Ko si poškoduješ kožo, nove celice, ki zacelijo rano, niso le kopije tistih, ki so bile uničene. Nastanejo iz matičnih celic, ki se razdelijo in spremenijo v točno tisto vrsto, ki jo telo potrebuje. To se dogaja ves čas – ne le v koži, ampak tudi v krvi, črevesni sluznici in drugih tkivih, kjer je obnova hitra.

V tem spletnem učbeniku boš izvedel, kako poteka diferenciacija, kako matične celice ustvarijo specializirane celice ter kako gene in razvoj nadzorujejo različni signali. Predstavljene so stopnje diferenciacije, vrste celične potentnosti in primeri iz vsakdanjega delovanja telesa – na primer, kako iz ene same matične celice nastanejo krvne ali črevesne celice.

Diferenciacija celica na kratko

Potrebuješ hiter pregled? Tukaj je preprosta razlaga, kaj je diferenciacija celic in kako deluje:

🟠 Diferenciacija pomeni, da se matična celica razvije v specializirano celico z določeno zgradbo in nalogo.

🟠 Matične celice se delijo in iz njih nastanejo najprej celice potomke, nato pa popolnoma razvite, funkcionalne celice.

🟠 Razvoj celice določajo spremembe v izražanju genov, ki jih usmerjajo transkripcijski dejavniki in epigenetske spremembe.

🟠 Proces diferenciacije je odvisen tudi od signalov iz okolja – med pomembnejšimi sta Wnt in Sonic Hedgehog, ki vplivata na to, kateri geni se aktivirajo.

🟠 Da tkiva ohranijo pravilno zgradbo, skrbijo celična polarizacija, povezave med celicami in vezava na zunajcelični matriks (ECM).

🟠 Nadzorovano deljenje celic in apoptoza skrbita za to, da je število celic v tkivu vedno pravo.

Kako diferenciacija celic deluje v večceličnih organizmih

V večceličnem organizmu imajo celice na začetku enak potencial – še nimajo določene vloge. Z razvojem pa se začnejo spreminjati v različne tipe z natančno določenimi nalogami. Ta proces imenujemo diferenciacija. Iz ene oplojene jajčne celice sčasoma nastane koža, mišično tkivo, živčne celice in druga telesna tkiva. Diferenciacija se začne pri matični celici in se konča, ko celica prevzame stalno funkcijo.

Matične celice se lahko velikokrat razdelijo. Nekatere od njihovih potomk se nato razvijejo v celice, ki opravljajo točno določeno nalogo in se običajno ne delijo več. Te razlike določajo, kako hitro se tkiva obnavljajo, kako telo nadzoruje rast in vzdržuje ravnovesje.

Razlike med matičnimi in specializiranimi celicami:

• Matične celice se lahko večkrat delijo in ustvarjajo nove celice
  
• Specializirane celice se več ne delijo
  
• Matične celice nimajo določene naloge
  
• Specializirane celice opravljajo eno točno določeno funkcijo
  

Primeri specializiranih celic

Kako matična celica postane specializirana celica

V telesu lahko ena sama matična celica ustvari več različnih vrst specializiranih celic. To poteka postopoma. Ko se celica začne spreminjati, postopoma izgublja možnost, da bi se razvila v katerokoli vrsto, in se usmeri proti eni določeni nalogi.

Tri faze diferenciacije:

1. Matična celica – deli se, pri tem pa lahko ostane nespremenjena ali začne proces specializacije
   
2. Celica predhodnica – še vedno se deli, vendar je že usmerjena k eni nalogi
   
3. Popolnoma diferencirana celica – ima točno določeno vlogo in se več ne deli
   

Med asimetrično delitvijo se matična celica razdeli tako, da ena hčerinska celica ostane matična, druga pa postane predhodnica. S tem telo ohranja zalogo matičnih celic in hkrati ustvarja nove celice za obnovo tkiv. V črevesju na primer matične celice stalno ustvarjajo celice, ki vsrkavajo hranila, in čašaste celice, ki tvorijo sluz. Tako se črevesna sluznica lahko hitro obnavlja brez izpada delovanja.

Vrste matičnih celic in kam se lahko razvijejo

Matične celice nimajo vse enake zmožnosti. Nekatere lahko ustvarijo vse vrste celic, druge le določene skupine. Ta lastnost se imenuje potentnost in pove, v koliko različnih smeri se lahko celica usmeri med diferenciacijo.

• Totipotentna – omogoča razvoj vseh vrst celic, tudi celic posteljice
  
• Pluripotentna – tvori katerokoli telesno celico
  
• Multipotentna – razvije se lahko v več sorodnih vrst celic
  
• Oligopotentna – omogoča razvoj nekaj tesno povezanih vrst
  
• Unipotentna – tvori eno samo vrsto celic, a se še vedno lahko deli
  

Primerjava ravni potentnosti

Raven potentnosti določa, kako širok je izbor, ko se celica začne razvijati. Bolj kot je celica primitivna, več možnosti ima. S stopnjo se ta izbira postopoma oži, dokler ni usmerjena le v eno nalogo.

Vloga izražanja genov in signalov pri diferenciaciji

Celica prevzame svojo nalogo s spremembo v izražanju genov. V vsaki vrsti celic je aktiven le majhen del genoma – tisti, ki določa, kaj bo celica počela. To nadzorujejo transkripcijski dejavniki, ki gene aktivirajo ali izklopijo. Nekateri transkripcijski dejavniki, imenovani pionirski, sprostijo gosto zavito DNK, da lahko celica vklopi nove gene in s tem spremeni svojo smer razvoja.

Pomembno vlogo ima tudi epigenetska ureditev, kjer se aktivnost genov spremeni brez spremembe zaporedja DNK. Metilne skupine se vežejo na DNK, histonske beljakovine se lahko kemično spremenijo – s tem nekateri geni ostanejo aktivni, drugi pa trajno izklopljeni. Te spremembe se prenašajo skozi več celičnih delitev, zato hčerinske celice ohranijo isto vlogo.

Zunanje signalne molekule dodatno usmerjajo diferenciacijo. Molekule, kot sta Wnt in Sonic Hedgehog, se sprostijo iz bližnjih celic in se vežejo na receptorje na površini. Tako se sprožijo signalne poti, ki dosežejo jedro in vplivajo na izražanje genov. Na primer: signalna pot Sonic Hedgehog spodbudi nastajanje določenih beljakovin, ki potisnejo celico v določeno razvojno smer. Signal Wnt pa ima vlogo pri zgodnjem razvoju in ohranjanju matičnih celic v tkivih, kot je črevesje.

Celice stalno komunicirajo z okolico. Obdaja jih zunajcelični matriks (ECM), mreža molekul, ki jim nudi oporo in hkrati pošilja kemične ter mehanske signale. Celice zaznavajo togost okolja – mehkejše podlage spodbujajo razvoj v živčne celice, trše pa bolj v mišične ali kostne.

Tudi fizični dejavniki, kot so raztezanje, pritisk ali kompresija, vplivajo na diferenciacijo. Te sile spremenijo zgradbo celičnega ogrodja, kar sproži notranje signale in aktivacijo genov. Vse te informacije skupaj določajo, kakšno vlogo bo celica prevzela.

Primeri diferenciacije v tkivih

Specializirane celice v telesu nastanejo iz matičnih celic, ki med diferenciacijo sledijo točno določenim signalom. Tako se oblikujejo vsi organi in sistemi v telesu.

Hematopoeza se začne z multipotentnimi matičnimi celicami v kostnem mozgu. Te se z več zaporednimi delitvami in stopnjami diferenciacije razvijejo v eritrocite, levkocite in trombocite.

V črevesni sluznici so matične celice nameščene na dnu kript. Glede na aktivnost genov in lego v tkivu se iz njih razvijejo bodisi vpojne celice bodisi čašaste celice.

Diferenciacija živčnih celic poteka iz živčnih matičnih celic v razvijajočih se možganih. Odvisno od časa delitve in lokalnih signalov nastanejo nevroni ali glija celice.

Povzetek primerov:

• Krvne celice nastanejo iz hematopoetskih matičnih celic
  
• Celice črevesja izvirajo iz matičnih celic črevesnih kript
  
• Živčne celice se razvijejo iz nevralnih matičnih celic

Kako delitev in apoptoza ohranjata stabilnost tkiv

Delovanje tkiv se ohranja z neprestanim obnavljanjem celic, ki poteka različno hitro. V koži se matične celice pogosto delijo – nove celice se premaknejo proti površini in nadomestijo odmrle. V jetrih pa večina celic miruje, dokler ni poškodbe; takrat se začnejo hitro deliti in obnovijo izgubljeni del tkiva.

Nekatere celice po diferenciaciji izgubijo sposobnost delitve. Dober primer so mišične celice srca. Po poškodbi srca se ne obnavljajo – telo jih nadomesti z vezivnim tkivom, kar zmanjša zmogljivost mišice.

Stabilnost tkiv je rezultat ravnotežja med celično delitvijo in apoptozo. Apoptoza odstrani poškodovane ali stare celice brez vnetja. Celica razpade na drobce, ki jih sosednje celice odstranijo brez škode za tkivo.

Proliferacija celic in apoptoza delujeta skupaj. S tem se ohranja pravo število celic in prepreči neravnovesje v tkivih.

Kako diferenciacija ohranja red v tkivih

Polarnost celic in stiki med celicami določajo zgradbo

Da tkivo deluje brezhibno, morajo celice ostati na točno določenih mestih. Polarnost celice pomeni, da imata zgornja in spodnja stran različni vlogi. V črevesju je ena stran obrnjena proti notranjosti, kjer poteka stik s hranili, druga pa se oprime osnovnega tkiva. Tesni stiki zaprejo prostore med sosednjimi celicami, priležni stiki in dezmosomi pa jih povezujejo in prenašajo sile prek celičnega ogrodja. To omogoča stabilno obliko tkiva in usklajeno delovanje.

Zunajcelični matriks ohranja lego in vpliva na vedenje celic

Celice ostanejo na pravem mestu tudi zato, ker so sidrane v zunajcelični matriks (ECM). Ta je sestavljen iz beljakovin in sladkorjev, ki oblikujejo mrežo okoli celic. Pritrdijo se nanj s pomočjo integrinov – to so beljakovine, ki poleg oprijema posredujejo tudi signale v notranjost celice. Pod črevesno sluznico se nahaja posebna plast ECM, imenovana bazalna lamina, ki celice drži na mestu in usmerja njihovo delovanje.

Ko se celice vrnejo v prejšnje stanje: dediferenciacija in iPSC

Običajno gre diferenciacija v eno smer – od splošne k posebni nalogi. A raziskovalci so pokazali, da lahko celico tudi obrnejo nazaj. Temu rečemo dediferenciacija. Pri nekaterih živalih, kot so salamandri, se poškodovane celice preoblikujejo v manj razvito obliko, kar omogoča ponovno rast tkiva. V laboratoriju pa lahko znanstveniki z dodatkom določenih transkripcijskih faktorjev odrasle celice spremenijo v inducirane pluripotentne matične celice (iPSC).

iPSC imajo podobne lastnosti kot embrijske matične celice. Lahko se delijo in razvijejo v različne tipe celic, če so pogoji pravi. Dejavniki Oct4, Sox2, Klf4 in c-Myc v celici ponovno vklopijo gene, ki so sicer v odraslih celicah izključeni. Ta metoda se danes pogosto uporablja pri razumevanju razvoja, bolezenskih stanj in poskusih v laboratoriju.

Dediferenciacija pokaže, da lahko tudi zrele celice v določenih pogojih spet postanejo prilagodljive. To potrjuje, kako natančno mora biti nadzorovano izražanje genov, da celica ostane to, kar je. Čeprav se to pri človeku redko zgodi spontano, odpira možnosti za nadzorovano spreminjanje celične usode.

Se ti zdi diferenciacija celic zapletena? Zasebni učitelj ti jo lahko razloži jasno in pregledno

Če se ti zdi diferenciacija zapletena, nisi sam. Na prvi pogled je enostavna, potem pa prideš do izražanja genov, vrst matičnih celic ali signalnih poti in vse postane nejasno. Ravno zato pridejo inštrukcije prav – da snov razložiš postopno in po svoje.

Z zasebnim učiteljem biologije Sežana imaš čas postaviti vprašanja, ki jih pri pouku ne utegneš. Mogoče ti ni jasno, kaj točno pomeni pluripotentna celica ali pa ne razumeš, kako zunajcelični matriks vpliva na zgradbo tkiva. Na inštrukcijah greš čez vsako stvar v svojem tempu – brez pritiska, da moraš slediti celemu razredu.

Lahko izbereš inštrukcije biologije Koper ali se učiš od doma prek spleta. Učitelj biologije Ljubljana ti bo razložil snov na način, ki ti je blizu – z vajami in primeri iz tvojih testov in učbenikov.

Vpiši “inštruktor biologije Jesenice” in si rezerviraj uro. Včasih je dovolj ena poglobljena razlaga, pa se ti stvari postavijo na svoje mesto.

Inštruktorja lahko najdeš na portalu meet'n'learn.

Iščeš še dodatno razlago? Poglej naš spletni učbenik biologije, kjer najdeš še več jasnih razlag. Če pa ti katera snov še vedno dela težave, ti dober inštruktor pomaga razčleniti tudi najtežje teme – razumljivo in brez kompliciranja.

Diferenciacija: najpogostejša vprašanja

1. Kaj je diferenciacija celic?

To je postopek, pri katerem se matična celica razvije v celico z določeno nalogo in zgradbo.

2. Katere so glavne faze diferenciacije?

Matična celica, celica predhodnica, končno diferencirana celica.

3. Kako matične celice postanejo specializirane?

Pri delitvi se aktivirajo točno določeni geni, ki usmerijo razvoj celice.

4. Kaj vpliva na izražanje genov pri diferenciaciji?

Transkripcijski dejavniki, epigenetske spremembe in signali iz okolja ali drugih celic.

5. Kaj pomeni asimetrična delitev celice?

Pri delitvi nastane ena matična celica in ena, ki se začne specializirati.

6. Katere vrste matičnih celic ločimo glede na njihovo potentnost?

Totipotentna, pluripotentna, multipotentna, oligopotentna, unipotentna.

7. Kako zunajcelični matriks vpliva na vedenje celic?

Deluje kot opora in pošilja signale, ki vplivajo na smer diferenciacije.

8. Kaj se zgodi s celicami, ki jih telo več ne potrebuje?

Odstrani jih apoptoza – urejen razpad celice, brez škode za tkivo.

Viri:

1. NCBI
2. Britannica
3. Wikipedia