Embryonální vývoj a diferenciace buněk

I když máme v každé buňce stejnou DNA, stejně máme různé typy buněk, tkání a každý vypadáme jinak. Čím to je? Velkou roli v tom hrají kmenové buňky, buněčná signalizace a genová exprese.

Embryonální vývoj a kmenové buňky

Při vývoji lidského organismu vše začíná splynutím vajíčka a spermie, z čehož vzniká tzv. totipotentní zygota, což je první buňka, která má schopnost se diferencovat do všech typů buněk v organismu, včetně tzv. trofoblastu, což je tenká vrstva buněk, která pomáhá vyvíjejícímu se embryu, přichytit se ke stěně dělohy, chrání embryo a tvoří část placenty. Z jediné totipotentní kmenové buňky tak může postupným vývojem vzniknout celý životaschopný organismus.

Zygota se začíná dělit mitózou, čímž vznikají dvě, čtyři a později více buněk (blastomery). Po několika cyklech dělení se buňky organizují do struktury zvané morula, která se skládá z 16-32 buněk. V této fázi jsou buňky stále totipotentní. Jakmile morula dosáhne určité velikosti, vzniká blastocysta, která se skládá z vnitřní buněčné hmoty (embryoblast) a vnější vrstvy buněk (trofoblast). Vnitřní buněčná hmota obsahuje už kmenové buňky pluripotentní. To jsou buňky, které se stále mohou diferencovat do různých typů buněk, ale už nejsou schopny vytvořit nového jedince. Pluripotentní buňky už nedokážou vytvořit výše zmíněný trofoblast. Vzniklá blastocysta se implantuje do děložní sliznice a nastává stádium gastrulace, při kterém se vnitřní buněčná hmota blastocysty začne diferenciovat do tří zárodečných listů:

• Ektoderm: Vyvíjejí se z něj pokožka, nervový systém a další struktury.

• Mezoderm: Z něj vznikají svaly, kosti, krev a další tkáně.

• Endoderm: Tato vrstva dává vznik vnitřním orgánům, jako jsou plíce, játra a trávící trakt.

Po stádiu gastrulace nastává samotná organogeneze, což je proces, kdy z jednotlivých zárodečných listů začnou vytvářet specifické orgány a tkáně.

Po vzniku specifických tkání a orgánů můžeme sledovat ještě tzv. multipotentní kmenové buňky (dospělé kmenové buňky). Na rozdíl od pluripotentních kmenových buněk, které se mohou diferencovat do téměř všech typů buněk (kromě totipotentních), multipotentní kmenové buňky se obvykle diferencují pouze do specifických typů buněk v rámci určité tkáně. Například hematopoetické kmenové buňky se diferencují do různých typů krvinek, zatímco mesenchymální kmenové buňky mohou vytvářet kostní, chrupavčité nebo tukové buňky.

Unipotentní kmenové buňky jsou schopné produkovat již pouze jediný typ buněk.

Jak embryo roste, kmenové buňky se nadále diferencují a specializují, přičemž se vytvářejí zralé buňky, které plní své specifické funkce.

Během embryonálního vývoje se tedy kmenové buňky mění z totipotentních na pluripotentní a následně na multipotentní, které se diferencují do specifických buněk, což umožňuje vznik kompletního organismu s různými funkcemi a strukturami. Tento proces je řízen komplexními signálními dráhami a interakcemi mezi buňkami.

Open

* Progenitory jsou odvozené z kmenových buněk a mají schopnost se diferencovat do konkrétních typů buněk, ale nejsou schopny se množit do nekonečna jako kmenové buňky. Progenitorové buňky jsou obvykle více specializované než kmenové buňky a mají omezený rozsah diferenciace.

Typy kmenových buněk a jejich teoretický počet dělení

Buněčná signalizace

Buněčnou signalizací rozumíme prostředky, díky kterým mezi sebou buňky vzájemně komunikují. Díky buněčné signalizaci dochází k regulaci vývoje buněk a jejich organizace do tkání, růstu a dělení buněk a také koordinaci buněčných funkcí.

Většinou to funguje tak, že je jednou buňkou vylučována specifická signální molekula, například na jejím povrchu nebo přímo do volného mimobuněčného prostoru, zatímco druhá buňka přijímá signál, a to zpravidla skrze specifický receptor. Z receptorů vedou různé signalizační kaskády dovnitř buňky, kde ovlivňují různé buněčné procesy včetně změn v expresi genů. Signální molekuly jsou:

• Hydrofilní – jsou velké a neprocházejí membránou (např. proteiny)

• Hydrofobní – jsou menší a méně početné, procházejí přes buněčnou membránu a mají intracelulární receptory (např. steroidy)

Receptorový protein rozpozná signální molekulu a reaguje na ni – jeden typ receptoru na jeden typ signálu. Cílová buňka pak převádí extracelulární signál na intracelulární a tím ovlivní chování celé buňky

Typy extracelulárních signálů

• Fyzikální – např. světlo, tlak, teplo

• Chemické – např. hormony, neurotransmitery, cytokiny nebo neurohormony

Formy extracelulární signalizace

• Endokrinní – funguje na delší vzdálenost, hormony jsou vyloučeny do oběhu a ovlivňují vzdálené tkáně

• Parakrinní – funguje na kratší vzdálenost, hormony fungují na blízké tkáně

• Autokrinní – buňka je zdrojem i příjemcem signálu

• Neurokrinní - signální molekuly jsou vylučovány nervovými buňkami a působí na jiné buňky jako neurotransmitery nebo neurohormony

• Intrakrinní – signální molekula je dodána do tkáně, ale ta si ji ještě upraví: buď zcela změní, nebo zvýší/sníží její biologickou aktivitu

• Juxtakrinní (dotyková) – komunikace mezi dvěma sousedními buňkami, propojenými pomocí membránových proteinů a receptorů

• Kryptokrinní - specifický typ přenosu signálu např. mezi spermatidami a Sertoliho buňkami. Signální látka se v tomto případě vůbec neuvolní do mimobuněčného prostoru, ale je předána přes mezerový spoj

Typy receptorů na povrchu buněk

• Receptory spojené s iontovými kanály

• Receptory spojené s G- proteiny

• Receptory spojené s enzymy

Signální dráhy a regulace exprese genu

Signální dráhy hrají zásadní roli v regulaci exprese genů a následné diferenciaci buněk. Jak to ale funguje?

Signální molekuly (ligandy) se vážou na specifické receptory na povrchu buněk. Tato vazba zahajuje signální kaskádu, která přenáší informaci dovnitř buňky. Po vazbě ligand-receptor se aktivují intracelulární signální molekuly, jako jsou např. G-proteiny, kinázy a fosfatázy. Tyto molekuly spouštějí řadu reakcí.

Signální dráhy často vedou k aktivaci nebo inhibici transkripčních faktorů, což jsou proteiny regulující expresi genů. Například některé transkripční faktory mohou být aktivovány fosforylací a následně se vážou na specifické sekvence DNA, což ovlivňuje, které geny budou exprimovány. Změny v aktivaci transkripčních faktorů vedou k modifikaci úrovně exprese genů. Například aktivace určitého transkripčního faktoru může zvýšit expresi genů, které jsou potřebné pro diferenciaci buněk do specifických typů (např. svalové, nervové nebo epitelové buňky). Jakmile jsou určité geny exprimovány, produkují proteiny, které ovlivňují buněčnou strukturu, metabolismus a funkci. Tyto proteiny mohou zahrnovat cytoskeletální proteiny, enzymy a další faktory, které určují charakteristiky daného typu buňky. Diferenciace buněk je často komplexní proces, který zahrnuje změny v genech a proteinech, což vede k přechodu z pluripotentního stavu (schopnost diferencovat se do více typů) na specifický, diferencovaný stav. Signální dráhy mohou také zahrnovat zpětnou vazbu, která reguluje jejich vlastní aktivaci.

Signální dráhy a regulace genové exprese jsou tedy klíčové pro embryonální vývoj, kde buňky musí reagovat na signály z okolí a diferencovat se v různé typy buněk. Také hrají roli v udržování homeostázy v dospělém organismu, například při regeneraci tkání a reakci na zranění.

Více o regulaci exprese genu se můžete dočíst ve článku Regulace a exprese genu