¿Cómo se diferencian las células madre en un embrión en células diferentes cuando tienen la misma cantidad de ADN e histonas?

Voy a elaborar más sobre la respuesta de Ann Grady

La respuesta a la primera pregunta es la hipótesis de la actividad del gen variable .

Tiene dos suposiciones principales:

1. Todas las células contienen el genoma completo del organismo. (que ya descubrió en su pregunta)
2. La transcripción diferencial de los genes seleccionados controla el desarrollo y la diferenciación de cada célula.

Con base en la primera suposición, se puede plantear otra pregunta: ¿cómo se dividiría una célula ya diferenciada (por ejemplo, célula de la piel) para dar otra célula de la piel?

Ya ha sido respondido por Ann Grady, pero intentaré reformularlo. Entonces, por ejemplo, para que una célula de la piel sea una célula de la piel, debe expresar sus genes específicos de la piel en proteínas para llevar a cabo su función. El proceso ‘de gen a proteína’ en sí mismo requiere proteínas, conocidas como factores de transcripción. Estas proteínas controlan la velocidad de transcripción, para aquellos que no conocen la transcripción es la formación de una molécula modelo de ARNm del ADN existente catalizado por la enzima ARN polimerasa para luego ser traducida en proteína. Algunas de estas proteínas son específicas, es decir, se unen a secuencias de ADN reguladoras específicas que suprimen o mejoran la transcripción.

Fuente de la imagen: Albert’s et al. Biología celular esencial: cuarta edición, capítulo 8, figura 8-12.

Aquí hay una descripción de varios factores de transcripción que se unen a la enzima ARN polimerasa. Cuando varios factores de transcripción controlan la velocidad de transcripción, se llama control combinatorio .

Por lo tanto, una célula de piel daría una célula de piel porque tiene factores de transcripción en el citoplasma que dirigen a la célula a sintetizar el conjunto requerido de proteínas funcionales. Cuando es hora de dividirse, durante la citocinesis, el citoplasma junto con su contenido se dividen entre las dos células hijas. Entonces, estos factores de transcripción estarían ahí para instruir a la célula a convertirse en una célula de la piel. Además, dirigen la celda para formar más de ellos. Esto se llama memoria celular , que se mantiene mediante un ciclo de retroalimentación positiva de los factores de transcripción y también por mecanismos epigenéticos explicados en la respuesta de Charlie Phaure.

Fuente de la imagen: Albert’s et al. Biología celular esencial: cuarta edición, capítulo 8, figura 8-20.

Entonces la pregunta es: ¿cómo llegaron estos factores de transcripción en primer lugar?

La respuesta a esta es en la segunda suposición de la hipótesis de la actividad del gen variable , es mejor simplificar las cosas mirando de cerca a un organismo modelo, la mosca de la fruta Drosophila melanogaster . (Después de todo, estos genes están altamente conservados en todas las especies debido a su papel crucial en el desarrollo)

Un modelo propuesto por Christiane Nüsslein-Volhard, galardonado con el Premio Nobel 1995 de Fisiología o Medicina, fue un gran avance en la biología del desarrollo.

Fuente de la imagen: Conceptos de Genética: Klug-Cummins: Décima Edición, Capítulo 18

Dividieron los genes del desarrollo en: genes de efecto materno y genes cigóticos. Los genes de efectos maternos se expresan justo después de que la fecundación (por el ovocito) ocurre en un patrón de posición específica en el núcleo del embrión que especifica el eje anteroposterior. Estos genes también codifican factores de transcripción que permanecen localizados como se especifica, creando el gradiente formado en la figura a continuación (a). Después de que ocurre la fertilización, el cigoto comienza a dividirse pero sin división del citoplasma. Ahora los factores de transcripción expresados ​​instruyen la expresión de los genes zigóticos. Sin embargo, tenga en cuenta que, varios factores de transcripción generalmente controlan la tasa de transcripción. Entonces, para activar algunos genes, se requiere una combinación de factores de transcripción. Además, tenga en cuenta que algunos factores de transcripción son supresores, es decir, reducen la velocidad, y otros son potenciadores, es decir, aumentan la velocidad.

Aquí hay un ejemplo de cómo podrían generarse nuevos patrones de expresión génica mediante combinaciones de diferentes factores de transcripción.

De esta manera, se determina la estructura básica del embrión. Luego viene el papel de los genes selectores homeóticos (genes hox ) -recuerdan que todos estos genes codifican los factores de transcripción- y especifican el destino de cada segmento. Por ejemplo, una mutación en uno de los genes hox en Drosophila , es decir, no expresada, evitaría que este segmento se desarrollara y otro segmento se duplicaría, como este.

Haciendo hincapié en esto para los humanos, aquí hay una mutación en uno de los genes hox humanos (particularmente el HOXD13 , en los humanos están divididos en cuatro grupos HOXA, HOXB, HOXC y HOXD )

Fuente de la imagen: Conceptos de Genética: Klug-Cummins: Décima Edición, Capítulo 18, figura 18-17

En conclusión, lo que orquesta los eventos del desarrollo embrionario se explica por la hipótesis de la actividad del gen variable . Establece que: la transcripción diferencial de genes seleccionados es responsable del desarrollo y la diferenciación de cada célula. Cada celda mantiene su tipo durante la división porque tiene memoria de celda . La memoria celular funciona de dos maneras: una, utilizando un ciclo de retroalimentación positiva de los factores de transcripción que inducen su propia expresión, la otra es a través de la herencia epigenética , que controla los patrones de expresión génica.

Espero que esto responda a su pregunta.

También en esta línea de pensamiento, los factores de transcripción del ovocito de la madre proporcionan el comienzo del embrión, y así sucesivamente, entonces, ¿cómo comenzó este ciclo inicialmente? Realmente no lo sé

Una gran cantidad de células embrionarias de información proviene del tiempo y también de la posición. Por ejemplo, comienzas como una sola célula (hecha de huevo y esperma, y ​​la gran mayoría de las proteínas en esa primera célula son del huevo (es enorme en comparación con el esperma). Pero hay algunas moléculas además del ADN contribuido por el esperma, y ​​esos químicos no se distribuyen de manera uniforme. El óvulo original también tiene proteínas críticamente importantes y rna materna, también distribuidas de manera desigual a través del citoplasma, de modo que cuando esa primera célula atraviesa su primera división, divide el citoplasma en las dos las células hijas, pero la distribución de las moléculas allí no son del todo idénticas. Algunas de esas diferentes áreas irregulares de químicos inhibirán algunos genes y activarán otros, así que dentro de las primeras divisiones celulares, puedes obtener patrones de actividad genética bastante diferentes en áreas diferentes de la célula. Luego, algunos de esos genes activados provocan la aparición de proteínas muy importantes llamadas morfogenéticas en algunas áreas, lo que puede impulsar más cambios en las células cercanas …. la mayoría cambia en las celdas más cercanas y tiene un efecto algo menor en las celdas un poco más alejadas (algo así como un gradiente de difusión). De nuevo, algunos de estos morfógenos actúan para retardar el crecimiento celular, otros acelerarlo y, a su vez, activar o bloquear otros sistemas genéticos de activación / desactivación, controlando otras proteínas que a su vez podrían ser morfogenéticas …

¡es increíblemente alucinante que funciona correctamente la mayor parte del tiempo! Es como una sinfonía asombrosa, según el tiempo y la posición.