تمایز سلولی چیست؟ نحوه انجام تمایز سلولی

فهرست مطالب نمایش

مقدمه‌ای بر نحوه انجام تمایز سلولی در سیستم های برون تن و درون تن

دنبال کردن خط سیر تکاملی، نشان دهنده افزایش پیچیدگی سلولی و در نتیجه سازگاری بیشتر موجودات زنده بوده است. یعنی هرچه که در این مسیر از پروکاریوت ها به سمت یوکاریوت نزدیک می شویم، سلول ها در بافت های تخصصی با عملکرد مشخص، شکل می گیرند. برای اینکه هر سلول یک عملکرد مشخص و تخصصی کسب کند، باید فرآیند تمایز سلولی در آن اتفاق بیفتد. به عبارتی فرآیند تمایز یک سلول به معنای تغییر بیان ژن سلولی توسط اپی ژنوم و کسب عملکرد توسط آن سلول می باشد.

پروکاریوت ها همه موجوداتی هستند که به شکل تک سلولی بوده و یک سلول باکتریایی کافی است تا میلیون ها سلول شبیه به خود را به وجود بیاورد. به عبارتی در ژنوم باکتری ها توالی مورد نیاز برای انجام تمام اعمال مورد نیاز زیستی نوشته شده است. یعنی تمام فرآیند هایی چون حرکت، تغذیه و رشد، دفع مواد زائد، تقسیم سلولی، ارتباط با باکتری های دیگر و … همه در ژنوم باکتری کد شده و یک سلول باکتریایی می تواند از تمام آن ژن ها استفاده کند.

این عملکرد در یوکاریوت ها و مخصوصاً فرمانرو های پیشرفته تر کمی متفاوت تر است. طبق قوانین سلولی تمام محتوای ژنتیکی مورد نیاز برای عملکرد های مختلف در تک تک تمام سلول های آن ارگانیسم وجود دارد. اما تفاوت اصلی در این می باشد که تمام این ژن ها توانایی بیان در همه سلول ها را ندارند. طی فرآیند تمایز سلول ها برای کسب عملکرد مشخص، فقط بخشی از ژن هایی را بیان می کنند که مربوط به همان عملکرد می باشد.

فرایند تمایز سلولی از مراحل اولیه تکوین شروع می شود

فرآیند تمایز سلولی، یک عملکرد حیاتی برای شکل گیری بافت های عملکردی می باشد. زمانی که گامت های جنسی نر و ماده طی فرآیند لقاح به یک سلول تبدیل می شوند، با تقسیم های متوالی توده سلولی بدون هیچ عملکردی را بوجود می آورند. در طی تقسیمات متوالی اولیه نه تنها توده سلولی هیچ عملکردی کسب نمی کند بلکه تمامی پرینت های اپی ژنتیک از تواتر ژنوم برداشته می شوند.

در نهایت توده سلولی تشکیل شده که تحت عنوان مورولا شناخته می شود، با تقسیمات متعدد با تسهیم نا مساوی، یک توده جدید با عنوان بلاستوسیست که شامل تروفکتودرم و توده سلولی داخلی می باشد را تشکیل می دهد. اولین مرحله تمایز تشکیل بافت های اصلی جنینی که شامل اکتودرم، مزودرم و اندودرم می باشد.

سپس اکتودرم به سلول های اپی‌تلیالی و عصبی تمایز پیدا می کند. مزودرم سرنوشت تمایز سلولی به مزانشیم، سلول های غیر خونی و ماهیچه ها را خواهد داشت و اندودرم نیز دستگاه های تنفسی، ادراری شنوایی و غدد درون ریز را تولید می کند.

تمایز مولکولی

تمایز یک فرآیند گسترده و جزء یکی از Mega Behavior های سلولی می باشد. رفتار های بزرگ سلولی در 5 دسته رشد، حرکت، پیری، تمایز و مرگ قرار می گیرد. آنچه که مشخص است تمایز یک جزء اصلی از این رفتار ها بوده و بدون آن هیچ سلولی عملکرد نخواهد داشت.

تمایز یک مسیر چند مرحله‌ای بوده و ممکن است در فاصله بین سلول بنیادی و سلول عملکردی تمایز یافته، چندین نوع سلول دیگر وجود داشته باشد. به عنوان مثال یک سلول PluriPotent هیچ گاه به شکل مستقیم به سلول عملکردی تمایز پیدا نمی کند. حد واسط های مشخصی برای رسیدن به این تغییر وجود دارد.

یک سلول بنیادی پرتوان ممکن است در ابتدا به یک سلول بنیادی چندتوان تمایز کند. سپس پیش ساز های اولیه و ثانویه شکل می گیرند. در نهایت این پیش ساز ها با گذر از حالت های گذار مختلف تبدیل به سلول نهایی می شود.

امروزه مجموعه ژن های شناخته شده انسانی از 20 هزار عبور کرده و این تعدد نشان دهنده این است که در هر عملکردی مجموعه زیادی از ژن ها درگیر هستند. زمانی که مقرر می شود یک سلول مسیر تمایزی مشخصی را طی کند، برای اینکه چند صد ژن همزمان در آن سلول بیان شده و بقیه ژن ها خاموش شوند، امکان این وجود ندارد که ریز محیط اطراف آن سلول تک تک ژن ها را وارسی کرده و با فاکتور های مختلف آن ها را خاموش و روشن کند.

برای جلوگیری از این پیچیدگی، مسیر های سیگنالینگ مختلفی توسعه پیدا کرده‌اند. این مسیر های سیگنالینگ مجموعه‌ی زیادی از تغییرات را القاء می کنند. در تمایز سلولی، ابتدا یک مولکول به عنوان فعال کننده یک مسیر سیگنالینگ عمل کرده و آبشاری از تغییرات سیتوپلاسمی را القاء می کند. این تغییرات سیتوپلاسمی که می تواند مثل فسفریلاسیون باشد، باعث بیان مجموعه‌ای از ژن ها و تولید عوامل تنظیم کننده بیان ژنی (Transcription Factor) باشد.

این TF ها که در اثر یک نوع مولکول فعال کننده مسیر سیگنالینگ تولید شده اند، هرکدام می توانند ده ها ژن عملکردی را تنظیم بیان ژن کنند. یعنی برای فعال سازی ژن های عملکردی و القای تمایز سلولی، یک یا چند مسیر سیگنالینگ عمومی فعال شده و هر کدام باعث بیان چندین TF با عملکرد نسبتاً اختصاصی می شوند و همان TF های نیمه اختصاصی ژن های مختص آن عملکرد را تولید می کنند.

القای تمایز سلولی در سیستم های برون تن

سلول های بنیادی تحت کشت با بوجود آوردن چند تغییر به راحتی در مسیر تمایزی مشخص قرار می گیرند. یکی از روش های تمایز در کشت سلول تغییر مواد حل شده در ریز محیط سلول می باشد. یعنی در محیط کشتی که در مجاورت سلول قرار گرفته ترکیباتی اضافه شوند که باعث فعال شدن یا خاموش شدن مسیر های سیگنالینگ شوند.

همچنین روش دیگر کشت سه بعدی در ECM مشخص است. استفاده از داربست های طبیعی و سنتزی که از نظر اتصال رفتار های مشخصی را به سلول ارائه می دهند می توانند یک مسیر تمایزی را در سلول القاء کنند.

سیستم های هم کشتی نیز یکی از روش های مؤفق تمایز در سیستم کشت سلولی می باشد. در این روش سلول های تمایز یافته با تعداد اندک در مجاورت سلول های بنیادی با تعداد بیشتر قرار می گیرند. فاکتور هایی که توسط سلول های تمایز یافته تولید شده و در محیط کشت رها می شوند، باعث فعال شدن مسیر های تمایزی می گردد.

تمایز در سیستم های درون تن

در بافت های مختلف یک موجود زنده کامل، تمام موارد لازم برای تأمین یک ریز محیط تمایزی وجود دارد. با نفوذ سلول بنیادی به بافت با عملکرد مشخص، مجموعه زیادی از فاکتور های مورد نیاز برای تمایز سلولی مهیا می گردد. لذا تمایز در سیستم های درون تنی مانند کشت سلول تک فاکتوری نبوده و چندین فاکتور ریزمحیطی بر روی آن تأثیر می گذارد. لذا می توان گفت القای تمایز سلولی در یک موجود زنده کامل به مراتب راحت تر از سیستم برون تنی می باشد.

چرا که تمامی موارد به شکل تنظیم شده به سلول ها می رسند. اما باید توجه داشت که پیوند سلول بنیادی به بافت آسیب دیده‌ای انجام می شود که آن بافت روند تکوینی خود را سال ها قبل طی کرده و ممکن است دیگر گرادیانت کامل ریز محیط برای تمایز دقیق به همان بافت هدف مورد نظر را نداشته باشد. این مسئله می تواند باعث تبدیل سلول به یک سلول عملکردی اما با ویژگی های غیر از آن چیزی که انتظار می رود باشد.

به عنوان مثال اگر فاکتور رشد را به عنوان یک متغیر تمایزی در نظر بگیریم، اگر سلول های بنیادی به بافت استخوان پیوند زده شوند در طی روند استئوژنز سلولی، قدرت تقسیم سلولی به خاطر تغییر بیان ژن به شدت کاهش پیدا کرده و سلول های بنیادی فرآیند ساخته شدن استئوسیت را به خوبی طی می کنند.

اما در مقابل آن اگر پیوند به بافت پوست انجام شود به دلیل عدم کاهش تقسیم سلولی در فرآیند تمایز سلول های بنیادی به کراتینوسیت، ممکن است یک توده توموری شکل گرفته و رفته رفته تبدیل به سرطان شود.

لذا آن چه که حائز اهمیت است شناخت کامل بافت و سپس طراحی استراتژی تمایز می باشد. یعنی قبل از پیوند باید مشخص شود که سلول در محیط کشت سلول تمایز خواهد یافت یا اینکه این روند در درون بافت طی خواهد شد.

مطالب مرتبط با تمایز سلولی: