Diferenciación celular - El estado diferenciado, proceso de diferenciación y errores


Diferenciación celular. El estado diferenciado, proceso de diferenciación y errores en la diferenciación celular. Los organismos adultos se componen de una serie de tipos de células distintas. Las células están organizadas en tejidos, cada uno de los cuales típicamente contiene un pequeño número de tipos de células y está dedicado a una función fisiológica específica.

Por ejemplo, el tejido epitelial que recubre el intestino delgado contiene células absorbentes columnares, células caliciformes secretoras de moco, células endocrinas secretadoras de hormonas y células Paneth secretadoras de enzimas. Además, existen células divisorias indiferenciadas que se encuentran en las criptas entre las vellosidades intestinales y sirven para reemplazar a los otros tipos de células cuando se dañan o desgastan.

Otro ejemplo de un tejido diferenciado es el tejido esquelético de un hueso largo, que contiene osteoblastos (células grandes que sintetizan hueso) en la vaina externa y osteocitos (células óseas maduras) y osteoclastos (células multinucleadas implicadas en la remodelación ósea) dentro de la matriz.

Intestino delgado: tipos de células

Intestino delgado: tipos de células
El intestino delgado contiene muchos tipos distintos de células, cada una de las cuales cumple una función específica.

En general, cuanto más simple sea la organización general del animal, menor será el número de tipos celulares distintos que poseen. Los mamíferos contienen más de 200 tipos de células diferentes, mientras que los animales invertebrados simples pueden tener sólo unos pocos tipos diferentes. Las plantas también se componen de células diferenciadas, pero son muy diferentes de las células de los animales. Por ejemplo, una hoja en una planta superior está cubierta con una capa de cutícula de células epidérmicas. Entre ellos están los poros compuestos de dos células especializadas, que regulan el intercambio gaseoso a través de la epidermis. Dentro de la hoja está el mesófilo, un tejido esponjoso responsable de la actividad fotosintética. También hay venas compuestas de elementos del xilema, que transportan el agua desde el suelo, y los elementos del floema, que transportan los productos de la fotosíntesis a los órganos de almacenamiento.

Estructura celular: hoja

Estructura celular: hoja
Estructuras de una hoja. La epidermis a menudo se cubre con una cutícula protectora cerosa que ayuda a prevenir la pérdida de agua desde el interior de la hoja. El oxígeno, el dióxido de carbono y el agua entran y salen de la hoja a través de los poros (estomas) dispersos principalmente a lo largo de la epidermis inferior. Los estomas se abren y se cierran mediante la contracción y expansión de las células protectoras circundantes. Los tejidos vasculares o conductores son conocidos como xilema y floema; El agua y los minerales viajan hasta las hojas de las raíces a través del xilema, y los azúcares producidos por la fotosíntesis son transportados a otras partes de la planta a través del floema. La fotosíntesis se produce dentro de la capa de mesófilo que contiene cloroplasto.

Los diversos tipos de células han sido tradicionalmente reconocidos y clasificados de acuerdo con su apariencia en el microscopio de luz después del proceso de fijación, procesamiento, seccionamiento y tinción de tejidos que se conoce como histología. La histología clásica ha sido aumentada por una variedad de técnicas más discriminatorias. La microscopía electrónica permite mayores aumentos.

La histoquímica implica el uso de sustratos de precipitación coloreados para teñir enzimas particulares in situ. La inmunohistoquímica utiliza anticuerpos específicos para identificar sustancias particulares, generalmente proteínas o carbohidratos, dentro de las células. La hibridación in situ implica el uso de sondas de ácidos nucleicos para visualizar la ubicación de ARN mensajeros específicos (mRNA). Estos métodos modernos han permitido la identificación de más tipos de células que podrían ser visualizadas por la histología clásica, particularmente en el cerebro, el sistema inmunológico y entre las células hormonales secretoras del sistema endocrino.

El estado diferenciado


La base bioquímica de la diferenciación celular es la síntesis por la célula de un conjunto particular de proteínas, carbohidratos y lípidos. Esta síntesis es catalizada por proteínas llamadas enzimas. Cada enzima a su vez se sintetiza de acuerdo con un gen particular, o secuencia de nucleótidos en el ADN del núcleo celular. Un estado particular de diferenciación, entonces, corresponde al conjunto de genes que se expresa y al nivel al que se expresa.

Clonación Dolly la oveja

Clonación
Dolly la oveja se clonó con éxito en 1996 por la fusión del núcleo de una célula de la glándula mamaria de una oveja Finn Dorset en una célula de huevo enucleada tomada de una oveja escocesa Blackface. Llevado a término en el vientre de otra oveja escocesa Blackface, Dolly era una copia genética de la oveja Finn Dorset.

Se cree que todos los genes de un organismo están presentes en cada núcleo celular, independientemente del tipo de célula, y que las diferencias entre los tejidos no se deben a la presencia o ausencia de ciertos genes, sino que se deben a la expresión de algunos ya la represión de otros. En animales, la mejor evidencia para la retención de todo el conjunto de genes proviene de experimentos de clonación de animales completos en los que el núcleo de una célula diferenciada se sustituye por el núcleo de un óvulo fertilizado. En muchas especies esto puede resultar en el desarrollo de un embrión normal que contiene toda la gama de partes del cuerpo y tipos de células. Del mismo modo, en las plantas a menudo es posible cultivar embriones completos de células individuales en cultivo de tejidos.

Tales experimentos muestran que cualquier núcleo tiene la información genética necesaria para el crecimiento de un organismo en desarrollo, y sugieren fuertemente que, para la mayoría de los tejidos, la diferenciación celular surge de la regulación de la actividad genética en lugar de la eliminación o destrucción de genes no deseados. La única excepción conocida a esta regla proviene del sistema inmunitario, donde los segmentos de ADN en los glóbulos blancos en desarrollo se reorganizan ligeramente, produciendo una amplia variedad de moléculas de anticuerpos y receptores. (Ver arriba Reordenamiento y modificación del ADN.)

A nivel molecular hay muchas formas en las que la expresión de un gen puede ser regulada diferencialmente en diferentes tipos de células. Puede haber diferencias en la copia, o transcripción, del gen en ARN; En el procesamiento del transcrito de ARN inicial en mRNA; En el control del movimiento del ARNm hacia el citoplasma; En la traducción de mRNA a proteína; O en la estabilidad del mRNA. Sin embargo, el control de la transcripción tiene la mayor influencia sobre la expresión génica y ha recibido el análisis más detallado.

El ADN en el núcleo celular existe en forma de cromatina, que se compone de ADN ligado a las histonas (proteínas alcalinas simples) y otras proteínas nonhistone. La mayor parte del ADN está complejado en estructuras repetitivas llamadas nucleosomas, cada una de las cuales contiene ocho moléculas de histona. Los genes activos se encuentran en partes del ADN donde la cromatina tiene una configuración "abierta", en la que las proteínas reguladoras son capaces de acceder al ADN. El grado de apertura de la cromatina depende de las modificaciones químicas de las partes externas de las moléculas de histonas y de la presencia o ausencia de proteínas no histonas particulares.

El control transcripcional se ejerce con la ayuda de secuencias reguladoras que se encuentran asociadas con un gen, tal como la secuencia promotora, una región cerca del inicio del gen, y secuencias potenciadoras, regiones que están en otra parte dentro del ADN que aumentan la actividad de las enzimas Involucrados en el proceso de transcripción. La transcripción o no de la transcripción depende de la unión de los factores de transcripción a estas secuencias reguladoras. Los factores de transcripción son proteínas que normalmente poseen una región de unión al ADN, que reconoce la secuencia reguladora específica en el ADN, y una región efectora, que activa o inhibe la transcripción. Los factores de transcripción a menudo trabajan reclutando enzimas que a~naden modificaciones (por ejemplo, grupos acetilo o grupos metilo) para eliminar las modificaciones de las partes externas de las moléculas de histona. Esto controla el plegamiento de la cromatina y la accesibilidad del ADN a la ARN polimerasa y otros factores de transcripción.

En general, requiere varios factores de transcripción que trabajan en combinación para activar un gen. Por ejemplo, el gen del cristalino del delta 1 del pollo, expresado normalmente sólo en la lente del ojo, tiene un promotor que contiene sitios de unión para dos factores de transcripción activadores y un potenciador que contiene sitios de unión para otros dos factores de transcripción activadores. También hay un sitio potenciador adicional que puede unirse a un activador (deltaEF3) o un represor (deltaEF1). Transcripción exitosa requiere que todos estos sitios están ocupados por los factores de transcripción correcta.

Las células completamente diferenciadas son cualitativamente diferentes entre sí. Los estados de diferenciación terminal son estables y persistentes, tanto en la vida de la célula como en las sucesivas generaciones celulares (en el caso de los tipos diferenciados capaces de continuar la división celular). La estabilidad inherente del estado diferenciado se mantiene por varios procesos, incluyendo la activación por retroalimentación de los genes por sus propios productos y la represión de los genes inactivos. La estructura de la cromatina puede ser importante para mantener los estados de diferenciación, aunque todavía no está claro si esto puede mantenerse durante la replicación del ADN, lo que implica la eliminación temporal de proteínas cromosómicas y el desenrollamiento de la doble hélice del ADN.

Un tipo de control de diferenciación que se mantiene durante la replicación del ADN es la metilación del ADN, que tiende a reclutar histonas desacetilasas y, por lo tanto, cerca de la estructura de la cromatina. La metilación del ADN se produce cuando un grupo metilo está unido al lado exterior, o azúcar-fosfato, de un residuo de citosina (C). La metilación de citosina se produce sólo en un nucleótido C cuando está conectado a un nucleótido G (guanina) en la misma cadena de ADN. Estos emparejamientos de nucleótidos se denominan dinucleótidos CG. Una clase de ADN metilasa enzima puede introducir nuevas metilaciones cuando sea necesario, mientras que otra clase, denominada metilases de mantenimiento, metila dinucleótidos CG en la doble hélice de ADN sólo cuando el CG de la cadena complementaria ya está metilado. Cada vez que se replique el ADN metilado, la hebra antigua tiene los grupos metilo y la nueva hebra no. La metilasa de mantenimiento añadirá entonces grupos metilo a todos los CGs opuestos a los grupos metilo existentes para restaurar una doble hélice completamente metilada. Este mecanismo garantiza la estabilidad del patrón de metilación del ADN, y por lo tanto el estado diferenciado, durante los procesos de replicación del ADN y división celular.

El proceso de diferenciación


La diferenciación de las células precursoras visiblemente indiferenciadas ocurre durante el desarrollo embrionario, durante la metamorfosis de las formas larvarias y después de la separación de las partes en la reproducción asexual. También tiene lugar en organismos adultos durante la renovación de los tejidos y la regeneración de las partes que faltan. Por lo tanto, la diferenciación celular es un proceso esencial y continuo en todas las etapas de la vida.

Blastocisto: desarrollo del embrión y determinación celular

Blastocisto: desarrollo del embrión y determinación celular
El óvulo contiene una pequeña colección de células en las primeras etapas del desarrollo humano. A medida que las células se dividen (A-D), se separan en diferentes regiones del óvulo. Cada región del óvulo transmite un conjunto único de señales químicas a las células cercanas. Por lo tanto, las señales detectadas por una célula difieren de las detectadas por sus células vecinas. En este proceso, conocido como determinación de células, las células se programan individualmente para dirigirlas hacia el desarrollo en diferentes tipos de células.

La diferenciación visible de las células es sólo la última de una secuencia progresiva de estados. En cada estado, la célula se vuelve cada vez más comprometida con un tipo de célula en la que puede desarrollarse. Los Estados de compromiso a veces se describen como "especificación" para representar un tipo reversible de compromiso y como "determinación" para representar un compromiso irreversible. Aunque los estados de especificación y determinación representan ambos una actividad genética diferencial, las propiedades de las células embrionarias no son necesariamente las mismas que las de las células completamente diferenciadas. En particular, las células en los estados de especificación generalmente no son estables durante períodos prolongados de tiempo.

Dos mecanismos generan compromisos alterados en las diferentes regiones del embrión temprano: localización citoplasmática e inducción. La localización citoplasmática es evidente en las primeras etapas de desarrollo del embrión. Durante este tiempo, el embrión se divide sin crecimiento, sufriendo divisiones de división que producen células separadas llamadas blastómeros. Cada blastómero hereda una cierta región del citoplasma original del huevo, que puede contener una o más sustancias reguladoras llamadas determinantes citoplasmáticos.

Cuando el embrión se ha convertido en una masa sólida de blastómeros (llamada morula), generalmente se compone de dos o más poblaciones celulares comprometidas de manera diferente -un resultado de que los blastómeros han incorporado diferentes determinantes citoplasmáticos. Los determinantes citoplasmáticos pueden consistir en ARNm o proteína en un estado particular de activación. Un ejemplo de la influencia de un determinante citoplasmático es un receptor llamado Toll, localizado en las membranas de Drosophila (mosca de la fruta) huevos. La activación de Toll asegura que los blastómeros se desarrollarán en estructuras ventrales (debajo), mientras que los blastómeros que contienen Toll inactivo producirán células que se convertirán en estructuras dorsales (traseras).

En la inducción, el segundo mecanismo de compromiso, una sustancia secretada por un grupo de células altera el desarrollo de otro grupo. En el desarrollo temprano, la inducción suele ser instructiva; Es decir, el tejido asume un estado diferente de compromiso en presencia de la señal que lo haría en ausencia de la señal. Las señales inductivas a menudo toman la forma de gradientes de concentración de sustancias que evocan una serie de respuestas diferentes a diferentes concentraciones. Esto conduce a la formación de una secuencia de grupos de células, cada una en un estado diferente de especificación. Por ejemplo, en Xenopus (rana con garras), el embrión temprano contiene un centro de señalización llamado el organizador que secreta inhibidores de las proteínas morfogenéticas óseas (BMPs), dando lugar a un gradiente ventral a dorsal (vientre a espalda) de la actividad de BMP. La actividad de la BMP en la región ventral del embrión suprime la expresión de factores de transcripción implicados en la formación del sistema nervioso central y los músculos segmentados. La supresión asegura que estas estructuras se forman solamente en el lado dorsal, donde hay actividad disminuida de BMP. La etapa final de la diferenciación implica a menudo la formación de varios tipos de células diferenciadas de una población de precursores o células madre. La diferenciación terminal se produce no sólo en el desarrollo embrionario, sino también en muchos tejidos en la vida postnatal. El control de este proceso depende de un sistema de inhibición lateral en el que las células que se diferencian a lo largo de una vía particular envían señales que reprimen una diferenciación similar por sus vecinos. Por ejemplo, en el sistema nervioso central en desarrollo de los vertebrados, las neuronas surgen de un tubo simple de neuroepitelio, cuyas células poseen un receptor superficial llamado Notch. Estas células también poseen otra molécula de superficie celular llamada Delta que puede unirse y activar Notch en células adyacentes.

La activación de Notch inicia una cascada de eventos intracelulares que da como resultado la supresión de la producción de Delta y la supresión de la diferenciación neuronal. Esto significa que el neuroepitelio genera sólo unas pocas células con alta expresión de Delta rodeadas por un mayor número de células con baja expresión de Delta. La alta producción de Delta y la baja activación de Notch hacen que las células se conviertan en neuronas. La baja producción de Delta y la alta activación de Notch hacen que las células permanezcan como células precursoras o se conviertan en células gliales (de apoyo). Se conoce un mecanismo similar para producir las células endocrinas del páncreas y las células caliciformes del epitelio intestinal. Tales sistemas de inhibición lateral funcionan porque las células en una población nunca son absolutamente idénticas para empezar. Siempre hay pequeñas diferencias, como en el número de moléculas de Delta que se muestran en la superficie celular. El mecanismo de inhibición lateral amplifica estas pequeñas diferencias, usándolas para producir una expresión génica diferencial que conduce a estados estables y persistentes de diferenciación celular.

Errores en la diferenciación


Tres clases de diferenciación celular anormal son displasia, metaplasia y anaplasia. La displasia indica una disposición anormal de las células, generalmente derivada de una perturbación en su comportamiento de crecimiento normal. Algunas displasias son lesiones precursoras del cáncer, mientras que otras son inofensivas y regresan espontáneamente. Por ejemplo, la displasia del cuello uterino, llamada neoplasia intraepitelial cervical (CIN), puede progresar a cáncer de cuello uterino. Puede detectarse mediante pruebas citológicas de frotis cervical (frotis de Papanicolaou).

La metaplasia es la conversión de un tipo celular en otro. De hecho, no suelen ser las células diferenciadas las que cambian sino la población de células madre de la que se derivan. La metaplasia ocurre comúnmente donde el daño crónico del tejido es seguido por la regeneración extensa. Por ejemplo, la metaplasia escamosa de los bronquios ocurre cuando las células epiteliales respiratorias ciliadas de las personas que fuman se convierten en células escamosas o aplanadas. En la metaplasia intestinal del estómago, parches similares al tejido intestinal surgen en la mucosa gástrica, a menudo en asociación con úlceras gástricas. Ambos tipos de metaplasia pueden progresar al cáncer.

Anaplasia es una pérdida de diferenciación visible que puede ocurrir en cáncer avanzado. En general, los cánceres precoces se asemejan a su tejido de origen y se describen y clasifican por su patrón de diferenciación. Sin embargo, a medida que se desarrollan, producen variantes de apariencia más anormal y aumento de la malignidad. Finalmente, puede ocurrir un crecimiento altamente anaplásico, en el cual las células cancerosas no tienen relación visible con el tejido parental.

TEMAS COMPLEMENTARIOS

División celular y crecimiento: duplicación del material genético y el ciclo de división celular

Célula: naturaleza y funciones de las células

Bibliografía:

Tórtora y Derrickson. Principios de anatomía y fisiología (onceava edición)

https://www.britannica.com

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