Tema 17 Diferenciación celular y proliferación. PDF

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Apuntes asignatura Biología molecular. Tema 17 Diferenciación celular y proliferación....

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TE TEMA MA 17 17:: D DIFE IFE IFERE RE RENC NC NCIAC IAC IACION ION C CEL EL ELUL UL ULAR AR Y P PRO RO ROL LIFE IFERAC RAC RACION ION La proliferación celular es el incremento de celulas identicas por medio de mitosis. • El producto de estas sucesivas divisiones mitoticas es esencial para regenerar o mantener tejidos. El producto de la diferenciacion celular es esencial para regenerar nuevos tejidos. Durante el desarrollo embrionario no solo hay diferenciacion y proliferacion, sino que estos procesos tambien se producen en los individuos adultos (por ejemplo en la piel). DI DIFER FER FEREN EN ENCIA CIA CIACIO CIO CION N CE CELU LU LULAR LAR La diferenciación celular es la generación de células con características y funciones particulares, implica la pérdida de totipotencialidad y, en la mayoria de casos, la pérdida de la capacidad de división. • El desarrollo de las celulas progenitoras da lugar a diferentes tipos de celulas hijas por diferenciacion. • Las celulas madre son totipotentes, es decir, se pueden diferenciar en todos los tipos celulares. ◦ Las celulas pluripotentes, tienen la capacidad de diferenciacion mas limitada. • Una celula hija pierde la capacidad de duplicacion y diferenciación, mientras que las celulas progenitoras no. La diferenciación celular está dirigida por la presencia de señales exógenas y determinantes citoplasmáticos localizados.

El proceso de diferenciacion empieza de forma muy temprana en los primeros estadios del desarrollo embrionario. • Las celulas matienen la pluripotencia hasta que se dividen. • En los animales, las celulas ya diferenciadas, no tienen capacidad de diferenciacion ni de proliferacion.

En los primeros estadios del desarrollo embrionario se produce la acumulacion diferencial en el citoplasma de determinantes citoplasmaticos. • Los determinantes citoplasmaticos pueden ser proteinas o ARNm. ◦ Estos determinantes tienen la funcion de alterar las celulas que forman el zigoto, condicionando su posicion, ya que las distribuyen a traves del zigoto. Con la union de los gametos, y por lo tanto el principio de la formacion del zigoto, se empieza a producir la diferenciacion y division celular. • La diferenciacion es un proceso que depende de la expresion de los genes. • En un embrion hay comunicacion entre los diferentes tipos celulares, asi las celulas del embrion saben en que tipo de tejido se tienen que diferenciar. ◦ Esto se produce por medio de los genes de efecto materno.

Los genes de efecto materno: bicoid y nanos (desarrollo anteroposterior) y dorsal (desarrollo dorsoventral). Modelo de Drosophila melanogaster. • En el momento de la fecundación, las celulas de la pared del ovario secretan ARN y proteinas que actuan sobre el zigoto. Estas celulas no estan en el ovulo en el momento de la fecundacion, sino que estan sintetizadas por la madre y interaccionan con los determinantes en el zigoto. ◦ Segun donde se desenvolupe la celula, se producira la expresion de un gen o otro. ◦ El ARN se traducira en forma de proteina, y esta actuara afectando la expresion de determinados genes en las celulas que van a diferenciarse formando el zigoto. ▪ Segun la posicion que ocupen esas celulas hijas, tendran una composicion citoplasmatica diferente, como consecuencia de las concentracion de estas proteinas. Las proteinas nanos y bicoid son proteinas sintetizada y codificadas por las cleulas maternas, pero tienen un efecto en el zigoto. • Codifican la expresion de las proteinas que se sinteticen en las celulas que daran luegar al zigoto. • La proteina bicoid actua como inhibidora de la expresion. • La proteina nanos actua como inductora de la expresion.

La proteína Gurken se une a los receptores Torpedo en la cara dorsal y esta señal inhibe la síntesis de la proteína Pipe. Dicha inhibición no tiene lugar en la cara ventral, donde la proteína Pipe inducirá, en varios pasos, la activación de Dorsal. • Dorsal es un factor de transcripción. • La proteina Pipe activa la expresion de Dorsal. La proteina Pipe sera secretada a la zona pelucida provocando un efecto a nivel de señalizacion que alterara la sintesis de diferentes intermediarios que tendran un efecto en el zigoto.

GENES DE SEGMENTACION (D. MELANOGASTER) Los genes de segmentacion estan implicados en el patrón (numero y organizacion) de formación de unidades repetidas en organismos segmentados (eje anteroposterior) • Genes gap su deficiencia produce mutantes que carecen de segmentos consecutivos, regulan la expresión de los genes de paridad segmentaria. • Genes de paridad segmentaria o ‘pair-rule’ su deficiencia produce mutantes que carecen de segmentos alternativos y poseen la mitad de segmentos normales. • Genes de polaridad su deficiencia produce mutantes que carecen de porciones de cada segmento, suceden a los gap y ‘pair-rule’. ◦ Su expresión se ve restringida a regiones dentro de cada segmento. Estos son los genes que definiran las estructuras que se van a forman en cada lugar.

Los genes Hox, homólogos del complejo de genes homéoticos Hom-C de Drosophila melanogaster, contribuyen al establecimiento de cada uno de los segmentos corporales en mamíferos. • Este tipo de genes, definen de forma mas especifica la destinacion de los genes celulare dentro de cada segmento. El desarrollo es un proceso altamente gerarquizado. 1. Los primeros que actuan son los genes maternos, y estos condicioan cada vez otros genes mas especificos.

ME MECA CA CANIS NIS NISMO MO MOS S DE D DIFER IFER IFERENC ENC ENCIACI IACI IACION ON C CEL EL ELULA ULA ULAR R GENES HOX El silenciamiento de distintos genes Hox en mamiferos provoca reemplazo de unas estructuras por otras. • La mutacion o silenciamiento de cada uno de estos genes, provoca malformaciones. ◦ Ejemplos: ▪ El silenciamiento del gen Hoxc-8 provoca la aparición de costillas donde no deberian aparecer. ▪ El doble mutante Hoxd3 carece totalmente de atlas.

MUTANTES HOMEÓTICOS Los genes homeóticos, son genes que regulan la expresion genica en los diferentes tipos celulares. • Los genes Hox se consideran genes homeóticos ya que sintetizan proteínas que regulan el desarrollo de estructuras en regiones concretas del cuerpo. A su vez, los genes Hox actuan como ‘ejecutivos de alto nivel’ dirigiendo otros genes ‘ejecutivos’ que codifican para factores de transcripción o morfógenos. En la actualidad se conocen más de 35 genes diana directos de los genes Hox. Su modo de acción puede darse a varios niveles: • Ejecutivo: induciendo la expresión de genes que codifican factores de transcripción o moléculas de señalización célula a célula. ◦ Este es el tipo mas simple. • Adhesión celular • Ciclo celular (proliferación): dentro de los genes inducidos en este grupo se incluyen inhibidores como p21. • Muerte celular: genes como reaper (rpr) controlador de la apoptosis en D. melanogaster. • Migración celular PROTEINAS HOX Las proteinas Hox poseen homeodominios de union al ADN.

Un mismo regulador transcripcional puede unirse a varios componentes en cis y afectar a la expresión de genes diferentes. • En concreto, el gen Pax6 en humanos controla el desarrollo de los ojos y posee homólogos en ratones, pez zebra o Drosophila.

Aparte de la expresión diferencial, también se pueden generar variantes por procesado alternativo de intrones • Promotores y otras secuencias en cis regulan donde, cuando y con que frecuencia se va a expresar un gen • De un mismo gen se pueden generar variaciones en la secuencia mediante splicing alternativo en distintos tejidos. ◦ El splicing es un proceso por el cual se eliminan los intrones (parte no codificable de los genes). En este tipo de mecanismo, no se controla que un gen se exprese poco o mucho, sino que se controlan las verisones de los genes que se van a expresar. PR PROL OL OLIFER IFER IFERACIO ACIO ACION N CE CELU LU LULAR LAR También se induce la proliferación y/o diferenciación celular mediante la unión de distintos ligandos (rutas Wnt y Hedgehog). Wnt y Hedgehog hacen referencia a la molecula señalizadora. • Estas dos rutas se basan en la accion de la proteolisis o la accion de un intermediario.

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RUTA WNT La unión del ligando Wnt provoca que la β-catenina no sea degradada por proteólisis y pueda unirse a un factor de transcripción tipo TCF/LEF activando la expresión de distintos genes. ◦ Esta implicada en el desarrollo embrionario en el desarrollo del eje dorsoventral y anteroposterior, migración y proliferación celular. ◦ En la ruta Wnt, es la catenina la que actua como intermediario de la transduccion de la señal que actua como puente de union entre la proteina transmembrana ye l elemnto de union del citoesqueleto. ▪ La transduccion de la seña es la codificacion de una señal analogica o quimica en una señal molecular (es decir, el paso de la seña extracelular tanto quimica como fisica, en una señal molecular).

En esta ruta, la axina es un regulador de la cetenina. La axina junto con la GTK, tienen la funcion de dirigir la accion de la β-catenina. • Esto es un mecanismo de regulacion de este proceso. En presencia de Wnt, no hay degradacion del intermediario de la transduccion de la señal (β-catenina). Si no hay Wnt, la β-catenina se degrada y no hay comunicacion.

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RUTA HEDGEHOG La ruta Hedgehog está implicada en la señalización del proceso de organogénesis: crecimiento de dígitos, extremidades y organización del cerebro. ◦ La unión del ligando Hh sobre la proteína transmembrana Patched (PTCH), permite la expresión de SMO que es un inhibidor de la proteólisis de Ci que es un factor de transcripción. El Ci es un factor de transcripción. Si hay señal (ligando Hh), el elemento transcripcional (Ci) se mantiene intacto y hay transducción de la señal. Si no hay ligando, Ci sufre una proteolisis parcial, entonces actua como represor de la transduccion en lugar de como factor de transcripción. La celula origen (SHH) de la señal, sintetiza el hedgehog, lo modifica y secreta al exterior. En el exterior puede ser captado por (PTCH) que es el receptor del hedhog. Cuando se une se libera SMO que puede segregar CO2. El Co2 puede unirse a Ci modificandolo por proteolisis de forma que pueda actuar como inhibidor de la transduccion.

Ejemplo de las citoquinas en adultos: • Hay celulas madre que con la llegada de una señal exogena se produce su proliferacion y diferenciacion • Segun el factor externo que actua sobre la celula madre se producira un producto celular final diferente. ◦ La EPO y las interleukinas medin la diferenciacion de celulas madre sanguineas.

DIFERENCIACIÓN INDUCIDA POR FACTORES DE CRECIMIENTO El término factor de crecimiento siempre implica un comportamiento promotor (e.g. eritropoyetina, EPO y el sistema JAK/STAT. El sistema de señalizacion de la EPO se llama JAK (quinasa que interacciona con el receptor) STAT (es un factor de transcripcion). • Cuando la EPO se une la STAT se fosforila y activa las diferentes rutas. • pl3k actua con diferentes ciclinas • En el caso de la EPO, hay un receptor extraceluar que capta la EPO, y interacciona con diferentes elementos de transducción de la señal, activando diferentes rutas. ◦ Segun las diferentes rutas que activa, se producen unos procesos o otros (proliferacion, diferenciación, etc).

AP APOPTO OPTO OPTOSIS SIS Los factores exogenos no solo inducen a proliferacion y difecirenciacion, sino que muchas veces la union del factor y el ligando producen apoptosis. • TNF-α y el ligando Fas son factores externos que inducen apoptosis independiente de mitocondrias. En el caso del ligando Fas, puede haber interacción entre la vía dependiente e independiente de mitocondrias. Una de las diferencias es que el FAS induce la oligoisomeritzacion del receptor, por lo que no se forma la DISC (por lo que no se produce la transduccion de señal).

EP EPIGÉNIC IGÉNIC IGÉNICA A La epigenica: hay una modificacion de la expresion genica mediada por la codificacion de diferentes elementos de la cromatina (ADN, histonas o un intermediario que actuan modificando la expresion genica sin factores de trascripcion y sin modificar la secuencia). • Es decir, se trata de un cambio en la forma de expresarse el ADN, que no afecta a la secuencia, sino como la secuencia se expresa.

El grado de compactacion de los cromosomas es heredable. • La metilacion del ADN, afecta a este grado de compactacion y al silenciamiento génico. • Además , la metilación del DNA es permanente , se transmite de padres a hijos , mientras que la modificación de colas de histonas no.

1. Durante el desarrollo del cigoto tras la fertilización el grado de metilación del DNA desciende. 2. A partir de la formación del blastocisto, el grado de metilación aumenta a nivel de genoma entero y de forma específica en cada tejido del embrión.

Durante la replicacion, la cadena nueva no esta metilada, la metilacion se restablece una vez acabada la replicacion. Despues de cada ronda de fase s tendiamos la mitad de adn metilado, pero despues de formarse las dos celulas hijas, el grado de metilacion de las dos cadenas es el mismo.

Segun los tipos celulas las regiones hipermetiladas son unas o otras. • Una regon hipermetilada, actua con diferentes factores proteicos que provocan un sobrenerollamineto gracias a la accion/interaccion de los nucleosomas. El miRNA es transcrito en el núcleo y una vez en el citoplasma es procesado por la proteina DICER. Los miRNA procesados son complementarios a RNAs invasores. • En su forma madura (tiene unos 20-22 nucleotidos), el miRNA se une a la proteina Argonaute, que es la que posee la actividad catalítica. Esta combinación provoca: ◦ Represión parcial de la transcripción (complementariedad parcial) ◦ Degradación de transcritos (complementariedad total) La particula RISC con su ARN asociado puede actuar como represor de la traduccion (solo necesita que el ARN maduro tenga complementariedad con el que se esta formando) o de la trasncripcion degradando (se necesita que tenga una complementariedad completa y total basebase) • El complejo es un modulador, si reconece una parte parcial actua con inhibidor de la transduccion, si la reconoce toda degradara el ARN que se esta formando....