SVILUPPO EMBRIONALE DIFFERENZIAMENTO Negli organismi pluricellulari il differenziamento cellulare assume una particolare importanza dapprima durante lo sviluppo embrionale dove vari tipi di cellule (nervose, muscolari, sanguigne, etc.) cominciano a differenziarsi nella vasta gamma che caratterizzerà l'adulto e successivamente nell’individuo adulto dove I processi di differenziamento continuano in quei tessuti che si rinnovano continuamente. SVILUPPO EMBRIONALE Lo sviluppo embrionale crea l’architettura ordinata del corpo. il piano strutturale corporeo è determinato da movimenti cellulari programmati. Gli organismi multicellulari devono acquisire durante lo sviluppo embrionale e devono conservare per tutta la durata della vita la specializzazione strutturale e funzionale tipica delle loro diverse popolazioni cellulari. L’intera sequenza del DNA si conserva completamente, le cellule modificano i loro comportamenti facendo variare in maniera controllata il quadro di espressione dei loro geni. Nello sviluppo una cellula (uovo fecondato) si divide ripetutamente per dare un clone di cellule tutte con lo stesso genoma, ma specializzate in modi diversi. La distribuzione delle cellule specializzate si definisce progressivamente in modo sempre più preciso per mezzo di segnali che operano in successione. I meccanismi di base di segnalazione sono relativamente pochi e vengono ripetutamente usati in contesti differenti.

STADI DELLO SVILUPPO EMBRIONALE Zigote  blastomeri  Morula  Blastocisti  foglietti embrionali  tessuti  organi  apparati Stadio dei 3 foglietti embrionali: costituiti da cellule dalle quali si svilupperanno tutti gli organi dell’individuo adulto le cui cellule sono diverse per forma e funzione 1) ectoderma: sistema nervoso, epidermide e derivati 2) mesoderma: app.scheletrico, muscolatura, tessuto connettivo, app. circolatorio e urogenitale 3) endoderma; epitelio vie respiratorie, tubo digerente e ghiandole annesse

GENI DEL DIFFERENZIAMENTO durante LO SVILUPPO EMBRIONALE Il mezzo attraverso il quale le cellule eucariotiche si differenziano in vari tipi cellulari è la capacità di "accendere e spegnere" geni. Le cellule accendono diversi gruppi genici a seconda della posizione che occupano. Questo fa sì che i diversi tipi di cellule di un embrione vengano prodotti secondo uno schema spaziale regolare. La formazione di questo schema di solito comincia con asimmetrie esistenti nell'uovo e continua per mezzo di interazioni cellula-cellula che avvengono nell'embrione. I primi geni che vengono espressi sono i GENI MATERNI detti geni di polarità dell'uovo. Tali geni definiscono la polarità dorso-ventrale e cefalo caudale. Successivamente vengono espressi i GENI della SEGMENTAZIONE che permettono la suddivisione dell'embrione prima in 3 poi in 7 poi in 15 regioni.

Tale capacità viene regolata in primo luogo dai GENI OMEOTICI (il mezzo attraverso il quale le cellule eucariotiche si differenziano in vari tipi cellulari è la capacità di accendere o spegnere geni) Tale capacità viene regolata in primo luogo dai GENI OMEOTICI I geni omeotici specificano le differenze tra i diversi segmenti corporei, attribuiscono a ciascun segmento la sua identità. I geni omeotici codificano per proteine che legano il DNA (fattori trascrizionali) Sono caratterizzati da un elemento comune chiamato homeobox che viene tradotto in una sequenza di amminoacidi chiamato omeodominio capace di legare il promotore di tutti i geni che sono controllati da quel determinato gene omeotico

Regola della collinearità dei geni omeotici: -I complessi dei geni omeotici sono organizzati lungo il cromosoma nello stesso ordine secondo cui saranno espressi lungo l’asse antero-posteriore del corpo: la posizione del gene sul cromosoma indica la posizione della sua espressione nell’embrione. Sono cosi disposti linearmente nei genomi dagli insetti ai mammiferi -Durante lo sviluppo embrionale si accendono (si esprimono) dapprima i geni omeotici della parte anteriore e poi sequenzialmente gli altri sino alla parte posteriore del corpo -Dirigono lo sviluppo dei diversi segmenti del piano di sviluppo corporeo dell’individuo

Il controllo genico combinato da parte di fattori trascrizionali può portare alla formazione di tipi cellulari differenti durante lo sviluppo. Un esempio è qui riportato: la decisione di produrre una nuova proteina regolatrice viene presa ad ogni divisione cellulare, per ripetizione di questa semplicissima regola si formano otto tipi cellulari (da A a H) con tre proteine regolatrici soltanto. Ciascuno di questi tipi cellulari esprimerà quindi diversi geni.

Stadi di Differenziazione Le cellule embrionali non devono solo diventare differenti, devono rimanere differenti anche dopo che l'influenza che ha iniziato la diversificazione cellulare è scomparsa. Nell'embrione esistono segnali di posizione e interazioni reciproche che funzionano su piccole distanze e queste influenze lasciano il loro segno sulle caratteristiche della cellula, mediante il fenomeno della memoria cellulare: l’esistenza di una memoria cellulare è una specie di archivio storico scritto nel genoma sotto forma di stati durevoli o stabili di attivazione o repressione genica. Né deriva che il comportamento della cellula viene guidato non solo dalle indicazioni che provengono dall'ambiente circostante, ma anche dalle informazioni accumulate in precedenza. Le differenze tra i tipi cellulari, dovute a diverse influenze a cui le cellule sono state sottoposte nell’embrione, sono conservate poiché, le cellule ricordano gli effetti di quelle influenze del passato e le tramandano alla loro progenie Stadi di Differenziazione Nel processo di differenziazione cellulare si possono distinguere 3 fasi corrispondenti ad una graduale restrizione della potenzialità differenziativa e quindi ad una graduale specializzazione delle cellule. Fase Iniziale: le cellule totipotenti (zigote e primi blastomeri) sono capaci di dare origine a tutti i tipi cellulari e quindi a tutti i tessuti che saranno presenti nell‘ organismo adulto. Fase Intermedia: formazione dei 3 foglietti embrionali costituiti da cellule multipotenti. Durante questa fase le cellule di ciascun foglietto si differenziano nelle cellule staminali pluripotenti (es. progenitori emopoietici del midollo osseo). Fase Terminale: le cellule multipotenti subiscono un processo di differenziamento trasformandosi in cellule staminali unipotenti (es. progenitori di eritrociti). Tale fase è tipica dell’ embrione ma anche dell'individuo adulto. 

Differenziamento nell'adulto I processi di differenziamento continuano nell'organismo adulto in quei tessuti che si rinnovano continuamente (es. cellule emopoietiche e epidermiche). Ogni tessuto si rinnova con un suo ritmo caratteristico grazie alla presenza di cellule staminali che contribuiscono a mantenere costante il numero delle cellule nel tessuto. Le proprietà che definiscono una cellula staminale sono: -può dividersi indefinitamente per cui il pool di queste rimane uguale per tutta la durata della vita -è una cellula indifferenziata ma già indirizzata verso uno/alcuni tipi cellulari -ad ogni divisione da origine a una nuova cellula staminale (auto-rinnovamento) e a uno/alcuni progenitori predestinati a proseguire una via di differenziamento. -le cellule staminali non possiedono un aspetto peculiare, per cui sono difficili da identificare anche se le cellule staminali non sono tutte uguali tra loro.

Esempio di differenziamento nell'adulto è la formazione delle diverse cellule del sangue da cellule staminali unipotenti derivate dalla cellula staminale pluripotente (presente nel midollo osseo). unipotente Eritropoietina Fattore di competenza

La differenziazione cellulare è unidirezionale nel senso che una cellula acquistando una nuova caratteristica non può "tornare indietro". Durante il differenziamento cellulare l'intera informazione genetica dello zigote viene conservata cioè: la cellula differenziata riduce la sua potenzialità genetica nel senso che, esiste un sistema di controllo cellula-specifico per cui solo alcune proteine verranno sintetizzate e altre no. Esiste una correlazione negativa tra attività duplicativa e specializzazione. Più una cellula si specializza meno si duplica. Una cellula altamente specializzata tende ad impiegare le sue capacità sintetiche per svolgere la funzione a lei deputata evitando la sintesi di proteine impiegate in altre attività quale la duplicazione del DNA. (Es. neuroni) Le proteine prodotte nelle cellule eucariotiche appartengono a due classi: Funzioni di Mantenimento: proteine prodotte da tutte le cellule perché strettamente legate alla sopravvivenza cellulare (es. enzimi del metabolismo: produzione di ATP). Funzioni di Lusso: proteine specifiche di un determinato tipo cellulare, utili all'intero organismo (es. emoglobina. melanina).

PROCARIOTI (1-2 ) (batteri, alghe azzurre, ecc.) -106/107 nt per 1000-4000 geni -Archeobatteri ambienti estremi e non Dal DNA alle proteine simili agli eucarioti Metabolismo simile agli eubatteri -Eubatteri Micoplasma 4580070 nt per 477 geni

EUCARIOTI (20-30 ) (c. animali, vegetali, fungine e protisti) -Unicellulari -Pluricellulari: diversi tipi cellulari specializzati (differenziamento) (Uomo: 100 000 miliardi di cellule)

Enzima principale della replicazione: Differenze nella replicazione tra Procarioti e Eucarioti PROCARIOTI EUCARIOTI  Non hanno nucleo Hanno il nucleo Il DNA è circolare Il DNA è lineare   Enzima principale della replicazione: DNA-polimerasi III DNA-polimerasi alfa e delta  1 sola bolla di replicazione Molte bolle di replicazione 1/2 forcelle di replicazione 2 forcelle di replicazione Trascrizione e traduzione avvengono nello stesso distretto e sono contemporanee nei Procarioti Trascrizione e traduzione avvengono in distretti diversi e non sono contemporanee negli Eucarioti

proteina mRNA Procarioti leader AUG STOP trailer Shine delgarno UAAGGAGG proteina mRNA Procarioti I geni che codificano per proteine sono POLICISTRONICI (ad un unico promotore seguono tutti i geni di una determinata via metabolica per cui vengono trascritti tutti di seguito). +1 leader AUG STOP AUG STOP AUG STOP trailer proteina 1 proteina 2 proteina 3 I geni che codificano per proteine sono MONOCISTRONICI (ciascun gene ha il suo proprio promotore). leader AUG STOP poli-A CAP CH3-7-G 10-200 nt. 50-250 nt. mRNA eucarioti

Cellula Procariotica La divisione cellulare è rapida e semplice. -I batteri non hanno un nucleo e contengono un solo cromosoma di DNA circolare attaccato alla membrana plasmatica dove resta mentre si duplica. -I due cromosomi si separano durante la crescita della cellula. -Quando essa ha raggiunto dimensioni pressochè doppie, si divide per scissione semplice (scissione binaria). Cellula Eucariotica La divisione cellulare è assai più complessa: -il DNA è complessato con proteine e si organizza prima della divisione in strutture dette cromosomi -il citoplasma contiene un ampio corredo di organelli da distribuire equamente tra le cellule figlie -la divisione cellulare (mitosi o meiosi) ha luogo quindi mediante una successione continua di eventi coordinati e sincroni che vengono chiamati ciclo cellulare R G0 Funzioni delle proteine housekeeping (procarioti e eucarioti) differenziative (eucarioti) GZ

VIRUS: PARASSITI INTRACELLULARI OBLIGATI Costituiti da materiale genetico (DNA o RNA) e da una capsula proteica

Ciclo vitale dei virus

Virus costituito da RNA Rosolia

Retrovirus dell’AIDS