Differenziazione cellulare: negli animali e nelle piante

La differenziazione cellulare è il fenomeno graduale mediante il quale le cellule multipotenziali degli organismi raggiungono determinate caratteristiche specifiche. Si verifica durante il processo di sviluppo e si evidenziano cambiamenti fisici e funzionali. Concettualmente, la differenziazione avviene in tre fasi: determinazione, corretta differenziazione e maturazione.

Questi tre processi menzionati si verificano continuamente negli organismi. Nella prima fase della determinazione avviene l'assegnazione di cellule multipotenti nell'embrione a un tipo definito di cellula; per esempio, una cellula nervosa o una cellula muscolare. Nella differenziazione, le cellule iniziano ad esprimere le caratteristiche del lignaggio.

Infine, la maturazione avviene nelle ultime fasi del processo, dove vengono acquisite nuove proprietà che danno l'aspetto finale delle caratteristiche negli organismi maturi.

La differenziazione cellulare è un processo regolato in modo molto rigoroso e preciso da una serie di segnali che includono ormoni, vitamine, fattori specifici e persino ioni. Queste molecole indicano l'inizio delle vie di segnalazione all'interno della cellula.

È possibile che si verifichino conflitti tra i processi di divisione e differenziazione cellulare; pertanto, lo sviluppo raggiunge un punto in cui la proliferazione deve cessare di dare origine alla differenziazione.

Caratteristiche generali

Il processo di differenziazione cellulare implica il cambiamento di forma, struttura e funzione di una cellula in un dato lignaggio. Inoltre, implica la riduzione di tutte le potenziali funzioni che una cellula può avere.

Il cambiamento è governato da molecole chiave, tra queste proteine ​​e specifici RNA messaggeri. La differenziazione cellulare è un prodotto dell'espressione controllata e differenziale di alcuni geni.

Il processo di differenziazione non implica la perdita dei geni iniziali; ciò che accade è una repressione in luoghi specifici del macchinario genetico nella cellula che sta subendo il processo di sviluppo. Una cellula contiene circa 30.000 geni, ma esprime solo circa 8.000 o 10.000.

Per esemplificare la suddetta affermazione, è stato proposto il seguente esperimento: il nucleo viene prelevato da una cellula già differenziata dal corpo di un anfibio, ad esempio una cellula della mucosa intestinale, ed è impiantata nell'ovulo di una rana il cui nucleo è stato precedentemente estratto .

Il nuovo nucleo ha tutte le informazioni necessarie per creare un nuovo organismo in perfette condizioni; cioè, le cellule della mucosa intestinale non avevano perso alcun gene quando si sottoponevano al processo di differenziazione.

Differenziazione cellulare negli animali

Lo sviluppo inizia con la fecondazione. Quando la formazione di morula si verifica nei processi di sviluppo dell'embrione, le cellule sono considerate totipotenti, indicando che sono in grado di formare l'intero organismo.

Con il passare del tempo, la morula diventa una blastula e le cellule sono ora chiamate pluripotenti, perché possono formare i tessuti dell'organismo. Non possono formare l'organismo completo perché non sono in grado di dare origine ai tessuti extraembrionali.

Istologicamente, i tessuti fondamentali di un organismo sono l'epiteliale, il connettivo, il muscolare e il nervoso.

Man mano che ci si sposta ulteriormente, le cellule sono multipotenti, perché si differenziano in cellule mature e funzionali.

Negli animali, in particolare nei metazoi, esiste un percorso comune di sviluppo genetico che unifica l'ontogenesi del gruppo grazie a una serie di geni che definiscono il modello specifico delle strutture corporee, controllando l'identità dei segmenti nell'asse antero-posteriore dell'animale

Questi geni codificano particolari proteine ​​che condividono una sequenza di aminoacidi leganti il ​​DNA (homeobox nel gene, omodomain nella proteina).

Accensione e spegnimento dei geni

Il DNA può essere modificato dagli agenti chimici o dai meccanismi cellulari che influenzano -indurre o reprimere- l'espressione dei geni.

Esistono due tipi di cromatina, classificati in base alla loro espressione o meno: eucromatina ed eterocromatina. Il primo è organizzato in modo approssimativo e i suoi geni sono espressi, il secondo ha un'organizzazione compatta e impedisce l'accesso ai meccanismi di trascrizione.

È stato proposto che, nei processi di differenziazione cellulare, i geni che non sono richiesti per quel lignaggio specifico siano silenziati sotto forma di domini composti da eterocromatina.

Meccanismi che producono diversi tipi di cellule

Negli organismi multicellulari esiste una serie di meccanismi che producono diversi tipi di cellule nei processi di sviluppo, come la segregazione dei fattori citoplasmatici e la comunicazione cellulare.

La segregazione dei fattori citoplasmatici comporta la separazione ineguale di elementi quali proteine ​​o RNA messaggero nei processi di divisione cellulare.

D'altra parte, la comunicazione cellulare tra cellule vicine può stimolare la differenziazione di diversi tipi di cellule.

Tale processo si verifica nella formazione delle vescicole oftalmiche quando incontrano l'ectoderma della regione cefalica e provocano l'ispessimento che forma le placche delle lenti. Queste si piegano nella regione interna e formano la lente cristallina.

Modello di differenziazione cellulare: tessuto muscolare

Uno dei modelli meglio descritti in letteratura è lo sviluppo del tessuto muscolare. Questo tessuto è complesso ed è composto da cellule con nuclei multipli la cui funzione è la contrazione.

Le cellule mesenchimali danno origine a cellule miogeniche, che a loro volta danno origine a tessuto muscolare scheletrico maturo.

Affinché questo processo di differenziazione inizi, devono essere presenti alcuni fattori di differenziazione che impediscono la fase S del ciclo cellulare e che agiscono come stimolanti genetici che causano il cambiamento.

Quando queste cellule ricevono il segnale, avvia la trasformazione verso mioblasti che non possono essere sottoposti a processi di divisione cellulare. I mioblasti esprimono i geni relativi alla contrazione muscolare, come quelli che codificano per l'actina e le proteine ​​della miosina.

I mioblasti possono fondersi l'uno con l'altro e formare un miotubo con più di un nucleo. In questa fase si verifica la produzione di altre proteine ​​correlate alla contrazione, come la troponina e la tropomiosina.

Quando i nuclei si spostano verso la parte periferica di queste strutture, sono considerati una fibra muscolare.

Come descritto, queste cellule hanno proteine ​​correlate alla contrazione muscolare, ma mancano di altre proteine ​​come la cheratina o l'emoglobina.

Geni principali

L'espressione differenziale nei geni è sotto il controllo di "geni principali". Questi si trovano nel nucleo e attivano la trascrizione di altri geni. Come suggerisce il nome, sono i fattori chiave che sono responsabili del controllo di altri geni che dirigono le loro funzioni.

Nel caso della differenziazione muscolare, i geni specifici sono quelli che codificano per ciascuna delle proteine ​​coinvolte nella contrazione muscolare, ei geni principali sono MyoD e Myf5.

Quando i geni regolatori sono assenti, i geni subalterici non sono espressi. Al contrario, quando è presente il gene principale, l'espressione dei geni target è forzata.

Esistono geni principali che dirigono la differenziazione dei neuroni, epiteliali, cardiaci, tra gli altri.

Differenziazione cellulare nelle piante

Come negli animali, lo sviluppo delle piante inizia con la formazione di uno zigote all'interno del seme. Quando si verifica la prima divisione cellulare, originano due celle diverse.

Una delle caratteristiche dello sviluppo della pianta è la continua crescita dell'organismo grazie alla presenza continua di cellule che hanno un carattere embrionale. Queste regioni sono conosciute come meristemi e sono organi di crescita perpetua.

I percorsi di differenziazione danno origine ai tre sistemi tissutali presenti nelle piante: il protoderma che include i tessuti dermici, i meristemi fondamentali e il procambio.

Il prodotto è responsabile della formazione del tessuto vascolare nella pianta, formato dallo xilema (trasportatore di acqua e sali disciolti) e dal floema (trasportatore di zuccheri e altre molecole come gli amminoacidi).

meristemi

I meristemi si trovano sulla punta dei gambi e delle radici. Pertanto, queste cellule si differenziano e danno origine alle diverse strutture che formano le piante (foglie, fiori, tra gli altri).

La differenziazione cellulare delle strutture floreali avviene in un determinato momento di sviluppo e il meristema diventa "infiorescenza" che, a sua volta, forma i meristemi floreali. Da qui sorgono i pezzi floreali costituiti da sepali, petali, stami e carpelli.

Queste cellule sono caratterizzate dall'avere dimensioni ridotte, forma cuboidale, una parete cellulare sottile ma flessibile e un citoplasma con un'alta densità e numerosi ribosomi.

Ruolo delle auxine

I fitormoni svolgono un ruolo nei fenomeni di differenziazione cellulare, in particolare le auxine.

Questo ormone influenza la differenziazione del tessuto vascolare nello stelo. Gli esperimenti hanno dimostrato che l'applicazione delle auxine in una ferita porta alla formazione di tessuto vascolare.

Allo stesso modo, le auxine sono correlate alla stimolazione dello sviluppo delle cellule del cambio vascolare.

Differenze tra animali e piante

Il processo di differenziazione cellulare e di sviluppo nelle piante e negli animali non avviene in modo identico.

Negli animali, i movimenti delle cellule e dei tessuti devono avvenire in modo che gli organismi acquisiscano una conformazione tridimensionale che li caratterizza. Inoltre, la diversità cellulare è molto più elevata negli animali.

Al contrario, le piante non hanno periodi di crescita solo nelle prime fasi della vita dell'individuo; possono aumentare le loro dimensioni per tutta la vita del vegetale.