تمایز سلولی چیست؟ — به زبان ساده

تمایز سلولی یا دگرگونی یاخته‌ای فرایندی است که از طریق آن سلول در بیان ژن دچار تغییر می‌شود تا به یک نوع از سلول‌های اختصاصی در بدن تبدیل شود. فرایند تمایز سلولی به ارگانیسم‌‌های چند سلولی اجازه می‌دهد تا انواع سلول‌ها را تولید کنند و روند تکامل هر گروه از سلو‌ل‌ها را به طور برنامه‌ریزی شده به پیش ببرند. فرایند تمایز سلول توسط ژنتیک و تعامل آن‌ها با محیط هدایت می‌شود.

همه ارگانیسم‌ها از یک سلول واحد متولد می‌شوند. این سلول واحد کدهای ژنتیکی مربوط به تمام پروتئین‌هایی كه توسط ارگانیسم بالغ بیان و سنتز می‌شوند را در DNA خود حمل می‌کند. با این حال، اگر این سلول تمام این پروتئین‌ها را به یکباره در سلول بیان کند، کاربرد خاصی برای آن نخواهد داشت. در واقع در مسیر رشد یک ارگانیسم، سلول اولیه باید به طور مکرر تقسیم شود و سلول‌های تولید شده از آن، باید همان طور که تقسیم می‌شوند، روند تمایز سلولی خود را نیز آغاز کنند. به این ترتیب است که رده‌های سلولی شروع به ظهور می‌کنند و سلول‌ها بیشتر و اختصاصی‌تر می‌شوند. سرانجام، یک ارگانیسم کامل با صد‌ها نوع سلول مختلف از این فرآیند «تمایز سلول» (Cellular Differentiation) تشکیل می‌شود.

انواع سلول‌ها‌ی بنیادی براساس توانایی تمایز سلولی

توده اصلی سلول‌ها که تمایز خاصی نداشته‌اند، به عنوان «سلول‌های بنیادی» (Stem Cells) شناخته می‌شوند. بر خلاف تقسیم سلولی طبیعی، که دو سلول دختر یکسان ایجاد می‌کند، تقسیم سلول‌های بنیادی تقسیم سلول‌های نامتقارن است. در این حالت، یکی از سلول‌ها با سلول‌های بنیادی والدین یکسان است و در سلول دیگر، محرک‌های شیمیایی روند تمایز سلول را فعال می‌کنند و سلول شروع به بیان DNA در جهت ایجاد یک نوع سلول اختصاصی می‌کند.

فیلم آموزش زیست شناسی سلولی Cell Biology در فرادرس

کلیک کنید

سلول‌های بنیادی که می‌توانند در کل ارگانیسم‌ها متمایز شوند، به عنوان سلول‌های بنیادی جنینی شناخته می‌شوند و به این سلول‌ها در زیست‌شناسی سلولی، سلول‌های «همه توان» یا «Totipotent Cell»» نیز می‌گویند، مفهوم همه توان به سلول‌هایی اشاره می‌کند که توانایی تقسیم شدن و تمایز به تمام انواع سلول‌های یک جاندار را داشته باشند.

در مقابل، بدن همچنین سلول‌های زیادی دارد که «سلول‌های پرتوان» (Pluripotent Cell) هستند. سلول‌های پرتوان قبلاً تحت تمایز سلولی قرار گرفته‌اند. این نوع از سلول‌های بنیادی فقط می‌توانند در یک محدوده از انواع سلول‌ها تقسیم و متمایز شوند.

سلول‌های پرتوان توانایی تبدیل شدن و تمایز به بافت‌های زیر را دارند:

• سلول‌های لایه اکتودرم (لایه خارجی جنین): این سلول‌ها قادر به تمایز به سلول‌های پوست و دستگاه عصبی هستند.
• سلول‌های لایه مزودرم (لایه میانی جنین): سلول‌های مزودرمی می‌توانند به بافت‌های عصبی، ماهیچه‌ای، چربی، خون و بافت پیوندی تبدیل شوند.
• سلول‌های لایه اندودرم (لایه داخلی جنین): لایه اندودرم قادر به تمایز به سلول‌های پانکراس، سلول‌های بافت ریوی و تیروئید هستند.

سلول‌های چند توان

سلول‌هایی که می‌توانند به انواع سلول‌های مختلف مربوط به یک بافت مشخص تمایز پیدا کنند را سلول‌های «چند توان» (Multipotent Cell) می‌نامند. به عنوان مثال، مغز استخوان شامل سلول‌های بنیادی سوماتیکی است که می‌توانند به انواع سلول‌های موجود در خون مانند گلبول‌های سفید، قرمز و پلاکت‌ها تبدیل شوند. این سلول‌ها برای دوباره تولید کردن سلول‌های خونی ضروری هستند.

سلول‌های تک توان

سلول‌های تک توان (Unipotent Cell) سلول‌های‌ بنیادی هستند که توانایی تمایز فقط به یک نوع  سلول را دارند. به عنوان مثال، سلول‌های پوستی یکی از فراوان‌ترین انواع سلول‌های بنیادی تک توان هستند. اپیتلیوم، بیرونی‌ترین لایه بافت پوست است که بر روی خود یک لایه بالایی از سلول‌های اپیتلیال مرده دارد. با گرفتن بخشی از سلول‌های بنیادی پوست از یک بیمار که در بخشی از پوست خود دچار آسیب سوختگی شده، می‌توان برای پیوند بر روی نواحی سوخته بدن او، لایه‌هایی از پوست ایجاد کرد.

نمونه‌هایی از تمایز سلول

در دو گروه جاندران پرسلولی مانند گیاهان و حیوانات به دلیل داشتن بافت‌ها و اندام‌های مختلف که با سلول‌های تخصصی کار می‌کنند، انواعی از تمایز سلولی روزانه اتفاق می‌افتد. در اینجا به ذکر مثال‌هایی از این تمایزهای سلولی در گروه‌های جانداران حیوانی و گیاهی می‌پردازیم.

تمایز در جانوران

پس از فرآیند لقاح در جانوران، یک ارگانیسم تک سلولی به نام «زیگوت» (Zygote) یا تخم تشکیل می‌شود. یک سلول زیگوت، سلولی است که توانایی تمایز به انواع سلول‌ها را دارد و در واقع زیگوت یک سلول همه توان است و در نهایت قادر است به یک ارگانیسم کامل تبدیل ‌شود. حتی بزرگترین حیوان روی کره زمین، نهنگ آبی نیز از یک سلول زیگوت واحد به وجود آمده است.

بافت‌های پیچیده و سیستم‌های اندام که از نظر شکل و عملکردشان کاملاً با یکدیگر متفاوت هستند، همه از سلول زیگوت تمایز پیدا کرده‌اند. روند تمایز سلول در شروع حیات زیگوت انجام می‌شود. به عنوان مثال، برای تشکیل بخش‌های گوارشی بدن، سلول‌ها شروع به بیان قسمت‌های خاصی از DNA می‌کنند و ژن‌ها و پروتئین‌هایی فعال می‌شوند که در روند تمایز سلول‌ها به سلول‌های دستگاه گوارشی نقش دارند.

این تغییرات اولین فرایند‌های خمیدگی (Folding) را درون جنین هدایت می‌کنند. همچنان که بافت‌ها به تشکیل خود ادامه می‌دهند، برخی از سلول‌ها شروع به ترشح هورمون‌ها یا محرک‌های شیمیایی می‌کنند که به سلول‌های مختلف واکنش نشان می‌دهند. سیگنال‌های هورمونی بیان DNA در قسمت‌های مختلف بدن را هدایت می‌کنند که باعث تمایز بیشتر سلول‌های آن بخش‌ها می‌شود. در انسان فقط کمی بیش از یک ماه طول می‌کشد تا یک سیستم قلبی و گردش خون ابتدایی شکل بگیرد.

با تشکیل سیستم‌ها، بسیاری از سلول‌های بنیادی قدرت خود را از دست می‌دهند، این امر خود بخشی از روند تمایز سلولی به شمار می‌آید. در واقع از دست دادن قدرت تمایز به سایر انواع سلول‌‌ها، به سلول‌های تخصصی موجود در یک سیستم یا اندام، امکان تولید سریع‌تر سلول‌های تخصصی را می‌دهد، این ویژگی است که ارگانیسم در حال رشد برای حفظ رشد خود به آن نیاز دارد. از طریق تمایز سلولی، بافت‌هایی کاملا متفاوت از هم مانند بافت مغز و ماهیچه از همان سلول منفرد زیگوت تشکیل می‌شوند.

تمایز در گیا‌هان

در حالی که چرخه عمر گیاه گاهی عجیب و پیچیده به نظر می‌رسد، روند تمایز سلولی در گیاهان بسیار شبیه جانوران است. در حالی که هورمون‌های گیاهی مختلفی در تمایز سلولی درگیر هستند، همه گیا‌هان نیز از یک سلول واحد تولید می‌شوند. یک بذر یا دانه به سادگی یک محفظه برای سلول زیگوت گیاهی تشکیل می‌دهد که علاوه بر محافظت، برای زیگوت مواد غذایی را نیز فراهم می‌کند. دانه در گیاهان بسیار شبیه تخم در دنیای حیوانات است. زیگوت در داخل دانه تحت تقسیم سلولی قرار می‌گیرد و به یک جنین کوچک تبدیل می‌شود. در شرایط آب و هوایی نامساعد روند رشد جنین در بذر متوقف می‌شود.

بعد از زمستان یا هر زمان که شرایط محیطی مناسب باشد، بذر رطوبت را از محیط دریافت می‌کند و روند توسعه را مجدداً آغاز می‌کند. در این مرحله جنین شروع به تشکیل دو مریستم خواهد کرد. مریستم بخش منحصر به فردی از سلول‌های بنیادی است که با رشد آن‌ها به بیرون از دانه، تمایز آن‌ها نیز آغاز می‌شود. یکی از این مریستم‌ها به سمت بالا برای تولید برگ و شاخه رشد می‌کند و دیگری به سمت پایین برای تمایز به ریشه حرکت می‌کند.

در ریشه، لایه‌ای از سلول‌ها در اطراف مریستم شکل گرفته و کلاهک ریشه را تشکیل می‌دهند. با حرکت ریشه‌ها در داخل خاک، این لایه از سلول‌ها از بین می‌روند و به طور مداوم توسط مریستم جایگزین می‌شوند. در قسمت داخلی مریستم، تمایز سلول در جهت دیگری اتفاق می‌افتد. هورمون‌ها و محیط در اینجا سلول‌ها را به سمت تمایز به بافت آوندی و سلول‌های پشتیبان هدایت می‌کنند. در نهایت همین سلول‌ها به آوندهایی تمایز می‌یابند که آب و مواد مغذی را به بخش‌های بالای گیاه منتقل می‌کنند.

روی سطح خاک، مریستم دیگر به روشی مشابه مریستم ریشه عمل می‌کند. همان طور که به سمت بالا سلول‌ها شروع به تقسیم می‌کنند، هم سلول‌های درونی و هم سلول‌های بیرونی ایجاد می‌شوند. سلول‌های درونی روند تمایزی مشابه ریشه دارند و بافت آوندی بیشتری ایجاد می‌کنند. در بخش بیرونی، سلول‌ها تحت تمایز سلولی قرار گرفته و به ساقه‌ها و برگ‌ها تبدیل می‌شوند.

این‌ بخش‌ها در گیاهان، معادل اندام‌های مختلف در جانوران محسوب می‌شوند و با سلول دانه اولیه (مانند زیگوت در جانوران) بسیار متفاوت هستند. به عنوان مثال، یک بلوط را در نظر بگیرید و آن را با درخت عظیم بلوط مقایسه کنید. یک بلوط نه تنها بسیار کوچک‌تر از درخت بلوط است، بلکه یک درخت بلوط انواع سلول‌های کاملاً متفاوت نیز دارد. این تغییر از یک دانه بلوط به درختی بزرگ و پیچیده می‌تواند تنها از طریق فرایند تمایز سلولی به وجود آید.

فرآیند تمایز سلولی

یکی از کلید‌های فرآیند تمایز سلولی، عوامل تنظیم کننده رونویسی DNA  به شمار می‌آیند. این هورمون‌ها و ترکیبات شیمیایی،نحوه فعالیت‌های DNA را تعیین می‌کنند. در واقع این عوامل مشخص می‌کنند که از کدام بخش از DNA رونویسی انجام شود و کدام بخش غیرفعال باقی بماند. وجود این فاکتورهای تاثیرگذار بر رونویسی و بیان ژن در سلول‌ها از بدو تولد تا مرگ توسط بدن و سلول‌های مجاور هر سلول تعیین می‌شوند.

فیلم آموزش زیست شناسی سلولی و مولکولی – مبانی و مفاهیم مقدماتی در فرادرس

کلیک کنید

به عنوان مثال، لوزالمعده یا تیروئید ممکن است هورمونی را آزاد کنند که پیامی برای رشد سلولی باشد. این هورمون عاملی را در سلول فعال می‌کند که به طور مستقیم بر پروتئین‌هایی که DNA را رونویسی می‌کنند، تأثیر می‌گذارد و در نهایت موجب افزایش رونویسی از DNA و رشد سلولی می‌شود. با این حال، هنگامی ‌که رشد سلول‌ها به حدی می‌رسد که سلول‌ها شروع به فشردن یکدیگر می‌کنند (کاهش فضای رشد)، سلول‌ها به یکدیگر سیگنال‌ها و پیام‌هایی ارسال می‌کنند که دیگر جایی وجود ندارد و در این زمان رشد سلولی متوقف می‌شود. بنابراین، فرایند تمایز سلولی تعداد زیادی ورودی و نتایج احتمالی دارد.

روند پیچیده تمایز سلولی هنوز توسط محققان این حوزه مورد مطالعه قرار دارد. دانشمندان پیشرفت‌های قابل توجهی در درک تمایز سلول‌ها داشته‌اند و این امر با بررسی و شناخت کامل جانداری به نام نماتد الگانس (Caenorhabditis Elegans) آغاز شده است. این موجود کوچک و کرم مانند، زمانی که به یک ماده بالغ تبدیل می‌شود، در مجموع 959 سلول دارد. با چنین تعداد سلول‌های کمی، ردیابی آن‌ها از زیگوت تا رسیدن به یک موجود بالغ نسبتاً آسان است. دانشمندان با ردیابی رده‌های سلولی این جاندار توانستند برخی از نیرو‌های پیچیده و اپی ژنتیکی را که در تمایز سلولی موثر هستند، تعیین کنند. به عبارت دیگر، با مطالعه سلول‌های نماتد دانشمندان توانسته‌اند در ک کنند که DNA سلول آن چه ژن‌های دارد و هر یک از این ژن‌ها در کجا و چگونه بیان می‌شوند.