Organismi arengut kontrollivad mitte ainult geenid, vaid ka signaalide süsteem, mida rakud üksteisele saadavad. Isegi geneetiliste mutatsioonide puudumisel võivad esineda rakulised katastroofid, mis võivad põhjustada vähki. "Lenta.ru" tutvus arXiv.org hoidlas avaldatud artikliga, milles bioloogid selgitavad, miks see juhtub.
Tüvirakud (SC) mängivad olulist rolli embrüogeneesis - organismi, selle kudede ja elundite arengu protsessis embrüo perioodil. Need toimivad teatud funktsioone täitvate rakkude allikana: neuronid juhivad inimese ajus elektrilisi impulsse, lihasrakud võimaldavad kehal liikuda, enterotsüüdid on seedimisel olulised. Ilma nendeta pole kudede regenereerimine ja kahjustatud rakkude asendamine võimatu. Tüvirakke on palju erinevaid, igal neist on oma roll. Hematopoeetilistes tüvirakkudes tekivad lümfotsüüdid, erütrotsüüdid ja trombotsüüdid, multipotentsed mesenhümaalsed stroomarakud loovad luu-, kõhre- ja rasvkoe ning koespetsiifilised eellasrakud pakuvad rakkude populatsioonide uuenemist erinevates elundites.
Embrüonaalsed tüvirakud (ESC-d) moodustavad embrüo keha selle arengu varases staadiumis (paar päeva pärast viljastamist). Need võivad olla täiskasvanu organismi igat tüüpi rakkude aluseks (eristada). Seda omadust nimetatakse pluripotentsuseks. Kuid aja jooksul põhjustavad biokeemilised signaalid kõik ESC-d kas normaalseteks või sünnijärgseteks tüvirakkudeks, millel on piiratud diferentseerumisvõime (multipotentsus). Ei ole teada, kas täiskasvanutel on embrüonaalsete rakkude populatsioone, kuid teadlased suudavad fibroblastid ümber programmeerida, andes neile pluripotentsuse (indutseeritud tüvirakud).
Kudede areng kahest tüvirakust (tähistatud punasega)
Pilt: Eric Werner / Oxfordi ülikool
Kudede areng arenguvõrgu häirete korral
Reklaamvideo:
Pilt: Eric Werner / Oxfordi ülikool
Kahjuks aitavad tüvirakud rohkem kui aidata meie kehal kahju parandada. Tõsise talitlushäire korral algab kontrollimatu jagunemine - tekib pahaloomuline kasvaja. Seda näidati 2012. aastal, kui glioblastoomi kartsinoomi proovides leiti väike vähi tüvirakkude (CSC) populatsioon. Need on tavalistest praktiliselt eristamatud, kuid tervislike kudede loomise asemel moodustavad nad kasvaja keha, aga ka metastaasid. Kui vähktõbe hävitavate ravimite abiga RAC-i mõjutamata on tõenäoline retsidiiv.
Kuidas tüvirakud, millel on täpselt samad geenikomplektid, otsustavad, milliseks rakuks muutuda? Mis on vähi tüvirakkude moodustumise põhjused? Oxfordi ülikooli geneetik Eric Werner pakkus välja arenguvõrgustike teooria. See on abstraktne matemaatiline mudel, mis kirjeldab tüvirakkude aktiivsust ja muutusi. Tüviraku jagunemisel tekitab see kaks uue põlvkonna SC. Üks neist jääb samaks kui põhirakk ja teisel on hierarhias erinev staatus. Mõlema raku aktiivsete geenide komplektid erinevad sellest, et rakud mõjutavad üksteist, ja see määrab nende positsiooni arenguvõrgus.
Tüvirakkude paljundamine erineva tõenäosusega eellasrakkude teisendamiseks tüvirakkudeks
Pilt: Eric Werner / Oxfordi ülikool
Tüvirakud, mis on võimelised tootma teisi tüvirakke, hõivavad hierarhias kõrgeima positsiooni (meta-tüvirakud). SC-d, mis moodustavad mitte tüvirakke (tavalised naha-, luu- või juukserakud), on esmajärgulised SC-d. Teise järgu SC-d toodavad esimese astme tüvirakke. Ja kolmanda järgu SC-d viivad teise ja esimese järgu lahtrite ilmumiseni. Selle tulemusel moodustub keeruline skeem, mille abil on võimalik ennustada, kuidas toimub koe, elundi või kogu organismi areng.
Põhimõtteliselt on vähi tüvirakkudel sama arengumudel, mis muudab nad tervislikest SC-st eristamatuks. Neid reguleerivad samad metaboolsed võrgud, kuid nende fenotüüp (bioloogiliste omaduste kogum) on täiesti erinev. Võimalik põhjus on RAC-i ebanormaalne asukoht globaalses võrgus, mis kontrollib kogu organismi arengut.
Esimese astme (ülal) ja teise (all) rakkude transformatsioonide skeem
Pilt: Eric Werner / Oxfordi ülikool
Arendusvõrgustike teoorias juhtub järgmine. Esimese astme tüvirakud võivad moodustuda igal ajal. Mõlemad neist toodavad kahte rakku, millest üks on esimese astme SC (A) ja teine ei ole tüvirakk (B). Selgub, lineaarne vooluahel ühe tagasivaatega. Juhus aga sekkub ja ühes tütarrakkudes tekib mutatsioon, hävitades algselt range skeemi ja luues keeruka võrgu. Näiteks võib B teatud tõenäosusega muutuda A-ks ja hakata kontrollimatult jagama. Või genereerib esimese järgu SC kaks A-d, mis põhjustab ka plahvatusohtlike rakkude kasvu.
Teisisõnu, isegi terved tüvirakud on ohtlikud. Nad saavad teatud signaalide komplekti, mis määrab nende edasise tee. Kogu lahtrite ja signaalide komplekt moodustab ühise arenguvõrgu. Mingil põhjusel võib tavaline lineaarne võrk muutuda ohtlikuks eksponentsiaalseks võrguks täiendava tagumise ahela lisamise tõttu. Teadlaste sõnul juhtub see ajukasvajate (glioblastoom), luuüdi vähi (äge müeloidne leukeemia ja äge lümfoblastiline leukeemia) korral, kus aeglaselt paljunevad regeneratsiooni eest vastutavad tüvirakud hakkavad järsku kontrollimatult jagunema.
Aleksander Enikejev
