การกำหนดชะตากรรมในชีววิทยาการพัฒนาคือการพัฒนาเฉพาะของเซลล์ประเภท ใดประเภทหนึ่ง ในตัวอ่อน กระบวนการหลายอย่างเกิดขึ้นในระดับโมเลกุลเพื่อสร้างสิ่งมีชีวิต กระบวนการเหล่านี้รวมถึงการเพิ่มจำนวนเซลล์การแบ่งแยกการเคลื่อนที่ของเซลล์^{[ 1 ]}และการตายของเซลล์ตามโปรแกรม^{[ 2 ] [ 3 ]}

แต่ละเซลล์ในตัวอ่อนจะได้รับสัญญาณโมเลกุลจากเซลล์ข้างเคียงในรูปแบบของโปรตีน อาร์เอ็นเอ และแม้แต่การโต้ตอบบนพื้นผิว สัตว์เกือบทั้งหมดจะผ่านลำดับเหตุการณ์ที่คล้ายคลึงกันในช่วงการพัฒนาในระยะแรก ซึ่งเป็นกระบวนการที่ได้รับการอนุรักษ์ไว้ที่เรียกว่าการเกิดตัวอ่อน^{[ 4 ]}ในระหว่างการเกิดตัวอ่อน เซลล์จะอยู่ในชั้นเนื้อเยื่อ ต้นกำเนิดสามชั้น และผ่านกระบวนการเกิดแกสตรูเลชัน แม้ว่าการเกิดตัวอ่อนจะได้รับการศึกษามานานกว่าศตวรรษ แต่เพิ่งเมื่อไม่นานมานี้ (ประมาณ 25 ปีที่ผ่านมา) ที่นักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่า โปรตีนและเอ็มอาร์เอ็นเอชุดพื้นฐานเดียวกันมีส่วนเกี่ยวข้องในการเกิดตัวอ่อน

การอนุรักษ์เชิงวิวัฒนาการเป็นหนึ่งในเหตุผลที่สิ่งมีชีวิตต้นแบบ เช่น แมลงวันผลไม้ ( Drosophila melanogaster ) หรือหนูบ้าน ( Mus musculus ) ถูกนำมาใช้ในการศึกษาการเกิดตัวอ่อนและชีววิทยาการพัฒนา การศึกษาสิ่งมีชีวิตต้นแบบให้ข้อมูลที่เกี่ยวข้องกับสัตว์อื่นๆ รวมถึงมนุษย์ ในขณะที่ศึกษาระบบต้นแบบต่างๆ พบว่าชะตากรรมของเซลล์ถูกกำหนดโดยกลไกหลายอย่าง ซึ่งสองในนั้นได้แก่ การรวมกันของปัจจัยการถอดรหัสและการโต้ตอบระหว่างเซลล์^{[ 5 ]}

กลไกการกำหนดชะตากรรมถูกจัดประเภทออกเป็น 3 ประเภท ได้แก่ การกำหนดชะตากรรมแบบอิสระ การกำหนดชะตากรรมแบบมีเงื่อนไข และการกำหนดชะตากรรมแบบซิงไซเทียล การวิจัยเกี่ยวกับการกำหนดชะตากรรมของเซลล์ส่วนใหญ่ทำผ่านการทดลอง 2 ประเภท ได้แก่ การทำลายและการปลูกถ่าย^{[ 6 ]}ผลการค้นพบจากการทดลองเหล่านี้มีส่วนช่วยในการเปิดเผยชะตากรรมของเซลล์ที่ศึกษา

การพัฒนาเครื่องมือโมเลกุลใหม่ๆ รวมถึงGFPและความก้าวหน้าครั้งสำคัญในเทคโนโลยีการถ่ายภาพเช่นกล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนต์ทำให้สามารถทำแผนที่ลำดับเซลล์ของCaenorhabditis elegansตั้งแต่ตัวอ่อนได้ [ ^{7 ] [ 8 ] การ}ทำแผนที่ชะตากรรมใช้เพื่อศึกษาเซลล์ขณะที่พวกมันแตกต่างและได้รับหน้าที่ที่กำหนด การสังเกตเซลล์เพียงอย่างเดียวขณะที่มันแตกต่างระหว่างการ เกิดตัวอ่อน ไม่ได้บ่งชี้ถึงกลไกที่ขับเคลื่อนการกำหนด อย่างไรก็ตาม การใช้เทคนิคโมเลกุล รวมถึงการลดการแสดงออกของยีนและโปรตีน การกำจัดยีน และการแสดงออกเกิน ช่วยให้สามารถตรวจสอบกลไกของการกำหนดชะตากรรมได้^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]} การปรับปรุงเครื่องมือการถ่ายภาพ รวมถึง กล้องจุลทรรศน์คอนโฟคอล แบบสดและกล้องจุลทรรศน์ความละเอียดสูงพิเศษ^{[ 14 ]}ช่วยให้เห็นภาพการเปลี่ยนแปลงระดับโมเลกุลในเซลล์ที่ถูกจัดการในการทดลองเมื่อเทียบกับกลุ่มควบคุม การทดลองปลูกถ่ายยังสามารถใช้ร่วมกับการจัดการทางพันธุกรรมและการติดตามสายพันธุ์ได้อีกด้วย เทคนิคการกำหนดชะตากรรมของเซลล์แบบใหม่ ได้แก่ การติดตามสายพันธุ์ที่ดำเนินการโดยใช้ หนูทรานส์เจนิก Cre-lox ที่เหนี่ยวนำได้ ซึ่งสามารถทำแผนที่ประชากรเซลล์เฉพาะได้โดยใช้ตัวบ่งชี้เช่นbrainbowซึ่งเป็นตัวบ่งชี้ที่มีสีสันซึ่งมีประโยชน์ในสมองและเนื้อเยื่ออื่นๆ เพื่อติดตามเส้นทางการแตกต่างของเซลล์^{[ 15 ]}

ในระหว่างการเกิดของตัวอ่อน เซลล์ทั้งหมดของตัวอ่อนจะมีความเท่าเทียมกันทั้งในด้านรูปร่างและพัฒนาการในการแบ่งเซลล์จำนวนหนึ่ง (จำนวนที่แน่นอนขึ้นอยู่กับชนิดของสิ่งมีชีวิต) ซึ่งหมายความว่าเซลล์แต่ละเซลล์มีศักยภาพในการพัฒนาที่เท่ากัน และเซลล์ทั้งหมดสามารถทดแทนกันได้ จึงทำให้เกิดกลุ่มความเท่าเทียมกันขึ้นความเท่าเทียมกันในการพัฒนาของเซลล์เหล่านี้มักจะถูกกำหนดโดยการทดลองปลูกถ่ายหรือการทำลาย เมื่อตัวอ่อนเจริญเติบโต การกำหนดชะตากรรมที่ซับซ้อนมากขึ้นจะเกิดขึ้นเมื่อเซลล์เกิดการเปลี่ยนแปลงไปเป็นเซลล์ชนิดอื่น เริ่มทำหน้าที่ที่เฉพาะเจาะจงมากขึ้น โดยทั่วไปแล้ว เมื่อเซลล์มีชะตากรรมที่กำหนดไว้และผ่านการเปลี่ยนแปลงของเซลล์แล้ว เซลล์เหล่านั้นจะไม่สามารถกลับไปสู่สถานะที่ไม่เฉพาะเจาะจงได้ อย่างไรก็ตาม งานวิจัยที่กำลังเกิดขึ้นใหม่บ่งชี้ว่าการลดระดับการเปลี่ยนแปลงของเซลล์เป็นไปได้ภายใต้เงื่อนไขบางประการ รวมถึงการสมานแผลและมะเร็ง^{[ 16 ] [ 17 ]}

การกำหนดชะตากรรมของเซลล์สามารถแบ่งออกได้เป็นสองสถานะ คือ เซลล์อาจถูกระบุ (มุ่งมั่น)หรือถูกกำหนดในสถานะที่มุ่งมั่นหรือถูกระบุ ประเภทของเซลล์ยังไม่ถูกกำหนด และความโน้มเอียงใดๆ ที่เซลล์มีต่อชะตากรรมบางอย่างสามารถกลับทิศทางหรือเปลี่ยนไปเป็นชะตากรรมอื่นได้ หากเซลล์อยู่ใน สถานะ ที่ถูกกำหนดชะตากรรมของเซลล์จะไม่สามารถกลับทิศทางหรือเปลี่ยนแปลงได้ โดยทั่วไปแล้ว หมายความว่าเซลล์ที่ " ถูกกำหนด " ให้เป็นเซลล์สมองไม่สามารถ "แยกตัว" ไปเป็นเซลล์ผิวหนังได้ การกำหนดจะตามมาด้วยการแยกตัว ซึ่งเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงทางชีวเคมี โครงสร้าง และหน้าที่ที่ส่งผลให้เกิดเซลล์ประเภทเฉพาะ การแยกตัวมักเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงทั้งรูปลักษณ์และหน้าที่^{[ 18 ]}

โดยทั่วไปแล้ว เซลล์สามารถถูกกำหนดให้มีชะตากรรมเฉพาะได้ 3 วิธี ได้แก่ การ กำหนด แบบอิสระการกำหนดแบบมีเงื่อนไขหรือการกำหนดแบบซิงไซเทียล^{[ 19 ]}

การกำหนดลักษณะแบบอัตโนมัติเป็นกลไกที่เซลล์ตัวอ่อนพัฒนาไปตามคำสั่งภายในที่สืบทอดมา แทนที่จะเป็นสัญญาณภายนอก การกำหนดลักษณะประเภทนี้มีส่วนช่วยในการพัฒนาแบบโมเสกซึ่งแต่ละบุคคลจะปฏิบัติตามโปรแกรมที่ได้รับการออกแบบทางพันธุกรรม คุณสมบัติภายในเซลล์เกิดขึ้นจากการแบ่งเซลล์ที่มีตัวกำหนดไซโตพลาสซึม ของมารดาที่แสดงออกอย่างไม่สมมาตร (โปรตีน อาร์เอ็นเอควบคุมขนาดเล็ก และเอ็มอาร์เอ็นเอ) ดังนั้น ชะตากรรมของเซลล์จึงขึ้นอยู่กับปัจจัยที่หลั่งออกมาในไซโตพลาสซึมระหว่างการแบ่งเซลล์ การกำหนดลักษณะแบบอัตโนมัติได้รับการพิสูจน์ครั้งแรกในปี 1887 โดยนักศึกษาแพทย์ชาวฝรั่งเศส Laurent Chabry ซึ่งสังเกตว่าบลาสโตเมียร์จากตัวอ่อนของสัตว์ทะเลเปลือกแข็งยังคงสร้างโครงสร้างที่คาดหวังได้แม้ว่าจะแยกออกมาแล้วก็ตาม ซึ่งบ่งชี้ว่า "คำสั่ง" สำหรับชะตากรรมของเซลล์นั้นมีอยู่แล้วภายในเซลล์เอง^{[ 20 ] [ 21 ]} การแบ่งเซลล์แบบไม่สมมาตรดังกล่าวมักเกิดขึ้นในช่วงต้นของการเกิดตัวอ่อน

วงจรป้อนกลับเชิงบวกยังสามารถเสริมสร้างรูปแบบภายในเหล่านี้ได้ โดยเปลี่ยนความไม่สมมาตรเล็กน้อยให้กลายเป็นผลลัพธ์การพัฒนาที่เสถียร เมื่อการป้อนกลับเริ่มต้นขึ้น สัญญาณเริ่มต้นเล็กๆ น้อยๆ ใดๆ ก็จะถูกขยายใหญ่ขึ้น และทำให้เกิดกลไกการสร้างรูปแบบที่มีประสิทธิภาพ^{[ 22 ]} โดยปกติแล้วนี่คือสิ่งที่เกิดขึ้นในกรณีของการยับยั้งด้านข้างซึ่งเซลล์ข้างเคียงจะเหนี่ยวนำให้เกิดการกำหนดลักษณะเฉพาะผ่านสัญญาณยับยั้งหรือเหนี่ยวนำ (ดูการส่งสัญญาณ Notch ) การ ป้อนกลับเชิงบวกประเภทนี้ในระดับเซลล์เดี่ยวและระดับเนื้อเยื่อเป็นสาเหตุของการทำลายสมมาตรซึ่งเป็นกระบวนการแบบทั้งหมดหรือไม่มีเลย กล่าวคือ เมื่อสมมาตรถูกทำลาย เซลล์ที่เกี่ยวข้องจะแตกต่างกันมาก การทำลายสมมาตรนำไปสู่ระบบสองสถานะที่เซลล์หรือเซลล์ที่เกี่ยวข้อง "จดจำ" สัญญาณในอดีตและมุ่งมั่นในเส้นทางการพัฒนาที่เฉพาะเจาะจง เซลล์ที่ถูกกำหนดไว้จะดำเนินต่อไปตามชะตากรรมเฉพาะของตนแม้หลังจากสัญญาณกระตุ้น/ยับยั้งเริ่มต้นหายไปแล้ว ทำให้เซลล์มีความทรงจำเกี่ยวกับสัญญาณนั้น^{[ 22 ]}

การทดลองที่เกี่ยวข้องกับการทำลายเซลล์ยังสนับสนุนแบบจำลองนี้เพิ่มเติม หากเกิดการทำลายเนื้อเยื่อจากเซลล์ใดเซลล์หนึ่ง เซลล์นั้นจะมีส่วนที่หายไป ส่งผลให้เนื้อเยื่อที่ถูกกำจัดออกไปนั้นถูกกำหนดขึ้นเองโดยอัตโนมัติ เนื่องจากเซลล์ไม่สามารถสร้างส่วนที่หายไปขึ้นมาใหม่ได้^{[ 19 ] [ 20 ] [ 23 ]}   ยิ่งไปกว่านั้น หากแยกเซลล์เฉพาะออกจากโครงสร้างทั้งหมดในจานเพาะเชื้อ เซลล์เหล่านั้นก็จะยังคงสร้างโครงสร้างหรือเนื้อเยื่อที่พวกมันตั้งใจจะสร้างตั้งแต่แรก^{[ 19 ] [ 20 ] [ 23 ]}กล่าวอีกนัยหนึ่ง การส่งสัญญาณเพื่อสร้างเนื้อเยื่อเฉพาะนั้นเกิดขึ้นภายในเนื้อเยื่อเอง ไม่ได้มาจากอวัยวะหรือระบบส่วนกลาง

ตรงกันข้ามกับการกำหนดคุณสมบัติแบบอิสระ การกำหนดคุณสมบัติแบบมีเงื่อนไขเป็นกระบวนการภายนอกเซลล์ที่อาศัยสัญญาณและการปฏิสัมพันธ์ระหว่างเซลล์หรือจากความเข้มข้นของมอร์โฟเจนการปฏิสัมพันธ์แบบเหนี่ยวนำระหว่างเซลล์ข้างเคียงเป็นรูปแบบที่พบได้บ่อยที่สุดของการสร้างรูปแบบเนื้อเยื่อ ในกลไกนี้ เซลล์หนึ่งหรือสองเซลล์จากกลุ่มเซลล์ที่มีศักยภาพในการพัฒนาเดียวกันจะได้รับสัญญาณ ( มอร์โฟเจน ) จากภายนอกกลุ่ม เฉพาะเซลล์ที่ได้รับสัญญาณเท่านั้นที่จะถูกเหนี่ยวนำให้ดำเนินไปตามเส้นทางการพัฒนาที่แตกต่างกัน โดยปล่อยให้เซลล์ที่เหลือในกลุ่มที่มีศักยภาพเท่ากันไม่เปลี่ยนแปลง กลไกอีกอย่างหนึ่งที่กำหนดชะตากรรมของเซลล์คือการกำหนดตามภูมิภาค (ดูการกำหนดคุณสมบัติตามภูมิภาค ) ดังที่ชื่อบ่งบอก การกำหนดคุณสมบัตินี้เกิดขึ้นตามตำแหน่งของเซลล์ภายในตัวอ่อน หรือที่เรียกว่าค่าตำแหน่ง^{[ 24 ]}สิ่งนี้ถูกสังเกตครั้งแรกเมื่อ นำ เมโซเดอร์มจากบริเวณต้นขาที่คาดว่าจะเกิดขึ้นของตัวอ่อนไก่มาปลูกถ่ายลงบนบริเวณปีก มันไม่ได้มีลักษณะของปีก แต่กลับพัฒนาเป็นโครงสร้างนิ้วเท้า ชะตากรรมของมันถูกกำหนดโดยสัญญาณเฉพาะที่จากสภาพแวดล้อมใหม่^{[ 25 ]}

ในเซลล์ที่กำหนดเงื่อนไข เซลล์ที่กำหนดจะต้องได้รับการส่งสัญญาณจากเซลล์ภายนอก ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเซลล์สามารถแสดงความยืดหยุ่นได้ตั้งแต่ช่วงต้นของการพัฒนา หากเนื้อเยื่อถูกทำลาย เซลล์ข้างเคียงจะสามารถสร้างใหม่หรือส่งสัญญาณเพื่อสร้างเนื้อเยื่อที่สูญเสียไปขึ้นใหม่ได้^{[ 19 ] [ 20 ] [ 23 ]}ตัวอย่างเช่น หากเนื้อเยื่อบริเวณหน้าท้องถูกนำออกและปลูกถ่ายที่หลัง เนื้อเยื่อนั้นอาจช่วยสร้างโครงสร้างด้านหลังแทนที่จะคงเอกลักษณ์เดิมไว้^{[ 19 ] [ 20 ] [ 23 ]}ผลลัพธ์นี้เกิดขึ้นเนื่องจากเซลล์และเนื้อเยื่อโดยรอบมีอิทธิพลต่อเซลล์ที่กำลังก่อตัวขึ้นใหม่ ความยืดหยุ่นนี้เป็นคุณลักษณะที่สำคัญของการกำหนดเงื่อนไขและเป็นพื้นฐานของกระบวนการสร้างใหม่และการชดเชยหลายอย่างในการพัฒนา

ข้อกำหนดประเภทนี้เป็นการผสมผสานระหว่างแบบอิสระและแบบมีเงื่อนไขที่เกิดขึ้นในแมลง วิธีนี้เกี่ยวข้องกับการทำงานของกราเดียนต์มอร์โฟเจนภายในซิงไซเทียมเนื่องจากไม่มีขอบเขตเซลล์ในซิงไซเทียม มอร์โฟเจนเหล่านี้จึงสามารถส่งผลต่อนิวเคลียสในลักษณะที่ขึ้นอยู่กับความเข้มข้น มีการค้นพบว่าการสร้างเซลล์ของบลาสโตเดอร์มเกิดขึ้นระหว่างหรือก่อนการกำหนดขอบเขตของร่างกาย^{[ 26 ]}นอกจากนี้ เซลล์หนึ่งเซลล์อาจมีนิวเคลียสมากกว่าหนึ่งนิวเคลียสเนื่องจากการรวมตัวของเซลล์ที่มีนิวเคลียสเดียวหลายเซลล์ ผลที่ตามมาคือการแบ่งตัวของเซลล์ที่แปรผันจะทำให้เซลล์ยากที่จะถูกกำหนดหรือระบุชะตากรรมของเซลล์ใดเซลล์หนึ่ง^{[ 23 ]}เมื่อสิ้นสุดการสร้างเซลล์ เซลล์ที่กำหนดแบบอิสระจะแตกต่างจากเซลล์ที่กำหนดแบบมีเงื่อนไข

การกำหนดชะตากรรมของเซลล์ได้รับอิทธิพลอย่างมากจาก กลไก เอพิเจเนติกส์ที่ควบคุมการแสดงออกของยีนโดยไม่เปลี่ยนแปลงลำดับดีเอ็นเอพื้นฐานการดัดแปลงเอพิเจเนติกส์เช่นการเมทิลเลชันของดีเอ็นเอการดัดแปลงฮิสโตนและการปรับโครงสร้างโครมาตินมีบทบาทสำคัญในการรักษาเอกลักษณ์ของเซลล์และชี้นำการแบ่งแยก^{[ 27 ]}โดยทั่วไปแล้ว การเมทิลเลชันของดีเอ็นเอจะยับยั้งการทำงานของยีน ในขณะที่การอะเซทิเลชันของฮิสโตนโดยทั่วไปจะช่วยเพิ่มการถอดรหัสโดยการคลายโครงสร้างโครมาติน^{[ 27 ]}ตัวปรับโครงสร้างโครมาตินทำงานโดยการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งของนิวคลีโอโซมแบบไดนามิก ทำให้บริเวณจีโนมเฉพาะสามารถเข้าถึงได้หรือไม่สามารถเข้าถึงได้โดยปัจจัยการถอดรหัส^{[ 28 ]}การเปลี่ยนแปลงเอพิเจเนติกส์เหล่านี้ถูกควบคุมโดยเครือข่ายของเอนไซม์ รวมถึงดีเอ็นเอเมทิลทราน สเฟอเรส ฮิสโตนอะเซทิลทรานสเฟอเรส และตัวปรับโครงสร้างโครมาติน ซึ่งตอบสนองต่อทั้งสัญญาณภายในและสัญญาณภายนอกจากสภาพแวดล้อมจุลภาคของเซลล์^{[ 29 ]}การปรับเปลี่ยนเช่นนี้กระตุ้นให้เซลล์ปรับตัวเพื่อตอบสนองต่อสัญญาณการพัฒนาหรือการเปลี่ยนแปลงของสิ่งแวดล้อม ซึ่งชี้ให้เห็นถึงบทบาทสำคัญของเอพิเจเนติกส์ในการควบคุมกระบวนการต่างๆ เช่น การกำหนดชะตากรรม

• การพัฒนาตัวอ่อนของพืช
• โซนิค เฮดจ์ฮ็อก
• ชีววิทยาระบบ