3.7: Diferenciação celular

objetivos de aprendizagem

Ao final desta seção, você poderá:

• Discuta como as células generalizadas de um embrião em desenvolvimento ou as células-tronco de um organismo adulto se diferenciam em células especializadas
• Distinguir entre as categorias de células-tronco

Como um organismo complexo como um humano se desenvolve de uma única célula - um óvulo fertilizado - para a vasta gama de tipos de células, como células nervosas, musculares e células epiteliais, que caracterizam o adulto? Durante o desenvolvimento e a idade adulta, o processo de diferenciação celular leva as células a assumirem sua morfologia e fisiologia finais. A diferenciação é o processo pelo qual células não especializadas se especializam para realizar funções distintas.

células-tronco

Uma célula-tronco é uma célula não especializada que pode se dividir sem limite conforme necessário e pode, sob condições específicas, se diferenciar em células especializadas. As células-tronco são divididas em várias categorias de acordo com seu potencial de diferenciação.

As primeiras células embrionárias que surgem da divisão do zigoto são as células-tronco definitivas; essas células-tronco são descritas como totipotentes porque têm o potencial de se diferenciar em qualquer uma das células necessárias para permitir que um organismo cresça e se desenvolva.

As células embrionárias que se desenvolvem a partir de células-tronco totipotentes e são precursoras das camadas teciduais fundamentais do embrião são classificadas como pluripotentes. Uma célula-tronco pluripotente é aquela que tem o potencial de se diferenciar em qualquer tipo de tecido humano, mas não pode suportar o desenvolvimento completo de um organismo. Essas células então se tornam um pouco mais especializadas e são chamadas de células multipotentes.

Uma célula-tronco multipotente tem o potencial de se diferenciar em diferentes tipos de células dentro de uma determinada linhagem celular ou em um pequeno número de linhagens, como um glóbulo vermelho ou glóbulo branco.

Finalmente, células multipotentes podem se tornar mais células oligopotentes especializadas. Uma célula-tronco oligopotente está limitada a se tornar um dos poucos tipos de células diferentes. Em contraste, uma célula unipotente é totalmente especializada e só pode se reproduzir para gerar mais de seu próprio tipo celular específico.

As células-tronco são únicas porque também podem se dividir e regenerar continuamente novas células-tronco em vez de se especializarem ainda mais. Existem diferentes células-tronco presentes em diferentes estágios da vida humana. Eles incluem as células-tronco embrionárias do embrião, as células-tronco fetais do feto e as células-tronco adultas do adulto. Um tipo de célula-tronco adulta é a célula-tronco epitelial, que dá origem aos queratinócitos nas múltiplas camadas de células epiteliais na epiderme da pele. A medula óssea adulta tem três tipos distintos de células-tronco: células-tronco hematopoiéticas, que dão origem aos glóbulos vermelhos, glóbulos brancos e plaquetas (Figura 3.34); células-tronco endoteliais, que dão origem aos tipos de células endoteliais que revestem os vasos sanguíneos e linfáticos; e células-tronco mesenquimais, que produzem ascensão aos diferentes tipos de células musculares.

Figura 3.34 Hematopoiese O processo de hematopoiese envolve a diferenciação de células multipotentes em células sanguíneas e imunes. As células-tronco hematopoiéticas multipotentes dão origem a muitos tipos de células diferentes, incluindo as células do sistema imunológico e os glóbulos vermelhos.

Diferenciação

Quando uma célula se diferencia (se torna mais especializada), ela pode sofrer grandes mudanças em seu tamanho, forma, atividade metabólica e função geral. Como todas as células do corpo, começando com o óvulo fertilizado, contêm o mesmo DNA, como os diferentes tipos de células se tornam tão diferentes? A resposta é análoga ao roteiro de um filme. Todos os diferentes atores de um filme lêem o mesmo roteiro, no entanto, cada um está lendo apenas sua própria parte do roteiro. Da mesma forma, todas as células contêm o mesmo complemento completo de DNA, mas cada tipo de célula “lê” apenas as porções do DNA que são relevantes para sua própria função. Em biologia, isso é conhecido como a expressão genética única de cada célula.

Para que uma célula se diferencie em sua forma e função especializadas, ela precisa apenas manipular os genes (e, portanto, as proteínas) que serão expressos, e não aqueles que permanecerão em silêncio. O principal mecanismo pelo qual os genes são “ativados” ou “desativados” é por meio de fatores de transcrição. Um fator de transcrição faz parte de uma classe de proteínas que se ligam a genes específicos na molécula de DNA e promovem ou inibem sua transcrição (Figura 3.35).

Figura 3.35 Fatores de transcrição regulam a expressão gênica Enquanto cada célula do corpo contém todo o genoma do organismo, células diferentes regulam a expressão gênica com o uso de vários fatores de transcrição. Os fatores de transcrição são proteínas que afetam a ligação da RNA polimerase a um gene específico na molécula de DNA.

Conexão diária

Pesquisa com células-tronco

A pesquisa com células-tronco visa encontrar maneiras de usar células-tronco para regenerar e reparar danos celulares. Com o tempo, a maioria das células adultas sofre o desgaste do envelhecimento e perde a capacidade de se dividir e se reparar. As células-tronco não exibem uma morfologia ou função específica. As células-tronco adultas, que existem como um pequeno subconjunto de células na maioria dos tecidos, continuam se dividindo e podem se diferenciar em várias células especializadas geralmente formadas por esse tecido. Essas células permitem que o corpo renove e repare os tecidos corporais.

Os mecanismos que induzem uma célula não diferenciada a se tornar uma célula especializada são mal compreendidos. Em um ambiente de laboratório, é possível induzir células-tronco a se diferenciarem em células especializadas, alterando as condições físicas e químicas de crescimento. Várias fontes de células-tronco são usadas experimentalmente e são classificadas de acordo com sua origem e potencial de diferenciação. As células-tronco embrionárias humanas (HESCs) são extraídas dos embriões e são pluripotentes. As células-tronco adultas que estão presentes em muitos órgãos e tecidos diferenciados, como medula óssea e pele, são multipotentes, limitando-se na diferenciação aos tipos de células encontrados nesses tecidos. As células-tronco isoladas do sangue do cordão umbilical também são multipotentes, assim como as células dos dentes decíduos (dentes de leite). Pesquisadores desenvolveram recentemente células-tronco pluripotentes induzidas (iPSCs) a partir de células-tronco adultas de camundongos e humanos. Essas células são células adultas multipotentes reprogramadas geneticamente que funcionam como células-tronco embrionárias; elas são capazes de gerar células características de todas as três camadas germinativas.

Devido à sua capacidade de se dividir e se diferenciar em células especializadas, as células-tronco oferecem um tratamento potencial para doenças como diabetes e doenças cardíacas (Figura 3.36). A terapia baseada em células refere-se ao tratamento no qual células-tronco induzidas a se diferenciar em uma placa de crescimento são injetadas em um paciente para reparar células ou tecidos danificados ou destruídos. Muitos obstáculos devem ser superados para a aplicação da terapia celular. Embora as células-tronco embrionárias tenham uma gama quase ilimitada de potencial de diferenciação, elas são vistas como estranhas pelo sistema imunológico do paciente e podem desencadear rejeição. Além disso, a destruição de embriões para isolar células-tronco embrionárias levanta consideráveis questões éticas e legais.

Figura 3.36 Células-tronco A capacidade das células-tronco de se diferenciarem em células especializadas as torna potencialmente valiosas em aplicações terapêuticas projetadas para substituir células danificadas de diferentes tecidos corporais.

Em contraste, as células-tronco adultas isoladas de um paciente não são vistas como estranhas pelo corpo, mas têm uma gama limitada de diferenciação. Algumas pessoas depositam o sangue do cordão umbilical ou os dentes decíduos de seus filhos, armazenando essas fontes de células-tronco para uso futuro, caso eles precisem. Células-tronco pluripotentes induzidas são consideradas um avanço promissor no campo porque seu uso evita as armadilhas legais, éticas e imunológicas das células-tronco embrionárias.