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Tutte le cellule, anche quelle più differenziate, esprimono molti geni comuni, detti
housekeeping, che codificano per proteine strutturali, del metabolismo o richieste
per altre funzioni basali
Nei mammiferi un singolo uovo fecondato dà origine ad oltre 200 tipi di
cellule diverse
Durante lo sviluppo embrionale, cellule inizialmente totipotenti
interagiscono tra loro. Queste interazioni limitano progressivamente il
potenziale differenziativo delle cellule embrionali verso destini via-via
più ristretti.
Le prime fasi del differenziamento
• Zigote
• Segmentazione
serie di divisioni mitotiche
che portano alla formazione
di 2,4,8 cellule (cellule totipotenti)
MORULA
(a questo stadio avviene il
primo evento differenziativo)
BLASTOCISTI
morula
(cellule pluripotenti)
Genera tutti i tessuti
dell’embrione e dell’adulto
blastocisti
Genera i tessuti placentari
• Gastrulazione
Formazione dei foglietti embrionali, dal nodo embrionale. Le cellule assumono
nuove posizioni, ponendo le basi per ulteriori interazioni tissutali.
Le cellule staminali embrionali
Esse possono crescere in coltura per un tempo indefinito
mantenendo sia le caratteristiche di una popolazione di
cellule staminali sia la capacità di dare origine a tutti i tipi
cellulari differenziati presenti nell’organismo adulto
(PLURIPOTENZA)
1981: cellule staminali da embrioni di topo
1998: cellule staminali da embrioni umani
La prova evidente che le cellule differenziate possiedono tutte lo stesso genoma
completo deriva dal fatto che in molti casi tali cellule, o i loro nuclei, presentano
TOTIPOTENZA, cioè conservano la capacità di guidare lo sviluppo di un intero
organismo.
Una prova evidente è il fenomeno della RIGENERAZIONE, ossia della nuova crescita
di parti corporee perdute:
-la stella di mare può rigenerare un “braccio” perduto
-un rettile può rigenerare la coda
-un essere umano può riparare il fegato danneggiato
In questi casi, alcune cellule perdono il loro stato differenziato, iniziano a dividersi e si
differenziano di nuovo, generando la parte mancante.
La rigenerazione di un intero organismo animale a partire da una singola cellula
somatica non si ha in natura.
Questo fenomeno, però, fu reso possibile in laboratorio per la prima volta negli anni
’50, quando furono condotti esperimenti di trapianto di nuclei negli anfibi.
Quando un nucleo di cellula di blastula di rana veniva inserito in una cellula uovo enucleata, l’uovo
si divideva normalmente dando origine ad un individuo adulto.
Quando un nucleo di cellula differenziata (es. cellula epidermica o cellula intestinale) di anfibio
veniva inserito in una cellula uovo enucleata, solo in alcuni casi si sviluppava un individuo adulto.
Ciò stava a dimostrare che in alcuni casi un nucleo resta totipotente fino ad uno stadio molto
avanzato di differenziamento
Il nucleo di una cellula estratta dalla mammella di una pecora fu inserito in una
cellula uovo enucleata di un’altra pecora e dopo la fecondazione l’embrione fu
impiantato nell’utero di una terza pecora
Il differenziamento è il risultato finale che segue a due processi:
¾ Induzione, in cui un gruppo di cellule induce o influenza un altro gruppo
di cellule vicine a seguire un determinato percorso di sviluppo.
¾ Determinazione, in cui è stabilito il destino dello sviluppo della cellula,
cioè la cellula è destinata a diventare un determinato tipo di cellula. Le
cellule discendenti esprimeranno gradualmente specifici schemi di attività
genica
Sia la determinazione che il differenziamento coinvolgono cambiamenti
specifici e regolati nell’espressione genica
Es. Produzione delle cellule muscolari scheletriche, che originano dai somiti (blocchi di cellule
mesodermiche ai lati della notocorda)
Induzione ad esprimere il principale gene regolativo myoD,
che codifica per un fattore trascrizionale
Tale fattore trascrizionale agisce su specifici geni, es miogenina
Tali geni attiveranno a loro volta un altro insieme di geni, es. miosina
Induzione eDeterminazione per interazione cellula-cellula
Le cellule ricevono informazioni di posizione che dicono loro
dove si trovano nell’embrione, ciò è di vitale importanza per la
formazione dello schema, l’organizzazione degli organi e delle
strutture
corporee
nelle
loro
corrette
relazioni
tridimensionali.
Le informazioni di posizione sono principalmente sotto il
controllo di gradiente di concentrazione di molecole
regolative , morfogeni (riesce a stabilire vari destini
cellulari in funzione della sua concentrazione o del tempo
per cui agisce sulle cellule bersaglio).
Es. Sviluppo del SN. Esso consiste inizialmente in un tubo neurale, ovvero un
epitelio pluripotente posto sul lato dorsale dell’embrione. A questo punto le
cellule che lo compongono devono ricevere ulteriori informazioni, al fine di
definirne il destino in modo più preciso.
Regione dorsale
Neuroni spinali (ricevono gli imput dei neuroni sensoriali
dai gangli del SNP)
Neuroni motori ( dai cui si dipartono gli assoni per il MV)
Regione ventrale
Shh = Sonic hedgehog
REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA
Un particolare pattern di attività genica viene trasmesso alle
cellule figlie durante la divisione cellulare, attraverso due
meccanismi complementari:
¾ viene garantita la continua espressione di specifiche
proteine regolatorie (es. fattori trascrizionali, sia attivatori
che repressori)
¾ viene preservato un preciso pattern di geni attivi o repressi
grazie a modificazioni epigenetiche, ovvero cambiamenti
chimici e strutturali stabili della cromatina che cambiano la
funzione genica in modo ereditabile
Modificazioni epigenetiche
Durante il differenziamento, gli stimoli incontrati da un gruppo di cellule
si traducono in variazioni epigenetiche della cromatina.
Ne consegue che tali modificazioni sono diverse da un tipo cellulare
all’altro.
Le modificazioni epigenetiche finora identificate sono di due tipi:
‰ metilazione del DNA
‰ modificazioni del codice istonico
metilazione del DNA
DNA metl-transferasi
modificazioni del codice istonico
Si parla di codice perché gli effetti delle modificazioni degli istoni dipendono dal
tipo di istone, dal tipo di modifica e dall’aa bersaglio della modifica. Dunque, la
varietà di queste combinazioni è immensa
RIPROGRAMMAZIONE NUCLEARE
Le modificazioni epigenetiche della cromatina vengono profondamente cambiate
durante il differenziamento, in concomitanza con l’accensione e lo spegnimento
progressivo di gruppi di geni.
Es. l’aumento della metilazione del DNA va di pari passo con la restrizione della
potenza cellulare. Gli stessi gameti (spermatozoo ed cellula uovo) sono cellule
monopotenti (possono svolgere un’unica funzione, cioè partecipare al processo di
fecondazione) con un DNA altamente metilato e quindi incompatibile in questa forma
con il processo di sviluppo.
DNA de-metilasi
(presenti nel citoplasma
dell’ovocita)
La proliferazione delle cellule differenziate
Classicamente, si considerava che all’acquisizione di uno stato differenziativo terminale
corrispondesse un blocco dello stato proliferativo.
STABILI: fibroblasti che proliferano in caso di danno o di ferita, in seguito al
rilascio di PDGF da parte delle piastrine
cellule endoteliali che proliferano con successiva formazione di
nuovi capillari sanguigni, in seguito al rilascio
di VEGF da parte del tessuto che i nuovi vasi
invaderanno
cellule della muscolatura liscia
cellule epatiche
Le cellule staminali adulte
Nell’animale adulto la maggior parte
delle cellule pienamente differenziate
non è più capace di dividersi.
Grazie alla loro capacità di proliferare e
rimpiazzare le cellule differenziate
lungo tutto il corso della vita di un
animale, le cellule staminali svolgono
un
ruolo
fondamentale
nel
mantenimento della maggior parte di
tessuti e organi.
Cellule del sangue
Cellule epiteliali della pelle
Cellule epiteliali che rivestono il canale digerente
Le cellule staminali sono state originariamente identificate nel
sistema emopoietico, deputato alla formazione delle cellule del
sangue, da Ernest McCulloch e James Till nel 1961
Essi dimostrarono che
singole cellule
derivate dal midollo
osseo del topo erano
in grado di proliferare
e dare origine ai
molteplici tipi delle
cellule differenziate
del sangue
Cellule staminali epiteliali della pelle
Cellule staminali epiteliali intestinali