Raku potents

Raku potents on raku võime diferentseeruda eri tüüpi rakkudeks. Mida rohkemateks rakutüüpideks on teatud rakk võimeline arenema, seda suurem on raku potents. Raku potentsi on ka kirjeldatud kui geeni aktivatsiooni potentsiaali rakus, mis on katkematu jada alates totipotentsusega, mis märgistab kõrgeima diferentseerumise potentsiaaliga rakku, jätkudes pluripotentsuse, multipotentsuse, oligopotentsuse ja lõppedes unipotentsusega. Sõna "potents" tuleb ladinakeelsest sõnast potens, mis tähendab võimu, toimimis- või jõudlusvõimet. Totipotentsus on raku võime jaguneda ja luua kõiki liigile omaseid rakutüüpe, näiteks spoorid ja sügoodid on totipotentsed. Raku potentsuse spektris on totipotentne rakk suurima diferentseerumise potentsiaaliga. Eesliide "toti" tuleb ladinakeelsest sõnast totus, mis tähendab 'kõike' või 'täielikku'. Täielikult diferentseerunud rakud on võimelised võtma taas totipotentset vormi. Selline muutus totipotentseks on keeruline protsess, mida veel ei mõisteta täielikult ja mida veel uuritakse. 2011. aastal tehtud teaduslik uuring näitab, et rakud on suutelised diferentseeruma mitte täielikult totipotentseteks rakkudeks, vaid hoopis keeruliseks rakuliseks variatsiooniks totipotentsusest. Inimese arengu mudeliga saab edukalt kirjeldada, kuidas tekivad totipotentsed rakud. Inimese areng algab, kui seemnerakk viljastab munaraku ja tekkinud viljastatud munarakk moodustab üksiku totipotentse raku ehk sügoodi. Esimestel tundidel pärast viljastamist jaguneb sügoot mitmeks identseks totipotentseks rakuks, mis hiljem on võimelised arenema osaks ühest kolmest inimese lootelehest (ektoderm, endoderm ja mesoderm) või platsenta erinevateks rakkudeks. Jõudes 16 raku staadiumisse, diferentseeruvad moorula totipotentsed rakud ümber rakkudeks, mis lõpuks moodustavad kas blastotsüsti sisemise raku kogu või välimise tropoblasti. Umbes neli päeva pärast viljastumist ja pärast mitut raku jagunemise tsüklit hakkavad need totipotentsed rakud spetsialiseeruma. Sisemine raku kogum, mis on embrüonaalsete tüvirakkude allikaks, muutub pluripotentseks. Uuringud Caenorhabditis elegans'iga viitavad sellele, et totipotentsuse säilitamisel mängivad olulist rolli mitmed mehhanismid, ka näiteks RNA regulatsioon, liigi eri arengu etappides. Uuringud, mis on läbi viidud sebrakaladel ja imetajatel, viitavad lisaks miRNA ja RNA siduvate valkude koosmõju tähtsusele rakkude arenguliste erinevuste määramisel. 2013. aasta septembris suutis Hispaania riikliku vähiuuringukeskuse üks uurimisgrupp esmakordselt panna täiskasvanud hiire rakud taanduma embrüonaalsete tüvirakkude tasemele ja seeläbi saavutasid rakud totipotentsuse. Rakubioloogias tähendab pluripotentsus (ladinakeelsest sõnast plurimus, mis tähendab väga palju, ja potens, mis tähendab võimu, toimimis- või jõudlusvõimet) raku võimet diferentseeruda osaks ühest kolmest lootelehest: entoderm (moodustab mao sisekatte, seedetrakti ja kopsud), mesoderm (moodustab lihased, luud, vere ja urogenitaalsüsteemi) või ektoderm (moodustab epidermaalkoed ja närvisüsteemi). Raku pluripotentsus on pidev olek, mis algab täielikult pluripotentsete rakkudega, mis on võimelised diferentseeruma kõigiks embrüo rakkudeks, nagu näiteks embrüonaalsed tüvirakud ja indutseeritud pluripotentsed rakud, lõppedes mittetäielikult või osaliselt pluripotentsete rakkudega, mis suudavad muutuda küll kõigi kolme lootelehe rakkudeks, kuid millel ei esine kõiki teisi pluripotentsete rakkude tunnuseid. Indutseeritud pluripotentsed tüvirakud (sageli lühendatud iPSC ingliskeelsest induced pluripotent stem cells) on pluripotentsete rakkude tüüp, mis on saadud mitte pluripotentsete rakkude, vaid täiskasvanud somaatiliste rakkude, geenide ja transkriptsioonifaktorite ekspressiooni mõjutades. Mõjutatavad transkriptsioonifaktorid mängivad olulist rolli raku diferentseerituse määramisel. Selline täiskasvanud raku pluripotentsuse taastamine näitab ka, et täiskasvanud somaatilistes rakkudes on olemas sama geneetiline informatsioon, mis on olemas varajastes embrüonaalsetes rakkudes. Rakkude pluripotentsuse indutseerimiseks kasutati 2006. aastal hiire fibroblaste ja nelja transkriptsioonifaktorit, milleks olid: Oct4, Sox2, Klf4 ja c-Myc. Selle tehnoloogia väljatöötamise eest, mida kutsutakse raku reprogrammeerimiseks, said Shinya Yamanaka ja John Gurdon Nobeli auhinna füsioloogias ja arstiteaduses. 2007. aastal suudeti luua inimese indutseeritud pluripotentseid rakke, kasutades inimese naha fibroblaste ja ligikaudu sarnast metoodikat, nagu kasutati aasta varem hiirte rakkude indutseerimisel. Sellised indutseeritud pluripotentsed rakud sarnanevad omadustelt embrüonaalsetele tüvirakkudele, kuid ei vaja embrüote kasutamist. Indutseeritud tüvirakud on embrüonaalsete tüvirakkudega sarnase pluripotentsuse, morfoloogia, eneseuuendus võimega (raku võime jaguneda ja paljuneda lõputult) ja geeni ekspressiooniga. Ka epigeneetilisi faktoreid peetakse oluliseks somaatiliste rakkude reprogrammeerimisel. On välja käidud teooria, et teatud epigeneetilised faktorid võivad eemaldada algsed somaatilised epigeneetilised markerid, et siis luua uued epigeneetilised markerid, mis on oluline pluripotentsuse saavutamisel. Indutseeritud pluripotentsetes tüvirakkudes on ka kromatiin erilise struktuuriga, mis sarnaneb embrüonaalsete tüvirakkude omaga selle poolest, et kromatiin on vähem kokku pakitud ja seega kergemini ligipääsetav. Indutseeritud pluripotentsete tüvirakkude loomisel on muutused ka eukromatiinis tavalised, mis langevad kokku embrüonaalsete tüvirakkude eukromatiini struktuuriga. Tänu indutseeritud pluripotentsete rakkude sarnasusele embrüonaalsete tüvirakkudega on indutseeritud pluripotentsed tüvirakud suureks huvialaks meditsiinilistel uuringutel. Indutseeritud pluripotentsed tüvirakud võiksid olla lahenduseks eetilistele probleemidele, mis kaasnevad embrüonaalsete tüvirakkude kasutamisel. Kahjuks on leitud, et indutseeritud pluripotentsiaalsed rakud võivad osutuda tumorigeenseks ja nendega töötamisel on veel rohkeid probleeme. Multipotentsed rakud on võimelised diferentseeruma erinevateks, kuid kindlalt piiritletud rakutüüpideks. Näiteks vereloome ehk hematopoeetilised rakud on multipotentsed ja võivad areneda erinevateks vererakkudeks, nagu näiteks lümfotsüütideks, monotsüütideks, neutrofiilideks jt, kuid seejuures ei ole võimelised moodustama luu- või närvirakke ega teisi mittevererakke. Uued uuringud multipotentsete rakkudega vihjavad sellele, et multipotentsed rakud võivad siiski olla võimelised muutuma ka teisteks rakutüüpideks. Ühel juhul on suudetud muuta fibroblastid töötavateks neuroniteks. Teisel juhul on õnnestunud muuta inimese nabaväädi rakud inimese närvirakkudeks. Uuringud keskenduvad ka multipotentsete rakkude muutmisele pluripotentseteks rakkudeks. Multipotentseid rakke leidub paljudes, kuid mitte kõigis inimese koe tüüpides. Multipotentseid rakke on leitud rasvkoes, südamelihase rakkude hulgast, luuüdis, mesenhümaalsetes strooma rakkudes (looteline sidekude, mis asub näiteks kolmandas purihambas). Just mesenhümaalsed stroomarakud võivad osutuda heaks ja kindlaks tüvirakkude allikaks, kuna purihammaste kogumine vanuses 8–10, enne jäävhammaste teket, on võrdlemisi lihtne. Mesenhümaalsed stromaalrakud on võimelised diferentseeruma osteoblastideks, kondrotsüütideks ja adipotsüütideks. Oligopotentsus on raku potentsusaste, mille juures on rakk võimeline diferentseeruma paariks erinevaks rakutüübiks. Näiteks oligopotentsetest tüvirakkudest sobivad hästi lümfoidsed ja müeloidsed tüvirakud. Lümfoidsed (immuunsüsteemi) tüvirakud võivad diferentseeruda ja luua erinevaid vererakke, nagu B-lümfotsüüdid ja T-lümfotsüüdid, kuid ei suuda diferentseeruda teisteks vererakkudeks, nagu erütrotsüüdid ehk punalibled. Rakubioloogias mõistetakse unipotentsust kui raku võimet diferentseeruda vaid üheks rakutüübiks. Seni ei ole kindel, kas tõeliselt unipotentseid rakke eksisteerib. Hepatoblastid, mis võivad diferentseeruda hepatotsüüdideks (moodustavad suure osa maksast) või kolangiotsüütideks (sapijuha epiteeli rakud), on bipotentsed. Unipotentse raku lähedane sünonüüm on eellasrakk. Tüvirakud Hans R. Schöler (2007). "The Potential of Stem Cells: An Inventory". Nikolaus Knoepffler, Dagmar Schipanski ja Stefan Lorenz Sorgner (toim). Human biotechnology as Social Challenge. Ashgate Publishing, Ltd. Lk 28. ISBN 978-0-7546-5755-2. "Stem Cell School: Glossary". Originaali arhiivikoopia seisuga 30. oktoober 2014. Mitalipov S, Wolf D; Wolf (2009). "Totipotency, pluripotency and nuclear reprogramming". Advances in Biochemical Engineering & Biotechnology. 114: 185–99. Bibcode:2009esc..book..185M. DOI:10.1007/10_2008_45. ISBN 978-3-540-88805-5. PMC 2752493. PMID 19343304. Western P (2009). "Foetal germ cells: striking the balance between pluripotency and differentiation". Int. J. Dev. Biol. 53 (2–3): 393–409. DOI:10.1387/ijdb.082671pw. PMID 19412894. Sugimoto K, Gordon SP, Meyerowitz EM (aprill 2011). "Regeneration in plants and animals: dedifferentiation, transdifferentiation, or just differentiation?". Trends Cell Biol. 21 (4): 212–8. DOI:10.1016/j.tcb.2010.12.004. PMID 21236679.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Seydoux G, Braun RE (detsember 2006). "Pathway to totipotency: lessons from germ cells". Cell. 127 (5): 891–904. DOI:10.1016/j.cell.2006.11.016. PMID 17129777. Asch R, Simerly C, Ord T, Ord VA, Schatten G (juuli 1995). "The stages at which human fertilization arrests: microtubule and chromosome configurations in inseminated oocytes which failed to complete fertilization and development in humans". Hum. Reprod. 10 (7): 1897–906. PMID 8583008.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Ciosk, R.; Depalma, Michael; Priess, James R. (10. veebruar 2006). "Translational Regulators Maintain Totipotency in the Caenorhabditis elegans Germline". Science. 311 (5762): 851–853. Bibcode:2006Sci...311..851C. DOI:10.1126/science.1122491. PMID 16469927. Kedde M, Agami R (aprill 2008). "Interplay between microRNAs and RNA-binding proteins determines developmental processes". Cell Cycle. 7 (7): 899–903. DOI:10.4161/cc.7.7.5644. PMID 18414021. Serrano, Manuel (11. september 2013). "Study published in Nature is another step towards regenerative medicine" (PDF). cnio.es. Originaali (PDF) arhiivikoopia seisuga 14.12.2013. Vaadatud 11.12.2013. "Biology Online". Biology-Online.org. Vaadatud 25. aprillil 2013. Binder, edited by Marc D.; Hirokawa, Nobutaka; (eds.), Uwe Windhorst (2009). Encyclopedia of neuroscience ([Online-Ausg.] ed.). Berlin: Springer. ISBN 978-3540237358. {{cite book}}: parameetris |first= on üldnimi (juhend) Baker, Monya (6. detsember 2007). "Adult cells reprogrammed to pluripotency, without tumors". Nature Reports Stem Cells. DOI:10.1038/stemcells.2007.124. Stadtfeld, M.; Hochedlinger, K. (15. oktoober 2010). "Induced pluripotency: history, mechanisms, and applications". Genes & Development. 24 (20): 2239–2263. DOI:10.1101/gad.1963910. Takahashi, Kazutoshi; Yamanaka, Shinya (august 2006). "Induction of Pluripotent Stem Cells from Mouse Embryonic and Adult Fibroblast Cultures by Defined Factors". Cell. 126 (4): 663–676. DOI:10.1016/j.cell.2006.07.024. PMID 16904174. "The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2012". Nobelprize.org. Nobel Media AB 2013. Web. 28 Nov 2013. Takahashi, Kazutoshi; Tanabe, Koji; Ohnuki, Mari; Narita, Megumi; Ichisaka, Tomoko; Tomoda, Kiichiro; Yamanaka, Shinya (1. november 2007). "Induction of Pluripotent Stem Cells from Adult Human Fibroblasts by Defined Factors". Cell. 131 (5): 861–872. DOI:10.1016/j.cell.2007.11.019. PMID 18035408. Liang, Gaoyang; Zhang, Yi (18. detsember 2012). "Embryonic stem cell and induced pluripotent stem cell: an epigenetic perspective". Cell Research. 23 (1): 49–69. DOI:10.1038/cr.2012.175. PMC 3541668. PMID 23247625. Choi, Charles. "Cell-Off: Induced Pluripotent Stem Cells Fall Short of Potential Found in Embryonic Version". Scientific American. Vaadatud 25. aprillil 2013. Vierbuchen T; Wernig M; et al. (veebruar 2010). "Direct conversion of fibroblasts to functional neurons by defined factors". Nature. 463 (7284): 1035–41. Bibcode:2010Natur.463.1035V. DOI:10.1038/nature08797. PMC 2829121. PMID 20107439. {{cite journal}}: puudub |author3= (juhend) Giorgetti A; Marchetto MC; Li M; et al. (juuli 2012). "Cord blood-derived neuronal cells by ectopic expression of Sox2 and c-Myc". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109 (31): 12556–61. Bibcode:2012PNAS..10912556G. DOI:10.1073/pnas.1209523109. PMC 3412010. PMID 22814375. {{cite journal}}: puudub |author4= (juhend) Guan K; Nayernia K; Maier LS; et al. (aprill 2006). "Pluripotency of spermatogonial stem cells from adult mouse testis". Nature. 440 (7088): 1199–203. Bibcode:2006Natur.440.1199G. DOI:10.1038/nature04697. PMID 16565704. {{cite journal}}: puudub |author4= (juhend) Tallone T; Realini C; Böhmler A (aprill 2011). "Adult human adipose tissue contains several types of multipotent cells". J Cardiovasc Transl Res. 4 (2): 200–10. DOI:10.1007/s12265-011-9257-3. PMID 21327755. {{cite journal}}: vigane väärtus: |display-authors=3 (juhend) Beltrami AP; Barlucchi L; Torella D (september 2003). "Adult cardiac stem cells are multipotent and support myocardial regeneration". Cell. 114 (6): 763–76. DOI:10.1016/S0092-8674(03)00687-1. PMID 14505575. {{cite journal}}: vigane väärtus: |display-authors=3 (juhend) Ohgushi H, Arima N, Taketani T (detsember 2011). "[Regenerative therapy using allogeneic mesenchymal stem cells]". Nippon Rinsho (Japanese). 69 (12): 2121–7. PMID 22242308.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) CS1 hooldus: tundmatu keel (link) Uccelli, Antonio; Moretta, Pistoia (september 2008). "Mesenchymal stem cells in health and disease". Nature Reviews. 8 (9): 726–36. DOI:10.1038/nri2395. PMID 19172693. Ibelgaufts, Horst. "Cytokines & Cells Online Pathfinder Encyclopedia". Vaadatud 25. aprillil 2013. "hepatoblast differentiation". GONUTS.