Colegio Inglés San José Depto. Ciencias IntegradasNivel. IVº electivo (plan 5)Docente: Norma Cruz Tapia

Diferenciación celular

En primera instancia se debe saber que, aunque no se entiende el proceso completo de la diferenciación para ningún tipo celular, existen modelos de estudio, tales como el de músculo esquelético en mamíferos, que han revelado algunos principios básicos que permiten intuir la existencia de procesos similares en otros sistemas celulares. El objetivo general de la actividad de análisis realizada era que descubrieras la diferenciación celular depende de la expresión de genes específicos los que son sensibles a las interacciones de las células con el medio. Estas interacciones involucran a señales y receptores de señales producidas por otras células del entorno.

Acerca de los ejemplos que representan las figuras:

En mamíferos, la miogénesis esquelética procede a través de tres estados, representados en la figura.

En el primer estadio, surgen los mioblastos a partir de bloques de células mesodérmicas llamadas somitos, que se encuentran a ambos lados del tubo neural en el embrión. Los somitas también dan origen al esqueleto y al tejido conectivo de la piel. Señales específicas provenientes del tubo neural y del ectoderma lateral juegan un papel importante en determinar la formación de los mioblastos en los somitos.

Los mioblastos ya están determinados a formar músculo pero aún no se han diferenciado. Si se cultivan fuera del embrión se las puede hacer diferenciarse en músculo esquelético. En el embrión, un subconjunto de los mioblastos recibe señales transitorias que los hacen migrar hacia otras regiones donde terminan formando los músculos de las extremidades. Otros mioblastos no migran y se quedan en la región dorsal del embrión donde forman los músculos del tronco.

En la región donde se formarán las extremidades se alinean los mioblastos que migraron, dejan de proliferar y se fusionan entre ellos para formar un sincicio (una célula que contiene múltiples núcleos) que finalmente se diferencia en músculo. Esta célula de músculo esquelético multinucleada se llama miotubo. Concomitantemente con la fusión celular se produce un dramático incremento en la expresión de las genes necesarios para la formación y función del músculo.

El ejemplo muestra, que una subclase de células de los somitos debe haber recibido señales que las indujo a migrar y luego a expresar genes importantes para dirigir la diferenciación hacia células musculares. El hecho que la diferenciación ocurre en un sitio específico del embrión aun cuando las células ya están determinadas a la diferenciación indica que existen factores que impiden que el proceso ocurra en un lugar inadecuado.

Entre los genes que se han descubierto como importantes para dirigir el proceso de diferenciación están los llamados mioD y miogenina que codifican proteínas capaces de regular la expresión de genes de actina, miosina, y otros genes importantes en el fenotipo muscular esquelético.En la figura se ilustra el tipo de experimento que llevó a descubrir los genes involucrados en la diferenciación.

La línea celular fibroblástica llamada C3H 10T1/2 puede convertirse en célula muscular cuando se incuba con un inhibidor de la metilación del DNA, la 5-azacitidina. En este proceso, las células cambian de forma y se hacen contráctiles. Esto se puede observar en el microscopio de luz.

Es necesario explicar que ciertas enzimas llamadas metilasas son capaces de introducir un grupo metilo en la citosina del DNA y que esta modificación es un mecanismo general para impedir la expresión de genes. Las regiones del DNA donde la transcripción es escasa tienen mayor contenido de citosina metilada. En el experimento, la 5-azacitidina inhibe la metilación del DNA y por lo tanto los genes que antes se encontraban apagados por la metilación ahora se activan. En estas condiciones los fibroblastos se convierten en células musculares. Estos hechos proveen un modelo para buscar los genes que se activaron.

En la figura se ilustran las etapas de un procedimiento para detectar los genes involucrados en la diferenciación. Primero, se observó que el DNA de la célula tratada con 5-azacitidina (que se llamó azamioblasto) era capaz de inducir la diferenciación cuando se introducía en fibroblastos no tratados con el inhibidor de la metilación del DNA. Luego, se realizó un experimento para detectar los RNAm expresados adicionalmente en los fibroblastos tratados con 5-azacitidina. El procedimiento consiste en generar cDNA a partir de los RNAm mediante transcripción reversa. Estos cDNA se hibridizan con los RNAm de las células no tratadas de manera que sólo los cDNAs correspondientes a los genes que se expresan después del tratamiento quedan sin hibridizar y se pueden utilizar para rastrear una librería de cDNAs de mioblastos. Una vez aislados los cDNAs de los mioblastos se procedió a probarlos en ensayos de diferenciación, transfectándolos en los fibroblastos.

Como se observa en la figura, la transfección provoca la diferenciación de éstas células en mioblastos, indicando que el cDNA transfectado codifica para una proteína importante en la regulación del proceso de diferenciación, que en este caso se llamó mio-D. De manera parecida se han identificado y clonado otros genes importantes para esta diferenciación.

Importancia de la

comunicación celular en procesos de diferenciación y organogénesis

La importancia de las interacciones celulares locales en el desarrollo se puede apreciar en el experimento de transplante del primordio óptico (conjunto de células que darán origen al ojo) hacia un sitio en el ectodermo que normalmente no da origen al lente del ojo. El transplante induce en esa zona ectópica la formación del lente en las células del ectodermo. Se denomina inducción al proceso por el cual una población de células influencia el desarrollo de células vecinas. Esto se debe a señales producidas por unas células e interpretadas por otras. Entre las señales se encuentran factores de crecimiento, tales como la familia del factor de crecimiento transformante beta que participa en el desarrollo tanto de invertebrados como de

vertebrados. Estos factores promueven la producción de moléculas de adhesión celular, de otros factores de crecimiento y de moléculas de la matriz extracelular, que serán estudiados más adelante.

Las interacciones entre células cumplen un papel crucial en el desarrollo de órganos internos, tales como riñón, pulmón y páncreas. En el ejemplo de la figura, se presenta el caso del riñón como ejemplo donde ocurren interacciones recíprocas que inducen diferenciación entre diferentes células.Es un ejemplo de comunicación entre células, un verdadero diálogo en que las señales de unas células inducen a las otras células a producir otras señales, frente a las cuales responden ahora las primeras células.

Un epitelio es una capa continua de células cuya superficie se encuentra dividida en dos regiones. Una región apical y una basolateral separadas por las uniones estrechas, que impiden el flujo de iones y la difusión de las distintas proteínas que se encuentran en estas dos regiones.

Las células epiteliales derivan de una de las tres capas germinales, ya sea del ectodermo, mesodermo o endodermo. En contraste, el mesénquima contiene células asociadas más laxamente y no polarizadas, que derivan ya sea del mesodermo o ectodermo. La formación de órganos como el riñón, intestino, páncreas y pulmón es regulado por las interacciones entre las células epiteliales y las mesenquimáticas.Estas interacciones incluyen una serie de eventos de inducción recíproca. En el ejemplo, las células del mesénquima inducen la formación de ramificaciones en las células epiteliales del brote uretral que se diferencian en los túbulos colectores del riñón. A su vez el epitelio de los túbulos colectores inducen a las células mesenquimáticas a formar, primero, una condensación celular, que luego deriva en células epiteliales que darán origen a los túbulos proximales y distales y también al glomérulo. En estos procesos de morfogénesis renal participan un gran número de señales solubles, incluyendo proteínas de la familia del factor de crecimiento transformante beta, y también señales ancladas a la superficie celular (integrinas; ver

más adelante). Algunas señales son expresadas por el epitelio mientras otras son producidas por las células del mesénquima. También participan receptores específicos de estas señales.En resumen, explicar que ciertas señales extracelulares transitorias son capaces de inducir un programa de diferenciación célula-específico que incluye la expresión de factores capaces de regular la expresión de genes específicos mientras otras señales lo inhiben de manera que ocurra en el tiempo adecuado.Cómo se interpretan las señales y qué son los factores de transcripción serán motivo de estudio más adelante. Por ahora es importante crear la motivación para estudiar los sistemas de señalización entre células, las relaciones de las células con su entorno y con otras células y luego los mecanismos básicos de regulación de la expresión génica.

Como se explicitó en la clase inicial, el objetivo principal de la unidad Integración célula organismo es conocer y comprender los mecanismos moleculares que permiten el funcionamiento integrado y coordinado de los cientos de miles de millones de células que conforman un organismo multicelular complejo como el nuestro o el de muchos otros organismos superiores.

I NECESIDAD DE LA COMUNICACIÓN CELULAR

UNA DE LAS CARACTERÍSTICAS ESENCIALES de los seres vivos es su capacidad de ajustarse a las condiciones que les presenta el medio; a esta característica se la llama plasticidad. Dicha plasticidad es vital para las células, ya que, de no existir, sus posibilidades de sobrevivencia serían muy escasas. De hecho, la extinción de una especie indica que se sobrepasó su capacidad de ajuste. Imagínate por un momento a una célula o a un organismo sencillo en un medio específico; ahora, lo colocamos en otro de composición diferente. ¿Qué sucederá? En primer lugar, el organismo deberá percatarse del cambio y luego realizar los ajustes necesarios para continuar llevando a cabo sus funciones fundamentales. Ello implica que tiene la capacidad de "percibir", "escuchar" o "sentir" los cambios que se producen y de "responder" a ellos.

Si pensamos en organismos más complejos, como nosotros, por ejemplo, se verá que las células que nos forman se encuentran rodeadas por un medio (el líquido extracelular o medio interno), cuya composición varía, aunque dentro de límites relativamente estrechos. Estas células también están "escuchando" y "respondiendo" a dichos cambios. Ahora bien; si consideramos al individuo como un todo, nos resulta obvio que el conjunto de células que lo forman debe responder en una forma global, coordinada y armoniosa. Dado que estamos pensando en millones de células, dicha coordinación y armonía sólo puede lograrse mediante un amplísimo sistema de comunicación celular. Pongamos un ejemplo: imaginemos a un ilustre capitalino gozando de unas merecidas vacaciones en una de las hermosas playas de nuestra costa. Nuestro capitalino está cómodamente recostado disfrutando del Sol y las bellezas del lugar; de repente, observa que el oleaje aumenta y que va a ser cubierto por el mar. Es evidente que no permanecerá tranquilo, de inmediato parecerá que los ojos se salen de sus órbitas; la frecuencia y la fuerza de contracción de su corazón aumentarán, así como la amplitud de su respiración. Instantes después, hará todos los movimientos necesarios para poner "pies en polvorosa", alejándose del peligro. Además, le ocurrirán muchísimos otros cambios, la mayoría totalmente imperceptibles para él, pero sumamente importantes para permitir la respuesta global de su organismo: aumentará su tensión arterial, su sudoración, la concentración de combustibles (como los azúcares y las grasas) en su sangre, etc. Se diría que casi la totalidad de sus células se enteraron del acontecimiento y respondieron coordinadamente. Pero ¿cómo se enteraron? Esto ocurrió a través de una enorme, rápida y compleja red de comunicación celular, que se realiza y coordina por medio de dos grandes sistemas: el sistema nervioso y el sistema hormonal o endocrino. Ambos operan básicamente por medio de mensajes químicos.

¿TODAS LAS CÉLULAS SE COMUNICAN?

Cabe aclarar un aspecto importante. Podría pensarse que sólo los organismos complejos, pluricelulares, establecen comunicación, pero no es así. Muchos organismos sencillos, unicelulares, también lo hacen. Como en el caso de algunos mohos que pueden vivir tanto en forma unicelular (amiboidea) como formando estructuras más complejas (el moho propiamente dicho), dependiendo de las condiciones que se les presenten. En este ejemplo, las células libres detectan los cambios en el medio y secretan mensajeros. Estos mensajeros llegan a otras células que, en respuesta, se agregan y se van diferenciando hasta formar las estructuras del moho.

Decíamos anteriormente que en los organismos pluricelulares la comunicación se realiza y coordina por medio de dos sistemas: el nervioso y el endocrino u hormonal. En realidad la interrelación entre ambos es tan estrecha, que pueden considerarse como uno solo: el gran sistema neuroendocrino. Este sistema capta los cambios en el medio externo, ajusta el medio interno y permite la acción de cada célula de forma tal que la respuesta global se integre. Es éste, pues, el comunicador y coordinador por excelencia. Sin embargo, considerar que el sistema neuroendocrino sólo interviene en la comunicación sería un grave error. En realidad hay comunicación celular entre todas las células y en todos los ámbitos como se verá más adelante. Por ejemplo, cuando nos enfrentamos a una infección hay una respuesta neuroendocrina global, pero además los muy diversos tipos de células de nuestro sistema inmune realizan una enorme labor para combatirla. En esta lucha participa una intrincadísima red de comunicación celular.

FORMAS EN LAS QUE OPERA LA COMUNICACIÓN CELULAR

Ahora se analizarán brevemente las seis principales formas en que opera la comunicación celular.

I) En el caso de la comunicación endocrina u hormonal, las células de las glándulas de secreción interna (como la hipófisis, la tiroides, los islotes del páncreas, las suprarrenales, los ovarios y los testículos) vierten su mensajero, es decir, las hormonas, al torrente circulatorio. Una vez en la sangre, estas hormonas circulan por todo el organismo e interactúan con algunas células que son "receptoras" para un mensajero dado, las cuales se llaman "células blanco". Ello indica que el mensajero es selectivo, esto es, que va dirigido únicamente a algunas células que pueden "escucharlo". Más adelante se verá de qué depende esta capacidad de "audición selectiva" de las células.

2) En la neurotransmisión, es decir, la comunicación química a través de las células nerviosas, las neuronas con sus largos axones están muy cercanas a las células con las que se comunican. La membrana externa de la neurona está "casi en contacto" con la membrana externa de la célula. Este "casi contacto" es una estructura especializada a la que llamamos sinapsis; en ella hay un espacio (el espacio sináptico) que separa a una célula de la otra. El flujo o sentido de la información es unidireccional y va de la neurona, o célula presináptica (que está antes de la sinapsis), a la célula receptora o postsináptica. En esta forma de comunicación, la célula presináptica vierte su mensaje (al cual llamaremos neurotransmisor) al espacio sináptico, y éste viaja e interacciona con la célula postsináptica, la cual lo recibe y responde.

3) Existe una variedad de comunicación que es una mezcla de las dos anteriores: la llamada secreción neuroendocrina o neurosecreción. En este caso, una célula formada a partir de tejido nervioso secreta su mensaje a la circulación. La neurohormona viaja en el torrente sanguíneo para interaccionar con células receptoras o "blanco".

4) La comunicación que se produce entre células relativamente cercanas, sin que para ello exista una estructura especializada (como es el caso de la sinapsis), recibe el nombre de paracrina. Esta comunicación tiene un carácter netamente local. Pongamos un ejemplo: imagínese que ocurre la ruptura de un pequeño vaso sanguíneo; inmediatamente se produce la liberación de algunos compuestos (mensajeros) que ocasionan una agregación de plaquetas en el sitio de ruptura. Las plaquetas, a su vez, secretan una serie de mensajeros que van a producir nuevos efectos: harán que otras plaquetas se agreguen, favoreciendo la formación de un coágulo, y estimularán la contracción de las células musculares del vaso sanguíneo. Todo ello es un organizado sistema de señales intercelulares tendientes a un fin específico: impedir la pérdida de sangre. Nótese que se ha hablado de comunicación entre varios tipos de células: las que cubren la superficie del vaso sanguíneo (endotelio), de las plaquetas y de las células musculares del mismo vaso. Hay muchas otras células que participan en este fenómeno y que para simplificar no se han mencionado. Es un proceso sencillo, local, y también se ha hablado de comunicación entre varios tipos de células mediante diversos mensajeros. Algunos de éstos son las llamadas hormonas locales o mediadores locales; se les ha dado el nombre de autacoides (que proviene del griego autos = propia y akos = remedio, y que pretende dar la idea de que son sustancias que se producen en el mismo organismo para su propia curación o alivio).

5) Comunicación yuxtacrina es el nombre que el doctor Joan Massagué ha dado a una forma de comunicación que existe entre células adyacentes, donde hay moléculas andadas a la cara externa de la superficie de una célula que hacen contacto con receptores localizados en la membrana de una célula contigua. Es interesante que, a diferencia de los otros sistemas, este factor esté anclado y por lo tanto no difunde en el medio. Quizá el mejor ejemplo para ilustrar este tipo de comunicación es el que ejerce el Factor de Crecimiento y Transformación alfa (TGF-a) que como su nombre indica, es un importante mensajero que regula el crecimiento y la diferenciación de muchas células.

6) Por último, existe la autocomunicación o comunicación autocrina, en la que una célula se comunica consigo misma, es decir, establece una especie de monólogo. Esta forma de comunicación podría parecer

extraña, pero es muy importante. Véanse los siguientes ejemplos: a) se comentó, algunos párrafos arriba, que en la neurotransmisión la célula presináptica libera al mensajero para que actúe sobre la célula postsináptica; ahora bien, este mismo mensajero va a actuar sobre la célula presináptica (o sea aquella que lo liberó) para "avisarle" que todavía hay neurotransmisor en el espacio sináptico y así evitar una nueva descarga de mensajero; b) algunas células que liberan factores de crecimiento y proliferación, que actúan sobre ellas mismas, favoreciendo que se multipliquen. En algunos tipos de cáncer las células producen estos factores en forma continua, no controlada, lo cual hace que estas células se reproduzcan desordenadamente.

D) ¿EXISTE UN TIPO DE MENSAJERO PARA CADA VARIEDAD DE COMUNICACIÓN CELULAR?

Vale la pena mencionar aquí que las células son sumamente versátiles y eficientes, de modo que una misma sustancia puede participar en varias de estas formas de comunicación. Analicemos, por ejemplo, el caso de la adrenalina (o epinefrina). Esta sustancia es una hormona producida por la médula de la glándula suprarrenal (comunicación endocrina), pero también es un neurotransmisor que actúa sobre células postsinápticas (neurotransmisión) y sobre la misma célula que la liberó (comunicación autocrina en un sentido general).

Otro caso interesante es el del Factor de Crecimiento y Transformación alfa nombrado en un párrafo anterior. Decíamos que este factor se encuentra anclado a la membrana de algunas células para realizar la comunicación yuxtacrina; sin embargo, existen condiciones en que la célula lo libera para que actúe no sólo sobre la célula inmediata adyacente, sino que difunde por el medio extracelular para actuar sobre otras células cercanas (comunicación paracrina). Se podría pensar que la célula ha usado una misma sustancia para realizar diferentes trabajos; de hecho así es, aunque esencialmente es uno solo: servir como vehículo de comunicación celular.

(Otro aspecto interesante es que una misma célula puede ser sujeto de varios de estos tipos de comunicación)

La importancia de la comunicación celular inclusive durante el desarrollo embrionario se puedo apreciar en el experimento de transplante del primordio óptico (visto hace más de 6 semanas atrás) hacia un sitio en el ectodermo que normalmente no da origen al lente del ojo. El transplante induce en esa zona ectópica la formación del lente en las células del ectodermo. Se denomina inducción al proceso por el cual una población de células influencia el desarrollo de células vecinas. Esto se debe a señales producidas por unas células e interpretadas por otras. Entre las señales se encuentran factores de crecimiento, tales como la familia del factor de crecimiento transformante beta que participa en el desarrollo tanto de invertebrados como de vertebrados. Estos factores promueven la producción de moléculas de adhesión celular, de otros factores de crecimiento y de moléculas de la matriz extracelular.

Actividades

Instrucciones: Desarrolle las preguntas en forma grupal, discutan y complemente sus respuestas

1.- ¿Cuáles son los mecanismos de comunicación celular que posee nuestro organismo?

2.- ¿Qué importancia tiene cada uno de ellos?

3.- ¿Cuál de los mecanismos de comunicación señalados en la información proporcionada por esta guía crees que es clave durante el proceso de desarrollo embrionario?( Por ejemplo en la formación del ojo o de los riñones)

4.- ¿Por qué razón las células del ectodermo, que se ubican en la zona adyacente a de donde se transplantó la vesícula óptica derecha, no forman células nerviosas como normalmente ocurre en los embriones que no han sufrido el transplante de vesícula óptica, en cambio; dan origen a células del cristalino y córnea?

5.- ¿Pueden haber influido las células de la vesícula óptica transplantada, en el patrón de expresión génica de las células del ectodermo? Fundamente.

6.- ¿Si las células de la vesícula óptica influyeron sobre las del ectodermo, en que debió consistir esta influencia? Aplique sus conocimientos sobre genes y síntesis de proteínas para explicarlo.

7.- ¿Deduzca de qué manera influye la comunicación celular en cada caso?