تحديد مصير الخلية

يُعرَّف تحديد المصير في علم الأحياء النمائي بأنه التطور الخاص لنوع معين من الخلايا . في الجنين، تتضافر عدة عمليات على المستوى الجزيئي لتكوين الكائن الحي. تشمل هذه العمليات تكاثر الخلايا ، وتمايزها ، وحركتها ^{[ 1 ]} ، وموتها المبرمج ^{[ 2 ] [ 3 ]} .

تتلقى كل خلية في الجنين إشارات جزيئية من الخلايا المجاورة على شكل بروتينات، وحمض نووي ريبوزي (RNA)، وحتى تفاعلات سطحية. تخضع جميع الحيوانات تقريبًا لتسلسل مماثل من الأحداث خلال مراحل النمو المبكرة جدًا، وهي عملية محفوظة تُعرف باسم تكوين الجنين . ^{[ 4 ]} خلال تكوين الجنين، تتواجد الخلايا في ثلاث طبقات جرثومية ، وتخضع لعملية التكوين الجنيني المبكر (التكوين المعدي ). على الرغم من دراسة تكوين الجنين لأكثر من قرن، إلا أنه لم يكتشف العلماء إلا مؤخرًا (خلال الخمسة وعشرين عامًا الماضية تقريبًا) أن مجموعة أساسية من البروتينات والحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) نفسها تشارك في تكوين الجنين.

يُعدّ الحفاظ على التطور أحد الأسباب التي تدفع إلى استخدام الكائنات النموذجية، مثل ذبابة الفاكهة ( دروسوفيلا ميلانوغاستر ) أو فأر المنزل ( موس موسكولوس )، لدراسة تكوين الأجنة وعلم الأحياء النمائي. وتُوفّر دراسة الكائنات النموذجية معلوماتٍ ذات صلةٍ بالحيوانات الأخرى، بما في ذلك الإنسان. وخلال دراسة أنظمة نموذجية مختلفة، تبيّن أن مصير الخلية يتحدد عبر آليات متعددة، اثنتان منها تتضمنان مزيجًا من عوامل النسخ والتفاعلات بين الخلايا. ^{[ 5 ]}

صُنفت آليات تحديد مصير الخلايا إلى ثلاثة أنواع: التحديد الذاتي، والتحديد المشروط، والتحديد المتعدد النوى. أُجريت أبحاث تحديد مصير الخلايا بشكل أساسي من خلال نوعين من التجارب، وهما الاستئصال والزرع. ^{[ 6 ]} وقد ساهمت نتائج هذه التجارب في الكشف عن مصير الخلايا المدروسة.

أتاح تطوير أدوات جزيئية جديدة، بما في ذلك البروتين الفلوري الأخضر (GFP) ، والتقدم الكبير في تقنيات التصوير مثل المجهر الفلوري ، إمكانية رسم خريطة لسلالة خلايا الدودة الأسطوانية Caenorhabditis elegans بدءًا من جنينها . ^{[ 7 ] [ 8 ]} يُستخدم رسم خريطة المصير لدراسة الخلايا أثناء تمايزها واكتسابها وظائف محددة. لا تُقدم مجرد مراقبة الخلية أثناء تمايزها خلال التكوين الجنيني أي مؤشر على الآليات التي تُحفز هذا التخصص. مع ذلك، يسمح استخدام التقنيات الجزيئية، بما في ذلك تثبيط الجينات والبروتينات، وحذفها، والإفراط في التعبير عنها، بدراسة آليات تحديد المصير. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]} كما تُتيح التحسينات في أدوات التصوير، بما في ذلك المجهر متحد البؤر الحي والمجهر فائق الدقة ^{[ 14 ]} ، تصوير التغيرات الجزيئية في الخلايا المُعالجة تجريبيًا مقارنةً بالخلايا الضابطة. ويمكن أيضًا استخدام تجارب الزرع بالتزامن مع التلاعب الجيني وتتبع السلالة. تشمل تقنيات تحديد مصير الخلايا الحديثة تتبع السلالة باستخدام فئران معدلة وراثيًا قابلة للتحفيز بتقنية Cre-lox ، حيث يمكن رسم خرائط تجريبية لمجموعات خلوية محددة باستخدام مؤشرات مثل Brainbow ، وهو مؤشر ملون مفيد في الدماغ والأنسجة الأخرى لتتبع مسار تمايز الخلية. ^{[ 15 ]}

خلال التكوين الجنيني، وبعد عدد من انقسامات الخلايا (يختلف العدد المحدد باختلاف نوع الكائن الحي)، تصبح جميع خلايا الجنين متكافئة شكليًا ونمائيًا. وهذا يعني أن لكل خلية نفس القدرة على النمو، وأن جميع الخلايا قابلة للتبادل بشكل أساسي، مما يُنشئ مجموعة متكافئة . وعادةً ما يتم إثبات التكافؤ النمائي لهذه الخلايا من خلال تجارب الزرع أو الاستئصال. ومع نضوج الأجنة، يحدث تحديد مصير أكثر تعقيدًا مع تمايز الخلايا، حيث تبدأ في أداء وظائف أكثر تحديدًا. وبشكل عام، بمجرد أن تحدد الخلايا مصيرها وتخضع للتمايز الخلوي ، لا يمكنها العودة إلى حالات أقل تحديدًا؛ ومع ذلك، تشير الأبحاث الحديثة إلى أن فقدان التمايز ممكن في ظل ظروف معينة، بما في ذلك التئام الجروح والسرطان. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

يمكن تقسيم تحديد مصير الخلية إلى حالتين: حالة التحديد (الالتزام) وحالة التحديد . في حالة التحديد، لا يكون نوع الخلية قد حُدِّد بعد، ويمكن عكس أي ميل لديها نحو مصير معين أو تحويله إلى مصير آخر. أما في حالة التحديد ، فلا يمكن عكس مصير الخلية أو تحويله. وهذا يعني عمومًا أن الخلية " المحددة " لتكون خلية دماغية لا يمكنها "التمايز" إلى خلية جلدية. يلي التحديد التمايز، الذي يشمل التغيرات الفعلية في الكيمياء الحيوية والبنية والوظيفة التي تؤدي إلى أنواع خلايا محددة. غالبًا ما يتضمن التمايز تغييرًا في المظهر والوظيفة. ^{[ 18 ]}

هناك ثلاث طرق عامة يمكن أن تتحدد بها الخلية لمصير معين: التحديد الذاتي، أو المشروط، أو المتزامن . ^{[ 19 ]}

المواصفات المشروطة

على النقيض من التحديد الذاتي، يُعد التحديد المشروط عملية خارجية تعتمد على الإشارات والتفاعلات بين الخلايا أو على تدرجات تركيز المورفوجينات . تُعد التفاعلات الحثية بين الخلايا المتجاورة النمط الأكثر شيوعًا لتشكيل الأنسجة. في هذه الآلية، تتعرض خلية أو خليتان من مجموعة خلايا ذات إمكانات نمو متماثلة لإشارة ( مورفوجين ) من خارج المجموعة. تُحفز الخلايا التي تعرضت للإشارة فقط على اتباع مسار نمو مختلف، بينما تبقى بقية المجموعة المتماثلة دون تغيير. آلية أخرى تحدد مصير الخلية هي التحديد الإقليمي (انظر التحديد الإقليمي ). وكما يوحي الاسم، يحدث هذا التحديد بناءً على موقع الخلية داخل الجنين، والمعروف أيضًا بقيمتها الموضعية. ^{[ 24 ]} لوحظ هذا لأول مرة عند أخذ الأديم المتوسط ​​من منطقة الفخذ المحتملة لجنين دجاجة، وزرعه في منطقة الجناح. لم يكتسب خصائص الجناح، بل طور بدلاً من ذلك تراكيب أصابع القدم. يتحدد مصيرها من خلال الإشارات المحلية من بيئتها الجديدة. ^{[ 25 ]}

في الخلايا المحددة شرطيًا، تحتاج الخلية المُخصصة إلى إشارة من خلية خارجية، مما يدل على قدرة الخلايا على إظهار المرونة في مراحل مبكرة من النمو. فإذا أُزيل نسيج ما، ستتمكن الخلايا المجاورة من التجدد أو إرسال إشارات لإعادة تكوين النسيج المفقود. ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 23 ]} على سبيل المثال، إذا أُزيل نسيج من البطن وزُرع في الظهر، فقد يُساهم في تكوين بنى الظهر بدلًا من الاحتفاظ بهويته الأصلية. ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 23 ]} وتُعزى هذه النتيجة إلى تأثير الخلايا والأنسجة المحيطة على الخلية المتكونة حديثًا. تُعد هذه المرونة سمة مميزة للتحديد الشرطي، وهي أساس العديد من عمليات التجديد والتعويض في النمو.

يخضع تحديد مصير الخلية لتأثير كبير من الآليات فوق الجينية التي تنظم التعبير الجيني دون تغيير تسلسل الحمض النووي الأساسي. تلعب التعديلات فوق الجينية ، مثل مثيلة الحمض النووي ، وتعديلات الهيستون ، وإعادة تشكيل الكروماتين ، أدوارًا حاسمة في الحفاظ على هوية الخلية وتوجيه تمايزها. ^{[ 27 ]} عادةً ما تثبط مثيلة الحمض النووي نشاط الجينات، بينما يعزز أستلة الهيستون عملية النسخ بشكل عام عن طريق إرخاء بنية الكروماتين. ^{[ 27 ]} تعمل مُعدِّلات الكروماتين عن طريق تغيير موضع النيوكليوسومات ديناميكيًا ، مما يجعل مناطق جينومية محددة متاحة أو غير متاحة لعوامل النسخ. ^{[ 28 ]} تُنسق هذه التغيرات فوق الجينية بواسطة شبكة من الإنزيمات، بما في ذلك ناقلات مثيل الحمض النووي ، وناقلات أستلة الهيستون ، ومُعدِّلات الكروماتين، والتي تستجيب لكل من الإشارات الداخلية والإشارات الخارجية من البيئة الخلوية الدقيقة. ^{[ 29 ]} إن التعديلات مثل هذه تحفز الخلايا على التكيف استجابةً لإشارات النمو أو التغيرات البيئية، مما يشير إلى دور مهم لعلم التخلق في تنظيم عمليات مثل تحديد المصير.

• التطور الجنيني للنبات
• سونيك القنفذ
• علم الأحياء النظمي