Células-Tronco e sua Diferenciação

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1 1 s-tronco e sua Diferenciação I. VISÃO GERAL Todas as células de um organismo são derivadas de células precursoras. As células precursoras se dividem através de vias específicas para gerar células diferenciadas que realizam funções específicas em tecis e órgãos. As células com capacidade de originar um organismo são referidas como células-tronco. As células-tronco se caracterizam pela sua capacidade de autorrenovação. Elas também são capazes de gerar diversas células-filhas comprometidas em se diferenciar (se modificar) em uma ampla gama de tipos celulares especializas. Uma célula-filha com a capacidade de se diferenciar em um espectro de tipos celulares é considerada pluripotente. O corpo humano é composto por aproximadamente 200 tipos celulares distintos. O genoma humano é o mesmo em tos os tipos de células, o que significa que, em uma pessoa, todas as suas células possuem exatamente a mesma sequência de DNA e os mesmos genes. As células-tronco representam todas as formas distintas em que os genes humanos são expressos como proteínas. Para que diferentes regiões genoma sejam expressas em tipos celulares distintos, o genoma deve ser modifica de mo reversível. De fato, a organização da cromatina (complexo de proteínas específicas e DNA) varia entre os tipos celulares, o que é possível pela modificação covalente reversível das proteínas que se associam ao DNA e, em alguns casos, graças a modificações no próprio DNA (veja também Capítulo 6). Essas modificações são importantes para expor regiões DNA às proteínas e enzimas necessárias para a transcrição (DNA RNA), permitin a variação da expressão gênica na forma de proteínas (veja também Capítulo 8). Diferentes tipos celulares se originam de uma única célula precursora que se prolifera (divide) e finalmente se diferencia em células com estrutura, função e composição química únicas. A partir de proteínas específicas produzidas nas células, de um tipo especial de divisão celular e microambiente da célula progenitora, uma progênie de células é gerada. Essa progênie pode tanto manter um organismo quanto desempenhar funções específicas no corpo.

2 Biologia Celular e Molecular Ilustrada Multipotente Totipotente Estágio de 8 células Bebê Blastocisto Espermatozoide Óvulo Feto Estágio de 4 células células totipotentes Ectoderme (camada externa) Adulto Mesoderme (camada intermediária) Ectoderme (camada interna) s germinativas s Neurônios s Músculo s s s Músculo s s s Esperma- Óvulos da pele tubula- vermelhas liso pigmen- cardíaco da s tozoides (aparelho pâncreas tireoide pulmões ou cérebro tares músculo res s epiderme sangue digestivo) (alvéolos) esquelético rins Figura 1.1 s-tronco embrionárias e adultas. II. CÉLULAS-TRONCO s-tronco existem tanto nas etapas embrionárias iniciais quanto em organismos adultos (Figura 1.1). As células-tronco presentes em embriões possuem uma grande capacidade de se diferenciar em tos os tipos celulares que compõem um organismo. A população de células-tronco presentes em um organismo adulto pode se diferenciar em diferentes células de uma mesma linhagem, mas não em células características de outras linhagens. Por exemplo, uma célula-tronco hematopoiética pode se diferenciar em diversos tipos de Totipotência é o potencial de uma única célula desenvolver um organismo completo (ou seja, um óvulo fertiliza e o estágio de quatro células). Pluripotência é a capacidade de uma célula originar tos os diferentes tipos celulares de um organismo, mas não as estruturas de suporte, como placenta, âmnion e córion, que são necessárias para o desenvolvimento organismo. Unipotência é a capacidade de uma célula originar apenas um tipo celular. Multipotência é a capacidade de uma célula originar um pequeno número de tipos celulares distintos. 3

3 4 Nalini Chandar, Susan Viselli células sanguíneas, mas não em um hepatócito (célula hepática). No entanto, cientistas descobriram novas propriedades das células-tronco adultas. A. s-tronco pluripotentes As células mais primitivas e menos diferenciadas de um embrião são as células-tronco embrionárias. Essas células apresentam a capacidade de se diferenciar em diversos tipos celulares. Essa capacidade de diferenciação em diversos tipos de células é chamada de plasticidade. B. s-tronco unipotentes As células presentes em tecis adultos e que mantêm a capacidade de gerar células para o tipo celular a que pertencem são chamadas de células-tronco unipotentes. Das atuais sugerem que as células-tronco adultas podem, na verdade, ser pluripotentes. s-tronco adultas foram identificadas em diversos tecis distintos, como cérebro, medula óssea, sangue periférico, vasos sanguíneos, musculatura esquelética, pele e fíga (Figura 1.2). Figura 1.2 Plasticidade da célula-tronco. 1. s-tronco hematopoiéticas: Esse grupo de células-tronco origina tos os tipos de células sangue, incluin as células sanguíneas vermelhas, linfócitos B, linfócitos T, células natural killer, neutrófilos, basófilos, eosinófilos, monócitos, macrófagos e plaquetas. 2. s-tronco mesenquimais: Também denominadas células estroma da medula óssea, as células mesenquimais originam diversos tipos celulares, incluin osteoblastos (células s ossos), condrócitos (células das cartilagens), adipócitos (células de armazenamento de gordura) e outros tipos de tecis conectivos. 3. s-tronco epidérmicas: Essas células-tronco são observadas na lâmina basal da epiderme e também na base s folículos. As células-tronco da epiderme dão origem aos queratinócitos, enquanto as células-tronco foliculares dão origem aos folículos capilares e à epiderme. 4. s-tronco neurais: As células-tronco cérebro dão origem aos seus três principais tipos celulares: células nervosas (neurônios) e is tipos de células não neuronais astrócitos e oligodendrócitos. 5. s-tronco epiteliais: Localizadas no revestimento trato digestivo, as células-tronco epiteliais são observadas em criptas profundas e originam diversos tipos celulares, incluin células absortivas, células glandulares, células de Paneth e células enteroendócrinas. III. COMPROMETIMENTO DE CÉLULAS-TRONCO A maior parte das células-tronco dá origem a células progenitoras intermediárias (também conhecidas como células de amplificação transiente), que são, por sua vez, capazes de se diferenciar em uma população de células. Um bom exemplo desse processo dividi em etapas é ilustra pelas células- -tronco hematopoiéticas (HSCs, de hematopoietic stem cells). Essas células são multipotentes, mas estão comprometidas com uma via específica de um processo gradual. Na primeira etapa, elas originam duas células progenitoras distintas. As progenitoras comprometidas podem passar por diversos ciclos de divisão celular, geran uma população de células de um tipo especializa. Nesse caso em particular, a HSC dá origem a um tipo celular capaz de gerar as células linfoides e outro tipo celular que origina as células mieloides (Figura 1.3).

4 Biologia Celular e Molecular Ilustrada -tronco Autorrenovação linfoide progenitora -tronco multipotente -tronco comprometida Comprometimento mieloide progenitora natural killer (NK) Linfócitos T Linfócitos B s sanguíneas Neutrófilos s diferenciadas Diferenciação Basófilos Plaquetas Eosinófilos Monócitos/ Macrófagos Figura 1.3 s-tronco comprometidas em diferentes vias de diferenciação, um processo dividi em etapas. As diferentes etapas processo de comprometimento ocorrem por meio de alterações na expressão gênica. Genes de uma via específica são ativas enquanto o acesso a outras vias de desenvolvimento é inativa por proteínas específicas que atuam como fatores de transcrição (veja Capítulo 10). Essas proteínas são capazes de ativar os genes necessários para uma via em particular e inativar a expressão s genes necessários para o desenvolvimento da célula em uma via distinta. IV. PLURIPOTÊNCIA DAS CÉLULAS-TRONCO Para manter um número estável de células-tronco autorrenováveis, os mecanismos que evitam a sua diferenciação e que promovem a sua proliferação devem ser transmitis às suas células-filhas. Embora os mecanismos específicos pelos quais as células-tronco mantêm a sua pluripotência continuem desconhecis em grande parte, estus com células-tronco embrionárias de camunngos sugerem a importância de uma rede de fatores de transcrição de organização espontânea. Esses fatores desempenham papéis importantes na prevenção da diferenciação celular e promovem a proliferação 5

5 6 Nalini Chandar, Susan Viselli Fatores de transcrição que mantêm a pluripotência (Oct3/4, Sox2, Nanog). Via de sinalização de fatores de crescimento. Proteínas efetoras (Utf1, Sall4, Eras, Tcl1, b-myb, c-myb). S G2 Regulação ciclo celular G1 M das células-tronco (veja a seguir). Outra alteração que facilita esse processo é a modificação epigenética (alterações que afetam a célula sem afetar diretamente a sequência de DNA) DNA, de histonas ou da estrutura da cromatina, modifican sua acessibilidade aos fatores de transcrição. A. Fatores de transcrição Conforme menciona anteriormente, os fatores de transcrição desempenham um papel importante nesse processo. Essas proteínas atuam por meio de outras proteínas efetoras para ativar vias de sinalização específicas que garantem tanto a sobrevivência da célula quanto sua entrada no ciclo celular, facilitan a sua divisão. Diversos fatores de transcrição atuam como grandes regulares na manutenção da pluripotência (Figura 1.4). Figura 1.4 Proteínas envolvidas na manutenção da pluripotência das células-tronco. B. Mecanismos epigenéticos Quan a diferenciação das células-tronco é induzida, os seus núcleos são muito diferentes s núcleos das células-tronco indiferenciadas. A cromatina está mais relaxada nas células-tronco indiferenciadas quan comparada às células diferenciadas. Isso permite uma baixa expressão gênica de diversos genes que são característicos das células pluripotentes. A estrutura relaxada permite uma regulação rápida, o que é necessário para que as células-tronco respondam às necessidades organismo. Um importante grupo de proteínas para o silenciamento genoma por meio da sua capacidade de modificação das proteínas das histonas é o conjunto de proteínas policomb. Essas proteínas desempenham papéis essenciais na manutenção das células-tronco, mas os detalhes acerca s seus mecanismos de ação nas células-tronco embrionárias ainda não são conhecis. V. RENOVAÇÃO DAS CÉLULAS-TRONCO -tronco O desenvolvimento requer que as células se comprometam com destinos diferentes. No entanto, no caso das células-tronco, é necessário que exista um mecanismo que mantenha sua população ao mesmo tempo em que gere populações de células diferenciadas. Esse mecanismo é denomina divisão celular assimétrica. Figura 1.5 Divisão celular assimétrica. diferenciada A divisão celular assimétrica ocorre quan duas células-filhas são geradas e diferem nos seus destinos. No caso da célula-tronco, esse processo corresponde à sua capacidade de gerar uma célula similar a ela mesma (ou seja, que continue sen uma célula-tronco) e também de gerar uma célula-filha capaz de prosseguir em uma via distinta e se diferenciar (Figura 1.5) Diversos mecanismos existem nas células-tronco para determinar se a divisão assimétrica ocorrerá ou não. Um desses mecanismos é a polaridade da célula. A polaridade é uma característica estável nos embriões, mas pode ser uma característica transiente nas células-tronco adultas. Sinais externos transmitis por sete receptores transmembrana estão envolvis nesse processo (veja Capítulo 17). VI. O NICHO DAS CÉLULAS-TRONCO Se uma célula-tronco for mantida como tal e não se diferenciar em um tipo celular específico, será necessário que existam mecanismos que garantam a continuidade da sua presença. O microambiente que controla a autorrenovação e a manutenção das células-tronco é denomina nicho da célula-tronco. O nicho evita que as células-tronco sejam depletadas ao mesmo tempo em que protege o organismo da superprodução de células-tronco. Ele

6 Biologia Celular e Molecular Ilustrada age como uma unidade básica teci, integran sinais que permitem uma resposta equilibrada da célula-tronco às necessidades organismo. Muito progresso tem si atingi na compreensão e na identificação s nichos de diversos tecis que apresentam células-tronco e na elucidação papel nicho na regulação das divisões celulares assimétricas. A escolha destino é determinada tanto por fatores de sinalização extrínsecos quanto por mecanismos intrínsecos (veja também Capítulo 17 e Capítulo 18). 7 Subpopulação de osteoblastos Caderinas Integrinas Fatores de crescimento -tronco A. Sinalização extrínseca Embora os fatores que controlam a proliferação e a renovação das células-tronco ainda não estejam bem definis, sabe-se que as interações com a matriz extracelular desempenham um importante papel nesse processo (veja também Capítulo 2 para informações acerca da matriz extracelular). Estus já destacaram a necessidade de junções conten caderinas E e cateninas β entre as células-tronco e as células responsáveis pela manutenção seu caráter pluripotente (veja também Capítulo 2 para informações sobre moléculas de adesão celular e junções celulares). Esse mecanismo é mais bem compreendi para HSCs que se associam a determinas osteoblastos no microambiente s ossos que os sustentam. Vias de sinalização que são acopladas por meio de junções aderentes são importantes nas HSCs, tanto na sua renovação quanto na sua proliferação. s que não estão em contato direto com os osteoblastos se diferenciarão, enquanto as células associadas a essa subpopulação de esteoblastos permanecerão como células-tronco (Figura 1.6). Fatores solúveis Vaso sanguíneo diferenciada Matriz extracelular Figura 1.6 Vias extrínsecas de manutenção nicho de células-tronco HSC. B. Mecanismos intrínsecos Os mecanismos de divisão assimétrica nas células de mamíferos não são completamente compreendis. Diferentes mecanismos podem induzir a divisão assimétrica. Um desses mecanismos é media por proteínas específicas que dividem a célula em mínios distintos antes da mitose (divisão celular), crian um eixo de polaridade. A segregação de moléculas determinantes de destino celular em apenas uma das células-filhas ajuda a manter essa célula como célula-tronco e permite que a outra se diferencie (Figura 1.7). VII. TECNOLOGIA DE CÉLULAS-TRONCO -tronco diferenciada As células-tronco pluripotentes oferecem a possibilidade de uma fonte renovável para a substituição de células e tecis para o tratamento de diversas enças e condições. Parkinson, quan as células cérebro que secretam pamina foram destruídas. Diabete melito tipo 1, quan as células β pâncreas foram destruídas. Mal de Alzheimer, quan os neurônios são degeneras pelo acúmulo de precipitas proteicos no cérebro. Infarto, quan um coágulo sanguíneo causa a perda da oxigenação teci nervoso. Danos à medula espinal, levan à paralisia da musculatura esquelética. Outras condições, como queimaduras, enças cardíacas, osteoartrite e artrite reumatoide, em que as células perdidas podem ser repostas por células-tronco. Figura 1.7 Segregação diferenciada de componentes celulares durante a divisão celular assimétrica.

7 8 Nalini Chandar, Susan Viselli Cultura de células-tronco pluripotentes Tecis e células para terapia s-tronco pluripotentes induzidas (células ips, de induced pluripotent stem cells). Tem si possível reprogramar células adultas para que se convertam ao esta pluripotente pela introdução de cópias extras de genes essenciais para o controle de pluripotência. Nesses casos, uma mistura de três ou quatro genes parece ser responsável por esse fenômeno. Esses genes codificam fatores de transcrição específicos como c-myc, Sox2, Oct3/4, Nanog, etc. Embora essas linhas de pesquisa ainda sejam incipientes, o potencial para o uso das células ips nos tratamentos das enças listadas anteriormente é gigantesco (Figura 1.8). VIII. DOENÇAS RELACIONADAS ÀS CÉLULAS-TRONCO Medula óssea s s s nervosas músculo das ilhotas cardíaco pancreáticas s adultas (fibroblastos da pele) + fatores de transcrição específicos (por exemplo, Oct4, myc e Nanog). É possível que células-tronco anormais sejam responsáveis por diversas enças e condições. A metaplasia é uma alteração que ocorre durante a diferenciação de tecis, converten um tipo celular em outro. Esse fenômeno é frequentemente observa nas enças pulmonares (por exemplo, fibrose pulmonar) e nas disfunções intestinais (como a ença intestinal inflamatória e a ença de Crohn). Essas alterações podem ocorrer nas células-tronco, mas não nas células completamente diferenciadas. É provável que diversos tipos de câncer, particularmente nos tecis de renovação contínua, como sangue, sistema digestivo e pele, sejam na verdade enças associadas às células-tronco. Apenas essas células persistem por tempo suficiente para se acumular um número necessário de alterações genéticas que resultam na transformação maligna (veja Capítulo 22). Autorrenovação s ips s/tecis diferencias para terapia Figura 1.8 Terapia com base em células-tronco.