Diferenciación celular

En bioloxía do desenvolvemento, a **diferenciación celular** é o proceso polo cal unha célula menos especializada se converte noutro tipo celular máis especializado. A diferenciación ocorre numerosas veces durante o desenvolvemento dun organismo pluricelular, xa que o organismo cambia desde un simple cigoto inicial a un sistema complexo de distintos tecidos e moitos tipos celulares, e a diferenciación continúa na vida adulta porque as células nai adultas se dividen e orixinan células fillas completamente diferenciadas durante a reparación dos tecidos ou a renovación normal das células. A diferenciación pode cambiar drasticamente o tamaño dunha célula, a súa forma, potencial de membrana, actividade metabólica, e capacidade de resposta a sinais. Estes cambios débense en grande medida a modificacións na expresión xénica que están moi controladas. Con poucas excepcións, a diferenciación celular case nunca implica un cambio nas secuencias de ADN da célula. Deste modo, diferentes células poden adquirir características físicas e capacidades moi distintas a pesar de que todas teñen o mesmo xenoma.

A capacidade de diferenciación dunha célula en tipos distintos varía dependendo da clase de célula, e as de maior capacidade son as chamadas totipotentes e pluripotentes. Unha célula que pode diferenciarse en todos os tipos celulares dun organismo adulto denomínase *pluripotente*. Ditas células denomínanse células nai embrionarias nos animais e células meristemáticas nas plantas superiores. Unha célula que pode diferenciarse en todo tipo de células, incluíndo as do tecido placentario, denomínase *totipotente*. Nos mamíferos só o cigoto e os primeiros blastómeros formados a partir del son totipotentes, mentres que nas plantas moitas células diferenciadas poden facerse totipotentes utilizando técnicas simples de laboratorio. En citopatoloxía, o nivel de diferenciación celular utilízase como unha medida da progresión do cancro. O *grao* dun tumor é un marcador da diferenciación que presenta unha célula tumoral.

## Tipos de células de mamíferos e desenvolvemento 
No corpo dun mamífero podemos encontrar tres tipos básicos de células: células xerminais, células somáticas, e células nai (ou troncais). Todas e cada unha das aproximadamente 1014 células que hai nun humano adulto teñen a súa propia copia ou copias do xenoma agás certos tipos celulares, como os glóbulos vermellos, que carecen de núcleo no seu estado completamente diferenciado (téñeno inicialmente). A maioría das células son diploides, e teñen dúas copias de cada cromosoma. Tales células, chamadas células somáticas, constitúen a maior parte do corpo humano e diferenciáronse para especializarse en diferentes funcións.

As células da liña xerminal son as que orixinan os gametos (ovocitos e espermatozoides) e pasan o seu xenoma ás seguintes xeracións. As células nai, pola súa parte, teñen a capacidade de dividirse por períodos de tempo indefinidos e dan lugar a células especializadas e a outras células fillas que se manteñen como células nai. 
            
O cigoto ten a potencialidade de orixinar un organismo enteiro. Nas primeiras horas despois da formación do cigoto, este divídese formando células idénticas. Nos humanos, catro días despois e tras varios ciclos de divisións, as células empezan a especializarse, formando unha esfera oca de células chamada blastocisto. O blastocisto ten unha capa externa de células, e no interior da súa esfera oca, hai un grupo de células chamado masa de células interna, as cales formarán virtualmente todos os tipos de tecidos do corpo humano, pero non poderían formar un organismo enteiro, polo que son pluripotentes.

As células nai pluripotentes seguen especializándose en células proxenitoras multipotentes, que dan lugar ás células funcionais do corpo. Entre estas células están as células nai hematopoéticas (células nai adultas), as células nai mesenquimais (adultas), as células nai epiteliais (células proxenitoras) ou as células satélite musculares (proxenitoras), entre outras.

A partir da blástula embrionaria dunha soa capa orixínanse as tres capas embrionarias primarias de mamíferos, que son o ectoderma, mesoderma e endoderma. O ectoderma orixinará a pel e o sistema nervioso, o mesoderma os ósos e o tecido muscular, e o endoderma forma os tecidos dos órganos internos.

## Diferenciación celular en plantas superiores 
A diferenciación en plantas superiores prodúcese a partir das células meristemáticas que son recrutadas para dar lugar ás células maduras que forman parte dos órganos da planta. Os cambios que se producen na célula afectan desde ao contido celular ou estrutura da parede, ata as relacións entre células veciñas (espazos entre células ou crecemento diferencial dunhas respecto a outras).

Está demostrado que os xenes da familia WOX están relacionados coa organización de grupos de células durante o desenvolvemento da planta. Segundo estudos realizados no desenvolvemento de *Arabidopsis thaliana* e *Solanum lycopersicum* (tomate) nos que se observou a transcrición e función dos xenes WOX4, constatouse que estes xenes están implicados na raíz e no talo en crecemento no desenvolvemento dos feixes vasculares dos órganos laterais en ambas as especies. Unha redución da expresión de WOX4 mediante interferencia de ARN en *Arabidopsis* tivo como consecuencia a formación de plantas de pequeno tamaño cun floema e xilema sen diferenciar ou diferenciado dando só condutos máis pequenos do normal. Os datos obtidos, suxiren que os xenes WOX4 promoven a diferenciación ou a non diferenciación do procámbium vascular.

## Desdiferenciación 
[miniatura|dereita|[Micrografía dun liposarcoma con certa diferenciación, que non é identificable como liposarcoma (beira esquerda da imaxe), e un compoñente diferenciado con lipoblastos e incremento da vascularización (á dereita na imaxe). O tecido adiposo completamente diferenciado, morfoloxicamente benigno (no centro da imaxe) ten poucos vasos sanguíneos. Tinguidura de hematoxilina-eosina.]]
A desdiferenciación é un proceso celular que se dá en formas de vida basais, como en vermes e anfibios nos cales un célula diferenciada parcial ou terminalmente volve a un estado de desenvolvemento previo máis indiferenciado, o que xeralmente forma parte dun proceso rexenerativo. A desdiferenciación tamén ocorre en plantas. As células en cultivo celular poden perder as propiedades que orixinalmente tiñan, como a expresión de certas proteínas, ou cambian de forma. Este proceso tamén se denomina desdiferenciación.

Algúns investigadores opinan que a dsdiferenciación é un proceso aberrante do ciclo de desenvolvemento normal, que pode orixinar un cancro, pero outros cren que é unha parte natural da resposta inmune que perderon os humanos nalgún momento pasado como resultado da súa evolución.

Descubriuse unha pequena molécula chamada reversina, que é un análogo de purina, que induce a desdiferenciación dos miotubos. Estas células desdiferenciadas poden despois rediferenciarse en osteoblastos e adipocitos.

### Métodos de desdiferenciación 
Hai varios métodos para reverter as células somáticas adultas ao estado de pluripotencia ou totipotencia. No caso da totipotencia, a reprogramación está mediada por un ovocito en metafase II maduro como na transferencia nuclear de célula somática (Wilmut et al., 1997). Traballos recentes demostraron a fraxilidade dos cigotos enucleados ou de blastómeros temperáns detidos quimicamente durante a mitose, nos que se produce rotura da envoltura nuclear, para soportar a reprogramación á totipotencia nun proceso chamado transferencia cromosómica (Egli e Eggan, 2010).

Os métodos de reprogramación directa úsanse na reversión á pluripotencia; aínda que os vehículos e biotipos varían considerablemente en eficacia (Takahashi e Yamanaka, 2006). A transdución mediada por virus é eficaz na desdiferenciación á pluripotencia por medio de rutas retrovirais ou de ADN viral pero leva aparellado o problema da inactivación insercional. Adicionalmente, demostrouse a reprogramación epixenética pola expresión reforzada de OSKM por medio de rutas de ADN como ADN de plásmido, minicírculos, transposóns, episomas e constructos de ADN multicistrónico dirixidos por recombinación homóloga; porén, estes métodos poden provocar alteracións potenciais no xenoma receptor pola inserción de xenes (Ho et al., 2010). Aínda que a transdución mediada por proteínas serve para a reprogramación de células adultas a pluripotentes, o método é incómodo e require a expresión dunha proteína recombinante e unha purificación coidadosa, e reprograma con moi baixas frecuencias (Kim et al., 2009). Un problema importante de usar ARN para reprogramar células é a súa fraxilidade e que os biotipos de ARN monocatenario activan as vías da defensa innata antiviral como os interferóns e as vías dependentes de NF-κB. O ARN transcrito in vitro, con modificacións estabilizantes como unha carapucha 5' de 5-metilguanosina ou ribonucleobases substituídas, por exemplo o pseudouracilo, é 35 veces máis eficaz que a transdución viral e ten o beneficio adicional de non alterar o xenoma somático (Warren et al., 2010).

## Mecanismos 
400px|miniatura|Mecanismos da diferenciación celular.
Cada tipo celular especializado dun organismo expresa un subconxunto de todos os xenes do seu xenoma. Cada tipo celular defínese polo seu patrón particular de regulación da expresión xénica. A diferenciación celular é así unha transición da célula dun tipo a outro e implica un cambio desde un patrón de expresión xénica a outro. A diferenciación celular durante o desenvolvemento pode entenderse como o resultado dunha rede reguladora de xenes. Un xene regulador e os seus módulos cis-reguladores son nodos nesta rede reguladora de xenes, que reciben sinais de entrada (*input*) e xeran sinais de saída (*output*) noutras partes da rede. O enfoque que fai a bioloxía de sistemas á bioloxía do desenvolvemento subliña a importancia de investigar o modo en que interaccionan os mecanismos de desenvolvemento para producir patróns predicibles (morfoxénese). Porén, propúxose recentemente unha visión alternativa, que está baseada na expresión xénica estocástica, na que a diferenciación celular é o resultado dun proceso de presión selectiva darwiniana que ocorre entre as células. Neste marco, as redes de xenes e proteínas son o resultado de procesos celulares e non a súa causa. Ver: darwinismo celular .

Xeralmente os procesos celulares conservados evolutivamente implicados nos mecanismos celulares que controlan estes cambios son só duns poucos tipos. Os principais tipos de procesos celulares que controlan a diferenciación celular son a sinalización celular. Moitas das moléculas sinalizadoras que transmiten información de célula a célula durante o control da diferenciación celular denomínanse factores de crecemento. Aínda que os detalles das vías de transdución de sinais específicas varían, estas vías a miúdo comparten as seguintes etapas xerais. Un ligando producido por unha célula únese a un receptor no lado extracelular doutra célula, inducindo un cambio conformacional no receptor. A forma do dominio citoplasmático do receptor cambia, e o receptor adquire unha actividade encimática. O receptor despois cataliza reaccións que fosforilan outras proteínas, activándoas. Unha fervenza de reaccións de fosforilación activa finalmente un factor de transcrición dormente ou proteína citoesquelética, contribuíndo así ao proceso de diferenciación na célula diana. As células e os tecidos poden variar en competencia, é dicir, na súa capacidade de responderen a sinais externos.

A indución de sinais refírese ás fervenzas de eventos de sinalización, durante os cales a célula ou os sinais dos tecidos se envían a outra célula ou tecido para influenciar o seu desenvolvemento. investigaron o papel da lente na formación dos ollos dos peixes que habitan en covas e na superficie, que é un exemplo claro de indución.

### Control epixenético da diferenciación celular 
Como cada célula dun organismo, independentemente do tipo que sexa, ten o mesmo xenoma, a determinación do tipo celular debe ocorrer no nivel da expresión dos xenes. Aínda que a regulación da expresión xénica pode ocorrer por medio de elementos cis- ou trans-reguladores como son os promotores e amplificadores (*enhancers*) dos xenes, xorde o problema de como se mantén este patrón de expresión ao longo de numerosas xeracións de división celular. Os procesos epixenéticos xogan un papel fundamental na regulación da decisión de destinar a unha célula a ser unha célula nai, proxenitora ou madura diferenciada. Este capítulo centrarase principalmente nas células nai de mamíferos.

#### Importancia do control epixenético 
Lister R. et. al. nunha publicación de 2011 avaliaron a extensión e complexidade do papel dos procesos epixenéticos na determinación da diferenciación que vai sufrir unha célula  mediante a programación epixenómica aberrante de células nai pluripotentes inducidas humanas (iPSCs). Como as células nai pluripotentes inducidas se cre que imitan as células nai embrionarias (ESC) nas súas propiedades pluripotentes, deberían existir poucas diferenzas epixenéticas entre elas. Para comprobaren esta predición, os autores realizaron o perfil de xenoma completo dos patróns de metilación do ADN en varias células nai embrionarias humanas, en iPSC, e en liñas de células proxenitoras.

No experimeto de Lister et al. reprogramáronse células adiposas femininas, do pulmón fibroblastos, e fibroblastos do prepucio a un estado pluripotente inducido cos xenes OCT4, SOX2, KLF4, e MYC. Comparáronse os patróns de metilación do ADN en ESCs, iPSCs, e células somáticas, e observáronse semellanzas significativas nos niveis de metilación entre células pluripotentes inducidas e embrionarias. Arredor do 80% dos dinucleótidos CG nas ESCs e iPSCs estaban metilados, e igualmente o estaban só o 60% dos dinucleótidos CG nas células somáticas. Ademais, as células somáticas posuían mínimos niveis de metilación de citosinas fóra dos dinucleótidos CG, mentres que as células pluripotentes inducidas posuían niveis similares de metilación que as células embrionais, entre o 0,5 e o 1,5%. Así, en correspondencia coas súas respectivas actividades transcricionais, Crese que o fan por medio de alteracións da estrutura da cromatina, como a modificación de histonas e a metilación do ADN, para restrinxir ou permitir a transcrición dos xenes diana.

##### Complexo represivo Polycomb (PRC2) 
No campo do silenciamento de xenes, o complexo represivo Polycomb 2, que é unha das dúas clases da familia de proteínas do grupo Polycomb (PcG), cataliza a di- e trimetilación da histona H3 na lisina 27 (H3K27me2/me3). Ao unirse ao nucleosoma etiquetado con H3K27me2/3, a PRC1 (que tamén é un complexo da familia de proteínas PcG) cataliza a mono-ubiquitinilación da histona H2A na lisina 119 (H2AK119Ub1), bloqueando a actividade da ARN polimerase II e dando lugar a unha supresión transcricional.

##### Metilación do ADN 
A regulación da expresión xénica conséguese ademais por medio de metilación do ADN, na cal a metilación mediada por ADN metiltransferase de residuos de citosina en dinucleótidos CpG mantén a represión herdable ao controlar a accesibilidade ao ADN.

#### Papel da sinalización no control epixenético 
Pénsase que a sinalización celular inflúe no proceso epixenético que goberna a diferenciación celular. Esta influencia debería existir, xa que é razoable pensar que a sinalización extrínseca pode levar a unha remodelación epixenética, igual que pode levar a cambios na expresión xénica por medio da activación ou represión de diferentes factores de transcrición. Disponse de poucos datos directos sobre os sinais específicos que inflúen no epixenoma, e a maioría do noso coñecemento actual consiste en especulacións sobre candidatos plausibles a reguladores da remodelación epixenética. Neste artigo discutirase primeiro os principais candidatos que se cre están implicados na indución e o mantemento das células nai embrionais e da súa proxenie diferenciada, e despois verase un exemplo de vías de sinalización específicas nas cales existe máis evidencia directa deste papel no cambio epixenético.

O primeiro candidato principal é a vía de sinalización Wnt. A vía Wnt está implicada en todos os estadios de diferenciación, e o ligando Wnt3a pode substituír a sobreexpresión de c-Myc na xeración de células nai pluripotentes inducidas. O ácido retinoico pode inducir a diferenciación das células embrionais humanas e de rato,, ademais do seu papel como morfóxeno, promove a diferenciación de células nai embrionarias e a autorrenovación de células nai somáticas. Tanto en humanos coma en ratos, os investigadores mostraron que Bmi1 se expresa fortemente en células precursoras do gránulo cerebelar inmaturo. Cando a Bmi1 se lle fai un knocked out no rato, iso dá lugar a unha alteración do desenvolvemento cerebelar, producíndose significativas reducións na masa cerebral posnatal xunto con anormalidades no control motor e o comportamento. Un estudo separado mostrou unha diminución significativa da proliferación de células nai neurais xunto cun incremento da proliferación de astrocitos no rato Bmi nulo.

En resumo, o papel da sinalización no control epixenético do destino de diferenciación da célula en mamíferos descoñécese en grande medida, mais hai varios exemplos que indican a probable existencia de tales mecanismos.

## Notas