Regionalna diferencijacija embriona

**Regionalna diferencijacija** ili **regionalizacija** – u biologiji razvića – je  proces koji vodi ka uspostavljanju  kumulirajućih razlika između početnih ćelija i tkiva tokom rane embriogeneze. Iako se ovaj pojam se podjednako  odnosi na sve višećelijske organizme, uključujući i biljke, obično se podrazumijeva da je riječ o regionalizaciji embriona životinja, uključujući i čovjeka.

## Definicija
Pod diferencijacijom se u citologiji i histologiji podrazumijeva procea stvaranja strukturnih morfoloških i funkcijskih razlika u procesu embrionalnog razvića  Prvonastale ćelije su istovrsne, dobijene  diobom oplođene jajne ćelije, tokom razvoja postaju sve raznolikije, dok ne poprime konačan oblik. Diferencijacija živih sistema, dakle je proces postajanja sve različitijim dao dostizanja konačnog stanja.

Diferencijacija se ne odvija sinhronizirano  u  svim dijelovima neke strukture ili tijela . Ona započinje i širi se  iz određenih centara, koji je ponekad uzročno uvjetuju, kao npr. u klicinoj ćeliji. Pritom se razne formr ćelija  diferenciraju se različitom brzinom. Diferencijacija je nerazdvojno je povezana sa samim ćelijama  i više ili manje je nezavisna o uvjetima vanjske sredine.  Tako je nakon transplantacije utvrđeno je da presađeni dio zametka u novoj sredini  ima  diferencijaciju primjerenu novom mjestu ili svom porijeklu.

Ovo je pojava ustaljivanja sposobnosti određenog  dijela zametka da izgradi uvijek  određeno tkivo ili organ. Ćelije bivaju determinirane potkraj  gastrulacije. Ako se na zametnon stadiju ćelije  presade u neodgovarajuće tkivo domaćina,  tada se npr. na trbuhu pokusnog  žabljeg zametka razvije izvorno tkivo ili organ koji je trebao nastati u matičnom okruženju. Razvija se očni mjehurić ako je transplantat  bio iz  regije iz koje se trebalo razviti oko. Prije determinacije transplantat  se razvija primjereno mjestu na koje je presađen, a nakon determinacije primjereno području svog podrijetla.

## Pregled
Odrasli  organizmi se sastoje od niza različitih tipova ćelija. Ćelije su organizovane u tkiva, od kojih svako obično sadrži mali broj vrsta ćelija sa i  određenom fiziološkom funkcijom. Naprimjer, epitelno  tkivo koje oblaže tanko crijevo sadrži kolumnarne apsorpcijske ćelije, sluzne peharaste ćelije, endokrine ćelije (koje luče hormone) i one koje luče enzime (tzv. Panethove ćelije). Osim toga, postoje dijeljenjem nediferencirane ćelije koje leže u prostorima  između crijevnih resica i služe za zamijenu drugih tipova ćelija kada postanu oštećene ili istrošene. Još jedan primjer diferenciranosti su skeletno tkivo dugih kostiju, koje sadrži osteoblaste (velike ćelije koje sintetiziraju kost) u vanjske ovojnice i osteocite (zrele koštane ćelije) i osteoklaste (multijedarne ćelije uključene u remodeliranje kosti) unutar osnovne matrice. 
U principu, jednostavnija  ukupna organizacija životinja ima manji broj različitih tipova ćelija. Sisari sadrže više od 200 različitih vrsta ćelija, dok jednostavni beskičmenjaci mogu  imati samo nekoliko različitih vrsta ovih osnovnoh organizacijskofuncijskih jedinica živih bićs.

Višećelijskebiljke  također odlikuje  diferencijacija ćelija, ali su sasvim drugačije od  životinjskih. Na primjer, list u viših  biljaka je prekrivena slojem epidermalnih ćelija. Među njima su pore koje se sastoje od dvije specijalizirane ćelije, kojima se uređuju razmjena  plinova preko epiderme. U okviru list je mezofil, a sunđerasto tkivo je odgovorno  za fotosintetske aktivnosti. Tu su i provodni sudovi koji se  sastoje od ksilemskih  elemenata, koji transportira vodu se iz zemlje, i floemskih elemenata, koji transportiraju proizvode fotosinteze u  organe za skladištenje.

Različite vrste ćelija su tradicijski prepoznate i klasificirane prema njihovom izgledu pod svjetlosnim mikroskopom nakon procesa fiksiranje, obrade, seciranja i bojenja tkiva,  koja je poznata kao histološka analiza. Mogućnosti klasične histologije su uvećane različitim tehnikama sa više diskriminacijskih  potencijala. Elektronska mikroskopija omogućava veća uvećanja. Histohemiji uključuje upotrebu boja koje  precipitirajući podloga za bojenje prikazuju prisustvo određenih  enzima *in situ*. Imunohistohemija koristi specifična antitijela za identifikaciju određene supstance, obično proteina ili ugljikohidrata u ćelijama. *In situ*  hibridizacija uključuje korištenje sonde nukleinskih kiselina za vizualizaciju lokaciju specifičnih informacijskih  RNK (iRNK). Ove moderne metode su omogućile identifikaciju više tipova ćelija nego što se moglo vizualizirati klasičnim histološkim, posebno u mozgu i  imunom sistemu i  među ćelijama koje luče hormone endokrinog sistema. 
 
Biohemijski osnovi ćelijske diferencijacije je sinteza ćelijski određenog skupa proteina, ugljikohidrata i masti. Ovu sintezu kataliziraju proteini zvani  enzimi . Svaki enzim zauzvrat je sintetiziran u skladu sa  posebnog  gena  ili sekvence nukleotida u DNK u ćelijskom jwedru. Posebno stanje diferencijacije, prema tome, odgovara aktivnosti skupa gena koji se ispoljavaju i razini na kojoj se izražavaju.
 
Smatra se da su svi gena jednog organizma su prisutni u svakm ćelijskom jedru, bez obzira na vrstu ćelija, a da razlike između tkiva nisu zbog prisustva ili odsustva određenih gena, ali su zbog izraz i represije nekih drugih. U životinja i biljaka,  najbolji dokaz da jedro sadržava čitav genom  je razvoj cijelog životinjskog organizma putem kloniranja u eksperimenatima u kojima je jedro  diferencirane ćelije zamijenilo  jedro oplođene jajne ćelije. U mnogih vrsta to može rezultirati u razvoju normalnog embriona koji sadrži komplet dijelova tijela i tipova ćelija. Isto tako, u biljkama često je moguće da raste kompletan embrija iz pojedinih ćelija u kulturi tkiva 
 
Takvi eksperimenti pokazuju da svako jedro ima genetičke informacije koje su potrebne za rast  organizma u razvoju, što snažno ukazuje na to da, za većinu tkiva, ćelijska diferencijacija proizlazi iz regulaciju genetičke aktivnosti, prije  nego iz  uklanjanja ili uništavanja neželjenih gena. Jedini poznati izuzetak od ovog pravila dolazi od imunog sistema, gdje se segmenti DNK u razvoju bijelih krvnih zrnaca malo preuređuju, proizvodeći širok spektar molekula antitijela i receptora molekule. 
Na molekulskoj razini postoje mnogi načini na koje se ispoljavanje  gena može  diferencijalno regulirati u različitim tipovima ćelija. Mogu postojati razlike u kopiranju ili transkripciji gena u RNK, kao što su:
*obradi transkripta početne RNK,
*iRNK, 
*kontrola kretanje  iRNK u citoplazmu; 
*translacija iRNK u  proteine, ili
*stabilnost iRNK.

Međutim, na toj razini najviše uticaja ima ekspresija gena i  kontrola transkripcije.
DNK  u ćelijskom  jedru  postoji u formi hromatina, koji se sastoji od DNK vezane za histone (jednostavnih alkalnih proteina) i drugih nehistonskih proteina. Većina  lanaca DNK su kompleksni, sa ponavljajućim  strukturama zvanim nukleosomi, od kojih svaki sadrži osam molekula histona. Aktivni geni se nalaze u dijelovima DNK gdje hromatin ima "otvorenu" konfiguraciju, u kojima su regulatorni proteini u mogućnosti da dobiju pristup DNK. Stepen do kojeg otvareni  hromatin zavisi od hemijskih modifikacija vanjskih dijelova molekula histona i na prisutnosti ili odsutnosti određenih nenhistonskih proteina. Kontrola rranskripcij se odvija uz pomoć regulatornih sekvenci  koje se nalaze u vezi sa genima, kao što je sekvenca promotora, regije u blizini početka gena i sekvence stimulacije, regija koje leže drugdje u DNK koje pojačavaju aktivnost enzima koji su uključeni u proces transkripcije. Bez obzira da li se ili ne transkripcija javlja  u zavisnosti od  vezivanje faktora transkripcije sa  ovim  regulacijskim  sekvencama. Transkripcijski faktori su proteini koji obično posjeduju regiju za DNK-vezivanja, koji prepoznaju specifične regulatorne sekvence u DNK i efektore u  regiji, koji aktiviraju ili inhibiraju transkripciju. Faktori transkripcije često djeluju aktiviranje  enzima koji dodaju modifikacije (npr. acetil ili metil grupa) ili uklanjaju  izmjene od vanjskih  dijelova histonskih  molekula. Ovo kontrolira sklapanje hromatin i dostupnost DNK za RNK polimeraze i druge faktore transkripcije.
 
U principu,  potrebno je  nekoliko faktora transkripcije koji djeluju  u kombinaciji za aktiviranje gena. Na primjer, pileći delta 1 kristalin gen, obično se ispoljava   samo u sočivu  oka i ima promotor koji sadrži vezivanja za dva aktivacijska  faktora transkripcije i pojačivača koji sadrži vezivanja za dva druga aktivacijska  faktora transkripcije. Tu je i dodatni lokus  pojačivača  koji mogu vezati ili aktivator (deltaEF3) ili represor (deltaEF1). Uspješna transkripcija zahtijeva da se sve ove lokacije zauzimaju ispravni  faktori transkripcije. 
Potpuno diferencirane ćelije su kvalitativno različite jedna od druge. Terminalno stanje diferencijacije je stabilno i uporno, kako u trajanju ćelije i u uzastopnim generacijama ćelija  (u slučaju diferenciranih tipova koji imaju kontinuirane podjele ćelija). Inherentna stabilnost diferenciranog stanja se održava putem  raznih  procesa, uključujući aktiviranje povratne podložnosti  gena od vlastitih proizvoda i represije neaktivnih gena. Hromatinska struktura može biti važna u održavanju stanja diferencijacije, iako je i dalje nejasno da li se to može održavati tokom DNK replikacije, što uključuje privremeno uklanjanje hromosomskih proteina i odmotavanje dvostruke  spirale DNK.

Tip kontrole diferencijacije koja se održava u toku DNK replikacije je metilacija DNK, koja teži da uključi  deacetilaciju histona i time zatvaraju strukturu hromatina. Metilacija DNK  se javlja kada je metil grupa vezana za vanjsku ili na šećer-fosfatnoj  strani, citozinskog (C) ostatka. Citozinska metilacije se javlja samo na C nukleotidima kada je povezan sa G (guaninimm) nukleotidom  na istom lancu DNK. Uparivanja ovih  nukleotida se nazivaju C-G dinukleotidi. Jedna klasa DNK metilaznih enzima može uvesti nove metilacije kada je to potrebno, dok se  druga zove metilaza održavanja, metilizira  CG dinukleotide u DNK dvostruku spiralu samo kada je već metil CG komplementarni lanac. Svaki put kada se replicira metilirana DNK, stara nit ima metil grupe, a  novi lanac nema. Metilaza održavanja će zatim dodati metil grupu  za sve kompatibilnu grupa nasuprot postojeće metil grupe za obnovu potpune  metilizirane  dvostruke spirale. Ovaj mehanizam jamči stabilnost obrasca metilacije DNK, a samim tim i diferenciranog stanja, tokom procesa replikacije DNK i podjele ćelija.

## Usmjeravanje  razvoja ćelija  
U pogledu razvojnih usmjerenosti, budućnost  ćelije može iti determinirana ili neutralna. Determinirane ćelije  mogu biti pokrenute na određenu specijalizaciju, ali je taj proces nepovratan.  Postoje dvije glavne vrste specifikacije: autonomna i uvjetna. Ćelija  koja je autonomno usmjerena će se razviti u određenom pravcu  na osnovu **citoplazmatske determinacije**,  bez obzira na okočnu sredinu.  Uvjetno determinirane ćelija se razvijaju  u određenom smjeru  na temelju drugih okolnih ćelija ili morfogenih gradijenata.

Diferencijacija  u morskih ježeva , u određivanju orijentacije naprijed–nazad (glava–rep)ima  i autonomne i uvjetne  mehanizme. Osa  prednje/ zadnje  leži duž osi životinje / biljke i  podešava se tokom brazdanja. Mikromere induciraju obližnje tkivo za  nastanak  endoderma,  dok su ćelije animalnog pola su određene da postanu ektoderm. Prve ćelije životinja nisu  određene jer mikromere mogu uticati na razvoj  mezoderma ili  endoderma. Uočeno je da  je β-katenin prisutan u jedru vegetativnog  pola blastule. U nizu eksperimenata, jedna studija je potvrdila ulogu β-katenina u specifikaciji  autoimunim  vegetativnim ćelijama i micromerama. Tretmani  spojem  LiCl je  dovoljan da vegetalizirani  embrion poveća jedarnu lokalizaciju β-katenina. Smanjenje ispoljavanja  β-katenina  u jedru  u korelaciji je  sa gubitkom vegetativih  ćelija. Transplantirane  mikromere kojima  nedostaje ćelijska akumulacije β-katenin nisu bili u stanju da izazove drugu  os.

Za molekulski mehanizam djelovanja  β-katenin i mikromera, uočeno je da Notch bila  ravnomjerno prisutna  na apikalnoj površini rane blastule. ali je izgubljena  na sekundarnom mezenhimu ćelija (SMC-ova) tokom kasne blastule i obogaćena predvidivim  endodermnim ćelijama krajem blastule. Notch signalizacija je potrebna  i dovoljna za određivanje SMC. Mikromeres ispoljavaju prisustvo  liganda za Notch, Delta, na njihovoj površini, za podsticanje stvaranja SMC.

Visoki nuklearni nivo beta-katenina iz visoke akumulacije posebnih  proteina na vegetativnom polu jajeta inaktivira GSK-3 i sprečava fosforilaciju β-katenina. Ovo omogućava  da  β-katenin izbjegne  degradaciju  i uđe  u nukleus. Jedina važna uloga β-katenin je aktiviranje transkripcije gena **FMR1**. Ovaj gen potiskuje represor kako bi se omogućilo  ispoljavanje mikromernih gena.

Aboralna/Oralna os (analogno leđna/ventralna ose u drugih životinja) je navedena kao  čvorni homolog. Nodalna struktura  je lokalizirana  u budućoj  usnoj  strani embrija. Eksperimenti su potvrdili da  je nodal potreban  i dovoljan  da promovira  razvoj usta. Čvorovi  također imaju ulogu u formiranju lijevo/desno

## Sisari
Najranija specifikacija u embrionu miša javlja se između trofoblasta i unutrašnje ćelijske mase,  u vanjskim polarnim i unutrašnjim apolarnim ćelijama. Ove dvije grupe postaju u fazi od osam ćelija tokom kompakcije, ali ne postaju detrminirane dok ne dođu do faze od 64 ćelije. Ako se apolarne transplantiraju u fazi 8-32 ćelija, te ćelije će se razvijati kao ćelije trofoblasta.

Prednje / stražnja  os u embrija miša je određena iz  dva centra signalizacije. Kod njega, jaje formira cilindar sa epiblastnom peharastom  formacijom na distalnom kraju tog cilindra. Epiblast je okružen visceralnim endodermom, koji je ekvivalent hipoblastu ljudi  i riba. Signali za prednje / stražnju  osovinu dolaze iz primitivnog čvora. Drugo  važno mjesto je prednji visceralni endoderma (AVE). On se nalazi  napried,  većinom u  prednjem  položaju čvora i neposredno ispod epiblasta u regionu koji će migriranjem postati endomezoderm za formiranje  glavenog  mezoderma i endoderma prednjeg dijela probavnog trakta.  AVE pokriva čvor, najviše njegovu prednju strukturu. Dakle, čvor je u mogućnosti da se formira normalno nervnu cijev, ali  su mu za formiranje  glave potrebni signali iz AVE.

Otkriće homeoboksa u  voćnih mušica *Drosophila* i  nalaz da se održao i  u drugih životinja dovelo  je do napretka u razumijevanju formiranju smjera prednje-zadnje. Većina *Hox*  gena u sisara ispoljava obrazac koji ide paralelno uz homeotske  gene u mušica. U sisara, postoje četiri kopije Hox gena, a svaki njihov set je paralogan drugima (Hox1a je paralogue od Hox1b, itd).  Ovi paralozi pokazuju obbrasce preklapanje  izražavanja i mogu djelovati redundantno. Međutim, dvostruka mutacija u paralognim  genima također može djelovati sinergistički, što  ukazuje  na to da geni moraju djelovati zajedno u ostvarivanju iste  funkcije.

## Također pogledajte
*Embrion
*Ćelija
*Tkivo

## Reference
## Vanjski linkovi
* http://www.embryology.ch/anglais/hdisqueembry/triderm01.html 
* https://web.archive.org/web/20080809142409/http://isc.temple.edu/marino/embryology/EMBII97/img020.GIF
* https://web.archive.org/web/20130514124409/http://embryology.med.unsw.edu.au/Medicine/BGDlab3_11.htm
* https://web.archive.org/web/20060925080426/http://www.ana.ed.ac.uk/database/humat/notes/embryo/ectoderm/primstr.htm

Kategorija:Embriologija
Kategorija:Razvojna biologija