Diferenciación Celular

Este elemento es una expansión del contenido de los cursos y guías de Lawi. Ofrece hechos, comentarios y análisis sobre este tema. [aioseo_breadcrumbs] Los organismos adultos se componen de una serie de tipos celulares distintos. Las células se organizan en tejidos, cada uno de los cuales suele contener un pequeño número de tipos celulares y se dedica a una función fisiológica específica. Por ejemplo, el tejido epitelial que recubre el intestino delgado contiene células absorbentes columnares, células caliciformes secretoras de moco, células endocrinas secretoras de hormonas y células de Paneth secretoras de enzimas. Además, existen células indiferenciadas en división que se encuentran en las criptas entre las vellosidades intestinales y sirven para sustituir a los otros tipos de células cuando se dañan o desgastan. Otro ejemplo de tejido diferenciado es el tejido esquelético de un hueso largo, que contiene osteoblastos (células grandes que sintetizan hueso) en la vaina exterior y osteocitos (células óseas maduras) y osteoclastos (células multinucleadas que participan en la remodelación del hueso) dentro de la matriz.

En general, cuanto más simple es la organización general del animal, menor es el número de tipos celulares distintos que poseen. Los mamíferos contienen más de 200 tipos de células diferentes, mientras que los animales invertebrados simples pueden tener sólo unos pocos tipos diferentes. Las plantas también están formadas por células diferenciadas, pero son bastante diferentes de las células de los animales. Por ejemplo, una hoja de una planta superior está cubierta por una capa de cutícula de células epidérmicas. Entre ellas hay poros compuestos por dos células especializadas, que regulan el intercambio gaseoso a través de la epidermis. Dentro de la hoja se encuentra el mesófilo, un tejido esponjoso responsable de la actividad fotosintética. También hay venas compuestas por elementos del xilema, que transportan el agua hacia arriba desde el suelo, y elementos del floema, que transportan los productos de la fotosíntesis a los órganos de almacenamiento.

Los distintos tipos de células se han reconocido y clasificado tradicionalmente según su aspecto en el microscopio óptico tras el proceso de fijación, procesamiento, seccionamiento y tinción de los tejidos que se conoce como histología. La histología clásica se ha visto ampliada por una serie de técnicas más discriminatorias. La microscopía electrónica permite obtener mayores aumentos. La histoquímica implica el uso de sustratos precipitantes coloreados para teñir determinadas enzimas in situ. La inmunohistoquímica utiliza anticuerpos específicos para identificar sustancias concretas, normalmente proteínas o carbohidratos, dentro de las células. La hibridación in situ implica el uso de sondas de ácido nucleico para visualizar la localización de ARN mensajeros (ARNm) específicos. Estos métodos modernos han permitido identificar más tipos de células de los que se podían visualizar mediante la histología clásica, especialmente en el cerebro, el sistema inmunitario y entre las células secretoras de hormonas del sistema endocrino.

El estado diferenciado

La base bioquímica de la diferenciación celular es la síntesis por parte de la célula de un conjunto particular de proteínas, carbohidratos y lípidos. Esta síntesis está catalizada por unas proteínas llamadas enzimas. Cada enzima, a su vez, se sintetiza de acuerdo con un gen particular, o secuencia de nucleótidos en el ADN del núcleo celular. Un estado particular de diferenciación, por tanto, corresponde al conjunto de genes que se expresa y al nivel al que se expresa.

Se cree que todos los genes de un organismo están presentes en cada núcleo celular, sea cual sea el tipo de célula, y que las diferencias entre tejidos no se deben a la presencia o ausencia de determinados genes, sino a la expresión de algunos y la represión de otros.Entre las Líneas En los animales, la mejor prueba de la retención de todo el conjunto de genes procede de los experimentos de clonación de animales completos en los que se sustituye el núcleo de una célula diferenciada por el de un óvulo fecundado.Entre las Líneas En muchas especies esto puede dar lugar al desarrollo de un embrión normal que contiene toda la gama de partes del cuerpo y tipos de células. Asimismo, en las plantas a menudo es posible cultivar embriones completos a partir de células individuales en cultivos de tejidos. Estos experimentos demuestran que cualquier núcleo tiene la información genética necesaria para el crecimiento de un organismo en desarrollo, y sugieren claramente que, para la mayoría de los tejidos, la diferenciación celular surge de la regulación de la actividad genética más que de la eliminación o destrucción de genes no deseados. La única excepción conocida a esta regla procede del sistema inmunitario, donde los segmentos de ADN de los glóbulos blancos en desarrollo se reordenan ligeramente, produciendo una gran variedad de moléculas de anticuerpos y receptores. (Véase Reordenación y modificación del ADN).

A nivel molecular hay muchas formas en las que la expresión de un gen puede estar regulada de forma diferencial en distintos tipos de células. Puede haber diferencias en la copia, o transcripción, del gen en ARN; en el procesamiento del transcrito inicial de ARN en ARNm; en el control del movimiento del ARNm al citoplasma; en la traducción del ARNm a proteína; o en la estabilidad del ARNm. Sin embargo, el control de la transcripción es el que más influye en la expresión de los genes y el que ha recibido el análisis más detallado.

El ADN del núcleo celular existe en forma de cromatina, que está formada por ADN unido a histonas (proteínas alcalinas simples) y a otras proteínas no histónicas. La mayor parte del ADN está complejado en estructuras repetitivas llamadas nucleosomas, cada una de las cuales contiene ocho moléculas de histona. Los genes activos se encuentran en partes del ADN donde la cromatina tiene una configuración “abierta”, en la que las proteínas reguladoras pueden acceder al ADN. El grado de apertura de la cromatina depende de las modificaciones químicas de las partes externas de las moléculas de histona y de la presencia o ausencia de determinadas proteínas no histónicas. El control transcripcional se ejerce con la ayuda de secuencias reguladoras que se encuentran asociadas a un gen, como la secuencia promotora, una región cercana al inicio del gen, y las secuencias potenciadoras, regiones que se encuentran en otro lugar del ADN y que aumentan la actividad de las enzimas que participan en el proceso de transcripción. Que la transcripción se produzca o no depende de la unión de los factores de transcripción a estas secuencias reguladoras. Los factores de transcripción son proteínas que suelen poseer una región de unión al ADN, que reconoce la secuencia reguladora específica en el ADN, y una región efectora, que activa o inhibe la transcripción. Los factores de transcripción suelen actuar reclutando enzimas que añaden modificaciones (por ejemplo, grupos acetilo o grupos metilo) o eliminan modificaciones de las partes externas de las moléculas de histona. Esto controla el plegamiento de la cromatina y la accesibilidad del ADN a la ARN polimerasa y a otros factores de transcripción.

En general, se necesitan varios factores de transcripción trabajando en combinación para activar un gen. Por ejemplo, el gen de la cristalina delta 1 del pollo, que normalmente se expresa sólo en el cristalino del ojo, tiene un promotor que contiene sitios de unión para dos factores de transcripción activadores y un potenciador que contiene sitios de unión para otros dos factores de transcripción activadores. También hay un sitio potenciador adicional que puede unirse a un activador (deltaEF3) o a un represor (deltaEF1). El éxito de la transcripción requiere que todos estos sitios estén ocupados por los factores de transcripción correctos.

Las células plenamente diferenciadas son cualitativamente diferentes entre sí. Los estados de diferenciación terminal son estables y persistentes, tanto en la vida de la célula como en las sucesivas generaciones celulares (en el caso de los tipos diferenciados que son capaces de continuar la división celular). La estabilidad inherente al estado diferenciado se mantiene mediante varios procesos, entre los que se encuentran la activación de genes por sus propios productos y la represión de genes inactivos. La estructura de la cromatina puede ser importante para mantener los estados de diferenciación, aunque todavía no está claro si puede mantenerse durante la replicación del ADN, que implica la eliminación temporal de las proteínas cromosómicas y el desenrollamiento de la doble hélice del ADN.

Un tipo de control de la diferenciación que se mantiene durante la replicación del ADN es la metilación del mismo, que tiende a reclutar histonas desacetilasas y, por tanto, a cerrar la estructura de la cromatina. La metilación del ADN se produce cuando un grupo metilo se une al exterior, o al lado del azúcar-fosfato, de un residuo de citosina (C). La metilación de la citosina sólo se produce en un nucleótido C cuando está conectado a un nucleótido G (guanina) en la misma cadena de ADN. Estos emparejamientos de nucleótidos se denominan dinucleótidos CG. Una clase de enzima metilasa del ADN puede introducir nuevas metilaciones cuando sea necesario, mientras que otra clase, llamada metilasas de mantenimiento, metila dinucleótidos CG en la doble hélice del ADN sólo cuando el CG de la cadena complementaria ya está metilado. Cada vez que se replica el ADN metilado, la hebra antigua tiene los grupos metilo y la nueva no. La metilasa de mantenimiento añadirá entonces grupos metilo a todos los CGs opuestos a los grupos metilo existentes para restaurar una doble hélice completamente metilada. Este mecanismo garantiza la estabilidad del patrón de metilación del ADN, y por lo tanto el estado diferenciado, durante los procesos de replicación del ADN y la división celular.

El proceso de diferenciación

La diferenciación a partir de células precursoras visiblemente indiferenciadas se produce durante el desarrollo embrionario, durante la metamorfosis de las formas larvarias y tras la separación de las partes en la reproducción asexual. También tiene lugar en los organismos adultos durante la renovación de los tejidos y la regeneración de las partes perdidas. Así pues, la diferenciación celular es un proceso esencial y continuo en todas las etapas de la vida.

La diferenciación visible de las células es sólo la última de una secuencia progresiva de estados.Entre las Líneas En cada estado, la célula se compromete cada vez más con un tipo de célula en la que puede desarrollarse. Los estados de compromiso se describen a veces como “especificación” para representar un tipo de compromiso reversible y como “determinación” para representar un compromiso irreversible. Aunque tanto los estados de especificación como de determinación representan una actividad génica diferencial, las propiedades de las células embrionarias no son necesariamente las mismas que las de las células plenamente diferenciadas.Entre las Líneas En particular, las células en estado de especificación no suelen ser estables durante periodos de tiempo prolongados.

Hay dos mecanismos que provocan la alteración de los compromisos en las diferentes regiones del embrión temprano: la localización citoplasmática y la inducción. La localización citoplasmática es evidente en las primeras etapas del desarrollo del embrión. Durante este tiempo, el embrión se divide sin crecer, sufriendo divisiones de escisión que producen células separadas llamadas blastómeros. Cada blastómero hereda una determinada región del citoplasma del óvulo original, que puede contener una o varias sustancias reguladoras denominadas determinantes citoplasmáticos. Cuando el embrión se ha convertido en una masa sólida de blastómeros (llamada mórula), suele estar formado por dos o más poblaciones celulares comprometidas de forma diferente, resultado de que los blastómeros han incorporado diferentes determinantes citoplasmáticos.

Informaciones

Los determinantes citoplásmicos pueden consistir en ARNm o proteínas en un estado particular de activación. Un ejemplo de la influencia de un determinante citoplasmático es un receptor llamado Toll, situado en las membranas de los huevos de Drosophila (mosca de la fruta). La activación de Toll garantiza que los blastómeros se desarrollarán en estructuras ventrales (parte inferior), mientras que los blastómeros que contienen Toll inactivo producirán células que se desarrollarán en estructuras dorsales (parte posterior).

En la inducción, el segundo mecanismo de compromiso, una sustancia secretada por un grupo de células altera el desarrollo de otro grupo.Entre las Líneas En el desarrollo temprano, la inducción suele ser instructiva; es decir, el tejido asume un estado de compromiso diferente en presencia de la señal que en ausencia de la misma. Las señales inductivas suelen adoptar la forma de gradientes de concentración de sustancias que evocan una serie de respuestas diferentes a distintas concentraciones. Esto conduce a la formación de una secuencia de grupos de células, cada una en un estado de especificación diferente. Por ejemplo, en Xenopus (rana con garras) el embrión temprano contiene un centro de señalización llamado organizador que segrega inhibidores de las proteínas morfogenéticas óseas (BMP), lo que conduce a un gradiente de actividad de BMP de ventral a dorsal (de vientre a espalda). La actividad de las BMP en la región ventral del embrión suprime la expresión de los factores de transcripción implicados en la formación del sistema nervioso central y de los músculos segmentados. La supresión asegura que estas estructuras se formen sólo en la parte dorsal, donde hay una menor actividad de BMP.

Basado en la experiencia de varios autores, mis opiniones, perspectivas y recomendaciones se expresarán a continuación (o en otros lugares de esta plataforma, respecto a las características en 2026 o antes, y el futuro de esta cuestión):

La etapa final de la diferenciación suele implicar la formación de varios tipos de células diferenciadas a partir de una población de células precursoras o madre. La diferenciación terminal se produce no sólo en el desarrollo embrionario, sino también en muchos tejidos de la vida postnatal. El control de este proceso depende de un sistema de inhibición lateral en el que las células que se están diferenciando por una vía concreta envían señales que reprimen una diferenciación similar por parte de sus vecinas. Por ejemplo, en el sistema nervioso central en desarrollo de los vertebrados, las neuronas surgen de un tubo simple de neuroepitelio, cuyas células poseen un receptor de superficie llamado Notch. Estas células también poseen otra molécula de superficie celular llamada Delta que puede unirse y activar Notch en las células adyacentes. La activación de Notch inicia una cascada de acontecimientos intracelulares que da como resultado la supresión de la producción de Delta y la supresión de la diferenciación neuronal. Esto significa que el neuroepitelio genera sólo unas pocas células con alta expresión de Delta rodeadas por un mayor número de células con baja expresión de Delta. Una alta producción de Delta y una baja activación de Notch hace que las células se conviertan en neuronas. Una baja producción de Delta y una alta activación de Notch hace que las células permanezcan como células precursoras o se conviertan en células gliales (de soporte). Se sabe que un mecanismo similar produce las células endocrinas del páncreas y las células caliciformes del epitelio intestinal. Estos sistemas de inhibición lateral funcionan porque las células de una población nunca son del todo idénticas al principio. Siempre hay pequeñas diferencias, como el número de moléculas Delta que aparecen en la superficie celular. El mecanismo de inhibición lateral amplifica estas pequeñas diferencias, utilizándolas para provocar una expresión génica diferencial que conduce a estados estables y persistentes de diferenciación celular.

Errores de Diferenciación Celular

Tres clases de diferenciación celular anormal son la displasia, la metaplasia y la anaplasia. La displasia indica una disposición anormal de las células, que suele surgir de una alteración de su comportamiento normal de crecimiento. Algunas displasias son lesiones precursoras del cáncer, mientras que otras son inofensivas y remiten espontáneamente. Por ejemplo, la displasia del cuello uterino, denominada neoplasia intraepitelial cervical (NIC), puede evolucionar hacia un cáncer de cuello uterino. Puede detectarse mediante pruebas citológicas de frotis cervical (frotis de Papanicolaou).

La metaplasia es la conversión de un tipo celular en otro. De hecho, no suelen ser las propias células diferenciadas las que cambian, sino la población de células madre de la que derivan. La metaplasia suele producirse cuando el daño tisular crónico va seguido de una amplia regeneración. Por ejemplo, la metaplasia escamosa de los bronquios se produce cuando las células epiteliales respiratorias ciliadas de las personas que fuman se convierten en células escamosas o aplanadas.Entre las Líneas En la metaplasia intestinal del estómago, surgen parches que se asemejan al tejido intestinal en la mucosa gástrica, a menudo en asociación con úlceras gástricas. Ambos tipos de metaplasia pueden evolucionar hacia el cáncer.

La anaplasia es una pérdida de diferenciación visible que puede producirse en el cáncer avanzado.Entre las Líneas En general, los cánceres tempranos se parecen a su tejido de origen y se describen y clasifican por su patrón de diferenciación. Sin embargo, a medida que se desarrollan, producen variantes de aspecto más anormal y de mayor malignidad. Por último, puede producirse un crecimiento altamente anaplásico, en el que las células cancerosas no guardan ninguna relación visible con el tejido de origen.

Datos verificados por: Brite
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Recursos

Traducción al Inglés

Traducción al inglés de Celular: Cell.

Véase También

Corteza celular
Cultivo celular
Modelo celular
Citorrhisis
Citoneo
Biotecnología
Anatomía
Citotoxicidad
Célula humana
Balsa lipídica
Esquema de la biología celular
Parakaryon myojinensis
Plasmólisis
Sincitio
Túnel de nanotubos
Bóveda (orgánulo)

Bibliografía

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