Hvernig vita frumur hvað þær eiga að verða í þroskun?

Nafn þitt

Netfang þitt

Netfang móttakanda

Ruslpóstvörn =

Svar

Hvernig vita frumur hvað þær eiga að verða í þroskun?
Hver einstaklingur verður til úr stakri frumu sem kallast okfruma. En hvernig veit hópur af frumum, sem eitt sinn var ein fruma, hver á að gera hvað? Hvernig í ósköpunum getur hópur fruma dregið sig saman og myndað hjarta eða taugakerfi?

Fósturþroskun spendýra hefst sem fyrr segir á stakri frumu, okfrumunni. Til að byrja með skiptir okfruma sér nokkrum sinnum án þess að vaxa nokkuð að ráði. Fyrstu frumunum standa allir vegir færir og ef fóstrinu yrði skipt í tvennt á þessu stigi yrðu til tveir heilir einstaklingar (eineggja tvíburar). Til að aðgreina tvær frumur sem bera nákvæmlega sama erfðamengi og eru klónar af sömu okfrumunni þurfa þær að fá mismunandi skilaboð frá umhverfi sínu. Slíkum skilaboðum er miðlað af prótínum sem gegna því hlutverki að binda DNA og hafa áhrif á tjáningu gena. Þetta eru svokallaðir umritunarþættir.

Til að byrja með koma þessir þættir frá móður, en smám saman tekur fóstrið við keflinu og fer að tjá eigin prótín. Þessi prótín geta verið í mismiklum styrk eftir svæðum og tveir þættir geta jafnframt bælt hvorn annan og þannig skapað skörp skil milli svæða, þar sem hvor þáttur passar sín landamæri. Allar frumur líkamans bera nefnilega allt heila erfðamengið, en þær tjá ekki allar sömu genin, í sama magni, eða á sama tíma og í því felst munurinn milli fruma. Það má segja að þær eigi allar bókina en lesi mismunandi kafla.^[1]

Breytileiki í því hvernig frumur tjá gen myndar ekki einungis mun milli mismunandi frumugerða líkamans, heldur skýrir hann einnig að miklu leyti útlitslegan mun milli einstaklinga og jafnvel á milli okkar og annarra tegunda, eins og simpansa. Við deilum yfir 98% af erfðamengi okkar með frændum okkar simpönsum. Útlitslegur munur milli okkar og simpansa skapast því frekar af ólíkri genastýringu í þroskun, fremur en af því hvaða DNA-raðir eru til staðar.^[2]

Þegar spendýrafóstur hefur myndað þéttan frumuklasa hafa fyrst skapast aðstæður þar sem frumur geta skynjað mismunandi stöðu sína í fóstrinu: hvað snýr út og hvað inn (á vissan hátt markar það fyrstu ákvörðunina í okkar lífi). Frumur í miðjunni hafa nágranna á öllum hliðum, en frumurnar yst hafa engan nágranna út á við og þannig safnast ákveðnar sameindir frekar fyrir á ytri jaðrinum og mynda skautun í ytri frumunum (eða sem sagt misdreifingu þessara sameinda yfir frumuna). Með þessari fyrstu aðgreiningu milli fruma í fóstrinu hafa frumurnar verið sendar í ákveðinn farveg og framhaldið byggir á sí nákvæmari skilaboðum sem að lokum sérhæfa frumuna endanlega í eina af yfir 200 frumugerðum líkamans. Þessum kerfum er stýrt af svo mikilli nákvæmni að það er lyginni líkast að heilbrigður einstaklingur skuli nokkurn tímann fæðast. Framan af hafa frumurnar aðeins verið lauslega markaðar og geta enn „skipt um skoðun,“ til dæmis ef fruma yrði færð um stað og fengi þá ný skilaboð frá nýja umhverfinu. Þannig gæti fruma sem stefnir á að verða vöðvafruma verið færð í umhverfi fruma sem fá taugasértæk skilaboð og „skipt um skoðun.“ Hins vegar ef hún hefur ákveðið (næsta skref í frumusérhæfingu) að mynda taugafrumu mun hún halda því til streitu hvar sem er.^[3]

Til viðbótar við það að vita hvað hún á að verða, þarf fruma að vita hvert hún á að fara. Það er ekki svo að fruma neðst í fóstrinu myndi ökkla og efst myndi þær eyra. Þegar þrjár gerðir fruma hafa myndast í fóstrinu, eða þrjú lög (innlag, miðlag, og útlag) hefst heilmikill leiðangur fruma þangað sem þeirra úthlutaði vefur skal myndast. Árið 1955 framkvæmdu vísindamennirnir Philip L. Townes og Johannes Holtfreter tilraun þar sem þeir leystu sundur frumur fósturs og blönduðu saman í einn graut – og viti menn, frumurnar fundu sinn stað á nýjan leik! Vefirnir aðgreina sig frá hvorum öðrum og þekja færir sig út á meðan innri vefir færa sig innar. Hvernig má það vera? Svarið má að miklu leyti finna í varmafræði. Frumur með hærri yfirborðsspennu sækja inn, en þær með lægri yfirborðsspennu sækja út. Nákvæmari skýring felst í ákveðnum viðloðunarsameindum á yfirborði fruma, sem eru í mismunandi samsetningu og mismiklu magni milli frumugerða.^[4]

Mega frumur skipta um starfsvettvang? Gjarnan er fjallað um frumusérhæfingu sem einstefnugötu. Ýmsar tegundir hafa ótrúlegan eiginleika til að endurmynda útlimi og jafnvel stóran hluta líkama síns. Tapi salamandra útlim, afsérhæfast líkamsfrumur við sárið til að endurmynda útliminn.^[5] Árið 2012 fengu japanski vísindamaðurinn Shinya Yamanaka og breski vísindamaðurinn Sir John B. Gurdon Nóbelsverðlaunin fyrir að uppgötva það hvernig má afsérhæfa líkamsfrumur í fjölhæfar stofnfrumur, sem síðan má endursérhæfa í hvaða líkamsfrumu sem er. Þessu má ná fram með ótrúlega einföldum hætti, eða með því að fóðra frumurnar með einungis fjórum mismunandi umritunarþáttum, sem fengu viðurnefnið Yamanaka-þættir. Þessar uppgötvanir sýndu jafnframt með óyggjandi hætti að þrátt fyrir að líkamsfrumur hegði sér með afmörkuðum hætti og tjái ákveðin gen (og í ákveðnu magni) beri allar líkamsfrumur samt sem áður upplýsingar til að sinna hlutverki hvaða líkamsfrumu sem er.^[6]

Tilvísanir:

1. ^ Barresi, M. J. F. & Gilbert, S. F. (2023). Developmental biology (13th ed.) Oxford University Press.
2. ^ Reilly, S. K. & Noonan, J. P. (2016). Evolution of Gene Regulation in Humans. Annual Review of Genomics and Human Genetics, 17, 45-67. https://doi.org/10.1146/annurev-genom-090314-045935
3. ^ Barresi & Gilbert, 2023.
4. ^ Barresi & Gilbert, 2023.
5. ^ Tsonis, Panagiotis. (2008). Stem Cells and ßλατημa Cells. Current Stem Cell Research & Therapy, 3(1), 53–54. https://doi.org/10.2174/157488808783489408
6. ^ Nobel Prize Outreach AB. (2012). Nobel Prize in Physiology or Medicine 2012. https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2012/summary/

Myndir:

• Yfirlitsmynd: CDC/ Dr. Mae Melvin. (1982). Fertilized egg of Ascaris lumbricoides PHIL 410 lores.jpg. Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org
• Niña Sesina. (1954, 17. maí). Zygote1.jpg. Wikimedia Commons. Birt undir CC BY-SA 4.0 leyfi. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Zygote1.jpg
• IchaJaroslav. (2015, 30. nóvember). Development of the retina.tif. Wikimedia Commons. Birt undir CC BY-SA 4.0 leyfi. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Development_of_the_retina.tif

...