Diferenciación celular: desarrollo embrionario y células madre

Introducción a la Diferenciación Celular

Tema 12: Diferenciación celular Introducción

1. Desarrollo embrionario
2. Células madre
3. Células madre pluripotentes
4. Células madre adultas
5. Aplicaciones terapeuticas

Multipotent O O 1 Zygote Morula Blastocyst ICM Undifferentiated stem cells Differentiation in many cell types CEU Universidad Cardenal Herrera Totipotent Pluripotent 1Introducción Un animal comienza su vida como una sola célula: un óvulo fecundado o cigoto. Durante el desarrollo, esta célula se divide repetidamente para producir muchos tipos diferentes de células dispuestas en un patrón final de complejidad y precisión. La biología celular del desarrollo estudia los mecanismos celulares y moleculares detrás de estas transformaciones celulares. PHOTO BY S.H.L. MoElroy CEU Universidad Cardenal Herrera

Desarrollo Embrionario

Procesos Implicados en el Desarrollo Embrionario

1. Desarrollo embrionario a. Procesos implicados en el desarrollo Proliferación celular: produce muchas células a partir de una. Especialización o diferenciación celular: crea células con diferentes características en diferentes posiciones. Interacciones célula-célula: coordina el comportamiento de cada célula con el de sus vecinas. Movimiento celular: reordena las células para formar tejidos y órganos estructurados. 1 1 1 1 CELL PROLIFERATION CELL SPECIALIZATION CELL INTERACTION CELL MOVEMENT CEU Universidad Cardenal Herrera

Desarrollo de Organismos Multicelulares

1. Desarrollo embrionario b. Desarrollo de organismos multicelulares V Los cigotos pueden dar lugar a todos los diferentes tipos de células del cuerpo, se consideran "totipotentes". El destino de las células se restringe progresivamente durante el desarrollo, un proceso llamado "diferenciación". A medida que las células se especializan, cambian su química, forma y unión a otras células y a la matriz extracelular. V Las células se mueven y se reorganizan para crear la compleja arquitectura del cuerpo (tejidos y órganos): morfogénesis. CEU Universidad Cardenal Herrera

Maquinaria Básica del Desarrollo en Animales

1. Desarrollo embrionario b. Desarrollo de organismos multicelulares Gran parte de la maquinaria básica del desarrollo es esencialmente la misma en todos los animales: moléculas similares relacionadas con la evolución (=proteínas homólogas): *definen los tipos de células animales especializadas *marcan las diferencias entre las regiones corporales *ayudan a crear el patrón corporal animal Xenopus Zebrafish Chick Mouse Human O O D C I CEU Universidad Cardenal Herrera

Fases del Desarrollo Embrionario

1. Desarrollo embrionario b. Desarrollo de organismos multicelulares 1. Después de la fecundación, el cigoto se divide rápidamente para formar células más pequeñas. El embrión no crece. Esta fase inicialmente es impulsada y controlada completamente por el citoplasma del óvulo. 2. El genoma embrionario permanece inactivo hasta que se alcanza un punto en el que los ARNm y las proteínas maternos comienzan a degradarse de forma bastante abrupta. El genoma del embrión se activa y las células forman una blástula. CLEAVAGE CEU Universid Cardenal Herrera fertilized egg blastula

Gastrulación y Formación de Capas Germinales

1. Desarrollo embrionario b. Desarrollo de organismos multicelulares 3. Reordenamientos celulares complejos llamados gastrulación transforman la blástula en una estructura de múltiples capas que contiene un intestino interno rudimentario - gástrula: - Algunas células de la blástula quedan externas =ectodermo: darán lugar a la epidermis y al sistema nervioso. - Otras células invaginan formando el endodermo: darán lugar al tubo digestivo y sus apéndices (pulmón, páncreas, hígado). - Otras células se mueven hacia el espacio entre el ectodermo y el endodermo y forma el mesodermo: dará lugar al músculo, tejidos conectivos (cartílago, hueso y tejido fibroso), sangre, riñón y otros componentes. mesoderm endoderm ectoderm GASTRULATION CLEAVAGE CEU Universidad Cardenal Herrera fertilized egg blastula gastrula

Capas Germinales y Transformaciones Posteriores

1. Desarrollo embrionario b. Desarrollo de organismos multicelulares El ectodermo, mesodermo y endodermo que se forman durante la gastrulación constituyen las tres capas germinales del embrión temprano. 4. Muchas transformaciones posteriores del desarrollo producirán los órganos estructurados elaborados. mesoderm endoderm ectoderm GASTRULATION CLEAVAGE fertilized egg blastula gastrula CEU Universidad Cardenal Herrera

Genes Implicados en el Desarrollo

1. Desarrollo embrionario c. Genes implicados en el desarrollo * Genes que codifican proteínas implicadas en la adhesión celular y señalización celular. =Proteínas de señalización, receptores de superficie celular, proteínas de adhesión y canales iónicos. *Genes que regulan la transcripción y el plegamiento de la cromatina Typical gene DNA Direct protein assembly Protein Messenger RNA MicroRNA gene Binds to messenger RNA MicroRNA Protein assembly is blocked Universidad Cardenal Herrera *microARN que controlan le expresión génica. ARN monocatenario, de una longitud de entre 21 y 25 nucleótidos. V Silenciamiento post-transcripcional de genes específicos, ejercido por moléculas de microARN que, siendo complementarias a un ARN mensajero, conducen habitualmente a la degradación de este.

Determinación Celular

1. Desarrollo embrionario d. Determinación celular ¿Qué es? > El proceso mediante el cual una célula embrionaria indiferenciada se convierte en una célula destinada a desarrollar un tipo específico de tejido. Características: V Comienza temprano y reduce progresivamente las opciones a medida que la célula avanza a través de una serie programada de estados intermedios. El proceso alcanza su límite cuando una célula sufre una diferenciación terminal para formar uno de los tipos celulares altamente especializados del cuerpo adulto. A pesar de sus fenotipos radicalmente diferentes, las células conservan el mismo genoma completo que estaba presente en el cigoto. Sus diferencias surgen principalmente de la expresión diferencial de genes. Pancreatic Bone Neurons ES CEU Universidad Cardenal Herrera

Compromiso Celular en la Embriogénesis

1. Desarrollo embrionario d. Determinación celular Compromiso celular en la embriogénesis las células toman "decisiones". Las "decisiones" determinan el destino de la célula (se cree que es irreversible). Fertilized egg DAY 0 Extraembryonic Tissues Fertilized egg Embryonic Tissues Blastocyst DAY 5 Blastocyst DAY 6-7 Inner cell mass Tro phoblast Trophoblast Inner cell mass DAY 8-9 Epiblast Hypoblast Cytotrophoblast Hypoblast Epiblast DAY 12 Syncytiotropho blast Cytotrophoblast Syncytiotro- phoblast Extraembryonic endoderm Amniotic ectoderm Primitive ectoderm DAY 14 Gastrula DAY 15 Primitive streak Embryo nic ectoderm DAY 16 Embryonic mesoderm Embryo nic endoderm @ 2001 Terese Winslow Yolk sac Primitive streak Extraembryonic mesoderm Embryonic endoderm Embryonic ectoderm CEU Universidad Cardenal Herrera

Restricción del Potencial de Desarrollo

1. Desarrollo embrionario e. El potencial de desarrollo se restringe progresivamente Súper importante saber que ... Durante la etapa de blástula, las células son pluripotentes: tienen el potencial de dar lugar a todos o casi todos los tipos celulares de los tipos celulares del cuerpo adulto. La pluripotencia se pierde a medida que avanza la gastrulación. Potency 1 Totipotent Pluripotent Multipotent Oligopotent Unipotent CEU Universidad Cardenal Herrera

Células Madre

Definición de Células Madre

2. Células madre a. Definición Las células madre = son capaces de diferenciarse, en respuesta a señales específicas, hacia diversos tipos de células especializadas o somáticas funcionales. = capacidad de generar copias idénticas de sí mismas durante largos períodos de tiempo, es decir, tienen la facultad de autorrenovarse a largo plazo. Somatic Cell Two identical daughters Stem Cell Self-renewal Differentiate CEU Universidad Cardenal Herrera

Clasificación de Células Madre por Potencial de Diferenciación

2. Células madre b. Clasificación según su potencial de diferenciación Totipotente 1 ICM EE Blastocisto Pluripotente I - Células madre embrionarias Multipotente Células madre neurales Células madre de los folículos pilosos Células madre de las criptas del intestino Células madre hematopoyéticas (sangre) A. Totipotentes - dan lugar a todos los tipos celulares del organismo adulto (derivados de tejido embrionario), así como a todos los tipos celulares derivados del tejido extraembrionario (placenta). B. Pluripotentes - dan lugar a células propias de las tres capas embrionarias (ectodermo, mesodermo y endodermo), pero no son capaces de formar tejido placentario. C. Multipotentes - producen tipos celulares propios de la misma capa embrionaria de la que proceden o, a lo sumo, de dos de las capas, generalmente en concordancia con su localización en los tejidos adultos. CEU Universidad Cardenal Herrera + Cigoto

Clasificación de Células Madre por Tejido de Aislamiento

2. Células madre c. Clasificación según el tejido del que son aisladas Totipotente Cigoto 1 ICM EE Blastocisto Pluripotente Células madre embrionarias 1 Multipotente Células madre neurales Células madre de los folículos pilosos Células madre de las criptas del intestino Células madre hematopoyéticas (sangre) A. Células madre embrionarias (ES), que forman la masa celular interna de embriones en estadio de blastocisto, aproximadamente 5 días tras la fecundación. B. Células madre germinales, aisladas de fetos a partir de la cresta germinal, que es la región que da lugar a las gónadas. C. Células madre somáticas o de adulto, derivadas de distintos tejidos del organismo adulto o posnatal. CEU Universidad Cardenal Herrera

Células Madre Pluripotentes

Células Madre Embrionarias (ESCs)

3. Células madre pluripotentes a. Células madre embrionarias (ESCs) V Capacidad de autorrenovación, inmortalidad y pluripotencia. v Se derivan de la masa interna del blastocisto y poseen la capacidad de que una única célula pueda diferenciarse, bajo el estímulo adecuado, hacia todos los tipos celulares derivados de cualquiera de las tres capas embrionarias. DAY 2 Uterus DAY 1 DAY 3-4 First cleavage 2-cell stage 4-cell stage 8-cell uncompacted morula 8-cell compacted morula Fertilized egg (zygote) DAY 5 Trophectoderm Ovary DAY 0 Fertilization Inner cell mass DAY 6-7 Zona pellucida Late-stage blastocyst (hatching) DAY 8-9 Epiblast Implantation of the blastocyst Hypoblast Inner cell mass Blastocyst 10 cavity Trophoblast Diameter = 0.1 to 0.2 millimeters (0.0039 to 0.0079 inches) Ovulation Oocyte DAY 4 Early blastocyst Blastocoel

Potencial Terapéutico y Consideraciones Éticas de las ESCs

3. Células madre pluripotentes a. Células madre embrionarias (ESCs) Embryonic stem (ES) cells are formed as a normal part of embryonic development. They can be isolated from an early embryo and grown in a dish. Potential as therapy ES cells have the potential to become any type of cell in the body, making them a promising source of cells for treating many diseases. Special considerations Without drugs that suppress the immune system, a patient's immune system will recognize transplanted cells as foreign and attack them. Ethical considerations When scientists isolate human embryonic stem (hES) cells in the lab, they destroy an embryo. The ethical and legal implications of this have made some reluctant to support research involving hES cells. In recent years, some researchers have focused their efforts on creating stem cells that don't require the destruction of embryos. Learn more about the controversy behind embryonic stem cells and why new stem-cell technologies may bring it to an end. The Stem Cell Debate: Is It Over? Isolating ES cells 2 Embryo develops for 5-7 days 1 Sperm and egg join Blastocyst 3 Remove inner cell mass 4 Grow in dish 5 Change culture conditions to stimulate cells to differentiate into a variety of cell types Neural cells Skin cells Skeletal muscle cells