Diferenciación celular

¿Cómo se desarrolla un organismo complejo como un ser humano a partir de una sola célula (un óvulo 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 final. La diferenciación es el proceso por el cual las células no especializadas se especializan para llevar a cabo funciones distintas.

Células madre

Una célula madre es una célula no especializada que puede dividirse sin límite según sea necesario y, en condiciones específicas, puede 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 células madre finales; 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 tisulares fundamentales 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 no puede soportar el desarrollo completo de un organismo. Estas células se vuelven un poco más especializadas y se denominan 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.

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 totalmente especializada y solo puede reproducirse para generar más de su propio tipo de célula específica.

Las células madre son únicas porque también pueden dividir y regenerar continuamente nuevas células madre en lugar de especializarse más. Hay diferentes células madre presentes en diferentes etapas de la vida humana. Incluyen las células madre embrionarias del embrión, las células madre fetales del feto y las células madre adultas del adulto. Un tipo de célula madre adulta es la célula madre epitelial, que da lugar a los queratinocitos 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 (Figura 3.34); células madre endoteliales, que dan lugar a los tipos de células endoteliales que recubren los vasos sanguíneos y linfáticos; y células madre mesenquimales, que dan lugar a los diferentes tipos de células musculares.

Hematopoyesis: El proceso de hematopoyesis implica la diferenciación de células multipotentes en sangre y células inmunes. Las células madre hematopoyéticas multipotentes dan lugar a muchos tipos de células diferentes, incluidas las células del sistema inmunitario y los glóbulos rojos.

Diferenciación

Cuando una célula se diferencia (se vuelve más especializada), puede realizar cambios importantes en su tamaño, forma, actividad metabólica y función general. Debido a que todas las células del cuerpo, comenzando con el óvulo fertilizado, contienen el mismo ADN, ¿cómo se diferencian los diferentes tipos de células? La respuesta es análoga a un guión de película. Los diferentes actores de una película leen todos del mismo guión, sin embargo, cada uno solo lee su propia parte del guión. Del mismo modo, 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 propia función. 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, solo necesita manipular esos genes (y, por lo tanto, esas proteínas) que se expresarán, y no aquellos que permanecerán en silencio. 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.

Los factores de transcripción regulan la expresión génica:  Si bien cada célula del cuerpo contiene el genoma completo 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.

Investigación con células madre

La investigación con células madre tiene como objetivo encontrar formas de usar células madre para regenerar y reparar el daño celular. Con el tiempo, la mayoría de las células adultas sufren el desgaste del envejecimiento y pierden su capacidad de dividirse y repararse. Las células madre no muestran una morfología o función particular. Las células madre adultas, que existen como un pequeño subconjunto de células en la mayoría de los tejidos, se siguen dividiendo y pueden diferenciarse en una cantidad de células especializadas generalmente formadas por ese tejido. Estas células permiten que el cuerpo renueve y repare los tejidos corporales.

Los mecanismos que inducen a una célula no diferenciada a convertirse en una célula especializada son poco conocidos. En un entorno de laboratorio, es posible inducir a las células madre a diferenciarse en células especializadas cambiando las condiciones físicas y químicas de crecimiento. Varias fuentes de células madre se usan experimentalmente y se clasifican según su origen y potencial de diferenciación. Las células madre embrionarias humanas (hESC) se extraen de embriones y son pluripotentes. Las células madre adultas que están presentes en muchos órganos y tejidos diferenciados, como la médula ósea y la piel, son multipotentes y se limitan en diferenciación a los tipos de células que se encuentran en esos tejidos. Las células madre aisladas de la sangre del cordón umbilical también son multipotentes, al igual que las células de los dientes deciduos (dientes de leche). Los investigadores han desarrollado recientemente células madre pluripotentes inducidas (iPSC) a partir de células madre adultas de ratones y humanos. Estas células son células adultas multipotentes reprogramadas genéticamente que funcionan como células madre embrionarias; son capaces de generar células características de las tres capas germinales.

Debido a su capacidad para dividirse y diferenciarse en células especializadas, las células madre ofrecen un tratamiento potencial para enfermedades como la diabetes y las enfermedades cardíacas. La terapia basada en células se refiere al tratamiento en el que las células madre inducidas para diferenciarse en una placa de crecimiento se inyectan en un paciente para reparar células o tejidos dañados o destruidos. Se deben superar muchos obstáculos para la aplicación de la terapia basada en células. Aunque las células madre embrionarias tienen un rango de potencial de diferenciación casi ilimitado, el sistema inmunitario del paciente las considera extrañas y pueden provocar el rechazo. Además, la destrucción de embriones para aislar células madre embrionarias plantea importantes cuestiones éticas y legales.

Células madre: La capacidad de las células madre para diferenciarse en células especializadas las hace potencialmente valiosas en aplicaciones terapéuticas diseñadas para reemplazar las células dañadas de diferentes tejidos corporales.

En contraste, las células madre adultas aisladas de un paciente no son vistas como extrañas por el cuerpo, pero tienen un rango limitado de diferenciación. Algunas personas almacenan la sangre del cordón umbilical o los dientes caducifolios de sus hijos, almacenando esas fuentes de células madre para su uso futuro, si su hijo lo necesita. Las células madre pluripotentes inducidas se consideran un avance prometedor en el campo porque su uso evita las trampas legales, éticas e inmunológicas de las células madre embrionarias.

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