Tutte le cellule, anche quelle più differenziate, esprimono molti geni comuni, detti housekeeping, che codificano per proteine strutturali, del

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2 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

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5 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.

6 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 (cellule pluripotenti) Genera tutti i tessuti dell embrione e dell adulto Genera i tessuti placentari morula blastocisti Gastrulazione Formazione dei foglietti embrionali, dal nodo embrionale. Le cellule assumono nuove posizioni, ponendo le basi per ulteriori interazioni tissutali.

7 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

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9 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.

10 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.

11 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

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13 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

14 Il differenziamento è il risultato finale che segue a due processi: Induzione, in cui un gruppo di cellule induce o influenza un altro gruppo di cellule vicine a seguire un determinato percorso di sviluppo. 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

15 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

16 Induzione edeterminazione per interazione cellula-cellula

17 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).

18 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

19 REGOLAZIONE DELL ESPRESSIONE GENICA Un particolare pattern di attività genica viene trasmesso alle cellule figlie durante la divisione cellulare, attraverso due meccanismi complementari: viene garantita la continua espressione di specifiche proteine regolatorie (es. fattori trascrizionali, sia attivatori che repressori) 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

20 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

21 metilazione del DNA DNA metl-transferasi

22 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

23 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)

24 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

25 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

26 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

27 Cellule staminali epiteliali della pelle

28 Cellule staminali epiteliali intestinali