Diferenciación celular

¿Qué es la diferenciación o especialización celular?

Este proceso se da en los organismos pluricelulares, cuyo cuerpo contiene una variada colección de células muy diferentes entre sí que trabajan en conjunto para mantener su funcionamiento. Aunque las células comparten muchas características, existen grupos de células que presentan diferencias, denominadas especializaciones, relacionadas con las funciones específicas que cumplen dentro de los organismos.

La diferenciación celular es un componente crítico del desarrollo embrionario, ya que los embriones en sus etapas iniciales son, básicamente, una masa de células no diferenciadas a las cuales se les denomina células madre. A medida que se reproducen, estas células se convierten en otros tipos de células diferenciadas que son la base de la complejidad estructural de los organismos pluricelulares.

Diferenciación celular durante el desarrollo embrionario

Durante el desarrollo embrionario, las células se diferencian progresivamente en distintos tipos celulares que finalmente darán lugar a los distintos órganos y tejidos del cuerpo. A continuación, se presenta una tabla que resume las principales etapas de la diferenciación celular durante el desarrollo embrionario (ver fig. 1), así como el tipo de células madre involucradas en cada una de ellas.

Tabla 1. Las diferentes etapas del desarrollo embrionario con sus características y las células madre involucradas en cada una de ellas. Los periodos de tiempo hacen referencia al desarrollo embrionario humano.

Fig. 1: La fecundación da lugar al cigoto, que se divide en la mórula y luego en el blastocisto. El blastocisto se implanta en el útero y se convierte en la gástrula, con tres capas germinales: el ectodermo, el mesodermo y el endodermo. La gástrula es el punto de partida para la organogénesis y la formación de los órganos y sistemas del cuerpo humano.

Pero ¿qué son exactamente los tipos de células madre? Pues en función de su potencial de diferenciación, podemos clasificar a las células madre en:

• Células totipotentes: Tienen la capacidad de diferenciarse y generar las células que componen las estructuras embrionarias y todo tipo de tejido y órgano, por lo que pueden formar un organismo completo. Son las precursoras de las células pluripotentes.

• Células pluripotentes: Pueden especializarse en células de casi cualquier tipo, excepto en tejido extraembrionario (placenta). De este modo, las células pluripotentes son menos versátiles que las células totipotentes, pero a su vez, más versátiles que las células multipotentes.

• Células multipotentes: Sólo pueden generar células de su propio linaje celular o capa embrionaria específica (ectodermo, endodermo, mesodermo) de origen. Por ejemplo, una célula multipotente del sistema nervioso puede diferenciarse únicamente en células nerviosas como las neuronas o las células gliales (astrocitos y oligodendrocitos).

Fig. 2: Tipos de células madre. Las células más versátiles y con mayor capacidad de diferenciación son las células totipotentes, mientras que las células más limitadas, que se diferencian en un único tipo de células, son las células unipotentes.

Crecimiento y diferenciación celular

Una vez que nacemos, ya no disponemos de células madre embrionarias y fetales que puedan diferenciarse en múltiples tipos de células y tejidos, puesto que todos los tejidos y órganos ya se han formado. Sin embargo,

algunas células madre también están presentes en los seres vivos que han finalizado su crecimiento, o sea, en los adultos. Se encuentran principalmente en la médula ósea (en el caso de los organismos que la poseen), pero también en otros tejidos, como el cardíaco, aunque en cantidades mucho menores.

• Células madre mesenquimales multipotentes que se encuentran principalmente en nuestra médula ósea, encías y sangre periférica. Estas células madre pueden diferenciarse en distintos tipos de células, como linfocitos, células óseas, células del sistema nervioso y células musculares.

• Otro tipo de células madre que se encuentran en el cuerpo adulto son las células madre oligopotentes. Estas células pueden autorrenovarse y diferenciarse en dos o más tipos de células que pertenecen a un tipo de tejido específico.

• Por último, pero no menos importante, tenemos las células madre unipotentes. Estas células son capaces de autorrenovarse, pero solo pueden diferenciarse en un único tipo específico de línea celular como una neurona o un glóbulo rojo.

Proceso de diferenciación celular

El proceso de diferenciación celular por el que las células madre se especializan ocurre a través de la división celular asimétrica. Durante la división celular asimétrica, la célula madre se divide en dos tipos diferentes de células. La división celular se llama asimétrica porque no produce dos células hijas idénticas. Una característica que hace únicas a las células madre es que son capaces de realizar tanto la división celular simétrica como la asimétrica.

¿Pero cómo sabe cada célula en qué tipo específico debe diferenciarse? Hasta hace poco, no se conocían bien los mecanismos subyacentes a este proceso, sin embargo, ahora se ha demostrado que se debe principalmente a variaciones altamente reguladas en el nivel de expresión de los genes. Gracias a este control, se pueden alterar las proteínas que se expresan en cada célula, lo que puede alterar directamente sus características o cambiar sus respuestas frente a factores externos.

Las células animales y vegetales se especializan en función de señales químicas. Estas señales pueden ser:

• Internas, lo que significa que la señal procede de la propia célula diferenciadora.
• Externas, lo que significa que la señal procede de otra célula, que puede ser vecina o estar distante, o bien de estímulos ambientales.

Veamos la formación de glóbulos rojos como ejemplo de cómo la diferenciación se desencadena por la exposición a estímulos extrínsecos.

La diferenciación celular en animales

La diferenciación celular provoca cambios drásticos en el tamaño, la forma, el potencial de membrana, la actividad metabólica y las respuestas a las señales. Las características de una célula especializada o diferenciada incluyen:

• Forma determinada, que le ayuda a cumplir su función.
• Función específica, que cumple como parte de un tejido y/o de un órgano.
• Actividad celular específica. Metabolismo diferenciado para poder sintetizar o descomponer distintas moléculas necesarias para su función.

Veamos 3 ejemplos puntuales de cómo varían la forma, la función y la actividad celular entre tipos de células animales especializadas:

En el cuerpo humano, y en el de los vertebrados en general, hay 6 tipos principales de células especializadas: 5 tipos de células somáticas, o corporales, y las células sexuales, también conocidas como reproductoras o germinales.

Células somáticas

Los 5 tipos de células somáticas son: células epiteliales, células nerviosas, células musculares, células inmunitarias y células del tejido conectivo.

Tabla 3. Las diferentes capas germinales o embrionarias y los tipos de células especializadas que se desarrollan a partir de cada una, junto con sus principales funciones y subtipos.

Células germinales

Por último, pero no menos importante, tenemos las células germinales, reproductoras o sexuales. Estas células tienen la función de la reproducción sexual. Las células germinales de las hembras se llaman óvulos, mientras que las de los machos se llaman espermatozoides. Cuando un espermatozoide fecunda (se une a) un óvulo, se forma un cigoto. Este cigoto sufre una serie de divisiones celulares para generar células madre. A medida que las células madre se dividen, comienzan a diferenciarse en linajes celulares específicos, creando así células diferenciadas.

La diferenciación celular en plantas

Como todos los seres vivos multicelulares, las plantas necesitan células especializadas para llevar a cabo funciones específicas dentro de su organismo. Algunas de las células especializadas más importantes se encuentran en los pelos o vellos de la raíz, el xilema y el floema.

Fig. 3: El xilema y el floema son dos tipos de tejidos vasculares, constituidos por céluas especializadas, que se encuentran en las plantas y que desempeñan un papel fundamental en el transporte de agua, nutrientes y otras sustancias vitales por todo el organismo vegetal.