33 Frumufræðilegt skipulagsstig

3.6 Frumusérhæfing

Námsmarkmið

Að loknum þessum hluta áttu að geta:

fjallað um hvernig ósérhæfðar frumur í þroskandi fósturvísi eða stofnfrumur fullorðinnar lífveru sérhæfast í frumur með afmörkuð hlutverk
greint á milli flokka stofnfrumna

Hvernig þroskast flókin lífvera á borð við manninn úr einni frumu, frjóvguðu eggi, í allar þær fjölmörgu frumugerðir sem einkenna fullorðinn einstakling, svo sem taugafrumur, vöðvafrumur og þekjufrumur? Frumusérhæfing verður bæði á þroskaskeiðinu og á fullorðinsárum og við hana öðlast frumur endanlega formgerð og starfsemi. Sérhæfing er ferlið þar sem ósérhæfðar frumur verða að sérhæfðum frumum sem gegna afmörkuðum hlutverkum.

Stofnfrumur

Svonefnd stofnfruma er ósérhæfð fruma sem getur skipt sér án takmarkana eftir þörfum og við tilteknar aðstæður sérhæfst í frumur með afmörkuð hlutverk. Stofnfrumum er skipt í nokkra flokka eftir sérhæfingargetu þeirra.

Fyrstu fósturfrumurnar sem myndast þegar okfruman skiptir sér eru þær stofnfrumur sem hafa mesta sérhæfingargetu. Þær nefnast alhæfar vegna þess að þær geta sérhæfst í allar frumur sem þarf til að lífvera geti vaxið og þroskast.

Fósturfrumur sem þroskast af alhæfum stofnfrumum og eru forverar meginvefjalaga fósturvísisins flokkast sem fjölhæfar. Svonefnd fjölhæf stofnfruma getur sérhæfst í hvaða vefjagerð mannsins sem er en getur ekki ein og sér staðið undir fullum þroska lífveru. Þessar frumur sérhæfast síðan lítillega og nefnast þá marghæfar frumur.

Svonefnd marghæf stofnfruma getur sérhæfst í mismunandi frumugerðir innan tiltekinnar frumuættar eða fárra frumuætta, svo sem rauð eða hvít blóðkorn.

Að lokum geta marghæfar frumur sérhæfst enn frekar og orðið að fáhæfum frumum. Svonefnd fáhæf stofnfruma getur aðeins orðið að einni af fáeinum frumugerðum. Svonefnd einhæf fruma er aftur á móti fullsérhæfð og getur aðeins fjölgað sér og myndað fleiri frumur sömu tilteknu gerðar.

Stofnfrumur eru einstakar að því leyti að þær geta einnig haldið áfram að skipta sér og endurnýja stofnfrumuforðann í stað þess að sérhæfast frekar. Mismunandi stofnfrumur finnast á ólíkum æviskeiðum mannsins. Þar á meðal eru stofnfrumur fósturvísisins, stofnfrumur fósturs og stofnfrumur fullorðinna. Þekjustofnfruma er ein gerð stofnfrumu fullorðinna. Hún gefur af sér hyrnisfrumur sem mynda mörg lög þekjufrumna í yfirhúð húðarinnar. Í beinmerg fullorðinna eru þrjár aðskildar gerðir stofnfrumna: blóðmyndandi stofnfrumur, sem mynda rauð blóðkorn, hvít blóðkorn og blóðflögur (Mynd 3.34); æðaþelsstofnfrumur, sem mynda æðaþelsfrumurnar sem klæða blóð- og sogæðar; og bandvefsstofnfrumur, sem mynda mismunandi gerðir vöðvafrumna.

Flæðiritið sýnir hvernig blóðkímfruma, sem er stofnfruma, sérhæfist í mismunandi frumugerðir blóðsins. — **Mynd 3.34.** Við blóðmyndun sérhæfast marghæfar frumur í blóðfrumur og ónæmisfrumur. Marghæfar blóðmyndandi stofnfrumur mynda margar ólíkar frumugerðir, þar á meðal frumur ónæmiskerfisins og rauð blóðkorn.

Sérhæfing

Þegar fruma sérhæfist getur stærð hennar, lögun, efnaskiptavirkni og heildarstarfsemi breyst verulega. Allar frumur líkamans, allt frá frjóvgaða egginu, innihalda sama DNA. Hvernig verða mismunandi frumugerðir þá svo ólíkar? Svarið má skýra með handriti kvikmyndar. Allir leikarar kvikmyndarinnar lesa sama handritið en hver þeirra les aðeins sitt hlutverk. Á sama hátt innihalda allar frumur sama heildarsafn DNA en hver frumutegund „les“ aðeins þá DNA-hluta sem skipta máli fyrir hlutverk hennar. Í líffræði nefnist þetta sértækt genatjáningarmynstur hverrar frumutegundar.

Til að fruma sérhæfist að formgerð og starfsemi þarf hún aðeins að stýra því hvaða gen, og þar með hvaða prótein, eru tjáð og hver þeirra eru þögguð. Helsta leiðin til að „kveikja“ eða „slökkva“ á genum er fyrir tilstilli umritunarþátta. Svonefndur umritunarþáttur tilheyrir flokki próteina sem bindast tilteknum genum á DNA-sameindinni og örva eða hamla umritun þeirra (Mynd 3.35).

Skýringarmyndin sýnir hvernig umritunarþættir og síðan RNA-pólýmerasi bindast DNA-bút til að hefja umritun. — **Mynd 3.35.** Þótt hver líkamsfruma innihaldi allt erfðamengi lífverunnar stjórna mismunandi frumur genatjáningu með ýmsum umritunarþáttum. Umritunarþættir eru prótein sem hafa áhrif á bindingu RNA-pólýmerasa við tiltekið gen á DNA-sameindinni.

Tenging við daglegt líf

Stofnfrumurannsóknir

Markmið stofnfrumurannsókna er að finna leiðir til að nota stofnfrumur til að endurnýja frumur og bæta frumuskemmdir. Með tímanum slitna flestar frumur fullorðinna við öldrun og missa getuna til að skipta sér og gera við sig. Stofnfrumur hafa hvorki tiltekna formgerð né starfsemi. Stofnfrumur fullorðinna mynda lítinn undirhóp frumna í flestum vefjum. Þær halda áfram að skipta sér og geta sérhæfst í nokkrar af þeim frumugerðum sem viðkomandi vefur myndar að jafnaði. Þessar frumur gera líkamanum kleift að endurnýja og gera við vefi sína.

Ferlin sem fá ósérhæfða frumu til að verða að sérhæfðri frumu eru lítt þekkt. Á rannsóknarstofu er hægt að fá stofnfrumur til að sérhæfast í frumur með afmörkuð hlutverk með því að breyta eðlis- og efnafræðilegum vaxtarskilyrðum. Nokkrar uppsprettur stofnfrumna eru notaðar í tilraunum og þær eru flokkaðar eftir uppruna og sérhæfingargetu. Stofnfrumur úr fósturvísum manna (hESCs) eru teknar úr fósturvísum og eru fjölhæfar. Stofnfrumur fullorðinna sem finnast í mörgum líffærum og sérhæfðum vefjum, svo sem beinmerg og húð, eru marghæfar og geta aðeins sérhæfst í þær frumugerðir sem finnast í viðkomandi vefjum. Stofnfrumur úr naflastrengsblóði eru einnig marghæfar, líkt og frumur úr barnatönnum (mjólkurtönnum). Nýlega hafa vísindamenn myndað viðsnúnar fjölhæfar stofnfrumur (iPSCs) úr stofnfrumum fullorðinna músa og manna. Þetta eru marghæfar frumur fullorðinna sem hafa verið endurforritaðar erfðafræðilega og starfa eins og stofnfrumur fósturvísa. Þær geta myndað frumur sem einkenna öll kímlögin þrjú.

Vegna getu sinnar til að skipta sér og sérhæfast í frumur með afmörkuð hlutverk geta stofnfrumur hugsanlega nýst við meðferð sjúkdóma á borð við sykursýki og hjartasjúkdóma (Mynd 3.36). Frumumeðferð er meðferð þar sem stofnfrumur eru látnar sérhæfast í ræktunarskál og þeim síðan sprautað í sjúkling til að gera við skemmdar eða eyddar frumur eða vefi. Yfirstíga þarf margar hindranir áður en hægt er að beita frumumeðferð. Þótt stofnfrumur fósturvísa hafi nær ótakmarkaða sérhæfingargetu greinir ónæmiskerfi sjúklings þær sem framandi og þær kunna að valda höfnun. Auk þess vekur eyðing fósturvísa til að einangra stofnfrumur verulegar siðferðilegar og lagalegar spurningar.

Mynd 3.36. Geta stofnfrumna til að sérhæfast í frumur með afmörkuð hlutverk gerir þær hugsanlega verðmætar í meðferðum sem miða að því að koma í stað skemmdra frumna í mismunandi vefjum líkamans.

Ónæmiskerfi sjúklings greinir aftur á móti ekki stofnfrumur fullorðinna sem eru einangraðar úr honum sjálfum sem framandi, en sérhæfingargeta þeirra er takmörkuð. Sumir láta geyma naflastrengsblóð eða barnatennur barns síns í banka sem uppsprettu stofnfrumna til síðari nota ef barnið skyldi þurfa á þeim að halda. Viðsnúnar fjölhæfar stofnfrumur teljast álitleg framþróun á þessu sviði vegna þess að notkun þeirra sneiðir hjá lagalegum, siðferðilegum og ónæmisfræðilegum vandamálum sem fylgja stofnfrumum fósturvísa.

3.6 Frumusérhæfing

Námsmarkmið

Að loknum þessum hluta áttu að geta:

fjallað um hvernig ósérhæfðar frumur í þroskandi fósturvísi eða stofnfrumur fullorðinnar lífveru sérhæfast í frumur með afmörkuð hlutverk
greint á milli flokka stofnfrumna

Stofnfrumur

Svonefnd marghæf stofnfruma getur sérhæfst í mismunandi frumugerðir innan tiltekinnar frumuættar eða fárra frumuætta, svo sem rauð eða hvít blóðkorn.

Mynd 3.34. Við blóðmyndun sérhæfast marghæfar frumur í blóðfrumur og ónæmisfrumur. Marghæfar blóðmyndandi stofnfrumur mynda margar ólíkar frumugerðir, þar á meðal frumur ónæmiskerfisins og rauð blóðkorn.

Sérhæfing

Mynd 3.35. Þótt hver líkamsfruma innihaldi allt erfðamengi lífverunnar stjórna mismunandi frumur genatjáningu með ýmsum umritunarþáttum. Umritunarþættir eru prótein sem hafa áhrif á bindingu RNA-pólýmerasa við tiltekið gen á DNA-sameindinni.