Compilación y armado: Prof. Sergio Pellizza Dto. Apoyatura Académica I.S.E.S

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1 CÉLULAS MADRE Compilación y armado: Prof. Sergio Pellizza Dto. Apoyatura Académica I.S.E.S Universidad Complutense de Madrid Facultad de Ciencias Biológicas Profesor: Iñigo Azcoitia Una célula madre se divide para originar unas células hijas iguales a la madre que se pueden diferenciar en distintos tipos celulares o seguir funcionando como células madre (autorrenovación). Conceptos generales Autorrenovación: ocurre cuando una célula madre se divide originando una célula hija y otra célula que será también una célula madre. Determinación: cambio que permite que la célula de diferencie. Célula progenitora: es una célula que se puede dividir indefinidamente pero no puede autorrenovarse, por lo que es una etapa intermedia entre célula madre y diferenciada. Pueden originar órganos completos. Amplificadores transitorios: son como las células progenitoras, pero provienen de una célula madre que forma una gran progenie. Potencialidad: Totipotencia: se puede formar un organismo completo, como en el caso del zigoto o los meristemos vegetales. Pluripotencia: se puede formar cualquier línea celular tanto del embrión como de tejidos extraembrionarios (como la placenta), como ocurre con las células madre embrionarias. 1

2 Multipotencia: se pueden formar varias líneas celulares que originan un tejido completo, como por ejemplo las células hematopoyéticas. Oligopotencia: se pueden formar unas pocas líneas celulares de un tejido, como las células madre del tejido nervioso. Unipotencia: sólo se puede formar un único tipo celular, como ocurre con las espermatogonias. Nicho de la célula madre: es el lugar en el que está la célula madre, que tiene características únicas para su crecimiento. Las células del estroma constituyen el lugar físico donde quedan retenidas las células madre y a ellas llegan los nutrientes, factores de crecimiento Tienen una gran matriz extracelular y mucho aporte vascular. Por comunicación nerviosa o factores solubles provenientes de células progenitoras, se puede modificar el estroma. En el adulto, hay varios nichos de células madre según la capa embrionaria de la que provengan: Ectodermo: cerebro (en el hipocampo para los nuevos circuitos de memoria y en el olfato), piel (folículo piloso y epidermis) y glándula mamaria (durante la lactancia). Endodermo: páncreas, criptas del tubo digestivo, hígado y pulmón. Mesodermo: corazón, músculo esquelético (células satélite) y tejidos conjuntivo y hematopoyético. Células germinales: espermatogonias y ovogonias. Cáncer Plasticidad: capacidad de las células madre de cambiar en respuesta a un estímulo. 2

3 División simétrica: las células hijas tienen los mismos determinantes citoplasmáticos y la misma dotación genética que la madre, por lo que también son células madre. Es habitual en procesos de expansión. División asimétrica: de la división de una célula madre, se forman varias líneas celulares ya que alguna de las hijas no recibe un determinante. Célula madre cancerosa: no son células madre como tal, pero pueden dividirse como si lo fueran ya que son pluripotentes (aunque en ocasiones si hay células madre alteradas que pasan a ser cancerosas). División de las células madre Durante el desarrollo, los genes homeóticos son los que definen la función de los segmentos del embrión (p.e.- mutación antenopédica). Como expresan diversos factores, se pasa de una célula madre a una célula diferenciada, como por ejemplo el paso de zigoto hasta una célula β del páncreas. En las células madre, la telomerasa es muy activa y permite que se puedan dividir sin problemas. Sin embargo, en el adulto su tasa de división es relativamente baja y lo que hacen es formar progenitores intermedios. En las divisiones de células madre, puede haber expansiones de la población o no según la división sea simétrica o asimétrica, pero lo general es que haya combinación de los distintos tipos de división en una población de células madre. 3

4 La competencia celular provoca que una célula sea ganadora y otra perdedora: la ganadora tiene una función ribosómica óptima, liberando proteínas al medio y provocando que la perdedora produzca proteínas de muerte celular o que activen aún más a la ganadora. Un ejemplo de competencia celular es el sistema Delta-Notch que se da entre células precursoras de neuronas. Notch es una proteína de membrana con un dominio intracelular que se puede escindir provocando una cascada génica. Cuando el dominio extracelular es activado, la proteína δ deja de sintetizarse ya que hay represión génica de su gen y de un conjunto de genes proneurales, por lo que esta célula no será neuronal. Lo que ocurre es una inhibición lateral recíproca: en las dos células hay baja cantidad de δ, pero en un momento dado se produce un desbalance en el que una célula forma más Notch y menos δ, lo que repercute también en la otra célula. Finalmente, la célula con menos Notch será neurona y la que tiene más Notch será una célula glial, ya que tiene inhibidos los genes proneurales. 4

5 Nichos de células madre Son estructuras que poseen plasticidad: si se cambia el nicho de lugar, se diferencian aquellas células más alejadas a él; y si se duplica, se replica la situación y habrá dos grupos de células madre y dos de diferenciadas. En los nichos, se encuentran tanto células madre e hijas como células del nicho, todo ello en una matriz extracelular. Esta matriz es muy importante ya que cumple varios papeles: Señalización matriz-célula: las células madre tienen integrinas que las ayudan a anclarse a la matriz además de funcionar como receptores de ciertas moléculas. También permite el primer paso de la señalización al núcleo que hace que la célula madre se divida si hace falta. La familia de proteínas G-monoméricas (Rac y Rho) son elementos fundamentales para la regulación celular y participan en el citoesqueleto. Retención de moléculas: factores de crecimiento como el IGF-1 (factor de crecimiento semejante a insulina tipo 1) que aparece en todos los nichos ya que ayuda a la supervivencia y proliferación celular. Tensión: derivada de la anterior, es una propiedad fundamental en la célula. Por ejemplo, las células madre gliales están en una matriz compacta mientras que las neuronales están en matrices laxas. Las células madre se ven afectadas también por la po 2, la variación de ph, etc.; y no solo por los factores de crecimiento del medio. Las zonas con más tensión favorecen la penetración de las células madre desde la sangre, y generalmente son zonas lesionadas ya que se produce fibrosis. Este movimiento hacia las zonas fibrosas de las células madre se denomina durotaxis. Durante el estrés físico, se liberan catecolaminas en mayor cantidad. En condiciones normales, las células madre y progenitoras hematopoyéticas forman un pool de células en la matriz extracelular ósea. Las células madre tienen receptores para catecolaminas y para una quimioquina (de la familia de las citoquinas, moléculas parecidas a las hormonas pero con ámbito local) que manda señales de movimiento, por 5

6 lo que es una molécula kinepática producida por osteoclastos, células endoteliales y células del estroma. Esto hace que en condiciones normales las células madre queden cercanas al hueso y los osteoblastos. Pero en situaciones de estrés, cuando se liberan catecolaminas, las células madre las receptan y disminuyen las citoquinas en la médula ósea aunque aumentan en la sangre, lo que hace que las células madre se dirijan a la sangre. Una vez liberadas se dirigen a la zona lesionada. Reparación por células madre Generalmente, la respuesta a lesiones implica inflamación, bien aguda o bien crónica. La primera es una respuesta positiva, pero la crónica es una respuesta no deseada ya que aísla la zona llegando menos aporte sanguíneo. También se liberan macrófagos y neutrófilos, que en la inflamación aguda liberan citoquinas antiinflamatorias y en la crónica proinflamatorias. Cuando hay una lesión en animales con capacidad de recuperación, como planarias, peces o anfibios; se forma primero una capa de epidermis sobre la herida y bajo ella se genera el blastema que forma neoblastos, células con cierta capacidad de proliferación y potencialidad capaces de regenerar los tejidos perdidos En mamíferos, cuando se inyectan células mesenquimales, éstas se van a instalar en ciertas zonas en las que es posible la regeneración: pelo, epidermis y córnea, epitelio respiratorio y criptas del intestino. Senescencia celular La senescencia implica quiescencia y muchas veces apoptosis. Las células tienen un reloj que marca sus divisiones, excepto en las cancerosas, que suele ir determinado por el acortamiento de telómeros, 6

7 factores como ARF o INK4a (que se expresan en células viejas), errores en el DNA Cuando un cromosoma ya está viejo y dañado y la telomerasa es poco activa, lo detectan unos sistemas y se activa una cascada de señales hasta activar la proteína p53 por los factores dichos antes. La Rb (retinoblastoma) es una proteína de muerte celular que aparece en tumores de retina. La senescencia también puede actuar sobre células madre, que cuando envejecen se dividen menos y en muchas ocasiones reducen su número porque al dividirse originan dos células diferenciadas y no se autorrenuevan. Investigación y terapia con células madre Para tener células madre en un cultivo, se usan dos métodos de reprogramación de células diferenciadas: Extracción del núcleo e introducción en un oocito originando células pluripotentes de un embrión. Tanto la célula como el oocito tienen dotación proteica distinta, y al inyectar el núcleo en el oocito éste se comporta como el núcleo de un zigoto, ya que además se recuperan telómeros. 7

8 En 2006, se consiguió reprogramar células añadiendo 4 factores de transcripción por parte de un grupo de investigadores liderados por Yamanaka. Él vio mediante microarrays que en células embrionarias había 24 genes que se expresaban en gran cantidad, lo que le llevó a 4 genes fundamentales: Oct-4 (imprescindible, gobierna la reprogramación), KLF-4, Sox-2 y C-Myc (este último proviene de retrovirus y provoca tumores si se sobreexpresa demasiado). Al añadir los 4 factores, la célula somática pasa a ser una célula madre ya que se sobreexpresan ocurriendo la reprogramación. Estas células madre se conocen como IPS (células madre de pluripotencia inducida), y además de ellas se pueden conseguir IPS parcialmente reprogramadas cuando no se añaden todos los factores y células aberrantes. Se puede prescindir de KLF-4 y C-Myc siempre que se bloquee p53. Los ensayos de complementación tetraploide permiten crear a partir de un zigoto con dos blastómeros una célula tetraploide por fusión de éstos al dar una descarga eléctrica. La célula tetraploide origina un blastocito que se implanta en una madre y forma tejido extraembrionario pero no embrión, ya que no es viable. Al inyectar células IPS, se forma un embrión diploide completamente viable con tejido extraembrionario tetraploide. Los RNA de interferencia se unen a un RNAm específico que hace que no se exprese la proteína que codifica (se silencia). Esto es útil en cultivos, por ejemplo, para evitar la expresión de la proteína p53, aumentando así el número de células en cultivo. 8

9 Los pasos a seguir para crear IPS son los siguientes: Elección de factores: en células humanas, NANO-G funciona mejor que KLF-4. Adición de los factores por medio de vectores, retrovirus generalmente. Célula diana: fibroblastos generalmente. Parámetros: temperatura, condiciones de desarrollo, sueros Condiciones de derivación para que se expandan. Identificación de IPS. Caracterización. 9