Diferenciación progresiva y gastrulación en el desarrollo embrionario

Diferenciación Progresiva

15/11/24 Dra. Christian Lizette Frías Soria 8 y 11 de Noviembre 2024 Dra. Christian Lizette Frías

Gastrulación y Morfogénesis

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• Constituye el inicio de la morfogenia (desarrollo de la forma del cuerpo).
• Es el principal evento morfogenético en el desarrollo.
• Es el proceso formativo por el que se establecen las tres capas germinativas.
• La formación de las tres capas es consecuencia de movimientos masivos celulares.
• Se caracteriza por la interpretación espacio-temporal de señales de desarrollo que impulsan el patrón de la población celular a través de procesos celulares autónomos y no autónomos, lo que en última instancia da como resultado la morfogénesis y la formación de tejidos.

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Capas Germinativas y Tejidos Específicos

115/11/24 Cada capa germinativa da lugar a tejidos y órganos específicos

• Ectodermo: Origina la epidermis, los sistemas nerviosos central y periférico, la retina del ojo
• Endodermo: Forma los revestimientos epiteliales de las vías respiratorias y el aparato digestivo, incluyendo las glándulas que desembocan en estos y las células glandulares de órganos asociados (hígado y páncreas).
• Mesodermo: Origina capas musculares lisas, tejido conjuntivo, vasos asociados a tejidos y órganos, la mayor parte del aparato cardiovascular, es fuente de las células sanguínea, médula ósea, esqueleto, músculo estriado y órganos reproductores.

Dra. Christian Lizette Frías Cigoto Blástula Gástrula Ectodermo Mesodermo Endodermo Células germinales Superficie externa Sistema nervioso central Cresta neural Epidermis Neurona de la piel Células Notocord Tejido Eritrocito Musculo Tubo Célula digestivo tiroidea Célula pulmonar Esperma Óvulo del cerebro pigmentadas Células conectivo tubulares del riñón 4 Dra. Christian Lizette Frías 3

Morfogénesis y Diferenciación Celular

215/11/24 Morfogénesis Durante la morfogénesis, una célula totipotencial genera diferentes líneas celulares pluripotentes en el embrión humano, las cuales sufren otros procesos de diferenciación y generan finalmente más de trescientos tipos de células terminalmente diferenciadas. Cigoto Blastocisto Embrión Bebé Adulto Dra. Christian Lizette Frías

Células Madre (Stem Cells)

5 Células madre (Stem cells) Por su potencialidad de diferenciación (constitución de células adultas) se denominan:

• Totipotentes: Células embrionarias y de la placenta
• Pluripotentes: Células de las tres capas germinales
• Multipotentes: Células de una capa germinal
• Oligopotentes: Tipos de células de un tejido
• Unipotentes: Un solo tipo de célula

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Potencialidad de Diferenciación Celular

315/11/24

+ - Zygote 2-cell stage 4-cell stage 8-cell stage Morula Blastocyst Gastrula TOTIPOTENCY PLURIPOTENCY PLURIPOTENT STEM CELLS Induced pluripotent stem cells (iPSCs) Endoderm line Ectoderm line Mesoderm line MULTIPOTENT STEM CELLS Mesenchymal stem cells (MSCs) UNIPOTENT STEM CELLS Lung cell Pancreatic cell Skin cell Neuronal cell Blood cell Muscle cell Dra. Christian Lizette Frías 7

Propiedades de las Células Madre

Células madre - Propiedades

• Autorenovación (crear copias de sí mismas)
• Capacidad para diferenciarse en células especializadas
• Son capaces de dividirse en forma asimétrica.
• División celular asimétrica: Aquella en la que las dos células hijas tienen propiedades destinos diferentes.

0 STEM CELL BLOOD CELLS NERVE CELL BONE CELL La célula puede replicarse a sí misma La célula puede diferenciarse en varios tipos celulares 8 Dra. Christian Lizette Frías

División Celular Asimétrica

415/11/24 Células madre - División celular asimétrica Participan tanto en la renovación como en la formación de células diferenciadas. Célula madre Auto- renovación --- Célula precursora en proliferación Diferenciación terminal Células con diferenciación terminal Dra. Christian Lizette Frías 9

Diferenciación Celular

Diferenciación Proceso en el que una célula pluripotencial experimenta cambios progresivos y coordinados, hacia un tipo celular más especializado, por medio de cambios a gran escala en la expresión de genes. -00 Células progenitoras Células en diferenciación Células diferenciadas Dra. Christian Lizette Frías 10

Señales Extracelulares en Diferenciación

515/11/24 Las señales extracelulares relacionadas con diferenciación actúan lentamente Molécula señalizadora extracelular La diferenciación, el crecimiento celular y la división celular implican cambios en la expresión de genes y la síntesis de proteínas que ocurren en un proceso relativamente lento Vía de señalización intracelular Receptor de membrana Núcleo DNA Cambios en la función de las proteínas RNA LENTO (min a horas) Cambios síntesis de proteínas Membrana Cambios en la maquinaria citoplasmica Cambios en el comportamiento celular Dra. Christian Lizette Frías 11

Hipótesis de la Expresión Génica Diferencial

Hipótesis de la expresión génica diferencial Las grandes diferencias en la especialización celular sugieren que, conforme se desarrolla el embrión, unas células pierden unos genes y amplifican otros. Los postulados de la hipótesis son los siguientes:

• Equivalencia genómica: Todos los núcleos de todas las células de un organismo poseen un genoma idéntico al del cigoto.
• Estabilidad génica: Los genes no utilizados por cada célula están presentes en su genoma, y podrían ser activados en determinadas condiciones.
• Síntesis diferencial de RNA: En cada célula se expresan sólo unos genes, algunos de ellos son específicos de cada tipo celular.

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Regulación de la Diferenciación

615/11/24 Regulación de la diferenciación

• El proceso que convierte un cigoto fecundado a más de 300 tipos celulares en un recién nacido, corresponde a una programación genética ordenada en espacio/tiempo y en los tejidos de miles de genes que se activan o que se inactivan.
• Este proceso de desarrollo y diferenciación celular es controlado por un conjunto numeroso de genes que codifican diferentes factores de transcripción, que responden a señales extracelulares o de contacto célula- célula.

Cigoto Blastocisto Embrión Bebé Dra. Christian Lizette Frías 13

Proceso de Transcripción

Transcripción

• Proceso por el cual la secuencia de nucleótidos del DNA es usada para producir una molécula complementaria de RNAm.
• La transcripción es llevada a cabo por la enzima encargada de la síntesis de RNAm (RNA polimerasa)
• La RNA polimerasa se une al promotor

Transcripción Codón ADN CATCACA Par de bases Pre-ARNm Núcleo de la célula AC ARNm Traducción Proteína Aminoácidos ARNt Cadena de proteína en crecimiento Sitio de Inicio de la Transcripción - xxx Promotor A UA G Ribosoma Codón 2017 Terese Winslow LLC U.S. Govt. has certain rights Dra. Christian Lizette Frías Citoplasma 14

Factores de Transcripción

715/11/24 Transcripción

• Factores de transcripción: proteínas que reconocen al promotor y ubican a la RNA polimerasa (inducen o inhiben su actividad)
• Mediador: Complejo de proteínas unido a la RNA polimerasa que sirve de puente entre esta y reguladores de la transcripción

Regulators -> Mediator RNA polymerase General transcription factor Dra. Christian Lizette Frías 15

Expresión Génica en Diferenciación

Diferenciación - Expresión génica

• La diferenciación de un tipo de célula en particular requiere cambios en la expresión de miles de genes
• Los genes que codifican productos necesarios para la diferenciación de la célula se expresan en altos niveles
• Los reguladores de la transcripción controlan la expresión de miles a millones de genes
• Cada gen es controlado por diferentes reguladores de la transcripción

KIf4 Klf4 Oct4 Sox2 Oct4 Sox2 (B) (A) Dra. Christian Lizette Frías 16

Combinaciones de Factores de Transcripción

815/11/24 Diferenciación - Expresión génica

• Las combinaciones de factores de transcripción en cada momento pueden producir diversos patrones de expresión génica
• Un factor de transcripción puede expresarse en un único tipo celular, en un momento del desarrollo.
• Un factor de transcripción puede expresarse en varios tipos celulares, en varios lugares del organismo y en varios momentos del desarrollo.

KIf4 Klf4 Oct4 Sox2 Oct4 Sox2 (B) (A) 17 Célula precursora Proteína reguladora 1 División celular 1 REGULATORY PROTEIN 2 Proteína reguladora 2 2 1 1 2 IProteína 3 reguladora Proteína 3 reguladora Proteína 3 reguladora Proteína 3 reguladora 3 2 2 3 1 3 1 2 2 F G Célula tipo Célula tipo Célula tipc Célula tipo Celula tipo Célula tipo Célula tipo Célula tipo A B C D E H ra. Christian Lizette Frías 18

Células Madre Hematopoyéticas

9 1 3 1 Dra. Christian Lizette Frías15/11/24 HSC: Células madre hematopoyéticas SCF: Factor de crecimiento de células progenitoras TPO: Trombopoyetina IL: Interleucina EPO: Eritropoyetina EP: Progenitor eritroide MP: Progenitor mieloide G-CSF: Factor estimulante de colonias de granulocitos M-CSF: Factor estimulante de colonias de macrófagos Multipotent stem cell Self-renewal HSC SCF IL-7 TPO Primitive progenitor cells CMP CLP IL-3 SCF TPO GM-CSF IL-7 - Committed precursor cells MEP GM TNK BC TPO IL-7 IL-7 IL-2 Lineage-committed cell EP MP GP TCP NKP IL-4 MkP - M-CSF G-CSF IL-15 TPO EPO - Monocytes T cells Platelets Erythrocytes Neutrophils, eosinophils, basophils NK cells 19

Diferenciación y Epigenética

Diferenciación y epigenética Epigenética: Cambios en la expresión de los genes, que no pueden ser atribuidos a cambios en la secuencia del ADN El inicio y el mantenimiento de cambios en la expresión genética asociados con la diferenciación de células madre implican la acción de un programa epigenético único que incluye modificaciones covalentes en el ADN y cromatina, así como pequeñas regulaciones postranscripcionales mediadas por ARN no codificante. Cigoto Blastocisto Embrión Bebé Dra. Christian Lizette Frías 20

Mecanismos Epigenéticos

10 IL-7 EPO IL-5 SCF B cells15/11/24 Cambios epigenéticos como moduladores de la expresión génica Mecanismos epigenéticos más estudiados:

1. Metilación del ADN: Transferencia de un grupo metilo (CH3) a residuos de citosina, provoca inhibición de la expresión
2. Modificaciones en histonas: Acetilación, fosforilación y metilación de los residuos amino-terminal, lo cual provoca cambios en la estructura de la cromatina activa (nucleosoma relajado y gen con capacidad de expresarse) o inactiva (nucleosoma condensado y gen silencia)
3. MicroRNAs (ARNs no codificantes): Actúan como reguladores postranscripcionales, impiden la expresión del gen bloqueando la traducción o mediando degradación de ARNm

Dra. Christian Lizette Frías Estuctura de la cromatina Heterocromatina (Comatina compacta) Eucromatina (Comatina laxa) En conjunto todas estas marcas epigenéticas estan relacionadas con la regulación de la expresión de genes C) microRNAs Reguladores postranscripcionales Islas CpG 5 metilcitosina Citosina Cambios en la estructura de la cromatina Degradación mRNA DC Gen Gen Región promotora Región promotora Nomenclatura Expresión de genes Silenciamiento de genes Metilación Fosforilación Acetilación Ubiquitinación B) Metilación del ADN A) Modificaciones en histonas Transportadores de elementos reguladores Guanina Colas amino-terminal 21 22 11