Определение судьбы клетки - Cell fate determination

В области биология развития, одна из целей - 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 распространение клеток, дифференциация, клеточное движение[1] и запрограммированная 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 ростковые отростки, и пройти гаструляция. Хотя эмбриогенез изучается более века, только недавно (последние 25 лет или около того) ученые обнаружили, что основной набор тех же белки и мРНК участвуют в эмбриогенез. Эволюционное сохранение является одной из причин того, что моделирующие системы, такие как муха (Дрозофила меланогастр ), мышь (Mus Musculus ), а другие организмы используются в качестве моделей для изучения эмбриогенеза и биологии развития. Изучение модельные организмы предоставляет информацию, относящуюся к другим животным, включая человека. Новые открытия и исследования включают в себя то, как РНК и белки по-разному экспрессируются между типами клеток, во времени и в пространстве; и как они ответственны за определение судьбы клеток, вносящих вклад в огромное разнообразие организмов.

Судьба клетки

Разработка новых молекулярных инструментов, включая GFP, и основные достижения в технология визуализации включая флуоресцентная микроскопия, сделали возможным отображение из клеточная линия из Caenorhabditis elegans включая его эмбрион.[5][6] Эта техника карта судьбы используется для изучения клеток, поскольку они различать и усиление указанной функции. Просто наблюдая за клеткой, как она дифференцируется во время эмбриогенез 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.[7][8][9][10][11] Улучшения в инструментах визуализации, включая живые конфокальная микроскопия и микроскопия сверхвысокого разрешения[12] 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 индуцируемых Cre-lox трансгенных мышей, где конкретные популяции клеток могут быть экспериментально картированы с использованием репортеров, таких как мозговой лук, красочный репортер, который используется в головном мозге и других тканях для отслеживания пути дифференцировки клетки.[13]

Во время эмбриогенеза, для ряда клеточных расщеплений (конкретное число зависит от типа организма) все клетки эмбриона будут морфологически и эквивалентны по развитию. Это означает, что каждая клетка имеет одинаковый потенциал развития, и все клетки, по сути, взаимозаменяемы, таким образом устанавливая группа эквивалентности. Эквивалентность развития этих клеток обычно устанавливается с помощью экспериментов по трансплантации и удалению клеток. По мере созревания эмбрионов происходит более сложное определение судьбы по мере появления структур и дифференциации клеток, которые начинают выполнять определенные функции. В нормальных условиях, когда клетки имеют определенную судьбу и претерпели клеточная дифференциация, они обычно не могут вернуться в менее определенные состояния; однако новые исследования показывают, что де-дифференцировка возможна при определенных условиях, включая заживление ран и рак.[14][15]

Определение клетки с определенной судьбой можно разбить на два состояния, в которых клетка может быть указано (совершено) или же определенный. В состоянии коммитирования или специфицирования тип клетки еще не определен, и любое предубеждение клетки в отношении определенной судьбы может быть обращено или преобразовано в другую судьбу. Если ячейка находится в определенный В состоянии судьба клетки не может быть обращена или преобразована. В общем, это означает, что ячейка определенный дифференцироваться в клетку мозга не может быть преобразован в клетку кожи. За определением следует дифференциация - реальные изменения биохимии, структуры и функций, которые приводят к появлению определенных типов клеток. Дифференциация часто включает изменение внешнего вида, а также функции.

Режимы спецификации

Есть три основных способа, которыми клетка может стать специфицированной для определенной судьбы; они есть автономная спецификация, условная спецификация и синцитиальная спецификация.[16]

Автономная спецификация

Этот тип спецификации является результатом внутренних свойств ячейки; это дает начало мозаичному развитию. Внутренние свойства клетки возникают из расщепление клетки с асимметрично выраженным материнским цитоплазматические детерминанты (белки, малые регуляторные 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, работающим с оболочковыми эмбрионами.[17][18] 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, вызывающие асимметрию, очень слабые или дезорганизованные, благодаря положительной обратной связи система может спонтанно формировать сам себя. Как только обратная связь началась, любая небольшая начальная сигнализация усиливается и, таким образом, создает эффективный механизм формирования паттерна.[19] Обычно это происходит в случае боковое торможение в которых соседние клетки индуцируют Технические характеристики через тормозящие или индуцирующие сигналы (см. Notch сигнализация ). Такая положительная обратная связь на уровне отдельных клеток и тканей отвечает за нарушение симметрии, который представляет собой процесс по принципу «все или ничего», тогда как при нарушении симметрии участвующие 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.[19]

Условная спецификация

В отличие от автономной спецификации, этот тип спецификации представляет собой внешний клеточный процесс, основанный на сигналах и взаимодействиях между клетками или на градиентах концентрации морфогены. 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 сигналу (морфоген ) извне группы. Только клетки, подвергшиеся воздействию сигнала, вынуждены следовать другому пути развития, оставляя остальную часть группа эквивалентности Другим механизмом, определяющим судьбу клетки, является региональная детерминация (см. Региональная спецификация ). Как следует из названия, эта спецификация происходит в зависимости от того, где внутри эмбриона расположена ячейка, это также известно как позиционное значение.[20] Впервые это было замечено, когда мезодерма был взят из предполагаемой области бедра куриного эмбриона, трансплантирован в область крыла и не трансформировался в ткань крыла, а вместо этого в ткань пальца.[21]

Синцитиальная спецификация

Основная статья: Синцитий

Этот тип спецификации представляет собой гибрид автономного и условного, который встречается у насекомых. Этот метод предполагает действие градиентов морфогенов в пределах синцитий. Поскольку в синцитии нет клеточных границ, эти морфогены могут влиять на ядра в зависимости от концентрации.

Смотрите также

Эмбриогенез растений, см. Lau S и другие., Межклеточная коммуникация в раннем эмбриогенезе Arabidopsis. Eur J Cell Biol 2010, 89: 225-230.[22]

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.[23]

В системной биологии предсказывается, что определение судьбы клетки будет демонстрировать определенную динамику, такую ​​как аттрактор-конвергенция (аттрактор может быть точкой равновесия, предельным циклом или странный аттрактор ) или колебательный.[24]

Рекомендации

  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. Дои: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. Дои:10.1016 / j.devcel.2015.01.019. ISSN  1534-5807. PMID  25710534.
  3. ^ Ranganath, R.M .; Нагашри, Н. Р. (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. 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. Дои:10.1098 / rstb.2007.2245. ЧВК  2615821. PMID  18192179.
  5. ^ Дев Дин 2010, 239: 1315-1329. Мадуро, М. Ф. (2010). «Спецификация клеточной судьбы в эмбрионе C. Elegans». Динамика развития. 239 (5): 1315–1329. Дои:10.1002 / dvdy.22233. PMID  20108317. S2CID  14633229.
  6. ^ 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. Дои:10.1016 / j.semcdb.2004.04.004. PMID  15271302.
  7. ^ Artavanis-Tsakonas S, Rand MD, Lake RJ: Передача сигналов Notch: контроль клеточной судьбы и интеграция сигналов в развитии. Science 1999, 284: 770-776.Artavanis-Tsakonas, S .; Rand, M.D .; Лейк, Р. Дж. (1999). "Notch Signaling: контроль клеточной судьбы и интеграция сигналов в развитии". Наука. 284 (5415): 770–6. Bibcode:1999Научный ... 284..770А. Дои:10.1126 / science.284.5415.770. PMID  10221902.
  8. ^ Schuurmans C, Guillemot F: Молекулярные механизмы, лежащие в основе спецификации клеточных судеб 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. Дои:10.1016 / S0959-4388 (02) 00286-6. PMID  11861161. S2CID  27988180.
  9. ^ 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. Дои:10.1002 / dvdy.21893. ЧВК  2929021. PMID  19253398.
  10. ^ Сегален М., Беллаиче Й .: Ориентация клеточного деления и пути плоской клеточной полярности. Semin Cell Dev Biol 2009, 20: 972-977. Сегален, М .; Беллаиш, Ю. (2009). «Ориентация клеточного деления и пути плоской клеточной полярности». Семинары по клеточной биологии и биологии развития. 20 (8): 972–977. Дои:10.1016 / j.semcdb.2009.03.018. PMID  19447051.
  11. ^ Fazi F, Nervi C: MicroRNA: основные механизмы и сети регуляции транскрипции для определения судьбы клетки. Cardiovasc Res 2008, 79: 553-561. Fazi, F .; Нерви, К. (2008). «МикроРНК: основные механизмы и сети регуляции транскрипции для определения судьбы клетки». Сердечно-сосудистые исследования. 79 (4): 553–561. Дои:10.1093 / cvr / cvn151. PMID  18539629.
  12. ^ «Мультиплексный режим для серии LSM 9 с Airyscan 2: быстрое и мягкое конфокальное сверхвысокое разрешение в больших объемах» (PDF).
  13. ^ Weissman, Tamily A .; Пан, Ю. Альберт (февраль 2015 г.). "Brainbow: новые ресурсы и новые биологические приложения для многоцветной генетической маркировки и анализа". Генетика. 199 (2): 293–306. Дои:10.1534 / генетика.114.172510. ISSN  0016-6731. ЧВК  4317644. PMID  25657347.
  14. ^ Фридман-Морвински, Динора; Верма, Индер М. (март 2014 г.). «Дедифференцировка и репрограммирование: происхождение раковых стволовых клеток». Отчеты EMBO. 15 (3): 244–253. Дои:10.1002 / наб.201338254. ISSN  1469-221X. ЧВК  3989690. PMID  24531722.
  15. ^ Виберт, Лаура; Даульны, Энн; Жаррио, Софи (2018). «Заживление ран, клеточная регенерация и пластичность: путь elegans». Международный журнал биологии развития. 62 (6–7–8): 491–505. Дои:10.1387 / ijdb.180123sj. ISSN  0214-6282. ЧВК  6161810. PMID  29938761.
  16. ^ Гилберт, Скотт (2006). Биология развития (8-е изд.). Сандерленд, Массачусетс: Издательство Sinauer Associates, Inc. стр.53 –55. ISBN  978-0-87893-250-4.
  17. ^ Гилберт, С. Ф. (2000). Биология развития (6-е изд.).
  18. ^ Уиттакер-младший (июль 1973 г.). «Сегрегация во время асцидийного эмбриогенеза цитоплазматической информации яйца для развития тканеспецифических ферментов». PNAS. 70 (7): 2096–100. Bibcode:1973PNAS ... 70.2096 Вт. Дои:10.1073 / пнас.70.7.2096. ЧВК  433673. PMID  4198663.
  19. ^ а б 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:2003Натура.426..460X. Дои:10.1038 / природа02089. PMID  14647386. S2CID  4396489.
  20. ^ Guo G, Huss M, Tong GQ, Wang C, Li Sun L, Clarke ND, Robson P: Решение клеточных судебных решений, 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 с помощью анализа экспрессии одноклеточных генов от зиготы до бластоцисты». Клетка развития. 18 (4): 675–685. Дои:10.1016 / j.devcel.2010.02.012. PMID  20412781.
  21. ^ Кэрнс Дж. М.: 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. Дои:10.1016/0012-1606(65)90019-9. PMID  5833110.
  22. ^ 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). «Клетка-коммуникация в раннем эмбриогенезе Arabidopsis». Европейский журнал клеточной биологии. 89 (2–3): 225–230. Дои:10.1016 / j.ejcb.2009.11.010. PMID  20031252.
  23. ^ Бриско, Дж (2009). "Делая оценку: передача сигналов Sonic Hedgehog и контроль судьбы нервных клеток". EMBO J. 28 (5): 457–465. Дои:10.1038 / emboj.2009.12. ЧВК  2647768. PMID  19197245.
  24. ^ Рабаджанте Дж. Ф., Бабьерра А. Л. (30 января 2015 г.). «Ветвление и колебания в эпигенетическом ландшафте детерминации клеточной судьбы». Прогресс в биофизике и молекулярной биологии. 117 (2–3): 240–249. Дои:10.1016 / j.pbiomolbio.2015.01.006. PMID  25641423.