2659242004

1 Wstęp

1.1 Cel pracy

Celem tej pracy jest analiza procesu różnicowania się komórek. By go osiągnąć, proponujemy i porównujemy różne modele matematyczne tego zjawiska.

1.2 Proces różnicowania się komórek

Komórka jest to podstawowa jednostka organizacyjna złożonych organizmów żywych. Tożsamość komórki (czyli jej typ i zadania które wykonuje) jest określona kilkoma czynnikami, głównie informacją genetyczną. Informacja genetyczna jest zapisana przede wszystkim w jądrze komórki w DNA i wykorzystywana do produkcji białek. Fragmenty DNA kodujące pojedyncze białka zwane są genami. Wszystkie komórki danego osobnika (z nielicznymi wyjątkami np. komórek układu odpornościowego lub czerwonych ciałek krwi), mają taką samą informację genetyczną zapisaną w DNA i dlatego mogą wytworzyć potencjalnie ten sam zestaw białek. Co zatem powoduje, że komórki się między sobą różnią? Dlaczego komórki nerwowe są tak odmienne od komórek skóry? Przyczyna leży w zjawisku zwanym ekspresją genów. Różna ekspresja genów w różnych rodzajach komórek oznacza, że jeden typ komórek wytwarza nieco inne białka niż inny typ. Jak to jest możliwe mimo tej samej informacji genetycznej?

Są dwa etapy przetwarzania informacji genetycznej: DNA—> mRNA (transkrypcja) oraz mRNA —> białko (translacja). Przyjrzyjmy się molekularnym mechanizmom tych procesów. DNA jest to nić składająca się z połączonych ze sobą nukleotydów, które stanowią kod genetyczny. Etap transkrypcji (przepisywania) rozpoczyna się od tego, że duży enzym zwany polimerazą RNA przyłącza się do DNA na początku genu. Następnie, polimeraza RNA przesuwa się wzdłuż nici DNA, odczytując sekwencję nukleotydów. Jednocześnie zapisuje tę sekwencję w postaci nowej nici, zwanej mRNA. mRNA jest z kolei transportowane poza jądro, gdzie znajdują się rybosomy. Rybosomy przekształcają informację zawartą w kodzie RNA na połączoną sekwencję aminokwasów. By następnie powstało funkcjonalne białko, nici aminokwasowe są zwijane i łączone z elementami nieaminokwa-sowymi.

Ilość wyprodukowanego białka zależy m.in. od łatwości dostępu do genu i szybkości transkrypcji. Łatwość dostępu do genu wiąże się z zatłoczeniem danego miejsca. Podwójna nić DNA jest nawinięta na specjalne białka, zwane histonami. Acetylacja i metylacja histonów (czyli obecność dodatkowych grup metylowych lub acetylowych przyłączonych w pewnych miejscach do histonów) powoduje, że ta struktura jest mniej lub bardziej skondensowana, co ułatwia lub utrudnia dostęp do genu. Szybkość transkrypcji zależy z kolei od obecności czynników transkrypcyjnych. Czynniki transkrypcyjne są to białka, które przyłączają się do początkowej części genu i w ten sposób ułatwiają lub utrudniają inicjację transkrypcji. Ich obecność zależy m.in. od stopnia metylacji DNA. Dalsza część procesu odbywa się poza jądrem komórkowym i jest zależna głównie od aktualnych lokalnych stężeń różnych substancji w cytoplazmie (tzn. poza jądrem).

Podsumowując, o tożsamości komórki stanowią (por. [1]):

• Cechy krótkoterminowe, to znaczy lokalny skład białek, jonów i innych cząsteczek w danej 2