID  4396489.
  23. ^ abcde Гилберт, Скотт (2014). Биология развития (10-е изд.) . Синауэр Ассошиэйтс, Инк.
  24. ^ Го Дж., Хусс М., Тонг GQ, Ван С., Ли Сунь Л., Кларк Н.Д., Робсон П.: Разрешение решений о судьбе клеток, выявленное с помощью анализа экспрессии генов в отдельных клетках от зиготы до бластоцисты. Dev Cell 2010, 18:675-685. Го, Г.; Хасс, М.; Тонг, Г.; Ван, К.; Ли Сунь, Л.; Кларк, Н.; Робсон, П. (2010). «Решение решений о судьбе клеток, выявленное с помощью анализа экспрессии генов в отдельных клетках от зиготы до бластоцисты». Развивающая клетка . 18 (4): 675–685. дои : 10.1016/j.devcel.2010.02.012 . ПМИД  20412781.
  25. ^ Кэрнс Дж. М.: Развитие трансплантатов из эмбрионов мыши в зачаток крыльев куриного эмбриона. Дев Биол 1965, 12:36-52. Кэрнс, Дж. (1965). «Развитие трансплантатов из эмбрионов мыши в зачаток крыльев куриного эмбриона». Биология развития . 12 (1): 36–00. дои : 10.1016/0012-1606(65)90019-9. ПМИД  5833110.
  26. ^ Накамура, Таро; Ёсидзаки, Масато; Огава, Сётаро; Окамото, Харуко; Синмё, Ёхей; Бандо, Тецуя; Охучи, Хидэё; Нодзи, Сумихаре; Мито, Таро (28 сентября 2010 г.). «Визуализация трансгенных эмбрионов сверчка показывает движения клеток, соответствующие механизму формирования синцитиального паттерна». Современная биология . 20 (18): 1641–1647. дои : 10.1016/j.cub.2010.07.044 . ISSN  0960-9822. PMID  20800488. S2CID  11443065.
  27. ^ Лау С., Эрисманн Дж.С., Шлерет А., Такада С., Майер У., Юргенс Г. Межклеточная связь в раннем эмбриогенезе Arabidopsis. Eur J Cell Biol 2010, 89:225-230. Лау, С.; Эрисманн, Дж.; Шлерет, А.; Такада, С.; Майер, У.; Юргенс, Г. (2010). «Клеточно-клеточная коммуникация в раннем эмбриогенезе Arabidopsis». Европейский журнал клеточной биологии . 89 (2–3): 225–230. дои : 10.1016/j.ejcb.2009.11.010. ПМИД  20031252.
  28. ^ Бриско, Дж (2009). «Достижение оценки: передача сигналов Sonic Hedgehog и контроль судьбы нервных клеток». ЭМБО Дж . 28 (5): 457–465. дои : 10.1038/emboj.2009.12. ПМЦ 2647768 . ПМИД  19197245. 
  29. ↑ Рабаханте Дж. Ф., Бабьерра А. Л. (30 января 2015 г.). «Ветвление и колебания в эпигенетическом ландшафте детерминации клеточной судьбы». Прогресс биофизики и молекулярной биологии . 117 (2–3): 240–249. doi :10.1016/j.pbiomolbio.2015.01.006. PMID  25641423. S2CID  2579314.