DIFFERENZIAMENTO

DIFFERENZIAMENTO

(XII, p. 798)

Fenomeno biologico durante il quale le cellule vanno incontro a cambiamenti morfologici, biochimici e strutturali, e acquistano la capacità di compiere specifiche attività funzionali. Durante lo sviluppo embrionale, da una singola cellula iniziale − l'uovo fecondato − derivano mediante successive divisioni mitotiche gruppi di cellule che, pur avendo un identico patrimonio genetico, si differenziano e danno origine ai diversi organi e tessuti.

Da un punto di vista molecolare il d. cellulare è la conseguenza di un'attivazione differenziale di un ristretto numero di geni, in cellule diverse, in uno stesso organismo e in tempi diversi. Grazie alle tecniche di biologia molecolare e d'ingegneria genetica, come l'ibridizzazione in situ, l'utilizzo di enzimi di restrizione e la ricombinazione genica, è ora possibile identificare singole sequenze di DNA e RNA, controllare la presenza in una determinata cellula di particolari geni e stabilire se sono attivati per la trascrizione e la sintesi proteica. Queste metodiche hanno permesso d'identificare vari gruppi di geni che regolano le attività funzionali e la maturazione di molti tipi cellulari. Un primo gruppo comprende geni espressi in tutte le cellule e responsabili della sintesi di componenti strutturali comuni a ogni cellula (membrane, mitocondri, ribosomi, enzimi, glicolitici, ecc.). Un secondo gruppo è invece formato da geni trascritti solo in quegli specifici tipi cellulari che costituiscono determinati tessuti e organi. L'espressione di questi geni regola il differenziamento attivando, a seconda delle caratteristiche di sviluppo e funzionali, la sintesi di particolari proteine (questo accade per es. per l'emoglobina negli eritrociti, le immunoglobine nelle plasmacellule, la miosina nelle fibrocellule muscolari). In ogni cellula l'espressione dei due gruppi di geni è sotto il controllo di numerosi fattori ed eventi regolatori che agiscono ai vari livelli della sintesi sequenziale delle proteine. Più frequentemente il controllo avviene a livello della trascrizione del DNA in RNA messaggero (mRNA).

Non è ancora chiaro come sia fornito il segnale d'inizio per la trascrizione di questi geni. Un ruolo importante sembra averlo la cromatina associata alla matrice nucleare formata da proteine acide, basiche e istoni. Nella cromatina, quando si legano alle proteine nucleari, i geni formano i nucleosomi e diventano accessibili all'attività enzimatica delle RNA polimerasi. Questi enzimi riconoscono delle specifiche sequenze nucleotidiche definite promotori ed enhancer localizzate in posizione 5' terminale (le più note sono TATA e CAAT). Sono queste, con molta probabilità, le sequenze che danno inizio all'attivazione e trascrizione genica e alla conseguente formazione degli RNA messaggeri. Anche la struttura e il grado di metilazione del DNA sembrano determinanti per l'espressione genica. La maggior parte del DNA nucleare è a doppia elica destrogira (B-DNA) e in questa forma è favorita la formazione del nucleosoma e l'inizio della trascrizione. Questa conformazione può essere alterata da un eventuale legame con gruppi metilici su alcuni residui di citosina del DNA che creano una doppia elica metilata e levogira (Z-DNA). Così strutturata la Z-DNA non può formare il nucleosoma lungo la cromatina e si ha quindi l'inattivazione della trascrizione genica. Un altro sistema di controllo agisce a livello post-trascrizionale sui prodotti della trascrizione genica, ovvero direttamente sugli RNA che, pur essendo presenti, devono essere tradotti in proteina solo in determinate fasi della maturazione e del d. cellulare.

A questo proposito è stato dimostrato che circa 3/4 dei prodotti di trascrizione in una cellula sono privi di residui adenilici terminali che risultano strutturalmente inattivi per iniziare, a livello ribosomiale, la sintesi proteica. Inoltre va tenuto presente che dopo la trascrizione, affinché si abbia l'avvio della sintesi, l'mRNA deve legarsi a un altro RNA di trasporto (tRNA) che lo attacca alle due subunità ribosomiali, sede della sintesi degli amminoacidi. Il tRNA ha in questa fase un ruolo regolatore determinante. Infatti solamente tRNA ricchi di residui di metionina, che attivano specifici enzimi, si legano al ribosoma; questo complesso tRNA-ribosoma permette il successivo inserimento dell'mRNA, la formazione dei polisomi e l'inizio della lettura del messaggio proteico codificato. È interessante notare, inoltre, che vari tipi di cellule possono tradurre ampie varietà di mRNA, anche di specie diverse. Un esempio è rappresentato dalla microiniezione in oociti di Xenopus di mRNA di origine animale e vegetale (codificanti per tireoglobulina, interferon, globina, collagene, ecc.). Questi mRNA esogeni vengono regolarmente letti dall'oocita e le relative proteine sono sintetizzate dimostrando quindi che l'oocita potrebbe essere privo di meccanismi di controllo della trascrizione. In alcune cellule, invece, gli mRNA vengono tradotti in proteina solo in determinate condizioni di temperatura, in particolari fasi dello sviluppo e solo per un limitato periodo di tempo come risposta a uno stimolo extracellulare. Questo è stato riscontrato, per es., in cellule uovo dove esistono mRNA mascherati che solo a fertilizzazione avvenuta possono dare inizio alla sintesi proteica.

Oltre a questi controlli diretti sui meccanismi di attivazione o repressione dell'espressione genica, esistono controlli a livello della struttura stessa del gene. La sostituzione o lo spostamento lungo la sequenza di basi nucleotidiche, fenomeni che peraltro si verificano molto raramente, determinano delle modificazioni del genoma che alterano qualitativamente il DNA. Oltre a fenomeni di delezione e riarrangiamento vanno segnalati anche eventi di amplificazione genica che possono modificare quantitativamente l'espressione di un dato gene aumentando di conseguenza la sintesi della proteina interessata. Va sottolineata, inoltre, la possibilità di un controllo della differenziazione tramite geni che direttamente regolano l'espressione genica. Questi geni repressori agirebbero nel DNA o come sequenze nucleotidiche inattive per la trascrizione, o sintetizzando essi stessi direttamente proteine nucleari che inibiscono l'attività degli enzimi deputati alla trascrizione del DNA in RNA.

In ultimo, va segnalata la recente scoperta del ruolo determinante dei fattori solubili extracellulari e delle interazioni cellula-cellula. Prodotti della matrice extracellulare (collagene, laminina, fibronectina, ecc.), fattori di crescita (Epidermal Growth Factor, EGF; Plateled Derived Growth Factor, PDGF; Fibroblast Growth Factor, FGF, ecc.) e molecole di adesione (integrine) attraverso il legame con specifici recettori cellulari producono un'attivazione dei secondi messaggeri intracellulari che possono agire sui vari meccanismi di controllo nucleari e citoplasmatici dell'espressione genica e che regolano sia la proliferazione che il d. cellulare.

Bibl.: S.F. Gilber, Developmental biology, Sunderland (USA) 1988; B. Alberts e altri, Biologia molecolare della cellula, Milano 1989.