Բջջային տարբերակում

Բջջային տարբերակումը այն գործընթացն է, որի ընթացքում բջիջը փոխվում է մեկ բջջային տիպից մյուսը։  Սովորաբար, բջիջը փոխվում է ավելի մասնագիտացված տիպի։ Տարբերակումը  բջջային օրգանիզմի զարգացման ընթացքում բազմաթիվ անգամներ է առաջանում, քանի որ այն փոխվում է պարզ զիգոտից դեպի հյուսվածքների և բջիջների տեսակների բարդ համակարգի։ Չափահասության շրջանում տարբերակումը շարունակվում է, քանի որ մեծահասակների ցողունային բջիջները բաժանվում են և ստեղծում են լիովին տարբերակված դուստր բջիջներ հյուսվածքների նորոգման և նորմալ բջիջների շրջանառության ընթացքում։ Որոշ տարբերակումներ տեղի են ունենում `ի պատասխան անտիգենի ազդեցության։ Տարբերակումը կտրուկ փոխում է բջջի չափը, ձևը, թաղանթային ներուժը, նյութափոխանակության ակտիվությունը և ազդանշանային արձագանքումը։ Այս փոփոխությունները հիմնականում պայմանավորված են գեների արտահայտման խիստ վերահսկվող փոփոխություններով և հանդիսանում են էպիգենետիկայի ուսումնասիրություն։ Մի քանի բացառություններով բջջային տարբերակումը գրեթե երբեք չի ենթադրում ինքնին ԴՆԹ-ի հաջորդականության փոփոխություն։ Այսպիսով, տարբեր բջիջները կարող են ունենալ շատ տարբեր ֆիզիկական բնութագրեր, չնայած նույն գենոմին։

Մասնագիտացված տիպի տարբերակումը, որը հայտնի է որպես «տերմինալային տարբերակում», կարևոր նշանակություն ունի որոշ հյուսվածքներում, օրինակ ՝ ողնաշարավոր նյարդային համակարգը, մկանները, էպիդերմիսը և աղիքները։ Տերմինալային տարբերակման ընթացքում պրեկուրսորային բջիջը, որը նախկինում ուներ բջջային բաժանման ունակություն, մշտապես թողնում է բջջային ցիկլը,քանդում է բջջային ցիկլի մեքենաները և հաճախ արտահայտում է բջջի վերջնական ֆունկցիայի համար բնութագրող գեների մի շարք (օր. ՝ մկաններ և մկաններ բջջի համար `միոզին և ակտին)։ Տարբերակումը կարող է շարունակվել առաջանալ տերմինալի տարբերակումից հետո, եթե բջիջի հզորությունն ու գործառույթները ենթարկվում են հետագա փոփոխությունների։

Բաժանվող բջիջների շարքում կան բջջային հզորության բազմաթիվ մակարդակներ, բջիջների կարողությունը տարբերելու բջջային այլ տեսակներից։ Ավելի մեծ հզորություն ցույց է տալիս ավելի մեծ թվով բջիջների տեսակներ, որոնք կարող են ստացվել։ Մի բջիջ, որը կարող է տարբերվել բոլոր բջջային տիպերից, ներառյալ `պլասենտային հյուսվածքը, հայտնի է որպես տոտիպոտենտ։ Կաթնասունների մեջ միայն զիգոտը և դրան հաջորդող բլաստոմերները տոտիպոտենտ  են, մինչդեռ բույսերում շատ տարբերակված բջիջներ կարող են դառնալ տոտիպոտենտ ՝ պարզ լաբորատոր մեթոդներով։ Մի բջիջ, որը կարող է տարբերվել մեծահասակների օրգանիզմի բոլոր բջջային տեսակների մեջ, հայտնի է որպես պլյուրիպոտենտ բջիջներ։ Նման բջիջները կոչվում են ավելի բարձրակարգ բույսերում գտնվող meristematic բջիջներ և կենդանիների մոտ սաղմնային ցողունային բջիջներ, չնայած որոշ խմբեր հայտնում են մեծահասակների բազմաբջիջ բջիջների առկայության մասին։ Չորս արտագրման չորս գործոններից վիրուսապես ներգործված արտահայտություն `Oct4, Sox2, c-Myc և Klf4 (Yamanaka գործոնները) բավարար է մեծահասակների ֆիբրոբլաստներից բազմաբջիջ (iPS) բջիջներ ստեղծելու համար։ Բազմամակարդակ բջիջն այնպիսին է, որը կարող է տարբերակվել պլյուրիպոտենտից, բայց սերտորեն կապված է բջիջների տեսակների հետ։ Օլիգոպոտենտ բջիջները ավելի սահմանափակ են, քան պլյուրիպոտենտը, բայց դեռ կարող են տարբերակել բջջային կապի մի քանի սերտ տեսակներին։ Վերջապես, միապաղաղ բջիջները կարող են տարբերվել միայն մեկ բջջային տիպի, բայց ունակ են ինքնազարգացման։ Ցիտոպաթոլոգիաում բջջային տարբերակման մակարդակը օգտագործվում է որպես քաղցկեղի առաջընթացի միջոց։ «Դասարան» -ը ցուցիչ է այն բանի, թե ինչպես է տարբերակված բջիջը հանդես գալիս ուռուցքում։

Կաթնասունների բջիջների տեսակները 
Կաթնասունների մարմինը բաղկացած է բջիջների երեք հիմնական տեսակներից ՝ սաղմնային բջիջները, սոմատիկ բջիջները և ցողունային բջիջները։ Մեծահասակ մարդու մոտավորապես 37,2 տրիլիոն (3.72x1013) բջիջներից յուրաքանչյուրն ունի գենոմի իր պատճենը կամ պատճենները, բացառությամբ որոշակի բջջային տեսակների, ինչպիսիք են արյան կարմիր բջիջները, որոնք միջուկներ չունեն իրենց ամբողջովին տարբերակված վիճակում։ Բջիջների մեծ մասը դիպլոիդ է՝ դրանք ունեն յուրաքանչյուր քրոմոսոմի երկու օրինակ։ Նման բջիջները, որոնք կոչվում են սոմատիկ բջիջներ, կազմում են մարդու մարմնի մեծ մասը, ինչպիսիք են մաշկի և մկանների բջիջները։ Բջիջները տարբերվում են `տարբեր գործառույթների մասնագիտացման համար։

Սեռական բջիջների տողը, բջիջների ցանկացած տող են, որոնք առաջացնում են գամետներ՝ ձվաբջիջ և սերմնահեղուկ, և այդպիսով շարունակական են սերունդների ընթացքում։ Մյուս կողմից, ցողունային բջիջները հնարավորություն ունեն բաժանվելու անորոշ ժամանակով և մասնագիտացված բջիջների տեղիք տալու։ Դրանք լավագույնս նկարագրվում են մարդու բնականոն զարգացման համատեքստում։ 
            
Զարգացումը սկսվում է այն ժամանակ, երբ սպերմատոզոիդը բեղմնավորում է ձվաբջիջը և ստեղծում է մի բջիջ, որն ունի ամբողջ օրգանիզմ կազմելու ներուժ։ Բեղմնավորումից հետո առաջին ժամերին այս բջիջը բաժանվում է նույնական բջիջների։ Մարդկանց մոտ ՝ բեղմնավորումից մոտավորապես չորս օր անց և բջջային բաժանման մի քանի փուլերից հետո, այս բջիջները սկսում են մասնագիտանալ ՝ կազմելով բջիջների խոռոչ ոլորտ, որը կոչվում է բլաստոցիստ։ Բլաստոցիստը ունի բջիջների արտաքին շերտ, և այս խոռոչ ոլորտի ներսում կա բջիջների կլաստեր, որը կոչվում է ներքին բջջային զանգված։ Ներքին բջջային զանգվածի բջիջները ձևավորվում են մարդու մարմնի գրեթե բոլոր հյուսվածքները։ Չնայած ներքին բջջային զանգվածի բջիջները կարող են ձևավորել գրեթե ցանկացած տիպի բջիջ, որը գտնվում է մարդու մարմնում, նրանք չեն կարող օրգանիզմ ձևավորել։ Այս բջիջները կոչվում են պլյուրիպոտենտ։

Պլյուրիպոտենտ ցողունային բջիջները հետագա մասնագիտացում են անցնում մուլտիպոտենտ progenitor բջիջների մեջ, որոնք հետո առաջացնում են ֆունկցիոնալ բջիջներ։ Ցողունային և  progenitor բջիջների օրինակներն են. 
Ճառագայթաձև սոսնձված բջիջները (սաղմնային նյարդային ցողունային բջիջները), որոնք պտղի ուղեղում առաջացնում են excitatory նեյրոններ ՝ նեյրոգենեզի պրոցեսի միջոցով։
Ոսկրածուծի արյունաբանական բջիջներ (մեծահասակ ցողունային բջիջներ), որոնք առաջացնում են արյան կարմիր բջիջներ, արյան սպիտակ բջիջներ և թրոմբոցիտներ
Mesenchymal ցողունային բջիջներ (չափահաս ցողունային բջիջներ) ոսկրածուծից, որոնք առաջացնում են stromal բջիջներ, ճարպային բջիջներ և ոսկրային բջիջների տեսակներ
Էպիթելիային ցողունային բջիջներ (պրոգենիտար բջիջներ), որոնք բերում են մաշկի տարբեր տեսակի բջիջների
Մկանային գործակից բջիջներ (նախածննդյան բջիջները), որոնք նպաստում են տարբերակված մկանային հյուսվածքին։
Մի ուղի, որն առաջնորդվում է բջջային ադհեզիայի մոլեկուլներով, որը բաղկացած է չորս ամինաթթուներից ՝ արգինին, գլիցին, ասպարագին և սերինից, ստեղծվում է, քանի որ բջջային բլաստոմերը տարբերակվում է միաշերտ բլաստուլայից մինչև կաթնասունների մեջ գտնվող սաղմնային բջիջների երեք հիմնական մասերը, մասնավորապես էկտոդերմը, մեզոդերմը և էնդոդերմը (թվարկված են առավելագույն հեռավորությունից (արտաքինից) մինչև պրոքսիմալը (ներքին))։ Էկտոդերմը ավարտվում է մաշկի և նյարդային համակարգի ձևավորմամբ, մեզոդերմը ձևավորում է ոսկրերն ու մկանային հյուսվածքը, իսկ էնդոդերմը ձևավորում է ներքին օրգանների հյուսվածքները։

Dedifferentiation

Dedifferentiation- ը կամ ինտեգրումը բջջային գործընթաց է, որը հաճախ դիտվում է ավելի հիմնական կյանքի ձևերում, ինչպիսիք են որդերն ու երկկենցաղները, որոնցում մասնակիորեն կամ տերմինալորեն տարբերակված բջիջը վերածվում է զարգացման ավելի վաղ փուլի, սովորաբար որպես վերականգնողական գործընթացի մաս։ Dedifferentiation տեղի է ունենում նաև բույսերում։ Բջջային մշակույթի բջիջները կարող են կորցնել իրենց սկզբնական հատկությունները, ինչպիսիք են սպիտակուցի արտահայտումը կամ փոխել ձևը։ Այս գործընթացը նույնպես կոչվում է dedifferentiation:

Ոմանք կարծում են, որ dedifferentiation-ը նորմալ զարգացման ցիկլի վերացում է, որը հանգեցնում է քաղցկեղի, մինչդեռ մյուսները կարծում են, որ դա էվոլյուցիայի արդյունքում մարդկանց կողմից ինչ-որ պահի կորցրած իմունային պատասխանի բնական մասն է։

Հայտնաբերվել է մի փոքր մոլեկուլ, որը կոչվում է հակադարձում ՝ պուրինային անալոգ, որը ապացուցել են, որ dedifferentiation է առաջացնում myotubes- ում։ Այս տարբերակված բջիջները այնուհետև կարող էին վերաձևակերպվել օստեոբլաստների և ճարպակալիչների։

Մեխանիզմներ 

Օրգանիզմի յուրաքանչյուր մասնագիտացված բջջային տեսակ արտահայտում է բոլոր գեների ենթաբազմությանը, որոնք կազմում են այդ տեսակների գենոմը։ Յուրաքանչյուր բջջային տեսակը սահմանվում է կարգավորվող գենի արտահայտման իր հատուկ օրինակով։ Բջջային տարբերակումը, այսպիսով, բջիջի մեկ բջջային տիպից մյուսի անցումն է, և այն ներառում է գենի արտահայտման մի օրինաչափությունից մյուսին անցում։ Մշակման ընթացքում բջջային տարբերակումը կարելի է հասկանալ որպես գեների կարգավորող ցանցի արդյունք։ Կարգավորող գենը և դրա cis կարգավորող մոդուլները գեների կարգավորող ցանցի հանգույց են. նրանք ստանում են մուտքագրում և ելք են ստեղծում ցանց։ Զարգացման կենսաբանությանն ուղղված համակարգային կենսաբանության մոտեցումը շեշտում է ուսումնասիրելու կարևորությունը, թե ինչպես են համագործակցում զարգացման մեխանիզմները կանխատեսելի օրինաչափություններ ստեղծելու համար (մորֆոգենեզ)։ Այնուամենայնիվ, վերջերս առաջարկվել է այլընտրանքային տեսակետ։ Հիմք ընդունելով գեների ստոկերային արտահայտվածությունը ՝ բջջային տարբերակումը բջջի մեջ տեղի ունեցող Դարվինյան ընտրողական գործընթացի արդյունքն է։ Այս շրջանակներում սպիտակուցային և գենային ցանցերը բջջային պրոցեսների արդյունք են, այլ ոչ թե դրանց պատճառը։

 
 
Թեև էվոլյուցիայի պահպանված մոլեկուլային գործընթացները ներգրավված են այս անջատիչների հիմքում ընկած բջջային մեխանիզմներում, կենդանիների տեսակներում դրանք շատ տարբեր են բակտերիաների լավ բնութագրվող գենային կարգավորող մեխանիզմներից և նույնիսկ կենդանիների ամենամոտ միակողմանի հարազատներից։ Մասնավորապես, կենդանիների բջիջների տարբերակումը խիստ կախված է կարգավորող սպիտակուցների կենսամոլեկուլային կոնդենսատներից և ուժեղացուցիչ ԴՆԹ-ի հաջորդականություններից։

Բջջային տարբերակումը հաճախ վերահսկվում է բջջային ազդանշանի միջոցով։ Ազդանշանային մոլեկուլներից շատերը, որոնք բջիջը բջջից բջիջ փոխանցում են բջիջների տարբերակման վերահսկման ընթացքում, կոչվում են աճի գործոններ։ Չնայած ազդանշանային տրանսֆորմացիայի հատուկ ուղիների մանրամասները տարբեր են, այդ ուղիները հաճախ կիսում են հետևյալ ընդհանուր քայլերը։ Մեկ բջիջի կողմից արտադրված մի կապանք կապվում է ընկալիչի հետ մեկ այլ բջջի արտաբջջային շրջանում ՝ առաջ բերելով ընկալիչի կոնֆորմատիկական փոփոխություն։ Փոխվում է ընկալիչի ցիտոպլազմիկ տիրույթի ձևը, և ​​ընկալիչը ձեռք է բերում ֆերմենտային ակտիվություն։ Այնուհետև ընկալիչը կատալիզացնում է այն ռեակցիաները, որոնք ֆոսֆորիլացնում են այլ սպիտակուցներ ՝ ակտիվացնելով դրանք։ Ֆոսֆորիլացման ռեակցիաների կասկադը, ի վերջո, ակտիվացնում է dormant տրանսկրիպցիայի գործոնը կամ բջջակմախքային սպիտակուցը ՝ դրանով իսկ նպաստելով թիրախային բջջում տարբերակման գործընթացին։ Բջիջները և հյուսվածքները կարող են տարբեր լինել կարողություններով, արտաքին ազդանշաններին արձագանքելու նրանց ունակությամբ։

Ազդանշանային ինդուկցիան վերաբերում է ազդանշանային իրադարձությունների կասկադներին, որի ընթացքում բջիջը կամ հյուսվածքը ազդանշան են տալիս այլ բջիջ կամ հյուսվածքներ ՝ ազդելու դրա զարգացման վիճակի վրա։ Յամամոտոն և Ջեֆերին ուսումնասիրել են ոսպնյակների դերը քարանձավային և մակերեսային բնակելի ձկների մեջ աչքի ձևավորման մեջ, որը հանդիսանում է ինդուկցիայի վառ օրինակ։ Փոխադարձ փոխպատվաստումների միջոցով Յամամոտոն և Ջեֆերին պարզեցին, որ մակերեսային ձկների ոսպնյակը կարող է առաջացնել աչքի այլ մասեր ՝ քարանձավային և մակերեսային բնակելի ձկների մեջ զարգանալու համար, մինչդեռ քարանձավաբուծական ձկների ոսպնյակների վեզիկուլը չի կարող։

Այլ կարևոր մեխանիզմներ պատկանում են ասիմետրիկ բջջային բաժանմունքների կատեգորիային, բաժանումներ, որոնք առաջ են բերում դուստր բջիջներ ՝ հստակ զարգացման վիճակներով։ Ասիմետրիկ բջիջների բաժանումները կարող են առաջանալ ասիմետրիկորեն արտահայտված մայրական ցիտոպլազմային որոշիչների կամ ազդանշանների պատճառով։ Նախկին մեխանիզմում, ցիտոկինեզի ժամանակ ստեղծվում են հստակ դուստր բջիջներ `մայրական բջջում կարգավորող մոլեկուլների անհավասար բաշխման պատճառով. այն հստակ ցիտոպլազմը, որը յուրաքանչյուր դուստր բջիջը ժառանգում է, հանգեցնում է յուրաքանչյուր դուստր բջիջի տարբերակման հստակ օրինակին։ Ասիմետրիկ բաժանմունքների կողմից օրինակելի ձևավորման լավ ուսումնասիրված օրինակ է Դրոսոֆիլայում մարմնի առանցքի ձևավորումը։ ՌՆԹ մոլեկուլները ներբջջային տարբերակման կառավարման ազդանշանի կարևոր տեսակ են։ Ասիմետրիկ բջջային բաժանմունքների մոլեկուլային և գենետիկ հիմքը ուսումնասիրվել է նաև Volvox սեռի կանաչ ջրիմուռներում, մոդելային համակարգ, որն ուսումնասիրում է, թե ինչպես են միաբջջային օրգանիզմները կարող վերաճել բազմաբջջային օրգանիզմների։ Volvox carteri- ում 32 բջջային սաղմի առաջի կիսագնդի 16 բջիջները բաժանվում են ասիմետրիկորեն, յուրաքանչյուրը արտադրում է մեկ մեծ և մեկ փոքր դուստր բջիջ։ Բոլոր բջջային բաժանմունքների վերջում բջջի չափը որոշում է, թե արդյոք այն դառնում է մասնագիտացված սաղմ կամ սոմատիկ բջիջ։

Էպիգենետիկ հսկողություն 

Քանի որ յուրաքանչյուր բջիջ, անկախ բջջային տեսակից, ունի նույն գենոմը, բջջային տիպի որոշումը պետք է տեղի ունենա գենի արտահայտման մակարդակում։ Թեև գեների արտահայտման կարգաբերումը կարող է առաջանալ ինչպես cis- և տրանս կարգավորող տարրերի միջոցով, ներառյալ գենի առաջադրիչի և ուժեղացուցիչների միջոցով, խնդիր է առաջանում, թե ինչպես է պահպանվում արտահայտման այս ձևը բջիջների բաժանման բազմաթիվ սերունդների ընթացքում։ Ինչպես երևում է, էպիգենետիկ գործընթացները կարևոր դեր են խաղում ցողունային, progenitor կամ հասուն բջիջների ճակատագիր ընդունելու որոշումը կարգավորելու հարցում։ Այս բաժինը կենտրոնանալու է հիմնականում կաթնասուների ցողունային բջիջների վրա։

Համակարգերի կենսաբանության և գեների կարգավորող ցանցերի մաթեմատիկական մոդելավորման մեջ բջջային վիճակի որոշմամբ կանխատեսվում է ցուցադրել որոշակի դինամիկա, ինչպիսիք են գրավիչ-կոնվերգենցիան (ներգրավումը կարող է լինել հավասարակշռության կետ, սահմանային ցիկլ կամ տարօրինակ գրավիչ) կամ օսկիլատոր։

Էպիգենետիկ վերահսկողության կարևորությունը 

Առաջին հարցը, որը կարող է տրվել, բջիջների ճակատագրի որոշման գործում էպիգենետիկ գործընթացների դերի չափն ու բարդությունն է։ Այս հարցի հստակ պատասխանը կարելի է տեսնել 2011 թ. Թերթում ՝ Lister R, et al. մարդու վարակված pluripotent  ցողունային բջիջներում անպաշտպան էպիգենոմիական ծրագրավորման վերաբերյալ։ Քանի որ առաջացած  pluripoten ցողունային բջիջները (iPSCs) նմանակում են սաղմնային ցողունային բջիջները իրենց բազմազան հատկություններով, նրանց միջև պետք է լինեն էպիգենետիկ մի քանի տարբերություններ։ Այս կանխատեսումը ստուգելու համար հեղինակները իրականացրել են ԴՆԹ մեթիլացման օրինաչափությունների ամբողջ գենոմի պրոֆիլավորումը մարդու մի քանի սաղմնային ցողունային բջիջում (ESC), iPSC և pluripotent  բջջային գծերում։

Իգական ճարպային բջիջները, թոքերի ֆիբրոբլաստները և եղջերվաբուծության ֆիբրոբլաստները վերարտադրվել են OCT4, SOX2, KLF4 և MYC գեների միջոցով առաջացած pluripotent վիճակի մեջ։ ԴՆԹ-ի մեթիլացման օրինաչափությունները համեմատվել են ESC- ներում, iPSC- ներում, սոմատիկ բջիջներում ։ Lister R, et al. նկատվել է էական նմանություն մեթիլացման մակարդակների միջև սաղմնային և ներածված բազմաբջիջ բջիջների միջև։ ESC- ներում և iPSC- ներում CG dinucleotides- ի շուրջ 80% -ը մեթիլացվել է, նույնը վերաբերում էր սոմատիկ բջիջներում CG dinucleotides- ի միայն 60% -ին։ Բացի այդ, սոմատիկ բջիջները ունեն նվազագույն մակարդակ ունեցող ցիտոզինի մեթիլացում ոչ CG dinucleotides- ներում, մինչդեռ ինդուկտիվային բազմաբջիջ բջիջները ունեն մեթիլյացիայի նման մակարդակի մակարդակներ, ինչպես սաղմնային ցողունային բջիջները ՝ 0,5-ից 1,5% -ի սահմաններում։ Այսպիսով, համապատասխան իրենց արտագրման գործողություններին, ԴՆԹ-ի մեթիլացման օրինաչափությունները, գոնե գենոմի մակարդակով, նման են ESC- ների և iPSC- ների։

Այնուամենայնիվ, հեղինակները ավելի սերտորեն ուսումնասիրել են մեթիլացման օրինաչափությունները, նրանք հայտնաբերել են 1175 շրջանի դիֆերենցիալ CG դինոկլեոտիդ մեթիլացիա առնվազն մեկ ES կամ iPS բջջային գծի միջև։ Համեմատելով այս դիֆերենցիալ մեթիլացման  շրջանները բուն սոմատիկ բջիջներում ցիտոզինի մեթիլացման շրջանների հետ, տարբեր կերպ մեթիլացված շրջանների 44-49% -ը արտացոլում է համապատասխան progenitor սոմատիկ բջիջների մեթիլացման օրինաչափությունները, մինչդեռ այդ շրջանների 51-56% -ը տարբերվում էին ինչպես progenitor-ով և սաղմնային բջջային գծերով։ IPSC տողերի in vitro-induced- ի տարբերակման արդյունքում, համապատասխանաբար, հիպերհիփիլիմիլացված և տարբերվող մեթիլացված շրջանների 88% և 46% փոխանցումներ են եղել։

Այս ուսումնասիրությունից  ակնհայտ է երկու եզրակացություն։ Նախ, էպիգենետիկ գործընթացները մեծապես ներգրավված են բջջային վիճակի որոշման մեջ, ինչպես երևում է, որ նմանատիպ մակարդակներով ցիտոզինի մեթիլացիա առաջացված pluripotent և սաղմնային ցողունային բջիջների միջև՝ համահունչ  իրենց տրանսկրիպցիայի հետ։ Երկրորդ, տարբերակման մեխանիզմները (և ըստ երկարացման, տարբերակման) շատ բարդ են և չեն կարող հեշտությամբ կրկնօրինակվել, ինչպես երևում է ES և iPS բջջային գծերի միջև տարբերակված մեթիլացված շրջանների զգալի թվով։ Այժմ, երբ այս երկու կետերը հաստատվել են, մենք կարող ենք ուսումնասիրել էպիգենետիկ մեխանիզմներից մի քանիսը, որոնք, կարծում են, որ կարգավորում են բջջային տարբերակումը։

Էպիգենետիկ կարգավորման մեխանիզմները

Pioneer գործոն|Pioneering գործոններ(Oct4, Sox2, Nanog)
Արձանագրման երեք գործոն ՝ OCT4, SOX2 և NANOG, որոնցից առաջին երկուսը օգտագործվում են induced pluripotent ցողունային բջջի (iPSC) վերամշակման մեջ, Klf4- ի և c-Myc- ի հետ միասին, բարձր արտահայտված են չտարբերակված սաղմնային ցողունային բջիջներում  և անհրաժեշտ են դրանց pluripotency պահպանման համար։ Մտածվում է, որ նրանք դրան հասնում են քրոմատինի կառուցվածքում փոփոխություններ կատարելու միջոցով, ինչպիսիք են հիստոնի փոփոխումը և ԴՆԹ-ի մեթիլացումը, սահմանափակելու կամ թույլատրելու թիրախային գեների արտագրումը։ Չնայած բարձր արտահայտվածության, նրանց մակարդակները պահանջում են ճշգրիտ հավասարակշռություն ՝ բազմազանությունը պահպանելու համար, որի խանգարումը կնպաստի տարբերակման տարբեր գծերի ՝ հիմնված այն բանի վրա, թե ինչպես են փոխվում գեների արտահայտման մակարդակները։ Oct-4  և SOX2 մակարդակների դիֆերենցիալ կարգավորումը ցույց է տրվել, որ նախորդում է սաղմի շերտի վիճակի ընտրությանը։ Oct4- ի մակարդակի բարձրացումը և Sox2- ի մակարդակի իջեցումը նպաստում են մեզենդոդերմալ վիճակին, իսկ Oct4- ը ակտիվորեն ճնշում է գեներին, որոնք կապված են նյարդային էկտոդերմալ վիճակի հետ։ Նմանապես, Sox2- ի մակարդակի բարձրացումը և Oct4- ի մակարդակի իջեցումը նպաստում են նյարդային էկտոդերմալ վիճակի տարբերակմանը, Sox2- ը խանգարում է տարբերակումը դեպի մեդենդոդերմային վիճակին։ Անկախ այն բանից, որ տոհմային բջիջները տարբերվում են ներքևից, NANOG- ի ճնշումը հայտնաբերվել է որպես տարբերակման անհրաժեշտ նախադրյալ։

Polycomb ռեպրեսիվ համալիր (PRC2) 
Գեների լռության ֆոնի վրա, Polycomb ռեպրեսիվ համալիր 2-ը ՝ սպիտակուցների Polycomb խմբի (PcG) ընտանիքի երկու դասերից մեկը, կատալիզում է հիստոնի H3 լիզինի 27 (H3K27me2 / me3) di- և tri-methylation- ը։ Կապվելով H3K27me2 / 3-պիտակավորված նուկլեոսոմի հետ, PRC1- ը (նաև PcG ընտանիքի սպիտակուցների մի համալիր) կատալիզում է հիստոն H2A- ի մոնո-ubiquitinylation- ը լիզին 119-ում (H2AK119Ub1) ՝ խոչընդոտելով ՌՆԹ պոլիմերազ II- ի գործունեությունը և հանգեցնելով տրանսկրիպցիայի ճնշմանը։ PcG նոկաուտով ES բջիջները արդյունավետորեն չեն տարբերվում երեք սաղմնային շերտերից, և PRC1 և PRC2 գեների ջնջումը հանգեցնում է  lineage-affiliated գեների արտահայտվածության մեծացման և չպլանավորված տարբերակման։ Ենթադրաբար, PcG- ի բարդույթները պատասխանատու են տրանսգրացիոնորեն ճնշող տարբերակման և զարգացմանը նպաստող գեների համար։

Trithorax խմբի սպիտակուցներ (TrxG) 
Այլապես, տարբերակման ազդանշաններ ստանալուց հետո, PcG սպիտակուցները հավաքագրում են pluripotency փոխպատվաստման գործոնների խթանիչներին։ PcG- անբավարար ES բջիջները կարող են սկսել տարբերակվել, բայց չեն կարող պահպանել տարբերակված ֆենոտիպը։ Զուգահեռաբար, տարբերակման և զարգացմանը նպաստող գեները ակտիվացնում են Trithorax խմբի (TrxG) քրոմատինի կարգավորիչները և կորցնում են իրենց ճնշումները։ TrxG սպիտակուցները հավաքագրվում են բարձր տրանսկրիպցիոն գործունեության շրջաններում, որտեղ նրանք կատալիզում են հիստոն H3 lysine 4 (H3K4me3) trimethylation- ը և խթանում են գենի ակտիվացումը հիստոն acetylation- ի միջոցով։ PcG և TrxG բարդույթները ներգրավվում են անմիջական մրցակցության մեջ և կարծում են, որ ֆունկցիոնալորեն անտագոնիստ են ՝ ստեղծելով տարբերակման և զարգացման խթանման տեղանքներ այն, ինչը կոչվում է «երկկողմանի տիրույթ» և այդ գեները զգայուն են դարձնում արագ ինդուկցիայի կամ ճնշումների նկատմամբ։

ԴՆԹ-ի մեթիլացիա 
Գենի արտահայտման կարգավորումը հետագայում ձեռք է բերվում ԴՆԹ-ի մեթիլացման միջոցով, որի արդյունքում CpG dinucleotides- ում ցիտոզինի մնացորդների միջնորդավորված ԴՆԹ-մեթիլտրրանսֆերազային մեթիլացումը պահպանում է ժառանգական ռեպրեսիան `վերահսկելով ԴՆԹ հասանելիությունը։ Սաղմնային ցողունային բջիջներում CpG կայքերի մեծ մասը unhylated է և, կարծես, կապված է H3K4me3 կրող նուկլեոսոմների հետ։ Դիֆերենցիայից հետո մի փոքր թվով գեներ, ներառյալ OCT4- ը և NANOG- ը, մեթիլացվում են, և դրանց խթանման միջոցները ճնշվում են ՝ հետագա արտահայտումը կանխելու համար։ Հետևաբար, ԴՆԹ-ի մեթիլացման անբավարար սաղմնային ցողունային բջիջները արագորեն մտնում են ապոպտոզ ՝ in vitro տարբերակման միջոցով։

Նուկլեոսոմի դիրքավորում 
Թեև օրգանիզմի մեծ մասի բջիջների ԴՆԹ հաջորդականությունը նույնն է, փոխպատվաստման գործոնների պարտադիր օրինաչափությունները և գեների արտահայտման համապատասխան օրինաչափությունները տարբեր են։ Մեծապես, տրանսկրիպցիայի գործոնի պարտադիր կապի տարբերությունները որոշվում են դրանց կապակցման վայրերի քրոմատին հասանելիությամբ `հիստոնի ձևափոխման կամ pioneer գործոնների միջոցով։ Մասնավորապես, կարևոր է իմանալ, արդյոք նուկլեոսոմը ծածկում է տվյալ գենոմի միացման վայրը, թե ոչ։ Դա կարող է որոշվել քրոմատինի  immunoprecipitation (ChIP) փորձարկման միջոցով։

Հիստոնի ացետիլացում և մեթիլացիա 
ԴՆԹ-նուկլեոսոմային փոխազդեցությունները բնութագրվում են երկու վիճակներով։ Դրանք կամ սերտորեն կապված են նուկլեոսոմներով և տրանսկրիպցիորեն ոչ ակտիվ են, որը կոչվում է հետերրոկոմատին, կամ ազատորեն կապված է և սովորաբար, բայց ոչ միշտ, տրանսկրիպցիորեն ակտիվ, կոչվում է էխրոմատին։ Հիստոնի մեթիլացման և ացետիլացման էպիգենետիկ գործընթացները, և դրանց հակադարձումները `demethylation- ը և deacetylation- ը, առաջին հերթին հաշվի են առնում այս փոփոխությունները։ Ացետիլացման և deacetylation- ի հետևանքներն առավել կանխատեսելի են։ Acetyl խումբը կամ ավելացվում է կամ հանվում է դրական լիցքավորված Lysine մնացորդներից հիստոնում `համապատասխանաբար հիստոն acetyltransferases կամ հիստոն deacteylases կոչվող ֆերմենտներով։ Ացետիլային խումբը կանխում է  Lysine  ասոցիացիան բացասական լիցքավորված ԴՆԹ-ի ողնաշարի հետ։ Մեթիլացումը այնքան էլ պարզ չէ, քանի որ ոչ մեթիլացումը և ոչ էլ  demethylation-ը հետևողականորեն կապված չեն գեների ակտիվացման կամ ճնշումների հետ։ Այնուամենայնիվ, որոշակի մեթիլացիաներ բազմիցս ցույց են տրել, որ դրանք կամ ակտիվացնում կամ ճնշում են գեները։ Հիստոն 3-ի վրա լիզին 4-ի տրիմետիլացումը (H3K4Me3) կապված է գեների ակտիվացման հետ, մինչդեռ հիստոն 3-ում ճնշող լիզինի 27-ի տրիմետիլացումը ճնշվում է գեների վրա։

Ցողունային բջիջներում 
Դիֆերենցիայի ընթացքում ցողունային բջիջները փոխում են իրենց գենի արտահայտման պրոֆիլները։ Վերջին ուսումնասիրությունները իրենց դերն են խաղացել այս գործընթացում նուկլեոսոմների դիրքավորման և հիստոնի փոփոխությունների համար։ Այս գործընթացի երկու բաղադրիչ կա ՝ սաղմնային ցողունային բջիջների (ESC) գեների արտահայտումը անջատելը և բջջային վիճակի գեների ակտիվացումը։ Կարծում են, որ Lysine- ի հատուկ demethylase 1-ը (KDM1A) կանխում է pluripotency  գեների ուժեղացման շրջանների օգտագործումը ՝ դրանով իսկ խոչընդոտելով դրանց տրանսկրիպցիան։ Այն համագործակցում է Mi-2 / NuRD համալիրի հետ (նուկլեոսոմների վերափոխում և հիստոն deacetylase) համալիրի հետ, օրինակ բերելով, երբ մեթիլացումը և ացետիլացումը ոչ թե դիսկրետ և փոխադարձ բացառիկ, այլ միահյուսված գործընթացներ են։

Ազդանշանի դերը էպիգենետիկ հսկողության մեջ 

Վերջին հարցը վերաբերում է բջջային ազդանշանային դերի տարբերակումը կառավարող էպիգենետիկ գործընթացների վրա ազդելու գործում։ Նման դերը պետք է որ գոյություն ունենա, քանի որ ողջամիտ կլինի մտածել, որ արտամարմնային ազդանշանը կարող է հանգեցնել էպիգենետիկ վերափոխմանը, ճիշտ այնպես, ինչպես դա կարող է հանգեցնել գեների արտահայտման փոփոխությունների ՝ տարբեր փոխպատվաստման գործոնների ակտիվացման կամ ճնշման միջոցով։ Քիչ տվյալներ մատչելի են էպիգենոմի վրա ազդող հատուկ ազդանշանների վերաբերյալ, և առարկայի վերաբերյալ ներկայիս գիտելիքների մեծ մասը բաղկացած է էպիգենետիկ վերափոխման հավանական թեկնածուն կարգավորող շահարկումներից։ Մենք նախ կքննարկենք մի քանի հիմնական թեկնածուներ, որոնք կարծում են, որ ներգրավված են ինչպես սաղմնային ցողունային բջիջների ներածման և պահպանման, այնպես էլ դրանց տարբերակված սերունդների վրա, այնուհետև կանդրադառնանք հատուկ ազդանշանային ուղիների մեկ օրինակին, որոնցում ավելի անմիջական ապացույցներ կան ՝ էպիգենետիկ փոփոխության մեջ իր դերի համար։

Առաջին խոշոր թեկնածուն Wnt ազդանշանային ուղին է։ Wnt- ի ուղին ներգրավված է տարբերակման բոլոր փուլերում, և կապուղին Wnt3a- ն կարող է փոխարինել c-Myc- ի  overexpression-ին`առաջացած pluripotent ցողունային բջիջների սերնդում։ Մյուս կողմից,  ß-catenin-ի ՝ Wnt ազդանշանային ուղու բաղադրիչի խաթարումը խանգարում է նյարդային պրոգենատորների բազմացմանը։

Աճի գործոնները ներառում են բջջային տարբերակման էպիգենետիկ կարգավորիչների թեկնածուների երկրորդ հիմնական շարքը։ Այս մորֆոգենները կարևոր նշանակություն ունեն զարգացման համար և ներառում են ոսկրերի մորֆոգենետիկ սպիտակուցներ, փոխակերպման աճի գործոններ (TGFs) և ֆիբրոբլաստների աճի գործոններ (FGF): TGF- ները և FGF- ները ցույց են տվել, որ պահպանել են OCT4, SOX2 և NANOG արտահայտությունը `Smad- ի սպիտակուցների ներքևով ազդանշանային հոսքով։ Աճման գործոնների սպառումը նպաստում է ESC-ների տարբերակմանը, մինչդեռ երկբևեռ քրոմատինով գեները կարող են դառնալ ավելի սահմանափակող կամ թույլատրելի իրենց տրանսկրիպցիաներում։

Մի քանի այլ ազդանշանային ուղիներ նույնպես համարվում են առաջնային թեկնածուներ։ Cytokine leukemia- ի խանգարող գործոնները կապված են մկների ESC- ների անխտիր վիճակում պահպանման հետ։ Դա ձեռք է բերվում Jak-STAT3 ուղու ակտիվացման միջոցով, որը ցույց է տրվել անհրաժեշտ և բավարար մկան ESC pluripotency պահպանման համար։ Ռետինոաթթուն կարող է առաջացնել տարբերակվածություն մարդու և մկան ESC- ների, իսկ Notch ազդանշանը ներգրավված է ցողունային բջիջների տարածման և ինքնազարգացման մեջ։ Վերջապես, Sonic ոզնին, բացի իր դերից որպես մորֆոգեն, նպաստում է սաղմնային ցողունային բջիջների տարբերակմանը և սոմատիկ ցողունային բջիջների ինքնազարգացմանը։

Խնդիրն, իհարկե, այն է, որ այս ազդանշանային ուղիների թեկնածությունը որոշվել է հիմնականում դրանց զարգացման և բջջային տարբերակման դերի հիման վրա։ Թեև էպիգենետիկ կարգավորումը անհրաժեշտ է  բջիջների տարբերակման համար, դրանք, իհարկե, բավարար չեն այս գործընթացի համար։ Գենի արտահայտման ուղղակի մոդուլյացիան փոխպատվաստման գործոնների փոփոխման միջոցով կարևոր դեր է խաղում, որը պետք է առանձնացվի ժառանգական էպիգենետիկ փոփոխություններից, որոնք կարող են պահպանվել նույնիսկ բնօրինակ բնապահպանական ազդանշանների բացակայության դեպքում։ Միայն ազդանշանային ուղիների մի քանի օրինակ է, որոնք հանգեցնում են էպիգենետիկ փոփոխությունների, որոնք ներկայումս առկա են բջջային վիճակում, և մենք կկենտրոնանանք դրանցից մեկի վրա։

Shh- ի (Sonic ոզնի) արտահայտությունը վերահաստատում է BMI1- ի ՝ PcG համալիրի բաղկացուցիչ մասը, որը ճանաչում է H3K27me3: Դա տեղի է ունենում Gli կախված ձևով, քանի որ Gli1- ը և Gli2- ը Ոզնիների ազդանշանային ուղու ներքևի ազդեցությունն են։ Մշակույթի մեջ Bmi1- ն միջնորդում է Ոզնի ուղին մարդու կաթնասունի ցողունային բջիջների ինքնազարգացման խթանման կարողությանը։ Մարդկանց և մկների մոտ հետազոտողները ցույց են տվել, որ Bmi1- ը բարձր արտահայտված է հասուն ուղեղային հատիկավոր բջիջների պրեկուրսորների բազմացման մեջ։ Երբ Bmi1- ը նոկաուտի ենթարկվեց մկների մեջ, ուղեղի զարգացման խանգարումը հանգեցրեց հետծննդյան ուղեղի զանգվածի զգալի կրճատումների, ինչպես նաև շարժիչային հսկողության և վարքի աննորմալությունների։ Առանձնացված ուսումնասիրությունը ցույց է տվել նյարդային ցողունային բջիջների տարածման զգալի նվազում, ինչպես նաև Bmi զրոյի մկների մոտ աստղոցիտների տարածման մեծացում։

Էմբրիոգենեզի ընթացքում բջջային տարբերակման այլընտրանքային մոդելն այն է, որ դիրքային տեղեկատվությունը հիմնված է մեխանիկական ազդանշանի վրա բջջակմախքի կողմից `օգտագործելով Էմբրիոնիկ տարբերակման ալիքները։ Այնուհետև մեխանիկական ազդանշանը էպիգենետիկորեն փոխակերպվում է ազդանշանային փոխակերպման համակարգերի միջոցով (որոնցից հատուկ մոլեկուլները, ինչպիսին է Wnt- ը, մաս են կազմում) `հանգեցնելով դիֆերենցիալ գենի արտահայտության։

Ամփոփելով՝ ազդանշանների դերը կաթնասուների բջիջների ճակատագրի էպիգենետիկ վերահսկողության մեջ հիմնականում անհայտ է, բայց կան հստակ օրինակներ, որոնք ցույց են տալիս հետագա նման մեխանիզմների հավանականությունը։

Մատրիցների առաձգականության ազդեցություն 
Տարբեր հյուսվածքների վերածննդի նպատակը ավարտելու համար, մեծահասակների ցողունները հայտնի են, որ գաղթում են իրենց հանգույցներից, հավատարմագրվում են նոր արտաբջջային մատրիցներին (ECM) և տարբերակում։ Այս միկրո միջավայրերի ճկունությունը եզակի է հյուսվածքների տարբեր տեսակների համար։ ECM շրջապատող ուղեղի, մկանների և ոսկրային հյուսվածքները տատանվում են փափուկից մինչև թունդ։ Ցողունային բջիջների փոխանցումն այս բջիջների տեսակների չի ուղղվում միայն քիմոկինի ցուցանակներով և բջիջներից դեպի բջջային ազդանշանային համակարգ։ Միկրո միջավայրի էլաստիկությունը կարող է նաև ազդել մեսենխիմալ ցողունային բջիջների տարբերակման վրա (MSC- ներ, որոնք ծագում են ոսկրածուծի մեջ) ։ Երբ MSC- ները տեղադրվում են նույն խստության ենթաշերտերի վրա, ինչպիսիք են ուղեղի, մկանների և ոսկորների ECM- ն,  MSC-ները ստանձնում են բջիջների այդ համապատասխան տեսակների հատկությունները։ Մատրիցի զգայունացումը պահանջում է, որ բջիջը դուրս գա մատրիցից `կիզակետային ադհեզիայի միջոցով, ինչը բջջային մեխանո-տրանսֆորմատոր է առաջացնում` ազդանշան առաջացնելու համար, որպեսզի տեղեկացվի, թե ինչ ուժ է անհրաժեշտ մատրիցը դեֆորմացնելու համար։ MSC- ներում մատրիցային առաձգականության վրա հիմնված գծի բնութագրման հիմնական դերակատարներին որոշելու համար, տարբեր մատրիցային միկրոհամակարգերը ընդօրինակվել են։ Այս փորձարկումներից եզրակացվեց, որ MSC- ների կիզակետային ադհեզիան բջջային մեխանո-տրանսֆորմատորն է, որը զգում է մատրիցների առաձգականության տարբերությունները։ Ոչ մկանային միոզին IIa-c իզոֆորմները առաջացնում են բջջում գտնվող ուժեր, որոնք հանգեցնում են վաղ commitment markers-ի ազդանշանին։ Ոչ մկանային միոզին IIa- ն առաջացնում է նվազագույն ուժ `աճելով ոչ մկանային միոզին IIc: Բջջում կան նաև այնպիսի գործոններ, որոնք խանգարում են ոչ մկանային միոզին II- ին, ինչպիսիք են  blebbistatin: Սա բջիջը արդյունավետորեն կույր է դարձնում շրջակա մատրիցի համար։ Հետազոտողները որոշակի հաջողություն են ունեցել HEK 239 բջիջներում ցողունային բջիջների նման հատկությունների դրդման միջոցով `ապահովելով փափուկ մատրիցա ՝ առանց դիֆուզիոն գործոնների օգտագործման։ Ցողունային բջիջների հատկությունները, կարծես, կապված են բջիջների ակտինի ցանցի լարվածության հետ։ Մատրիցով պայմանավորված տարբերակման մեխանիզմներից մեկը լարվածության հետևանքով առաջացած սպիտակուցներն են, որոնք վերափոխում են քրոմատինը ՝ ի պատասխան մեխանիկական ձգման։ RhoA- ի ուղին նույնպես ներառված է այս գործընթացում։

Տես նաև 

Միջբևեռային ուժերը մեմբրանի համաձուլման մեջ
Ձուլման մեխանիզմ
Cell-cell fusogens
CAF-1

Ծանոթագրություններ 

Կենսաբանություն