Seminari sul Differenziamento cellulare

Diff_1_2(Default)
Il differenziamento cellulare embrionale
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In che modo dallo zigote, una cellula singola, possono
originare cellule diverse ?
Le popolazioni cellulari di un organismo sono differenti tra
loro perché diverso è il materiale genetico o perché esiste
un meccanismo di regolazione dell'espressione genica
differente ?
Nel nostro corso mostreremo che la seconda ipotesi è
quella corretta e daremo svariati esempi dei percorsi
che sono compiuti dall’embrione o da parte di esso per
arrivare al differenziamento dei tessuti e degli organi.
L’insegnamento datoci dai trapianti nucleari e le ibridazioni
competitive
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Il nucleo di un cellula di un individuo adulto, per es.
cellula intestinale, viene trasferito in un uovo di Xenopus
laevis con il nucleo distrutto da UV e attivato
meccanicamente, simulando una condizione analoga alla
fecondazione, dunque capace di innescare la
segmentazione nella cellula uovo stessa. I nucleo
consente il normale sviluppo, suggerendo questo fatto che
il nucleo differenziato ha esattamente tutti geni che ha il
nucleo di uno zigote, ovverosia il genoma durante lo
sviluppo non subisce perdite.
file:///F|/Web_rete/Chiara/Differenziamento_2/Diff_1_2.htm (1 of 2) [11/03/04 19.13.10]
Diff_1_2(Default)
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Tecniche di ibridazione competitiva per il DNA hanno
dimostrato in maniera diretta che il nucleo di cellule
differenziate contiene la stessa informazione genica.
file:///F|/Web_rete/Chiara/Differenziamento_2/Diff_1_2.htm (2 of 2) [11/03/04 19.13.10]
Diff_3_4
Cromosomi politenici
SI PUO’ RITENERE CHE L’ATTIVAZIONE SELETTIVA
DEI GENI SIA LA BASE DEL DIFFERENZIAMENTO
Solamente una piccola frazione del genoma viene
utilizzata in ogni cellula .
Quindi una parte dell'RNA sintetizzato è specifico per
ogni dato tipo cellulare. Perche’una parte e non tutto?
Perche’ esistono le molecole costitutive o ‘house
keeping’, comuni a tutte le cellule.
file:///C|/Web_rete/Chiara/diff_3_4.htm [11/03/2004 13.01.55]
Diff_5_6
I processi nello sviluppo
Cinque sono i processi dello sviluppo che rendono possibile il
differenziamento embrionale, e che spesso si si sovrappongono e si
influenzano:
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(1°) Lo zigote si divide rapidamente in tanti blastomeri
Divisione cellulare (segmentazione)
Il pattern
Nell’embrione si forma il cosiddetto pattern (2°), cioè
il processo mediante il quale viene organizzato (prima
di essere effettuato!) nell’embrione un complesso di
attività cellulari ordinate nello spazio e nel tempo in
modo da organizzare la struttura dell’embrione.
Per la realizzazione del pattern esistono strategie
cellulari e molecolari e temporali molto variabili e
dipendenti dal tipo di organismo. Deve essere
progettato il piano corporeo:
file:///C|/Web_rete/Chiara/diff_5_6.htm (1 of 2) [11/03/2004 13.06.01]
Diff_5_6
file:///C|/Web_rete/Chiara/diff_5_6.htm (2 of 2) [11/03/2004 13.06.01]
Diff_7_8
Dopo la formazione del pattern , nell’embrione si attua la
suddivisione delle cellule in entoderma, ectoderma e
cordo-mesoderma in cui le cellule acquistano identita’
diverse che sono dapprima solo chimiche e poco visibili.
Il cambiamento della forma o morfogenesi è il 3°
processo. Esempio straordinario è cio’ che avviene alla
gastrulazione o durante la migrazione delle creste neurali. E’
durante la gastrulazione che emerge il piano fondamentale
del corpo.
file:///C|/Web_rete/Chiara/diff_7_8.htm (1 of 2) [11/03/2004 13.07.14]
Diff_7_8
file:///C|/Web_rete/Chiara/diff_7_8.htm (2 of 2) [11/03/2004 13.07.14]
Diff_9_10
Il quarto processo dello sviluppo è il
differenziamento cellulare . E’ un processo
graduale che porta alla formazione di oltre 200 tipi
cellulari in un individuo. Esso è strettamente collegato
alla formazione del pattern.
Successivamente la proliferazione delle cellule causa
l’accrescimento del corpo (il quinto processo)
influenzando l’acquisizione finale della forma corporea
anche grazie ad apoptosi.
Perche’ tutti questi processi possano avere luogo si
crea una notevole sovrapposizione tra di essi.
L’importanza del comportamento cellulare nello
sviluppo
Es. il cambiamento di forma fisica, come nell’invaginazione
alla gastrulazione di riccio di mare o di anfibio:
file:///C|/Web_rete/Chiara/diff_9_10.htm (1 of 2) [11/03/2004 13.08.23]
Diff_11_12
I cambiamenti di forma delle cellule e genotipo
Tali cambiamenti sono dovuti a forze di contrazione
causate dal citoscheletro, alla espressione di proteine
specifiche di adesione alla superfice cellulare.
Queste caratteristiche cellulari sono spazialmente e
temporalmente definite e percio’permettono contatti
tra cellule e spostamenti in momenti cruciali per lo
sviluppo dell’embrione permettendo l’attuazione del
suo pattern ed il differenziamento cellulare.
Certamente vi e’ un nesso preciso tra la molteplicita’
dei comportamenti cell. e la morfologia dell’animale
adulto e quindi i comportamenti delle cellule ci
raccontano come il genotipo è tradotto in fenotipo.
In che modo i geni controllano il comportamento
cellulare?
Controllo della trascrizione
Molti sono i meccanismi di regolazione del
genoma, sia di attivazione che di repressione. Il
controllo puo’ essere effettuato a livelllo di :
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traduzione dell’RNA
elaborazione dell’RNA
trasporto dell’RNA
degradazione dell’RNA,
trascrizione dell’RNA
La traduzione di ogni gene è forse il piu’
importante tra tutti i meccanismi: è di seguito
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Diff_11_12
schematizzata. Si noti la presenza dei fattori di
trascrizione:
file:///C|/Web_rete/Chiara/diff_11_12.htm (2 of 2) [11/03/2004 13.09.01]
Diff_13_14
file:///C|/Web_rete/Chiara/diff_13_14.htm (1 of 2) [11/03/2004 13.14.06]
Diff_13_14
file:///C|/Web_rete/Chiara/diff_13_14.htm (2 of 2) [11/03/2004 13.14.06]
Diff_15_16
I fattori di trascrizione
Sono prodotti da geni regolatori (o selettori o
master). Essi si associano tra di loro per
formare omodimeri o eterodimeri all’atto della
traduzione. Hanno motivi a dita di zinco
(molto comune in drosofila), a cerniera
lampo di leucina, motivi elica-ansa-elica
(HLH o bHLH), pax.
Ha motivi HLH:
- l’omeodominio codificato dall’homeobox dei
geni Hox
Hanno dominio bHLH:
-MyoD1/myogenina, famiglia genica che
determina le cellule muscolari e la
neurogenina che interviene nella neurogenesi
Ha dominio Pax:
-la sequenza paired box del gene Pax-6 che
controlla lo sviluppo dell’occhio
Altri meccanismi di controllo della attivita’ genica
Accessibilita’ ai fattori di trascrizione dipende dallo
stato di condensazione della cromatina, che puo’
essere influenzato negativamente dalla metilazione in
C. Lo schema di metilazione del DNA è ereditato
durante la divisione cellulare.
Es. inattivazione di un cromosoma X di mammifero
femmina (XX) per aumento di metilazione di CG.
- Riarrangiamento genico che riguarda tipicamente i
geni delle catene pesanti e leggere degli anticorpi dei
linfociti B.
file:///C|/Web_rete/Chiara/diff_15_16.htm (1 of 2) [11/03/2004 13.14.49]
Diff_17_18
Come si arriva ad una cellula differenziata?
Come
abbiamo gia’
detto lo
sviluppo
dell’embrione
è
progressivo
ed il destino
cellulare
viene
determinato
in tempi
diversi.
Vediamo nel
concreto
l’esempio
dello
Xenopus
file:///C|/Web_rete/Chiara/diff_17_18.htm (1 of 3) [11/03/2004 13.15.31]
Diff_17_18
Schema tessuti differenziati e loro origine dai foglietti embrionali
file:///C|/Web_rete/Chiara/diff_17_18.htm (2 of 3) [11/03/2004 13.15.31]
Diff_19_20
Distinzione tra destino cellulare determinazione e specificazione
Dai tre foglietti embrionali si formano gradualmente le cellule con
destini diversi che abbiamo visto secondo le seguenti fasi:
Determinazione: cambiamento stabile della cellula dovuto a
variazioni delle
attività geniche. Alla determinazione farà seguito il differenziamento
Destino è di un gruppo di cellule ed è ciò che esse diventeranno con
il proseguire dello sviluppo normale (es.tes. Nervoso) . Ciò non toglie
che quelle cellule siano in grado di dare luogo solo al tessuto per cui
sono destinate.
Specificazione. Un gruppo di cellule è specificato se, quando isolato
dall’embrione, si sviluppa secondo il destino che avrebbe avuto
qualora fosse rimasto nell’embrione. Esse potrebbero pero’ cambiare
il loro destino e quindi non essere specificate dipendentemente dal
loro stadio di sviluppo. Quindi non sono necessariamente determinati.
Esempio di calotta animale messa in coltura da sola o con un altro
tessuto.
ESEMPI
file:///C|/Web_rete/Chiara/diff_19_20.htm (1 of 2) [11/03/2004 13.16.03]
Diff_19_20
file:///C|/Web_rete/Chiara/diff_19_20.htm (2 of 2) [11/03/2004 13.16.03]
Diff_21_22
Determinazione progressiva della regione dell’occhio nello
sviluppo
degli anfibi
Gli esperimenti di trapianto rivelano lo stato di
determinazione delle cellule ad un particolare stadio
dello sviluppo.
Vedremo che allo stato di sviluppo precoce le cellule
mostrano una potenzialità molto maggiore del loro
destino previsto ( prospettico)
Ad uno stadio molto più avanzato di sviluppo ciò non è
più vero e le cellule daranno i tessuti canonici previsti
dal loro destino.
ESEMPI
file:///C|/Web_rete/Chiara/diff_21_22.htm (1 of 2) [11/03/2004 13.16.26]
Diff_21_22
file:///C|/Web_rete/Chiara/diff_21_22.htm (2 of 2) [11/03/2004 13.16.26]
Diff_23_24
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In conclusione emerge anche il concetto di regolazione
Quindi le cellule dell’embrione precoce sono determinate
in modo non rigido (hanno capacità regolativa) e
gradualmente diventano determinate in modo rigido.
Evidentemente la determinazione coinvolge cambiamenti
in geni selezionati tipici per ogni data cellula.
Questi cambiamenti restringono il campo di espressione
dei geni di una data cellula ed il suo destino, riducendo le
opzioni
disponibili per il successivo sviluppo. Cioè la sua capacità
regolativa.
Esistono embrioni regolativi che hanno un tipo di
sviluppo regolativo come quello descritto (riccio di
mare e vertebrati). Si può avere lo sviluppo di un inviduo
completo da un solo blastomero! Gli embrioni a mosaico
sono quelli non regolativi, in cui le parti dell’embrione si
svilupperanno indipendentemente le une dalle altre e non
contano i contatti tra i blastomeri (ascidie,molluschi).
Esistono anche vie di mezzo.
Le interazioni cellula-cellula
sono alla base dello sviluppo regolativo e della
determinazione progressiva nello sviluppo verso
destini differenti. Un segnale cellulare emesso da un
gruppo di cellule indirizza lo sviluppo delle cellule
adiacenti questo è il fenomeno dell’
file:///C|/Web_rete/Chiara/diff_23_24.htm (1 of 2) [11/03/2004 13.17.01]
Diff_23_24
----------------------*****induzione*****
I segnale induttivo puo’ essere:
secreto e quindi diffondere verso altre cellule nello
spazio intercellulare
fornito per contatto diretto tra cellule (recettore e
ligando)
passare da cellula a cellula mediante giunzioni gap o
serrate.
file:///C|/Web_rete/Chiara/diff_23_24.htm (2 of 2) [11/03/2004 13.17.01]
Diff_25_26
Concetto di competenza
Tutte le cellule possono essere indotte verso un
certo destino?
------------------------------No
solo le cellule competenti, cioè con recettori
opportuni per il segnale induttore o con meccanismi
opportuni di trasduzione del segnale, possono
rispondere all’induzione.
Nella trasmissione di segnali per formare il pattern,
sono poche cellule a breve raggio(10 volte un
diametro cellulare) ad essere coinvolte. Vi e’ una
catena di messaggi che vengono poi elargiti ad altre
cellule da parte delle cellule indotte fino ad avere la
costruzione del pattern.
I segnali sono selettivi perchè selezionano nelle
cellule le possibilità di risposta che esse hanno a
disposizione. Inoltre la stessa molecola segnale può
agire su diversi tipi cellulari evocando una risposta
specifica a seconda del tipo di cellula e del suo stato di
sviluppo
Per la formazione del pattern (patterning), deve
essere interpretata l’informazione di posizione
file:///C|/Web_rete/Chiara/diff_25_26.htm (1 of 2) [11/03/2004 13.17.44]
Diff_25_26
Modalita’ di formazione di posizione: esempio della
bandiera francese con tre strisce verticali: blu , bianca
e rossa.
Una fila di cellule neutre puo’ assumere colori diversi
come nel modello della bandiera. Come fanno ad
acquisire quel pattern? Le cellule acquistano una
informazione di posizione , cioè un’identità o
valore di posizione, in rapporto alla posizione
che esse hanno nella fila rispetto ai suoi estremi.
Le cell. fanno propri i valori di posizione e si
differenziano in base ad esso. Ciò che conta sono 2
stadi:
Definizione del valore di posizione rispetto ai confini
l’interpretazione di tale valore, che dipende dalle
specifiche istruzioni genetiche attive nel gruppo di
cellule e dallo stadio di sviluppo.
Il gradiente di distribuzione di un
morfogeno puo’ dare informazione di
posizione. Importante il concetto di
concentrazione soglia del morfogeno
(diventare rosso ad una certa
concentrazione e blu ad un’altra)
file:///C|/Web_rete/Chiara/diff_25_26.htm (2 of 2) [11/03/2004 13.17.44]
Diff_27_28
Esempio
Esempio di pattern bidimensionale
file:///C|/Web_rete/Chiara/diff_27_28.htm (1 of 2) [11/03/2004 13.18.21]
Diff_27_28
file:///C|/Web_rete/Chiara/diff_27_28.htm (2 of 2) [11/03/2004 13.18.21]
Diff_29_30
L’inibizione laterale puo’ generare patterns di spaziature regolari
Il pattern regolare della distribuzione delle penne di un
uccello si ottiene con questo meccanismo.
Le cellule in via di differenziamento secernono spesso
molecole inibitrici che agiscono localmente impedendo alle
cell. limitrofe di assumere lo stesso destino.
La localizzazione di determinanti citoplasmatici cellulari
(morfogeni) e la divisione cellulare asimmetrica sono
meccanismi di differenziamento cellulare
file:///C|/Web_rete/Chiara/diff_29_30.htm (1 of 2) [11/03/2004 13.19.39]
Diff_29_30
file:///C|/Web_rete/Chiara/diff_29_30.htm (2 of 2) [11/03/2004 13.19.39]
Diff_31_32
C. elegans
In conclusione
Nell’uovo, il genoma contiene un programma di
istruzioni x costruire l’organismo. Il piano progettuale
prevede, oltre alle proteine codificate anche quelle
presenti nell’uovo di origine materna o delle cellule
(fattori epigenetici).
Mano a mano che l’embrione si sviluppa, le sue
diverse parti acquistano ciascuna il proprio programma
di sviluppo in seguitoad interazioni cellulari ed alle
file:///F|/Web_rete/Chiara/Differenziamento_2/diff_31_32.htm (1 of 2) [11/03/04 20.28.58]
Diff_31_32
attivita’ di specifici set di geni. Il programma di
sviluppo muta con il procedere dello sviluppo stesso
file:///F|/Web_rete/Chiara/Differenziamento_2/diff_31_32.htm (2 of 2) [11/03/04 20.28.58]