16.14: Regulación de la expresión génica en el desarrollo celular - Mecánica de la Diferenciación Celular

Objetivos de aprendizaje

• Resumir cómo una célula puede diferenciarse en una célula especializada

Diferenciación celular

¿Cómo se desarrolla un organismo complejo como un ser humano a partir de una sola célula, un huevo fertilizado, en la amplia gama de tipos de células como las células nerviosas, las células musculares y las células epiteliales que caracterizan al adulto? A lo largo del desarrollo y la edad adulta, el proceso de diferenciación celular lleva a las células a asumir su morfología y fisiología finales. La diferenciación es el proceso por el cual las células no especializadas se especializan para llevar a cabo distintas funciones.

Células Madre

Una célula madre es una célula no especializada que puede dividirse sin límite según sea necesario y puede, en condiciones específicas, diferenciarse en células especializadas. Las células madre se dividen en varias categorías según su potencial para diferenciarse. Las primeras células embrionarias que surgen de la división del cigoto son las últimas células madre; estas células madre se describen como totipotentes porque tienen el potencial de diferenciarse en cualquiera de las células necesarias para permitir que un organismo crezca y se desarrolle. Las células embrionarias que se desarrollan a partir de células madre totipotentes y son precursoras de las capas fundamentales de tejido del embrión se clasifican como pluripotentes. Una célula madre pluripotente es aquella que tiene el potencial de diferenciarse en cualquier tipo de tejido humano pero que no puede soportar el pleno desarrollo de un organismo. Estas células luego se vuelven un poco más especializadas, y se las conoce como células multipotentes. Una célula madre multipotente tiene el potencial de diferenciarse en diferentes tipos de células dentro de un linaje celular dado o un pequeño número de linajes, como un glóbulo rojo o un glóbulo blanco.

Figura\(\PageIndex{1}\): Hematopoyesis: la diferenciación de células multipotentes: El proceso de hematopoyesis implica la diferenciación de células multipotentes en células sanguíneas e inmunes. Las células madre hematopoyéticas multipotentes dan lugar a muchos tipos de células diferentes, incluyendo las células del sistema inmune y los glóbulos rojos.

Finalmente, las células multipotentes pueden convertirse en células oligopotentes más especializadas. Una célula madre oligopotente se limita a convertirse en uno de los pocos tipos de células diferentes. En contraste, una célula unipotente está completamente especializada y sólo puede reproducirse para generar más de su propio tipo celular específico. Las células madre son únicas en el sentido de que también pueden dividir y regenerar continuamente nuevas células madre en lugar de especializarse aún más.

Hay diferentes células madre presentes en diferentes etapas de la vida de un ser humano, incluyendo las células madre embrionarias del embrión, las células madre fetales del feto y las células madre adultas en el adulto. Un tipo de célula madre adulta es la célula madre epitelial, que da lugar a los queratinocitos (células que producen queratina, la proteína primaria en uñas y cabello) en las múltiples capas de células epiteliales en la epidermis de la piel. La médula ósea adulta tiene tres tipos distintos de células madre: células madre hematopoyéticas, que dan lugar a glóbulos rojos, glóbulos blancos y plaquetas; células madre endoteliales, que dan origen a los tipos de células endoteliales que recubren la sangre y los vasos linfáticos; y células madre mesenquimales, que dan origen a la diferentes tipos de células musculares.

Diferenciación

Cuando una célula se diferencia (es decir, se vuelve más especializada), puede llevar a cabo cambios importantes en su tamaño, forma, actividad metabólica y función general. Debido a que todas las células del cuerpo, comenzando por el óvulo fertilizado, contienen el mismo ADN, ¿cómo llegan a ser tan diferentes los diferentes tipos de células? La respuesta es análoga a un guión cinematográfico. Diferentes actores en una película leen todos del mismo guión, pero cada uno solo lee su propia parte del guión. De igual manera, todas las células contienen el mismo complemento completo de ADN, pero cada tipo de célula solo “lee” las porciones de ADN que son relevantes para su propio funcionamiento. En otros términos, cada célula tiene el genoma pero sólo expresará genes específicos, con lo que tendrá proteomas únicos. En biología, esto se conoce como la expresión genética única de cada célula. Para que una célula se diferencie en su forma y función especializadas, sólo necesita manipular aquellos genes (y por lo tanto esas proteínas) que se expresarán, y no aquellos que permanecerán en silencio.

Mecanismo

El mecanismo principal por el cual los genes se activan o desactivan es a través de factores de transcripción. Un factor de transcripción es uno de una clase de proteínas que se unen a genes específicos en la molécula de ADN y promueven o inhiben su transcripción. El mecanismo primario que determina qué genes se expresarán y cuáles no lo harán es a través del uso de diferentes proteínas del factor de transcripción, que se unen al ADN y promueven u obstaculizan la transcripción de diferentes genes. A través de la acción de estos factores de transcripción, las células se especializan en uno de los cientos de diferentes tipos de células en el cuerpo humano.

Figura\(\PageIndex{1}\): Los factores de transcripción regulan la expresión génica: Si bien cada célula corporal contiene todo el genoma del organismo, diferentes células regulan la expresión génica con el uso de diversos factores de transcripción. Los factores de transcripción son proteínas que afectan la unión de la ARN polimerasa a un gen particular en la molécula de ADN.

Puntos Clave

• Los diferentes tipos de células madre exhiben diferentes capacidades para diferenciarse en células especializadas (desde las células madre más ilimitadas hasta las más restringidas): totipotentes, pluripotentes, multipotentes a oligopotentes.
• Las células totipotentes tienen el potencial de diferenciarse en cualquiera de las células necesarias para permitir que un organismo crezca y se desarrolle; las células pluripotentes tienen el potencial de diferenciarse en cualquier tipo de tejido humano pero no pueden apoyar el desarrollo completo de un organismo.
• Una célula madre multipotente tiene el potencial de diferenciarse en diferentes tipos de células dentro de un linaje celular dado o un pequeño número de linajes, mientras que una célula madre oligopotente se limita a convertirse en uno de los pocos tipos de células diferentes.
• El proceso de diferenciación celular está bajo estricta regulación por factores de transcripción que pueden activar o reprimir la expresión de genes que afectarán al proteoma de la célula y así, proporcionar los componentes necesarios que necesita para convertirse en una célula especializada.
• Todas las células contienen el mismo complemento de ADN, o genoma, pero una vez que se produce la diferenciación, son los cambios en el proteoma los que distinguirán un tipo celular de otro.

Términos Clave

• diferenciar: para producir distintas células, órganos o para lograr funciones específicas mediante un proceso de desarrollo
• proteoma: el conjunto completo de proteínas codificadas por un genoma particular
• transcripción: la síntesis de ARN bajo la dirección del ADN