Modelos de Diferenciación

Celular

Conocen que durante el desarrollo se establece primero un esquema que define las principales regiones del cuerpo (cabeza, tronco, cola) y luego se produce una diferenciación en las células del embrión, generándose una

gran variedad de fenotipos celulares con formas y estructuras especializadas en distintas funciones. La definición del plan corporal y la

diferenciación celular ocurre por la expresión de distintos genes como resultado de un complejo programa de desarrollo.

Colegio San Ignacio Profesor Luis Lara Garrido

Las células embrionarias

Son capaces de

transformar

sus

características

Estructurales y funcionales

Estímulos

Bajo la presencia de determinados

Especializadas Para ser Potencial

inicial

Perdiendo su

Determinación

Proceso llamado

Los factores determinantes

Diferenciación celular

Determinantes Citoplasmáticos

localizados

De la

Moléculas

son

Conocidas como

En el cigoto Los organelos y moléculas Distribuidos

No homegénea

Al dividirse genera

Células

Composición citoplasmática

Con distinta

Lo que contribuye a una

Primera etapa En la generación de Células diferentes

están

En forma

Es decir…

• Las células hijas del cigoto no son idénticas entre sí. Las diferencias citoplasmáticas entre ellas (blastómeros), determinan diferentes patrones de expresión génica y cada célula queda entonces confinada a una trayectoria específica del desarrollo.

Así… Los determinantes citoplasmáticos

localizados Primera señal Diferenciación

Desarrollo

Constituyen la de

Durante el

Que son complementadas con

Procesos Células vecinas

Relacionados con la interacción de

Por ejemplo

La inducción

Que ocurre cuando

2 células fenotipo De distinto contacto toman

Inducción

Célula que cambia su fenotipo

influenciada por otra

Célula inductora Célula respondedora

Célula que causa el cambio para modificar a otra

Que las células vecinas adquieran un patrón de desarrollo similar y de forma

coordinada

Hay 2 tipo de células

Su interacción permite

Inductores en la formación del ojo en vertebrados

• La capacidad de una célula de modificar su fenotipo, es decir, de responder frente a la presencia de una célula inductora se denomina COMPETENCIA

Por ejemplo, al transplantar células que dan origen al ojo (células del primordio óptico) hacia una región diferente del ectodermo (una de las principales capas embrionarias) se observa la formación del cristalino en la respectiva zona ectodermica.

Comprobando la inducción:

Las células mesenquimáticas

Inducen la

formación de ramificaciones Células

Epiteliales del brote uretral

En las

Que se diferencian en

Túbulos colectores

Los cuales

Inducen a Condensación

celular

Para que formen una

Que deriva en

Células epiteliales

Que formaran

Túbulos proximales Túbulos distales

Glomérulo

Diferenciación del riñón

• En estos procesos de morfogénesis renal participan

un gran número de señales solubles, incluyendo proteínas de la familia del factor de crecimiento transformante beta, y también señales ancladas a la superficie celular (integrinas; se vera más adelante).

• Algunas señales son expresadas por el epitelio mientras otras son producidas por las células del mesénquima.

• También participan receptores específicos de estas señales.

En la inducción…

• Las señales de inducción son moléculas de diferente naturaleza, como:

• Hormonas.

• Factores de crecimiento.

• Citoquinas.

• Los efectos pueden ser:

• Cambios en la producción de moléculas de adhesión (célula- matriz) importante en la formación y determinación de las características de los tejidos.

Las citoquinas (o citocinas) son un grupo de proteínas de bajo peso molecular que actúan mediando interacciones complejas entre células de linfoides, células inflamatorias y células hematopoyéticas.

Diferenciación de células

troncales

Las células troncales

Se encuentran en los

Organismos pluricelulares

Que se caracterizan por

Autorrenovación Potencialidad

limitada

Capacidad de experimentar numerosos ciclos de división

Manteniendo su carácter indiferenciado

Capacidad de diferenciarse en otros tipos celulares

Las células troncales

Corresponden a 3 clases de células

derivadas de

blastocistos

células troncales adultas

Del cordón umbilical

Las células troncales

En embriones En adultos

Dan origen a todos los tipos celulares Participan en la

mantención de tejidos en renovación

Piel o tubo digestivo

Reparación de tejidos

A medida que las células se diferencian pierden su potencialidad de transformarse en otros tipos celulares.

1° son totipotentes: capaces de originar cualquier tipo celular.

2° son pluripotentes: capaces de originar un subconjunto de tipos celulares.

3° son multipotentes: capaces de generar células de su propia capa o linaje embrionario de origen.

4° son unipotentes: capaces de autorrenovarse y originar un solo tipo celular.

Las células troncales pueden ser cultivadas en condiciones de laboratorio y su diferenciación puede ser estimulada in vitro, para producir, por ejemplo, células musculares o nerviosas. También pueden utilizarse con fines médicos.

En tejidos adultos…

La pérdida de células

Se compensa

a través de La proliferación de células del mismo

tipo celular ya diferenciadas

Por ejemplo

hepatocitos

En la mayoría de los tejidos la

Recuperación de células dañadas

Es efectuada por

Proliferación y diferenciación de células troncales que se encuentran formando parte de dichos tejidos

Células madre unipotentes

Es decir

En el intestino…

• Las células troncales se encuentran en el fondo de las criptas, formando parte del tejido epitelial que recubre al intestino.

Criptas: cavidades ubicadas entre las vellocidades intestinales.

En el intestino… • A medida que las células del

extremo superior de las criptas mueren se desprenden hacia el lumen del intestino.

• Al mismo tiempo , las células que se encuentran más abajo ascienden, remplazando a las perdidas.

• Esto es llevado a cabo por la proliferación y posterior diferenciación de células troncales en células epiteliales diferenciadas.

Criptas: cavidades ubicadas entre las vellocidades intestinales.

Diferenciación celular

Fenotipos dinámicos

Contenidos

• Desarrollo embrionario

• Genes y desarrollo embrionario

• Estructura y función en fenotipos celulares

• Miogénesis como modelo

• Diferenciación y comunicación celular

• Diferenciación de células troncales

Desarrollo embrionario

• Organismos usados como modelo de estudio: – Plantas:

• Arabidopsis thaliana – Invertebrados:

• Mosca de la fruta Drosophila melanogaster • Gusano nemátodo Caenorhabditis elegans • Erizos de mar (varias especies)

– Vertebrados:

• Rana Xenopus laevis • Rata Rattus rattus

Estudio del desarrollo embrionario y la diferenciación celular

Estadios del desarrollo

Tipos de clivaje

Desarrollo embrionario: invertebrado

Desarrollo embrionario: etapas comunes

Desarrollo embrionario en invertebrados: Gastrulación

Desarrollo embrionario en vertebrados: Gastrulación

Desarrollo embrionario: vertebrado

Inicio de la morfogénesis (pollo)

Organogénesis (pollo)

Organogénesis (humana)

Organogénesis (humana)

Genes y desarrollo embrionario

Experimentos en Drosophila melanogaster

Mutante bithórax Mutante antennapedia

Mutante “ojo en pata”

Normales

Cariotipo de Drosophila

Genes de segmentación y homeóticos

Mutación en genes homeóticos

Conservación de genes homeóticos

Conservación de genes homeóticos

Genes y planes corporales

Resumen

• La diferenciación involucra varios procesos:

– Activación de genes de segmentación

– Activación de genes homeóticos

Estructura y función en fenotipos celulares

Fenotipos celulares

Ejemplos de fenotipos de células digestivas

Ejemplos de fenotipos de células sanguíneas

Ejemplos de fenotipos de células nerviosas

Problema de fondo

= ADN ≠ Fenotipos

Hacia la solución: entendiendo el proceso de transcripción

Hacia la solución: obtención de ADN clonado (ADNc)

Hacia la solución: marcación radiactiva de nucleótidos

Experimento: método

•Obtención de ADNc del gen

A, desde células hepáticas

(hígado)

•Marcación de ARNm en

células hepáticas, renales y

cerebrales

•Hibridación de ADNc del

gen A con ARNm de los 3

tipos de células

•Contabilizar la radiactividad

total de los híbridos desde

pocillos individuales para

cada tipo de ARNm

Experimento: resultado

Conclusión:

Aún cuando comparten el

ADN, las células de un

mismo organismo

transcriben distintos ARNm

Hipótesis más probable:

El fenotipo de cada célula

depende de la síntesis de

proteínas diferenciales

Modelos de diferenciación

Estructura célula muscular estriada

Etapas básicas en la miogénesis

Mioblastos

Problema: ¿hay genes específicos que controlan la miogénesis?

Micrografía de miogénesis en embrión humano

Antecedente: fibroblastos

Antecedente: Inhibición de la transcripción mediante metilación

Grupo metilo (-CH3) Metilasa

Antecedente: Inhibición de la metilación mediante 5-azacitidina

Grupo metilo (-CH3) Metilasa

5-Azacitidina

Experimento 1: Obtención de mioblastos a partir de fibroblastos

Experimento 2: Rastreo de los genes modificados por la 5-azacitidina

(Autorradiografía)

Ejemplo 1: comprobación de

la vía RER – Golgi -

Exocitosis

Ejemplo 2: marcación

selectiva de células

secretoras de TSH en

la hipófisis

Principales isótopos usados: 32P, 131I, 35S, 14C, 45Ca y 3H

Experimento 3: verificación del rol del gen MioD

Resumen

• La diferenciación involucra varios procesos:

– Activación de genes de segmentación

– Activación de genes homeóticos

– Metilación diferencial

Desarrollo en pollo

Diferenciación y comunicación celular

Copa óptica al MEB

¿Cómo probar la comunicación?

Otra evidencia: diferenciación de células renales

Diferenciación de células renales

Resumen

• La diferenciación involucra varios procesos:

– Activación de genes de segmentación

– Activación de genes homeóticos

– Metilación diferencial

– Inducción simple o recíproca

Diferenciación de células troncales

Origen de las células troncales o stem: embrionarias

Las stem embrionarias o masa celular interna son

TOTIPOTENCIALES

Origen de las células troncales o stem: adultas

Las stem adultas son PLURIPOTENCIALES

Ejemplo: tejido epitelial intestinal

Ejemplo: tejido epitelial de la piel

Uso terapéutico de las células troncales embrionarias

Problemas éticos derivados del uso de células troncales

Uso terapéutico de células troncales adultas

Células troncales en la prensa

Información sobre células troncales

http://stemcells.nih.gov/