سلول‌ها چگونه موقعیت خود و نقششان در بدن را می‌فهمند؟

خلاصه مقاله:

• رشد انسان از گروه کوچکی از سلول‌های توانمند آغاز می‌شود که می‌توانند به هر یک از اجزای بدن تبدیل شوند و با تقسیم و تخصصی شدن، ساختارهای پیچیده بدن شکل می‌گیرد.
• توانایی تخصصی شدن سلول‌ها مشابه مهارت‌های افراد در جامعه است و هر سلول باید بداند در کجا و چه چیزی شود تا عملکرد کلی سیستم بدن بهینه باشد.
• مورفوژن‌ها مولکول‌هایی هستند که گرادیان‌های غلظت ایجاد می‌کنند و سلول‌ها با واکنش به این گرادیان‌ها، ژن‌های خاصی را فعال می‌کنند تا خود را با موقعیتشان در بدن هماهنگ کنند.
• برای حفظ دقت، مورفوژن‌ها هم تولید و هم تخریب می‌شوند و سلول‌ها از مکانیسم‌هایی مانند تخریب موضعی مورفوژن‌ها استفاده می‌کنند تا موقعیت خود را دقیق‌تر تعیین کنند.
• سلول‌ها به‌طور مستقیم با یکدیگر اطلاعات رد و بدل می‌کنند تا هماهنگی لازم برای توسعه دقیق اندام‌ها و الگوهای پیچیده بدن حفظ شود.
• با وجود تمام این سازوکارها، خطاهایی مانند تشکیل تراتوم‌ها ممکن است رخ دهد و بدن از طریق مقایسه مورفوژن‌ها و استفاده از سیگنال‌های الکتریکی یا مکانیکی تلاش می‌کند خطاها را اصلاح کند.

رشد هر یک از ما از گروه کوچکی از سلول‌ها آغاز شده است که زمانی توانایی تبدیل شدن به هر یک از اجزای بدن را داشتند. به مرور که رشد کردیم، سلول‌ها تقسیم شدند و تخصصی شدند، اما چگونه سلول بر اساس موقعیتش، می‌داند که باید به سلول مغز، استخوان یا کبد تبدیل شود؟

توانایی تخصصی شدن در زمینه‌ای خاص برای هر جامعه‌ای از اهمیت بالایی برخوردار است. افراد سال‌ها وقت صرف می‌کنند تا در حوزه‌های محدود و خاص، مهارت‌های خود را به حد اعلا برسانند. در حالی که ممکن است از شخصیت‌هایی چون داوینچی که در چندین زمینه به طور همزمان برجسته هستند، تجلیل کنیم، اگر همه افراد به این رویکرد روی آورند، جامعه با چالش‌های جدی مواجه خواهد شد، چرا که کیفیت بیشتر کارها کاهش خواهد یافت.

هر موجود زنده، چه حیوان و چه گیاه، مشابه یک تمدن است. احتمالا سه میلیارد سال طول کشید تا زندگی شکل بگیرد و سلول‌ها توانایی سازمان‌دهی جمعی را پیدا کنند تا موجودات پیچیده‌تری به وجود آورند. علاوه بر عوامل خارجی مانند کمبود اکسیژن، بخشی از این چالش‌ها احتمالا به یافتن راهی برای اطمینان از اینکه هر سلول در جایگاه مناسب خود قرار گیرد، مربوط می‌شد. پس راه‌حل جادویی که به ما این امکان را داد به مجموعه ۳۰ تریلیون سلولی تبدیل شویم که هر کدام وظیفه خود را به درستی انجام می‌دهند، چه بود؟

پاسخ این سوال هنوز درحال کامل شدن است، اما در مرکز آن، گرادیان‌هایی (شیب غلظت) قرار دارند که توسط مولکول‌های خاصی به نام مورفوژن‌ها ایجاد می‌شوند. دی‌ان‌ای هر سلول طوری برنامه‌ریزی شده است که به فراوانی یک مورفوژن و همچنین به تغییرات آن در جهت‌های مختلف واکنش نشان دهد. هنگامی که این شرایط فراهم شود، مورفوژن‌ها سلول را تحریک می‌کنند تا ژن‌هایی را بیان کند که آن را به چیزی تبدیل کنند که برای آن موقعیت خاص لازم است.

این بدین معناست که مورفوژن‌ها نه تنها باید به طور مداوم تولید شوند، بلکه باید به طور پیوسته تخریب شوند تا گرادیانی حفظ شود که به اندازه کافی واضح باشد تا سلول‌ها بتوانند از آن برای هدایت خود استفاده کنند. برخی از گیرنده‌های سلولی مورفوژن‌ها را جذب کرده و آن‌ها را تخریب می‌کنند تا تعادلی برقرار شود که منجر به ایجاد یک گرادیان پایدار شود.

گرچه، گرادیان‌های مورفوژن نمی‌توانند تمام داستان باشند. از یک سو، حفظ این گرادیان به طور کاملاً پایدار کاری تقریباً غیرممکن است. اگر سلول‌ها هر بار که مورفوژن‌ها در یک نقطه بیش از حد جمع می‌شدند، جهت خود را گم می‌کردند، اوضاع ممکن بود به هم بریزد.

همان‌طور که آی‌اف‌ال ساینس توضیح می‌دهد، سلول‌ها روش‌های بسیار هوشمندانه‌ای برای مقابله با جنبه اندازه‌گیری پیدا کرده‌اند. به عنوان مثال، برخی از سلول‌ها همان مورفوژن‌هایی را که برای تعیین موقعیت خود به آن‌ها وابسته‌اند، تخریب می‌کنند. این کار در واقع نوعی تأیید دوباره یا گرفتن «نظر تکمیلی» است: اگر مطمئن نیستید گرادیان به کدام سمت می‌رود، مورفوژن‌های اطراف خود را تخریب کرده و منتظر می‌مانید تا سیگنالی از منبع برسد که تصویر واضح‌تری از موقعیت شما فراهم کند. گرچه، این روش ممکن است موقتاً باعث شود الگو برای سلول‌های دورتر از منبع سخت‌تر خوانده شود.

همان‌طور که لندر توضیح می‌دهد، این مورد نمونه‌ای از مجموعه پیچیده مصالحه‌هایی است که سلول‌ها هنگام تکیه بر اندازه‌گیری شیب غلظت‌ها با آن روبه‌رو می‌شوند؛ آن‌ها باید میان مقدار مورفوژن‌ها و دقت اندازه‌گیری تعادل برقرار کنند. او می‌گوید: «معمولاً راهکاری که عملکرد را در یک بخش بهتر کند، باعث افت عملکرد در بخش دیگری می‌شود.»