Differenziamento cellulare

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1 Differenziamento cellulare Differenziamento: acquisizione progressiva di nuove caratteristiche che porta a tipi cellulari specifici (es cell muscolari, neuroni,.) Dopo la fecondazione lo zigote va incontro a mitosi e differenziamento progressivi: da un gruppo di cellule generiche, indefinite, totipotenti tante cellule via via + specializzate Differenziamemto si basa su espressione genica differenziale: cellule differenziate esprimono geni esclusivi, responsabili delle loro specifiche funzioni geni housekeeping (in comune con alri tipi cellulari)

2 Esperimenti di trapianto nucleare dimostrano la totipotenza dei nuclei delle cellule differenziate di tessuti adulti Ciò significa che l espressione differenziale non avviene con meccanismi che alterano l informazione genica in modo irreversibile Repertorio genico resta completo espressione modulata da proteine regolatrici e/o cambiamenti struttura della cromatina

3 Anche la pecora Dolly è stata ottenuta mediante trapianto nucleare! Il nucleo di una cellula prelevata da mammella inserito in oocita denucleato di altra specie Il citoplasma dell oocita riprogramma il nucleo recupera totipotenza

4 Fasi iniziali di sviluppo embrionale Zigote: deriva da cellula uovo molto grande segmentazione: divisioni rapide,sincrone, no aumento volume totale; termina quando cellule raggiungono dimensione tipica della specie (s/v) stadio di morula

5 si forma cavità (bc): stadio di blastula; Gastrulazione: movimenti cellulari e definizione di 3 foglietti embrionali da cui originano i vari tessuti/organi

6 Neurulazione: si forma tubo neurale e abbozzo encefalo Dopo la neurulazione inizia differenziamento cellulare e organogenesi

7 Dopo le prime settimane di vita, embrione va incontro a gastrulazione: le cellule si organizzano in 3 foglietti embrionali che sono l abbozzo del piano corporeo Le cellule dei 3 foglietti si differenzieranno in tessuti diversi

8 Il differenziamento è regolato soprattutto dal microambiente in cui la cellula cresce 1. Induzione (comunicazione a corto raggio tra cellule mediante contatto fisico e/fattori diffusibili) 2. Determinanti citoplasmatici 3. Inibizione laterale

9 MORFOGENI L induzione puo basarsi su molecola segnale (MORFOGENO) che istruisce le cellule in funzione del proprio gradiente (effetto soglia) Ad alte conc determina un tipo di differenziamento A basse conc induce altro tipo di differenziamento

10 Es di induzione da morfogeno: differenziamento del tubo neurale per dare i diversi tipi di neurone Gradiente shh determina il tipo di differenziamento: celulle sottoposte ad alte concentrazioni di morfogeno sonic hedgehog (Shh) differenziano in un modo, cellule sotto bassa conc di shh differenziano in altro

11 Il differenziamento può essere regolato da: Determinanti citoplasmatici (mrna, proteine o altro) con distribuzione diseguale dentro citoplasma Destini diversi Destini simili

12 Inibizione laterale: un gruppo di cellule tra loro equivalenti, inizialmente omogeneo alcune di queste cell si differenziano (casualmente o per effetto di gradiente o asimmetrie citoplasmatiche) e secernono fattori/espongono molecole superficiali che impediscono lo stesso tipo di differenziamnto in cell adiacenti Questi inibitori amplificano minime differenze iniziali e forzano cellule verso destini diversi

13 Gli stimoli che inducono cellule a differenziarsi si trasformano in variazioni epigenetiche della cromatina Durante il differenziamento infatti varia stato di metilazione del DNA e/o di modifiche chimiche su istoni queste variazioni sono fedelemente trasmesse alle cellule figlie: es cellula di mioblasto origina cellule figlie con stesso pattern di metilazione (attivazione genica) In cellule indifferenziate (totipotenti) basso livello di metilazione In cellule via via + differenziate aumenta livello di metilazione

14 Nei primi stadi di sviluppo embrionale il nucleo viene riprogrammato grazie a demetilazione: recupero totipotenza Livello di metilazione resta basso anche nelle cellule staminali dei tessuti adulti (mantengono capacità proliferativa e differenziativa)

15 Cellule staminali Cellule staminali = cellule indifferenziate capaci di 1) riprodursi (selfrenewal/automantenimento) e 2) differenziarsi in seguito per dare cellule più specializzate Cellule staminali embrionali (ES cell): derivano dall embrione primi stadi, sono indifferenziate e pluripotenti (possono differenziarsi in molti tipi di tessuto) Cellule staminali dell adulto (ASC) : si trovano in tessuti differenziati, unipotenti o multipotenti (capacità differenziativa + ristretta rispetto ad ES)

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18 Opportunamente trattate le ES derivanti da un embrione possono originare tutti i tipi cellulari

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20 Applicazioni: uso delle ES nella terapia trapiantologica riparare tessuti danneggiati (formati da cellule che non riescono più a rigenerarsi) le ES possono essere indirizzate in vitro verso percorso differenziativo e quindi impiantate in paziente cura di malattie neurodegenerative, distrofia muscolare, infarto, diabete, lesioni midollo spinale, etc., Ostacolo principale: scarsa accessibilità ad ES umane e rigetto se geneticamente incompatibili

21 Clonazione terapeutica per evitare rigetto La clonazione terapeutica non punta a riprodurre un organismo intero (clonazione riproduttiva) bensì cellule ES personalizzate Resta comunque problema etico (: disponibilità di cellule uovo umane) e tecnico ( difficile trapianto nucleare)

22 L uso delle ES è ancora in fase sperimentale Finora studi soprattutto in modelli animali

23 ASC: cellule staminali da adulto In diversi tessuti differenziati dell adulto a ricambio elevato si trovano popolazioni/nicchie di staminali La funzione principale delle ASC è mantenere l omeostasi tissutale Aumenta sempre più la lista di tessuti adulti con staminali, solo che è molto difficile individuarle perchè sono rare (1: !!)

24 Es epitelio intestinale Staminali producono vari tipi di cellule secernenti o assorbenti che differenziandosi man mano migrano verso apice dei villi e vanno incontro ad apoptosi (vita limitata)

25 Es epitelio pluristrato cutaneo staminali si dividono nello strato + profondo per poi migrare/differenziare vs superficie

26 Es sangue contiene vari tipi cellulari derivanti da staminale emopoietica pluripotente (midollo osseo) Le ASC più studiate sono le HSC (hematopoietic stem cells) HSC sono anche molto usate a scopo terapeutico per la cura di varie patologie (leucemie, linfomi, anemie,immunosoppressioni indotte da chemio/radioterapia, ) anche per la loro straordinaria plasticità (dimostrata da recenti studi)

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28 Il microambiente della nicchia (morfologia-architettura, composizione chimica, etc) mantiene la staminalità delle cellule e le protegge da tendenza a differenziare Es molecole segnale Wtn servono a mantenere nello stato staminale le cellule delle cripte intestinali

29 Applicazioni delle ASC in medicina rigenerativa Ricostruzione della superficie oculare o dei tessuti ossei (a seguito di traumi o patologie) a partire da staminali mesenchimali Problemi incontrati: ricerca di condizioni di coltura in vitro adeguate al differenziamento, materiali di supporto adatti a sviluppo di tessuti (epiteli), mantenimento delle cellule allo stadio staminale, Le mesenchimali sono guidate a formare tessuto mineralizzato grazie ad associazione con supporti porosi (ceramiche) e/o agenti chimici