Potenza cellulare - Cell potency

Il potenziale cellulare , basato sui lavori del 2007 di Hans R. Schöler "The Potential of Stem Cells: An Inventory", è la capacità di una cellula di differenziarsi in altri tipi di cellule. Più tipi di cellule possono differenziarsi in una cellula, maggiore è la sua potenza. La potenza è anche descritta come il potenziale di attivazione del gene all'interno di una cellula, che come un continuum, inizia con totipotenza per designare una cellula con il maggior potenziale di differenziazione, pluripotenza , multipotenza , oligopotenza e infine unipotenza .

Le cellule staminali embrionali pluripotenti hanno origine come cellule di massa interne all'interno di una blastocisti . Queste cellule staminali possono diventare qualsiasi tessuto del corpo, esclusa la placenta . Solo le cellule della morula sono totipotenti , in grado di diventare tutti i tessuti e una placenta.

totipotenza

La totipotenza (lat. totipotentia, "capacità per tutte le [cose]") è la capacità di una singola cellula di dividersi e produrre tutte le cellule differenziate di un organismo . Spore e zigoti sono esempi di cellule totipotenti. Nello spettro della potenza cellulare, la totipotenza rappresenta la cellula con il maggior potenziale di differenziazione , essendo in grado di differenziarsi in qualsiasi cellula embrionale , oltre che in cellule extraembrionali. Al contrario, le cellule pluripotenti possono differenziarsi solo in cellule embrionali.

È possibile che una cellula completamente differenziata ritorni a uno stato di totipotenza. Questa conversione alla totipotenza è complessa, non del tutto compresa e oggetto di recenti ricerche. La ricerca nel 2011 ha dimostrato che le cellule possono differenziarsi non in una cellula completamente totipotente, ma invece in una "variazione cellulare complessa" di totipotenza. Le cellule staminali che assomigliano a blastomeri totipotenti da embrioni a 2 cellule possono sorgere spontaneamente in colture di cellule staminali embrionali di topo e possono anche essere indotte a manifestarsi più frequentemente in vitro attraverso la down-regulation dell'attività di assemblaggio della cromatina di CAF-1 .

Il modello di sviluppo umano è uno che può essere usato per descrivere come nascono le cellule totipotenti. Lo sviluppo umano inizia quando uno spermatozoo feconda un uovo e l'ovulo fecondato risultante crea una singola cellula totipotente, uno zigote . Nelle prime ore dopo la fecondazione, questo zigote si divide in cellule totipotenti identiche, che possono successivamente svilupparsi in uno qualsiasi dei tre strati germinali di un essere umano ( endoderma , mesoderma o ectoderma ), o nelle cellule della placenta ( citotrofoblasto o sinciziotrofoblasto ). Dopo aver raggiunto uno stadio di 16 cellule, le cellule totipotenti della morula si differenziano in cellule che alla fine diventeranno la massa cellulare interna della blastocisti oi trofoblasti esterni . Circa quattro giorni dopo la fecondazione e dopo diversi cicli di divisione cellulare, queste cellule totipotenti iniziano a specializzarsi. La massa cellulare interna, fonte di cellule staminali embrionali , diventa pluripotente.

La ricerca su Caenorhabditis elegans suggerisce che molteplici meccanismi, inclusa la regolazione dell'RNA, possono svolgere un ruolo nel mantenimento della totipotenza in diverse fasi di sviluppo in alcune specie. Il lavoro con il pesce zebra e i mammiferi suggerisce un'ulteriore interazione tra miRNA e proteine ​​leganti l'RNA (RBP) nel determinare le differenze di sviluppo.

Cellule germinali primordiali

Nelle cellule germinali primordiali di topo , la riprogrammazione dell'intero genoma che porta alla totipotenza comporta la cancellazione delle impronte epigenetiche . La riprogrammazione è facilitata dalla demetilazione attiva del DNA che coinvolge la via enzimatica di riparazione dell'escissione della base del DNA . Questo percorso comporta la cancellazione della metilazione CpG (5mC) nelle cellule germinali primordiali attraverso la conversione iniziale di 5mC in 5-idrossimetilcitosina (5hmC), una reazione guidata da alti livelli degli enzimi dieci undici diossigenasi TET-1 e TET-2 .

Pluripotenza

R: Cellule staminali embrionali umane (colonie cellulari non ancora differenziate).
B: cellule nervose

Nella biologia cellulare, la pluripotenza (lat. pluripotentia , "capacità di molte [cose]") si riferisce a una cellula staminale che ha il potenziale di differenziarsi in uno qualsiasi dei tre strati germinali : endoderma (rivestimento interno dello stomaco, tratto gastrointestinale, polmoni) , mesoderma (muscolo, osso, sangue, urogenitale) o ectoderma (tessuti epidermici e sistema nervoso), ma non nei tessuti extra-embrionali come la placenta. Tuttavia, la pluripotenza cellulare è un continuum, che va dalla cellula completamente pluripotente che può formare ogni cellula dell'embrione vero e proprio, ad es. strati germinali ma che potrebbero non presentare tutte le caratteristiche di cellule completamente pluripotenti.

Pluripotenza indotta

Le cellule staminali pluripotenti indotte, comunemente abbreviate come cellule iPS o iPSC, sono un tipo di cellula staminale pluripotente derivata artificialmente da una cellula non pluripotente, tipicamente una cellula somatica adulta , inducendo un'espressione "forzata" di alcuni geni e fattori di trascrizione . Questi fattori di trascrizione svolgono un ruolo chiave nel determinare lo stato di queste cellule e sottolineano anche il fatto che queste cellule somatiche conservano le stesse informazioni genetiche delle prime cellule embrionali. La capacità di indurre le cellule in uno stato pluripotente è stata inizialmente sperimentata nel 2006 utilizzando fibroblasti di topo e quattro fattori di trascrizione, Oct4 , Sox2 , Klf4 e c- Myc ; questa tecnica, chiamata riprogrammazione , valse in seguito a Shinya Yamanaka e John Gurdon il Premio Nobel per la Fisiologia o la Medicina. Questo è stato poi seguito nel 2007 dall'induzione di successo di iPSC umane derivate da fibroblasti dermici umani utilizzando metodi simili a quelli utilizzati per l'induzione di cellule di topo. Queste cellule indotte presentano tratti simili a quelli delle cellule staminali embrionali (ESC) ma non richiedono l'uso di embrioni. Alcune delle somiglianze tra ESC e iPSC includono pluripotenza , morfologia , capacità di autorinnovamento, un tratto che implica che possono dividersi e replicarsi indefinitamente e l'espressione genica .

Si ritiene inoltre che i fattori epigenetici siano coinvolti nell'effettiva riprogrammazione delle cellule somatiche al fine di indurre la pluripotenza. È stato teorizzato che alcuni fattori epigenetici potrebbero effettivamente funzionare per cancellare i segni epigenetici somatici originali al fine di acquisire i nuovi segni epigenetici che fanno parte del raggiungimento di uno stato pluripotente . Anche la cromatina viene riorganizzata nelle iPSC e diventa simile a quella che si trova negli ESC in quanto è meno condensata e quindi più accessibile. Anche le modificazioni dell'eucromatina sono comuni, il che è anche coerente con lo stato dell'eucromatina che si trova nelle ESC.

A causa della loro grande somiglianza con le ESC, le iPSC sono state di grande interesse per la comunità medica e di ricerca. Le iPSC potrebbero potenzialmente avere le stesse implicazioni terapeutiche e applicazioni delle ESC, ma senza l'uso controverso degli embrioni nel processo, un argomento di grande dibattito bioetico. In effetti, la pluripotenza indotta delle cellule somatiche in cellule iPS indifferenziate era originariamente salutata come la fine del controverso uso delle cellule staminali embrionali . Tuttavia, le iPSC sono risultate potenzialmente cancerogene e, nonostante i progressi, non sono mai state approvate per la ricerca in fase clinica negli Stati Uniti. Durante la produzione di iPSC sono stati riscontrati anche problemi come bassi tassi di replicazione e senescenza precoce, che ne hanno ostacolato l'uso come sostituti degli ESC.

Inoltre, è stato determinato che l'espressione somatica di fattori di trascrizione combinati può indurre direttamente altri destini cellulari somatici definiti ( transdifferenziazione ); i ricercatori hanno identificato tre fattori di trascrizione specifici del lignaggio neurale che potrebbero convertire direttamente i fibroblasti di topo (cellule della pelle) in neuroni completamente funzionali . Questo risultato sfida la natura terminale della differenziazione cellulare e l'integrità dell'impegno del lignaggio; e implica che con gli strumenti appropriati, tutte le cellule sono totipotenti e possono formare tutti i tipi di tessuto.

Alcuni dei possibili usi medici e terapeutici per le iPSC derivate da pazienti includono il loro uso nei trapianti di cellule e tessuti senza il rischio di rigetto che si incontra comunemente. Le iPSC possono potenzialmente sostituire i modelli animali non idonei così come i modelli in vitro utilizzati per la ricerca sulle malattie.

Colonia ingenua di cellule staminali umane pluripotenti qui vista crescere su cellule feeder (topo).

Stati di pluripotenza ingenui vs. innescati

Recenti scoperte riguardo agli epiblasti prima e dopo l'impianto hanno prodotto proposte per classificare la pluripotenza in due fasi distinte: "ingenua" e "innescata". Le cellule staminali di base comunemente utilizzate nella scienza che sono indicate come cellule staminali embrionali (ESC) sono derivate da un epiblasto preimpianto; tale epiblasto è in grado di generare l'intero feto e una cellula dell'epiblasto è in grado di contribuire a tutte le linee cellulari se iniettata in un'altra blastocisti. D'altra parte, si possono osservare diverse marcate differenze tra gli epiblasti pre e post-impianto, come la loro differenza nella morfologia, in cui l'epiblasto dopo l'impianto cambia la sua morfologia in una forma a tazza chiamata "cilindro dell'uovo" come così come l'alterazione cromosomica in cui uno dei cromosomi X viene inattivato casualmente nella fase iniziale del cilindro dell'uovo, noto come inattivazione dell'X . Durante questo sviluppo, le cellule epiblastiche del cilindro dell'uovo sono sistematicamente prese di mira dai fattori di crescita dei fibroblasti , dalla segnalazione di Wnt e da altri fattori induttivi attraverso il sacco vitellino circostante e il tessuto del trofoblasto, in modo tale da diventare istruttivamente specifici in base all'organizzazione spaziale.

Un'altra importante differenza osservata, rispetto alla potenza cellulare, è che le cellule staminali epiblastiche post-impianto non sono in grado di contribuire alle chimere di blastocisti , il che le distingue da altre cellule staminali pluripotenti conosciute. Le linee cellulari derivate da tali epiblasti post-impianto sono indicate come cellule staminali derivate da epiblasti che sono state derivate per la prima volta in laboratorio nel 2007; nonostante la loro nomenclatura, che sia le ESC che le EpiSC derivano da epiblasti, proprio in diverse fasi di sviluppo, e che la pluripotenza è ancora intatta nell'epiblasto post-impianto, come dimostrato dall'espressione conservata di Nanog , Fut4 e Oct-4 in EpiSCs, fino alla somitogenesi e possono essere invertite a metà dell'espressione indotta di Oct-4 .

Pluripotenza nativa nelle piante

Nelle radici

La pluripotenza non indotta è stata osservata nella cultura del tessuto del meristema radicale , in particolare da Kareem et al 2015, Kim et al 2018 e Rosspopoff et al 2017. Questa pluripotenza è regolata da vari regolatori, tra cui PLETHORA 1 e PLETHORA 2 ; e PLETHORA 3 , PLETHORA 5 e PLETHORA 7 , la cui espressione è stata trovata da Kareem come provocata da auxina . (Questi sono anche noti come PLT1, PLT2, PLT3, PLT5, PLT7 ed espressi dai geni con gli stessi nomi). A partire dal 2019 si prevede che ciò aprirà la ricerca futura sulla pluripotenza nei tessuti radicali.

multipotenza

Le cellule staminali ematopoietiche sono un esempio di multipotenza. Quando si differenziano in cellule progenitrici mieloidi o linfoidi, perdono potenza e diventano cellule oligopotenti con la capacità di dare origine a tutte le cellule del suo lignaggio.

La multipotenza descrive le cellule progenitrici che hanno il potenziale di attivazione del gene per differenziarsi in tipi cellulari discreti. Ad esempio, una cellula staminale del sangue multipotente - e questo tipo di cellula può differenziarsi in diversi tipi di cellule del sangue come linfociti , monociti , neutrofili , ecc., Ma è ancora ambiguo se le HSC possiedano la capacità di differenziarsi in cellule cerebrali , cellule ossee o altri tipi di cellule non ematiche.

Una nuova ricerca relativa alle cellule multipotenti suggerisce che le cellule multipotenti possono essere in grado di convertirsi in tipi cellulari non correlati. In un altro caso, cellule staminali del sangue del cordone ombelicale umano sono state convertite in neuroni umani. La ricerca si sta anche concentrando sulla conversione di cellule multipotenti in cellule pluripotenti .

Le cellule multipotenti si trovano in molti, ma non in tutti i tipi di cellule umane. Cellule multipotenti sono state trovate nel sangue cordonale , nel tessuto adiposo, nelle cellule cardiache, nel midollo osseo e nelle cellule staminali mesenchimali (MSC) che si trovano nel terzo molare .

Le MSC possono rivelarsi una preziosa fonte di cellule staminali dai molari a 8-10 anni di età, prima della calcificazione dentale adulta. Le MSC possono differenziarsi in osteoblasti, condrociti e adipociti.

oligopotenza

In biologia, l'oligopotenza è la capacità delle cellule progenitrici di differenziarsi in pochi tipi cellulari . È un grado di potenza . Esempi di cellule staminali oligopotenti sono le cellule staminali linfoidi o mieloidi. Una cellula linfoide in particolare, può dare origine a varie cellule del sangue come le cellule B e T, tuttavia, non a un diverso tipo di cellule del sangue come un globulo rosso. Esempi di cellule progenitrici sono le cellule staminali vascolari che hanno la capacità di diventare cellule sia endoteliali che muscolari lisce.

Unipotenza

Nella biologia cellulare , una cellula unipotente è il concetto che una cellula staminale ha la capacità di differenziarsi in un solo tipo di cellula. Al momento non è chiaro se esistano vere cellule staminali unipotenti. Gli epatoblasti, che si differenziano in epatociti (che costituiscono la maggior parte del fegato ) o colangiociti (cellule epiteliali del dotto biliare), sono bipotenti. Un sinonimo stretto di cellula unipotente è cellula precursore .

Guarda anche

Riferimenti