Процесс, в ходе которого клетка становится более специализированной по типу и функции.Дифференцировка клетки — это процесс, в ходе которого клетка, начинающая как неспециализированная, превращается в определённый тип клетки с конкретной задачей. Оплодотворённая яйцеклетка делится на клетки, которые изначально способны стать многими разными вещами; по мере развития эти клетки выбирают всё более узкие пути — мышечная клетка, клетка кожи, нейрон, эритроцит. Дифференцировка — это то, что превращает одну исходную клетку во множество различных тканей организма, и она продолжается у взрослых, где стволовые клетки в костном мозге, выстилке кишечника и коже восполняют изношенные клетки.
Центральная загадка в том, что дифференцированные клетки сохраняют тот же геном, что и яйцеклетка, из которой они произошли. Из ДНК ничего не теряется; меняется то, какие гены включены, а какие выключены. Нейрон и клетка печени содержат одинаковые инструкции, но читают разные их части. Таким образом, дифференцировка — это проблема регуляции: как клетка закрепляет pattern генной активности, подходящий её роли, и передаёт этот pattern своим потомкам.
Понимание дифференцировки важно для развития, для медицины и для биологии в целом. Ошибки в этом процессе лежат в основе нарушений развития и многих видов рака, при которых клетки теряют свою специализированную идентичность и возвращаются к неконтролируемому делению. Способность направлять или обращать дифференцировку также центральна для регенеративной медицины, где цель — вырастить замещающие клетки выбранного типа из стволовых клеток.
Концепция возникла в конце XIX и начале XX века, когда эмбриологи заметили, что клетки становятся визуально различными по мере развития эмбриона. Вопрос о том, связано ли это с потерей генетического материала, был решён в середине XX века, в частности экспериментами, показавшими, что ядро из дифференцированной клетки может обеспечить полноценное развитие. Открытие транскрипционных факторов и меток хроматина во второй половине XX века дало молекулярное объяснение.
Дифференцировка driven изменениями в генной активности, а не изменениями в последовательности ДНК. Сигнальные молекулы от соседних клеток и окружающей среды запускают специфические транскрипционные факторы — белки, которые связываются с ДНК и включают или выключают наборы генов. Эти факторы часто усиливают собственное производство и подавляют альтернативы, поэтому клетка, начавшая один путь, склонна оставаться на нём. Этот самоусиливающийся цикл — то, что делает идентичность клетки стабильной после установления.
Физическая основа закрепления лежит в хроматине. Гены, которые нужны, поддерживаются в открытых, доступных областях, в то время как гены для других клеточных судеб упакованы в закрытый хроматин и заглушены, иногда с химическими метками на самой ДНК. Поскольку эти метки копируются при делении клетки, pattern активных и неактивных генов наследуется дочерними клетками. Таким образом, дифференцировка — это прогрессивное сужение возможностей, записанное в том, как геном упакован и прочитан.
Центральное значение для исследований стволовых клеток и регенеративной медицины, где клетки направляют, чтобы они стали конкретными типами для терапии; также ключевая основа для понимания того, как возникают раки, когда клетки теряют свою специализированную идентичность.
Одна оплодотворённая яйцеклетка даёт начало сотням различных типов клеток в человеческом организме, все из которых несут практически одинаковую последовательность ДНК.