Fyziologie buněčných systémů (diferenciace) A. Kozubík Biofyzikální ústav AVČR, v.v.i., (Oddělení cytokinetiky) Ústav experimentální biologie, PřF MU (Oddělení fyziologie a imunologie živočichů) Brno Rozdíly v expresi mRNA mezi různými typy lidských nádorových buněk Rozdíly v expresi proteinů u dvou lidských tkání (mozek a játra) Buněčné komponenty hematopoetického mikroprostředí (H.I.M.) v kostní dřeni (podle Knospe 1978) Buněčný typ předpokládaná funkce Endotelie sinusoidů zachycování kmenových buněk, výměna metabolitů uvolňování zralých buněk do cirkulace, část mikroprostředí umožňující buněčnou proliferaci Fibroblasty tvorba kolagenu, mukopolysacharidů, indukce diferenciace? Tukové buňky vyplění prostoru po zaniklé kostní dřeni, proliferace pluripotentních kmenových buněk Retikuloendotelové buňky, monocyty fagocytóza, tvorba CSF a jiných hemokininů indukce diferenciace? Endostální buňky tvorba CSF a jiných hemokininů kmenové buňky stromatu? Kost mechanická ochrana, tvorba hemokininů? Primární imunitní odpověď LYMFOPOÉZA PRIMÁRNÍ L.O. SEKUNDÁRNÍ L.O. (Lymfatické uzliny a slezina) Kostní dřeň Thymus –“thymové hormony“ Sekundární imunitní odpověď Recirkulující paměťové buňky s dlouhou dobou života T- lymfocyty Buněčná imunita Plazmatická buňka B lymfocyty Humorální (IG) imunita Pluripotentní buňka již neschopná vytvořit slezinnou kolonii 1 CFU-S - BFU-E - CFU-E - CFU-C - CFU-eozinofilů - CFU-Meg - CFU-makrofágů2 - CFU-BL3 - CFU-TL3 erytroblasty - myelocyty - megakaryocyty Přestupdokrve Morfologicky rozpoznatelné buňkyPluripotentní buňky Proliferující buňky Neproliferující buňky 100 % 50 % 0 % Hematopoetickébuňkykostnídřeně Schéma kvantitativního zastoupení různých prekurzorů krevních buněk v krvetvorné tkáni. 1Podle Gregorové a Henkelmana (1977); 2podle MacVittieho a Porvaznika (1978); 3nejsou odvozeny od CFU-S. Progenitorové erytroidní kmenové bunky BFU-E Zvýšená proliferace za erytro- poetického stresu CFU-E EP stimulace Obr. 23. Na obrázku je znázorněna zvýšená proliferace při erytropoetickém stresu, která může vést k značné expanzi kompartmentu progenitorových erytroidních kmenových buněk. Citlivost k erytropoetinu (EP) se objevuje až v pozdějších stádiích. Upraveno podle Schofielda a Lajthy (1977). Citlivost na erytropoetin BFU-E CFU-C Obr.27. Model humorálního řízení hemopoézy. Nejnezralejší buňky obsahují receptory k faktorům nezávislým na diferenciaci jednotlivých řad, jako je IL3. Při maturaci se postupně tyto receptory ztrácejí a objevují se specifické receptory pro humorální faktory jednotlivých řad [pro erytropoetin ( ) a pro CSF ( ) ]. Podle Iscova (1978) Kmenová buňka citlivé na erytropoetin citlivé na CSF citlivé na IL3 CFU-E Polyklonální charakter kostních buněk Přirovnání kmenové buňky ke stromu: a – kmenová buňka v embryonální podobě b – kmenová buňka v dospělosti a b b Attractor „cílový“ pohyb Limita je matematická konstrukce, vyjadřující, že se hodnoty zadané posloupnosti nebo funkce blíží libovolně blízko k nějakému bodu. Právě tento bod je pak označován jako limita. Trajektorie souvislá čára, kterou hmotný bod při svém pohybu opisuje, se nazývá trajektorie hmotného bodu. Attractor „cílový“ pohyb Některé pojmy Atraktory - vizualizace Jedním způsobem vizualizace chaotického pohybu, nebo opravdu libovolného typu pohybu, je vytvoření fázového diagramu pohybu. Jiný příklad Vyjádření – např pozice kyvadla vůči jeho rychlosti. Kyvadlo v klidu bude zobrazeno jako bod a kyvadlo v periodickém pohybu bude nakresleno jako jednoduchá uzavřená křivka. Když takový graf vytváří, uzavřenou křivku, křivka se nazývá orbita. Lorenzův atraktor popisuje pohyb systému ve stavovém prostoru. V matematice a fyzice se teorie chaosu zabývá chováním jistých nelineárních dynamických systémů, které (za jistých podmínek) vykazují jev známý jako deterministický chaos, nejvýznamněji charakterizovaný citlivostí na počáteční podmínky (viz motýlí efekt). Malá změna v počátečních podmínkách vede po čase k velmi odlišnému výsledku. V důsledku této citlivosti se chování těchto fyzikálních systémů, vykazujících chaos, jeví jako náhodné, i když model systému je deterministický v tom smyslu, že je dobře definovaný a neobsahuje žádné náhodné parametry. Příklady takových systémů zahrnují atmosféru, solární systém, tektoniku zemských desek, turbulenci tekutin, ekonomii, vývoj populace. Systémy, které vykazují deterministický chaos, jsou v jistém smyslu složitě uspořádané. Tím je význam slova v matematice a fyzice v jistém nesouladu s obvyklým chápáním slova chaos jako totálního nepořádku. Původ tohoto slova lze najít v řecké mytologii - viz chaos. Chaotický pohyb Abychom mohli klasifikovat chování systému jako chaotické musí sbýtystém vykazovat následující vlastnosti: citlivý na počáteční podmínky musí být topologicky tranzitivní jeho periodické orbity musí být husté Citlivost k počátečním podmínkám znamená, že dvě blízké trajektorie ve fázovém prostoru se s rostoucím časem rozbíhají (exponenciálně) !!!!!!. Systém se chová identicky pouze když jeho počáteční konfigurace je úplně stejná. Již při malých diferencích toto neplatí. Příkladem takové citlivosti je tzv. které ale v průběhu času mohou vést až k tak dramatickým změnám, jako je výskyt tornáda. Mávnutí křídel motýla zde představuje malou změnu počátečních podmínek systému, která ale způsobí řetěz událostí vedoucí k rozsáhlým jevům, jako jsou tornáda. Kdyby motýl nemávl svými křídly, trajektorie systému by mohla být zcela odlišná. 3D model Atraktor většina stavových trajektorií (drah hmotného bodu) se přibližuje a „obmotává“ nějakou obecnou limitu. Systém končí ve stejném pohybu pro všechny počáteční stavy v oblasti okolo tohoto pohybu, téměř jako by byl systém k tomuto pohybu (trajektorii fázového prostoru) přitahován (anglicky 'attracted'). Attractor „cílový“ pohyb 1 attractor (malá miokroheterogenita) 2 oddělené attractory Děje v buněčné diferenciaci growth factors receptor genes early later cell amino acids 18. cytokinesis 10. 9. 8. 2. 1. regulators hnRNA mRNA kinases/2nd messengers nucleus replitase proteins 15. (enzymes) 14. 13. 12. 11. 7. 6. 5. 4. 3. S G2 M17. 16.