I FOGLIETTI EMBRIONALI

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

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

Biologia 6/193

PROCARIOTI (1-2 µµµµ) (batteri, alghe azzurre, ecc.)

-10⁶/10⁷nt per 1000-4000 geni

-Archeobatteri

ambienti estremi e non

Dal DNA alle proteine simili agli eucarioti

Metabolismo simile agli eubatteri

-Eubatteri

Micoplasma

4580070 nt per 477 geni

EUCARIOTI

(20-30 µµµµ)

(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 DNA- polimerasi 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

leader AUG STOP trailer

Shine delgarno UAAGGAG

G

protei na

mRNA Procarioti

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 AUG STOP AUG STOP AUG

STOP trailer

proteina 1 proteina 2 proteina 3

I geni che codificano per proteine sono MONOCISTRONICI (ciascun gene ha il suo proprio promotore).

+1

leader AUG

STOP poli-A

CAP CH₃- 7-G

protei na

10-200 nt.

50-250 nt.

mRNA eucarioti

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 cellulareciclo cellulare

Funzioni delle proteine

housekeeping (procarioti e eucarioti)

differenziative (eucarioti) G

Z

R G

0

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).