DIFFERENZIAMENTO

DIFFERENZIAMENTO
Negli organismi pluricellulari il differenziamento cellulare
assume una particolare importanza sia nell'individuo adulto
sia durante lo sviluppo quando vari tipi di cellule ( nervose,
muscolari, sanguigne, etc.) cominciano a differenziarsi nella
vasta gamma che caratterizzerà l'adulto.
Gli organismi multicellulari devono acquisire durante lo
sviluppo embrionale la specializzazione strutturale e
funzionale tipica delle loro diverse popolazioni cellulari e
conservarla per tutta la durata della vita.
STADI DELLO SVILUPPO
Uovo fecondato (zigote)
Segmentazione (blastomeri)
Morula
Blastocisti (annidamento)
I FOGLIETTI EMBRIONALI
Questi sono costituiti da cellule uguali dalle quali si
svilupperanno tutti gli organi dell’individuo adulto,
le cui cellule sono diverse per forma e funzione.
1) ECTODERMA (sistema nervoso epidermide e
derivati)
2) MESODERMA (app. scheletrico, muscolatura,
tessuto connettivo, app. circolatorio e urogenitale)
3) ENDODERMA (epitelio, vie respiratorie , tubo
digerente e ghiandole annesse)
ORIGINE DEI DIVERSI TIPI CELLULARI
DURANTE LO SVILUPPO
Nel corso dello sviluppo embrionale vengono generati molti
tipi di cellule a partire dall'uovo fecondato.
Il mezzo attraverso il quale le cellule eucariotiche si
differenziano è la capacità di "accendere e spegnere" alcuni
geni.
Le cellule attivano diversi gruppi genici a seconda della
posizione che occupano.
Questo fa sì che i diversi tipi di cellule di un embrione vengano
prodotti secondo uno schema spaziale regolare.
La formazione di questo schema di solito comincia con
asimmetrie esistenti nell'uovo e continua per mezzo di
interazioni cellula-cellula che avvengono nell'embrione.
I primi geni che vengono espressi sono i geni materni
detti geni di polarità dell'uovo: definiscono la polarità
dorso-ventrale e cefalo-caudale.
Successivamente vengono espressi i geni della
segmentazione: permettono la suddivisione
dell'embrione prima in 3 poi in 7 poi in 15 regioni e
infine i geni omeotici: hanno la capacità di accendere
e spegnere geni (mezzo attraverso il quale le cellule
eucariotiche si differenziano durante lo sviluppo).
I geni omeotici specificano le differenze tra i diversi
segmenti corporei e attribuiscono a ciascun segmento la
sua identità.
I geni omeotici codificano per proteine che legano il DNA
(fattori trascrizionali), quindi inducono la trascrizione
genica.
In ogni organismo l’ordine
dei geni nel cromosoma
rispecchia l’ordine
spaziale della loro
espressione nell’embrione
GENI OMEOTICI
Sono caratterizzati da un elemento comune chiamato
homeobox che viene tradotto in una sequenza di
amminoacidi chiamato omeodominio capace di legare
il promotore di tutti i geni che sono controllati da quel
determinato gene omeotico.
Il controllo genico da parte di questi geni omeotici
combinato a specifici fattori trascrizionali può portare
alla formazione di tipi cellulari differenti durante lo
sviluppo.
Le cellule embrionali non devono solo diventare
differenti, devono rimanere differenti anche dopo
che l'influenza che ha iniziato la diversificazione
cellulare è scomparsa.
Nell'embrione di un animale esistono segnali di
posizione e interazioni reciproche cellulari che
funzionano su piccole distanze e che lasciano il loro
segno sulle caratteristiche della cellula, mediante il
fenomeno della MEMORIA CELLULARE.
Questa consiste in una specie di archivio storico
scritto nel genoma sotto forma di stati durevoli o
stabili di attivazione o repressione genica.
Quindi il comportamento futuro della cellula viene
guidato non solo dalle indicazioni che provengono
momento per momento dall'ambiente circostante,
ma anche dalle informazioni accumulate in
precedenza.
Attraverso la memoria cellulare, le differenze tra i
tipi cellulari, dovute a diverse influenze a cui le
cellule sono state sottoposte nell’embrione, sono
conservate poiché, le cellule ricordano gli effetti di
quelle influenze del passato e le tramandano alla
loro progenie.
Lo sviluppo embrionale è l’antitesi del cancro
Il cancro perturba l’architettura ordinata del corpo, lo sviluppo
crea.
Negli animali il piano strutturale corporeo è determinato da
movimenti cellulari programmati.
La distribuzione delle cellule specializzate si definisce
progressivamente in modo sempre più preciso per mezzo di
segnali che operano in successione.
I meccanismi di base di segnalazione sono relativamente pochi
e vengono ripetutamente usati in contesti differenti.
STADI DI DIFFERENZIAZIONE
Nel processo di differenziazione cellulare si possono
distinguere tre fasi corrispondenti ad una graduale
restrizione della potenzialità differenziativa e quindi
ad una graduale specializzazione delle cellule.
Fase Iniziale: le cellule totipotenti (zigote e primi
blastomeri) sono capaci di dare origine a tutti i tipi
cellulari e quindi a tutti i tessuti che saranno presenti
nell'organismo adulto.
Fase Intermedia: formazione dei tre foglietti
embrionali (ectoderma, mesoderma, endoderma)
costituiti da cellule multipotenti.
Durante questa fase le cellule di ciascun foglietto si
differenziano nelle cellule pluripotenti o staminali
(es. di cellule staminali sono quelle emopoietiche del
midollo osseo).
Fase Terminale: le cellule pluripotenti subiscono un
processo di differenziamento trasformandosi in
cellule unipotenti (es. cellule emopoietiche:
eritrociti, piastrine, etc…).
Tale fase è tipica dello sviluppo, ma anche
dell'individuo adulto.
Durante il differenziamento cellulare l'intera informazione
genetica dello zigote viene conservata.
Una cellula differenziata contiene tutti i geni dello zigote,
ma ne esprime solo alcuni.
DIFFERENZIAMENTO NELL’ADULTO
I processi di differenziamento continuano nell'organismo
adulto in quei tessuti che si rinnovano continuamente (es.
cellule emopoietiche ed epidermiche).
Ogni tessuto si rinnova con un suo ritmo caratteristico
grazie alla presenza di cellule staminali indifferenziate che
contribuiscono a mantenere costante il numero delle
cellule nel tessuto.
Le cellule staminali hanno la caratteristica di dividersi
senza differenziarsi provvedendo in tal modo a mantenere
un serbatoio di cellule in grado di rinnovare le cellule
morte del tessuto.
CELLULE STAMINALI
Le proprietà che definiscono una cellula staminale sono:
- non è essa stessa una cellula differenziata
terminalmente ( cioè, non si trova alla fine del percorso
di differenziamento)
- può dividersi senza limite
- quando si divide ogni cellula ha due possibilità: può
rimanere una cellula staminale o può imboccare una via
che la porterà irreversibilmente al differenziamento
terminale.
La funzione della cellula staminale non è quella di
svolgere il ruolo differenziato, ma di produrre cellule che
lo svolgeranno.
Conseguentemente, le cellule staminali non possiedono
alcun aspetto peculiare, fatto che le rende difficili da
identificare.
Tuttavia questo non vuol dire che le cellule staminali
siano tutte uguali tra loro.
Per quanto non siano ancora differenziate in modo
terminale, sono comunque predestinate.
Le cellule staminali che danno origine ad un solo tipo di
cellule differenziate sono dette unipotenti, e quelle che
danno origine a molti tipi cellulari sono dette pluripotenti.
La differenziazione cellulare è unidirezionale nel senso che
una cellula acquistando una nuova caratteristica non può
"tornare indietro".
La cellula differenziata riduce la sua potenzialità genetica nel
senso che, benchè il genoma sia integro, esiste un sistema di
controllo cellula-specifico per cui solo alcune proteine
verranno sintetizzate e altre no.
Le proteine prodotte appartengono a due classi:
Funzioni di Mantenimento: proteine prodotte da tutte le
cellule perché strettamente legate alla sopravvivenza
cellulare (es.enzimi per la produzione di ATP).
Funzioni di Lusso: proteine specifiche di un determinato
tipo cellulare, utili all'intero organismo (es. emoglobina).
Esiste una correlazione negativa tra attività duplicativa e
specializzazione: più una cellula si specializza meno si duplica
(es. neurone).
Una cellula altamente specializzata tende ad impiegare le sue
capacità sintetiche per svolgere la funzione a lei deputata
evitando la sintesi di proteine impiegate in altre attività quale
la duplicazione del DNA.
Biologia
6/191
Una cellula staminale è:
a)
Una cellula già differenziata incapace di
dividersi, ma che può ritornare in ciclo e
dare origine a cellule simili dopo opportuna
stimolazione
b)
Una cellula completamente differenziata
c)
Una cellula embrionale
d)
Una cellula non terminalmente differenziata
capace di dividersi senza limiti durante la
vita di un organismo
Biologia
6/192
I geni omeotici codificano per:
a)
Proteine che provocano lo sviluppo del cancro
b)
Proteine che inibiscono lo sviluppo del cancro
c)
Proteine che legano il DNA per attivare la
trascrizione di geni implicati nello sviluppo
embrionale
d)
Proteine che inibiscono lo sviluppo embrionale
Biologia
6/193
Una cellula differenziata:
a)
Contiene solo una parte dei geni dello zigote e
li esprime tutti
b)
Contiene tutti i geni dello zigote ma ne
esprime solo alcuni
c)
Contiene tutti i geni dello zigote ma esprime
solo quelli per le proteine con funzioni di
mantenimento
d)
Contiene tutti i geni dello zigote ma esprime
solo quelli per le proteine codificate dai geni
omeotici
PROCARIOTI (1-2 µ)
(batteri, alghe azzurre,
ecc.)
-106/107 nt per 1000-4000
geni
-Archeobatteri
ambienti estremi e non
Dal DNA alle proteine simili agli
eucarioti
Metabolismo simile agli
eubatteri
Micoplasma
-Eubatteri
4580070 nt per 477
geni
EUCARIOTI
(20-30 µ)
(c. animali, vegetali, fungine e protisti)
-Unicellulari
-Pluricellulari: diversi tipi cellulari specializzati
(differenziamento)
(Uomo: 100 000 miliardi di cellule)
Differenze nella replicazione tra Procarioti e
Eucarioti
PROCARIOTI
EUCARIOTI
Non hanno nucleo
Hanno il
nucleo
Il DNA è circolare
Il DNA è
lineare
Enzima principale della replicazione:
DNA-polimerasi III
DNApolimerasi alfa e delta
1 sola bolla di replicazione
Molte
bolle di replicazione
1/2 forcelle di replicazione
2 forcelle
di replicazione
Trascrizione e traduzione avvengono nello
stesso distretto e sono contemporanee nei
Procarioti
mRNA
Procarioti
leader
AUG
STOP trailer
protei
na
Shine
delgarno
UAAGGAG
G
I geni che codificano per proteine sono POLICISTRONICI (ad un
unico promotore seguono tutti i geni di una determinata via
metabolica per cui vengono trascritti tutti di seguito).
+
1
leader
STOP
AUG
trailer
STOP
proteina 1
proteina 3
AUG
STOP AUG
proteina 2
mRNA eucarioti
+1
leader
STOP
10-200
nt.
CAP
CH37-G
AUG
poli-A
50-250
nt.
protei
na
I geni che codificano per proteine sono MONOCISTRONICI (ciascun
gene ha il suo proprio promotore).
Cellula Procariotica La divisione cellulare è rapida e semplice.
-I batteri non hanno un nucleo e contengono un solo cromosoma di
DNA circolare attaccato alla membrana plasmatica dove resta
mentre si duplica.
-I due cromosomi si separano durante la crescita della cellula.
-Quando essa ha raggiunto dimensioni pressochè doppie, si divide
per scissione semplice (scissione binaria).
Cellula Eucariotica La divisione cellulare è assai più complessa:
-il DNA è complessato con proteine e si organizza prima della
divisione in strutture dette cromosomi
-il citoplasma contiene un ampio corredo di organelli da distribuire
equamente tra le cellule figlie
-la divisione cellulare (mitosi o meiosi) ha luogo quindi mediante una
successione continua di eventi coordinati e sincroni che vengono
chiamati ciclo cellulare
R
G
0
G
Z
Funzioni delle proteine
housekeeping (procarioti e
eucarioti)
differenziative (eucarioti)
VIRUS: PARASSITI INTRACELLULARI OBLIGATI
Costituiti da materiale genetico (DNA o RNA) e da una
capsula proteica
Ciclo vitale dei
virus
Virus costituito
da DNA
Retrovirus dell’AIDS
Esempio di differenziamento nell'adulto è la formazione
delle cellule del sangue (unipotenti) dalla cellula staminale
totipotente (presente nel midollo osseo).