細胞の特殊化または細胞分化は、体内の一般的な細胞を特殊な細胞に変換するプロセスです。
特殊化された細胞は、体内で特定の機能を果たすことができる。
細胞の特殊化は、多細胞生物において2つの段階で起こる。
胚発生期には、主に細胞質決定因子の細胞シグナル伝達により、細胞の特殊化が起こる。
成体発生においては、幹細胞は主に遺伝子発現の制御により様々な種類の幹細胞へと特化する。
本稿では、両発生段階における細胞の特殊化について述べる。
細胞の特殊化とは
細胞の特殊化とは、細胞が発生する際に、組織内の場所に基づいて分化することを指す。
多細胞生物内では、組織の修復時や通常の細胞のターンオーバー時に、細胞の特殊化が何度も起こります。
また、胚の中では、多細胞生物を発達させるために、細胞は様々なタイプに特化される。
このような細胞の特殊化について、図1に示す。
：図1: 細胞の特殊化
細胞の特殊化により、細胞の大きさ、形、代謝活性、膜電位、シグナルへの応答性が変化する。
細胞はどのように特殊化するのか？
生命の発生段階において、さまざまな種類の細胞の特殊化が観察される。
胚発生における細胞の特殊化
受精の概念である接合体は、1つの細胞から構成されている。
この細胞は、分裂を経て多くの細胞に分かれ、胚盤胞を形成する。
胚盤胞の細胞は全能性であり、胎盤の細胞だけでなく、体内のあらゆる種類の細胞に分化することが可能である。
8細胞期の細胞は、胚性幹細胞として知られている。
胚性幹細胞は多能性であり、動物の体内であらゆる種類の細胞に分化することができる。
植物の多能性細胞は分裂細胞として知られている。
この胚性幹細胞は、内胚葉、外胚葉、中胚葉という体の3つの胚葉に分化する。
胚葉の細胞は多能性であり、3つの胚葉のそれぞれから発生する体の対応する組織に分化することができる。
胚の発生を図1に示す。
図1: 胎教の発生
胚発生の過程で起こる細胞分裂は、非対称性細胞分裂の一種である。
非対称細胞分裂は、異なる発生運命を持つ娘細胞を生み出す。
細胞分裂が非対称になる主な理由は、細胞質決定因子と細胞シグナル伝達カスケードの違いによるものです。
細胞質決定因子は、親細胞の制御分子です。
シグナル伝達カスケードでは、特定の細胞がシグナル伝達分子を近隣の細胞に伝達することによって、その種類の細胞に成長するように誘導する。
成体発生における細胞の特殊化
多細胞生物は、体内で特定の機能を果たすために特化した、さまざまな種類の細胞を持っています。
特定の機能を果たす細胞は、組織へと配列される。
したがって、特定の組織は、定められた機能を持つ細胞で構成されている。
成人の体内の特化されていない細胞は、成人幹細胞として知られている。
図3は、造血幹細胞が血液中の特殊な細胞型に分化していく様子を示している。
図3：造血幹細胞の分化の様子
幹細胞から特殊な細胞を作り出す主なメカニズムは、エピジェネティックなメカニズムによる遺伝子発現の制御です。
したがって、細胞の種類は遺伝子発現のレベルで決定される。
さらに、遺伝子発現のパターンは世代を超えて維持されなければならない。
遺伝子発現の差は、ヒストン修飾とDNAメチル化レベルの差によって実現される。
一般に、胚性幹細胞と多能性成体幹細胞におけるDNAメチル化のパターンは同じです。
しかし、特殊な体細胞では異なる。
成体幹細胞は多能性であり、その多能性はOCT4、SOX2、NANGOと呼ばれる転写因子によって維持されている。
結論
細胞の特殊化とは、多細胞生物の体内で特定の機能を果たすために細胞が分化することである。
胚発生と成体発生では、異なるタイプの細胞特化が起こる。
胚発生期には、胚盤胞内の細胞は、細胞シグナル伝達と細胞質決定因子を通じて、異なる能力を持つ細胞に分化する。
成体発生では、遺伝子発現の制御により細胞の特殊化が起こる。
