Biologia dello sviluppo

CELLULE STAMINALI

Le cellule staminali sono cellule indifferenziate con capacità differenziativa, che hanno due proprietà che ne definiscono l'identità:

• self renewal: una cellula staminale può dividersi in maniera simmetrica o asimmetrica, dare vita ad una cellula differenziata ed una copia di se stessa, o entrambe differenziate o entrambe indifferenziate
• potenza

Si classificano in:

• staminali totipotenti, che si trovano nei primi stadi di sviluppo embrionale e possono svilupparsi in tutti i tipi cellulari
• staminali pluripotenti, che possono differenziarsi in tutti i tipi cellulari dell'adulto, ma non negli esseri embrio-fetali
• staminali multipotenti, che si trovano nei tessuti adulti, ma anche fetali, e sono coinvolte nella rinnovazione tissutale
• staminali unipotenti, che sono capaci di differenziare in un solo altro tipo cellulare (es. epatociti)

Esiste un tipo di cellula staminale, chiamata cellula staminale indotta (iPS), ed è

analoga alle staminali embrionali pluripotente. Le iPS (induced pluripotent stem cells) hanno un grande potenziale da un punto di vista clinico, ma ancora si desiste dall'usarle, a causa della facilità della loro degenerazione tumorigenica.

Le staminali non sono presenti in tutti i tessuti adulti, o meglio, ci sono tessuti in cui la capacità rigenerativa è più pronunciata, come nel sistema emopoietico, nella pelle o nell'intestino, mentre ci sono altri tessuti, come nel cervello e nel cuore, che hanno limitata o nessuna capacità rigenerativa. La presenza di staminali in questi organi è oggetto di studio e dibattito.

Una staminale quando si rinnova deve prendere la decisione di rinnovarsi o produrre nuove cellule. Esiste anche un differenziamento di tipo terminale, che si ha quando il precursore abbandona permanentemente il ciclo cellulare, esprimendo un corredo genetico funzionale al tipo cellulare che andrà a rappresentare, ed

è fondamentale per tessuti come il sistema nervoso. Le staminali sono importanti per capire i meccanismi biologici di base sul differenziamento per la terapia genica. Il differenziamento avviene tramite espressione differenziale di geni, ed è guidato da programmi trascrizionali, che sono in genere controllati a loro volta da proteine (fattori di trascrizione), ma in realtà anche da pathway epigenetici. I fattori di trascrizione sono geni espressi in maniera tessuto-specifica, proteine che saranno in grado di legare il DNA a livello di regioni regolatorie (promotori), formando complessi multiproteici che controllano l'espressione di altri geni. In questi complessi sono spesso presenti anche cofattori. Sono importanti per lo sviluppo, spesso controllano la comunicazione cellulare come recettori, intervengono nella trasduzione del segnale o codificano per proteine di adesione. Nei cambiamenti di espressione genica è influente anche la memoria cellulare, ovvero la memoria epigenetica.

in cui non si ha la modifica della sequenza del DNA, ma che porta a modificazioni, ad esempio, della struttura cromatinica.

Le regioni regolatorie della trascrizione sono spesso organizzate in maniera modulare, per cui ogni modulo è regolato da fattori di trascrizione specifici, che promuovono o reprimono l'espressione in un certo dominio spazio-temporale.

Uno stesso gene è presente in differenti cellule del corpo, ma la sua espressione (anche delle isoforme) dipende dai fattori di trascrizione presenti.

Le cellule staminali sono capaci di effettuare divisioni asimmetriche, per cui dalla divisione cellulare si formano due cellule diverse, ma si può anche avere una divisione simmetrica, per cui le cellule figlie diventano diverse grazie a segnali esterni, che ricevono dopo il differenziamento.

Esistono una serie di meccanismi possibili, che intervengono nella generazione di schemi complessi, a partire da segnali derivanti da particolari regioni dell'embrione, dette

signaling centers, che devono essere il più semplici possibili, per garantire risparmio energetico e di materiale genetico.

I meccanismi di segnalazione possono essere di tipologia:

• induttiva: un gruppo di cellule in un tessuto genera un segnale alle cellule vicine, che lo ricevono e vengono indirizzate verso un determinato pathway di differenziamento
• sequenziale: un gruppo di cellule B può mandare un segnale ad una cellula A, dando vita ad una cellula C, che a sua volta, mandando segnali alle cellule vicine, può dare vita a molti altri tipi cellulari
• per gradiente: coinvolge molecole solubili, ad esempio, le citochine e le chemochine. Un gruppo di cellule secerne un gradiente di un morfogeno o di un segnale, che si troverà ad alta concentrazione vicino alle cellule che lo hanno secreto e più bassa in lontananza, dando quindi una segnalazione posizionale. Ad esempio, è il modo in cui le cellule dell’endotelio possono riconoscere il

Flusso sanguigno

• Combinatoriale: sono presenti più proteine regolatrici, la cui differente combinazione determina una diversa espressione genica
• Mediata da memoria cellulare: uno stesso regolatore ha effetti differenti su cellule con storie epigenetiche diverse
• Antagonista: ci sono più di un gruppo di cellule, uno che emana un segnale induttore, un altro un segnale antagonista
• Inibizione laterale: avviene per contatto tra due cellule adiacenti, che esprimono ligandi e recettori. Così si crea un'asimmetria transitoria in grado di amplificarsi e generare una competizione, in cui una cellula vince, e così si generano due tipi cellulari diversi. In questo modo a partire da tessuti in cui si hanno tutte cellule uguali si generano dei pattern molto definiti. La competizione ha un risultato casuale. Un esempio è la via di segnalazione di Notch.

A livello embrionale devono essere stabiliti tre assi di simmetria:

1. Asse antero-posteriore
2. Asse

dorso ventrale3. asse destra-sinistra

Esiste un quarto asse animale-vegetativo, che indica la direzione dell'ecto-endoderma.

La cellula uovo è simmetrica, ma questa simmetria deve essere rotta per far avvenire correttamente lo sviluppo.

Negli animali in cui l'ovocita è già asimmetrico, gli ovociti sono premodellati da morfogeni già depositati asimmetricamente, che dettano il destino dei blastomeri discendenti.

In drosophila c'è un mRNA bicoid già posizionato asimmetricamente nell'ovocita, che determina l'asse antero-posteriore.

Negli anfibi l'uovo presenta un pre-pattern, quindi l'asse animale-vegetale è già definito prima della fecondazione, l'asse dorso-ventrale si determina nel momento della fecondazione, in una regione chiamata organizzatore, a seconda di dove arriva lo spermatozoo. Lo sviluppo degli anfibi è stato molto studiato, perché già nell'uovo si può

Riconoscere una mappa del destino delle varie componenti cellulari. L'embrione dell'anfibio va incontro a divisioni molto rapide, quindi il pattern deve essere mediato da molecole extracellulari e non può essere regolato solo da regolatori trascrizionali. Nella blastula dell'anfibio c'è un gruppo di cellule, chiamato organizzatore, la cui presenza venne spiegata da un esperimento in cui Spemann prese un gruppo di cellule dal lato dorsale dell'embrione degli anfibi e le trapiantò nel lato ventrale e vide che questo gruppo di cellule era in grado di determinare la formazione di un sistema nervoso aggiuntivo, ottenendo dei girini gemelli siamesi. L'organizzatore è quindi in grado di segnalare la dorsalizzazione dell'embrione. La rottura della simmetria nei mammiferi avviene più tardi, lo zigote non ha già un pattern determinato. In realtà ci sono studi recenti che hanno dimostrato già la presenza di

alcuni fattori leggermente asimmetrici nell'embrione precoce, sono stati trovati trascritti di alcuni geni fondamentali distribuiti già in maniera leggermente asimmetrica. Nell'embrione dei mammiferi ci sono dei centri di segnalazione, simili a quelli osservati nella rana, infatti il nodo è l'equivalente dell'organizzatore di Spemann. Il nodo regola la formazione del tuboneurale. L'endoderma viscerale anteriore (AVE) esprime fattori trascrizionali necessari per la formazione del capo e fattori diffusibili. I geni fondamentali per la formazione del pattern sono i geni omeotici, in grado di specificare le differenze tra diversi segmenti corporei e attribuire a ciascun segmento la sua identità. I geni omeotici codificano per proteine che legano il DNA e l'ordine di geni sul cromosoma rispecchia l'ordine spaziale della loro espressione nell'embrione. Sono caratterizzati da un elemento comune chiamato homeobox, che viene tradotto in

Una sequenza di amminoacidi, chiamato omeodominio, capace di legare il promotore di tutti i geni controllati da quel determinato gene omeotico. In drosophila ci sono due cluster principali di geni omeotici, chiamati antennapedia e bithorax, chiamaticosì perché mutazioni in questi cluster generano dei fenotipi particolari. La mutazione antennapediatrasforma le antenne in zampe, la mutazione nel cluster bithorax genera moscerini con due toraci. Questi geni sono stati identificati nel moscerino, ma sono presenti anche nei mammiferi, tra cui l'uomo. Ci sono vari cluster in vari cromosomi, che determinano l'asse antero posteriore e la formazione di vari segmenti corporei.

ORGANISMI MODELLO

Quando si scopre una funzione di un gene, spesso si scopre in un organismo modello, che presenta molti geni simili o uguali agli esseri umani. Si possono, quindi, utilizzare modelli animali per testare terapie e per capire i dettagli della biologia di alcune malattie. Studiare il decorso

di possedere un genoma molto semplice, composto da soli 959 cellule. Questo rende C. Elegans un organismo ideale per lo studio dei meccanismi genetici e dello sviluppo. Drosophila melanogaster, comunemente conosciuto come moscerino della frutta, è un altro organismo modello ampiamente utilizzato nella ricerca biologica. Questo insetto ha un ciclo di vita breve e una riproduzione rapida, il che lo rende ideale per lo studio dei processi genetici e dello sviluppo. Inoltre, il suo genoma è stato completamente sequenziato, facilitando ulteriormente la ricerca. Il riccio di mare è un organismo marino utilizzato principalmente per lo studio dei meccanismi di fecondazione. La sua riproduzione avviene esternamente, il che permette di osservare facilmente il processo di fecondazione e lo sviluppo embrionale. Tra i vertebrati, lo zebrafish è uno dei modelli più utilizzati. Questo pesce ha un sistema riproduttivo molto prolifico e il suo sviluppo embrionale è rapidissimo. Inoltre, il suo genoma è molto simile a quello umano, rendendolo un organismo ideale per lo studio di malattie genetiche e dello sviluppo. Xenopus, comunemente noto come rospo africano, è un altro organismo modello utilizzato nella ricerca biologica. Questo anfibio ha un ciclo di vita breve e un sistema riproduttivo molto efficiente. Inoltre, i suoi embrioni sono grandi e facili da manipolare, rendendolo un organismo ideale per lo studio dello sviluppo e della biologia cellulare. Il pollo è un organismo modello molto utilizzato nello studio dello sviluppo embrionale. Le uova di pollo sono facilmente accessibili e i loro embrioni si sviluppano rapidamente. Inoltre, il pollo condivide molte caratteristiche anatomiche e genetiche con gli esseri umani, rendendolo un organismo ideale per lo studio dello sviluppo e delle malattie congenite. Infine, il topo è il modello di mammifero più utilizzato nella ricerca biologica. Questo animale ha un genoma molto simile a quello umano e condivide molte malattie genetiche con gli esseri umani. Inoltre, il topo è facilmente manipolabile geneticamente, il che permette di studiare specifici geni e malattie. In conclusione, l'utilizzo di organismi modello nella ricerca biologica è fondamentale per comprendere i meccanismi genetici e lo sviluppo degli organismi. Questi organismi offrono numerosi vantaggi, come la facilità di manipolazione, la riproduzione rapida e la somiglianza genetica con gli esseri umani. Grazie a questi modelli, è possibile fare importanti scoperte scientifiche e sviluppare nuove terapie per le malattie.

Il testo ha un numero predeterminato di cellule.