Diferenciação celular

Na biologia do desenvolvimento, diferenciação é o processo no qual as células tronco mudam de tipo para outro diferente e mais específico.

Estas células diferenciadas podem atuar isoladamente - como os gametas e as células sexuais dos organismos menores, como as bactérias. Ou podem agrupar-se em tecidos diferenciados, como o tecido ósseo e o muscular. Apesar de diferenciadas, as células mantêm o mesmo código genético da primeira célula (zigoto). A diferença está na ativação e inibição de grupos específicos de genes que determinarão a função de cada célula.

Esta especialização acarreta não só alterações da função, mas também da estrutura das células.

Este "agrupamento" foi realizado ao longo do processo evolutivo. A seguir, os metazoários "agruparam" diversos tecidos para formar órgãos diferenciados como o estômago, os órgãos sexuais etc. Estes, por sua vez, podem estar agrupados em aparelhos ou sistemas que, em conjunto, realizam determinada função vital, como é o caso do sistema digestivo.

O processo inverso também pode ocorrer. Células já especializadas, por algum motivo, podem perder a sua função, assumindo um estado de crescimento exagerado. Esse processo é denominado desdiferenciação e é o que ocasiona o surgimento de neoplasias.

Estágios da Diferenciação Celular As mudanças que ocorrem na célula não são imediatas, mas são precedidas pelo processo de compromisso celular, na qual a célula possui um destino determinado e passará por grandes alterações. Assim, mesmo que uma célula ou tecido não sejam diferentes fenotipicamente das outras células ou tecidos que estão em estado de não comprometimento, o seu destino de desenvolvimento já está restrito.

O processo de compromisso celular pode ser dividido em dois estágios (Harrison 1933; Slack 1991). O primeiro é uma fase instável chamado de especificação. O destino da célula ou tecido é considerado especificado quando este é capaz de se diferenciar autonomamente em ambiente neutro (o ambiente é neutro em relação à via de desenvolvimento), como uma placa de Petri ou um tubo de ensaio. E ainda nesse estágio, o compromisso pode ser revertido. O segundo estágio de compromisso é a determinação. Uma célula ou tecido pode ser chamada de determinada quando é capaz de se diferenciar autonomamente mesmo quando é colocado em outra região do embrião. Se for capaz de diferenciar de acordo com o destino original, mesmo sob essas circunstâncias, pode-se assumir que o compromisso é irreversível.

Especificação autônoma Três modos básicos de compromisso foram descritos. O primeiro é chamado de especificação autônoma. Neste caso, se um blastômero particular for removido de um embrião no início do desenvolvimento, esse blastômero isolado irá produzir os mesmos tipos celulares que ele produziria se ainda fosse parte do embrião. E mais ainda, o embrião de onde foi retirado o blastômero perderá essas células e somente essas células, que seriam produzidas pelo blastômero retirado. A especificação autônoma dá origem a um padrão na embriogênese chamado de mosaico do desenvolvimento, pois o embrião parece uma construção de mosaico de peças independentes, com partes capazes de se auto-diferenciar. Embriões de invertebrados (especialmente de moluscos, anelídeos, e tunicados), geralmente possuem especificação autônoma para determinar o destino de suas células. Nesses embriões, determinantes morfogenéticos (certas proteínas ou RNAs mensageiros) são postos em diferentes regiões do citoplasma do ovo e são divididos em diferentes células de acordo com a divisão do embrião, sendo que os determinantes morfogenéticos especificam o tipo celular.

Especificação sincicial Em embriões iniciais de insetos, a divisão celular não está completa. O núcleo se divide dentro do citoplasma do ovo, criando um multinucleado dentro do ovo. Um citoplasma que contém vários núcleos é chamado de sincício. O ovo citoplasmático, no entanto, não é uniforme. Em vez disso, o citoplasma do ovo anterior é marcadamente diferente do posterior. Aqui, a interação da especificação sincicial ocorre entre as diferentes partes de uma mesma célula, mas não entre elas.

Embriologistas experimentais mostraram que cada núcleo de Drosophila tem uma informação posicional dado por proteínas chamadas de morfógenos (do grego “doador de forma”).

Especificação condicional O terceiro modo de comprometimento envolve interações entre células vizinhas. Neste tipo de especificação, cada célula tem, originalmente, a habilidade de se tornar qualquer uma dentre tantos tipos celulares. Entretanto, as interações de uma célula com outras células restringem o destino de uma ou mais participantes. Esse modo de comprometimento é chamado de especificação condicional porque o destino da célula depende das condições em que se encontra.

Se um blastômero for removido de um embrião, no início do desenvolvimento, que utiliza a especificação condicional, as células embrionárias remanescentes alteram seus destinos de modo que as funções das células que faltam sejam retomadas. Essa habilidade que células embrionárias têm de modificar seus destinos para compensar as partes que faltam é chamada de regulação. O blastômero isolado pode também dar origem a uma grande variedade de células (até gerar tipos celulares que a célula não faria se ainda fosse parte do embrião). Assim, a especificação condicional gera um padrão chamado de desenvolvimento regulador. O desenvolvimento regulador é visto na maioria dos embriões de vertebrados, e é crítico no desenvolvimento de gêmeos idênticos. Na formação dos gêmeos, as células no estágio de clivagem de um único embrião se divide em dois grupos, e cada grupo de células produz um indivíduo totalmente desenvolvido.

Mecanismos

400px|miniatura|Mecanismos da diferenciação celular.

Cada tipo celular especializado de um organismo expressa um subconjunto de todos os genes do seu genoma. Cada tipo celular define-se pelo seu padrão particular de regulação da expressão génica. A diferenciação celular é assim uma transição da célula de um tipo para outro e implica uma mudança de um padrão de expressão génica para outro.

A diferenciação celular durante o desenvolvimento pode ser entendida como o resultado de uma rede reguladora de genes. Um gene regulador e os seus módulos cis-reguladores são nós nesta rede reguladora de genes, que recebem sinais de entrada (input) e geram sinais de saída (output) noutras partes da rede. A abordagem feita pela biologia de sistemas à biologia do desenvolvimento sublinha a importância de investigar o modo como interagem os mecanismos de desenvolvimento para produzir padrões previsíveis (morfogénese).

No entanto, propôs-se recentemente uma visão alternativa, baseada na expressão génica estocástica, na qual a diferenciação celular é o resultado de um processo de pressão seletiva darwiniana que ocorre entre as células. Neste quadro, as redes de genes e proteínas são o resultado de processos celulares e não a sua causa. Ver: darwinismo celular .

Geralmente, os processos celulares conservados evolutivamente implicados nos mecanismos celulares que controlam estas mudanças são apenas de alguns tipos. Os principais tipos de processos celulares que controlam a diferenciação celular baseiam-se na sinalização celular.

Muitas das moléculas sinalizadoras que transmitem informação de célula a célula durante o controlo da diferenciação celular denominam-se factores de crescimento. Embora os detalhes das vias de transdução de sinais específicas variem, estas vias partilham frequentemente as seguintes etapas gerais: Um ligando produzido por uma célula liga-se a um recetor no lado extracelular de outra célula, induzindo uma alteração conformacional no recetor. A forma do domínio citoplasmático do recetor muda, e o recetor adquire uma actividade enzimática. O recetor depois catalisa reacções que fosforilam outras proteínas, activando-as. Uma cascata de reacções de fosforilação activa finalmente um factor de transcrição dormente ou proteína citoesquelética, contribuindo assim para o processo de diferenciação na célula-alvo.

As células e os tecidos podem variar em competência, isto é, na sua capacidade de responderem a sinais externos.Rudel and Sommer; The evolution of developmental mechanisms. Developmental Biology 264, 15-37, 2003 Rudel, D.; Sommer, R. J. (2003). "The evolution of developmental mechanisms". Developmental Biology 264 (1): 15–37. doi:10.1016/S0012-1606(03)00353-1. PMID 14623229.

A indução de sinais refere-se às cascatas de eventos de sinalização, durante os quais a célula ou os sinais dos tecidos são enviados a outra célula ou tecido para influenciar o seu desenvolvimento. Yamamoto e JefferyYamamoto Y and WR Jeffery; Central role for the lens in cave fish eye degeneration. Science 289 (5479), 631-633, 2000 Yamamoto, Y.; Jeffery, W. R. (2000). "Central Role for the Lens in Cave Fish Eye Degeneration". Science 289 (5479): 631–633. Bibcode:2000Sci...289..631Y. doi:10.1126/science.289.5479.631. PMID 10915628. investigaram o papel do cristalino na formação dos olhos dos peixes que habitam em cavernas e na superfície, que é um exemplo claro de indução. Por meio de transplantes recíprocos, Yamamoto e Jeffery verificaram que a vesícula do cristalino dos peixes de superfície pode induzir o desenvolvimento de outras partes do olho tanto nos peixes moradores de cavernas como de superfície, enquanto a vesícula do cristalino dos peixes de cavernas não o consegue fazer.

Outro importante mecanismo enquadra-se na categoria das divisões celulares assimétricas, divisões que dão lugar a células-filhas com destinos de desenvolvimento distintos. As divisões celulares assimétricas podem ocorrer por causa de determinantes citoplasmáticos maternos expressos assimetricamente ou devido a sinalização.

No primeiro destes mecanismos, criam-se células-filhas distintas durante a citocinese devido a uma distribuição desigual de moléculas reguladoras na célula progenitora; o citoplasma diferente que herda cada célula-filha dá lugar a um padrão distinto de diferenciação em cada uma. Um exemplo bem estudado de formação de padrão por divisão celular assimétrica é o padrão do eixo corporal de Drosophila.

As moléculas de ARN são um importante tipo de sinal de controlo intracelular da diferenciação. A base genética e molecular das divisões celulares assimétricas também foi estudada nas algas verdes do género Volvox, um sistema modelo para estudar como os organismos unicelulares podem evoluir para organismos pluricelulares. Na espécie Volvox carteri, as 16 células do hemisfério anterior de um embrião de 32 células dividem-se assimetricamente, produzindo cada uma uma célula-filha grande e outra pequena. O tamanho da célula no final de todas as divisões celulares determina se esta se converterá numa célula germinal especializada ou numa célula somática.Kirk MM, A Ransick, SE Mcrae, DL Kirk; The relationship between cell size and cell fate in Volvox carteri. Journal of Cell Biology 123, 191-208, 1993 Kirk, M. M.; Ransick, A.; McRae, S. E.; Kirk, D. L. (1993). "The relationship between cell size and cell fate in Volvox carteri". Journal of Cell Biology 123 (1): 191–208. doi:10.1083/jcb.123.1.191. PMC 2119814. PMID 8408198.

Controlo epigenético da diferenciação celular

Como cada célula de um organismo, independentemente do tipo, tem o mesmo genoma, a determinação do tipo celular deve ocorrer ao nível da expressão dos genes. Embora a regulação da expressão génica possa ocorrer por meio de elementos cis- ou trans-reguladores, como são os promotores e amplificadores (enhancers) dos genes, surge o problema de como se mantém este padrão de expressão ao longo de numerosas gerações de divisão celular.

Os processos epigenéticos desempenham um papel fundamental na regulação da decisão de destinar uma célula a ser uma célula estaminal, progenitora ou madura diferenciada. Este capítulo focar-se-á principalmente nas células estaminais de mamíferos.

Importância do controlo epigenético