La differenziazione dalle cellule precursori visibilmente indifferenziate si verifica durante lo sviluppo embrionale, durante la metamorfosi delle forme larvali e dopo la separazione delle parti nella riproduzione asessuata. Si svolge anche negli organismi adulti durante il rinnovamento dei tessuti e la rigenerazione delle parti mancanti. Pertanto, la differenziazione cellulare è un processo essenziale e continuo in tutte le fasi della vita.
La differenziazione visibile delle cellule è solo l’ultima di una sequenza progressiva di stati., In ogni stato, la cellula diventa sempre più impegnata verso un tipo di cellula in cui può svilupparsi. Gli stati di impegno sono talvolta descritti come ” specificazione “per rappresentare un tipo reversibile di impegno e come” determinazione” per rappresentare un impegno irreversibile. Sebbene gli stati di specificazione e determinazione rappresentino entrambi attività genica differenziale, le proprietà delle cellule embrionali non sono necessariamente le stesse di quelle delle cellule completamente differenziate. In particolare, le celle negli stati di specifica non sono solitamente stabili per periodi di tempo prolungati.,
Due meccanismi determinano impegni alterati nelle diverse regioni dell’embrione precoce: localizzazione citoplasmatica e induzione. La localizzazione citoplasmatica è evidente nelle prime fasi dello sviluppo dell’embrione. Durante questo periodo, l’embrione si divide senza crescita, subendo divisioni di scissione che producono cellule separate chiamate blastomeri. Ogni blastomero eredita una certa regione del citoplasma originale dell’uovo, che può contenere una o più sostanze regolatrici chiamate determinanti citoplasmatici., Quando l’embrione è diventato una massa solida di blastomeri (chiamata morula), è generalmente costituito da due o più popolazioni cellulari diversamente impegnate—un risultato dei blastomeri che hanno incorporato diversi determinanti citoplasmatici. I determinanti citoplasmatici possono essere costituiti da mRNA o proteine in un particolare stato di attivazione. Un esempio dell’influenza di un determinante citoplasmatico è un recettore chiamato Toll, situato nelle membrane delle uova di Drosophila (mosca della frutta)., L’attivazione del pedaggio assicura che i blastomeri si sviluppino in strutture ventrali (inferiori), mentre i blastomeri contenenti pedaggio inattivo produrranno cellule che si svilupperanno in strutture dorsali (posteriori).
Nell’induzione, il secondo meccanismo di impegno, una sostanza secreta da un gruppo di cellule altera lo sviluppo di un altro gruppo. Nello sviluppo iniziale, l’induzione è solitamente istruttiva; cioè, il tessuto assume uno stato di impegno diverso in presenza del segnale rispetto a quello che sarebbe in assenza del segnale., I segnali induttivi spesso assumono la forma di gradienti di concentrazione di sostanze che evocano una serie di risposte diverse a diverse concentrazioni. Ciò porta alla formazione di una sequenza di gruppi di cellule, ciascuno in un diverso stato di specifica. Ad esempio, in Xenopus (clawed frog) l’embrione precoce contiene un centro di segnalazione chiamato organizzatore che secerne inibitori delle proteine morfogenetiche ossee (BMPS), portando ad un gradiente ventrale-dorsale (belly-to-back) di attività BMP., L’attività del BMP nella regione ventrale dell’embrione sopprime l’espressione dei fattori di trascrizione coinvolti nella formazione del sistema nervoso centrale e dei muscoli segmentati. La soppressione assicura che queste strutture si formino solo sul lato dorsale, dove vi è una diminuzione dell’attività del BMP.
Lo stadio finale della differenziazione spesso comporta la formazione di diversi tipi di cellule differenziate da un precursore o da una popolazione di cellule staminali. La differenziazione terminale si verifica non solo nello sviluppo embrionale, ma anche in molti tessuti nella vita postnatale., Il controllo di questo processo dipende da un sistema di inibizione laterale in cui le cellule che si differenziano lungo una particolare via inviano segnali che reprimono la differenziazione simile dai loro vicini. Ad esempio, nel sistema nervoso centrale in via di sviluppo dei vertebrati, i neuroni derivano da un semplice tubo di neuroepitelio, le cui cellule possiedono un recettore superficiale chiamato Tacca. Queste cellule possiedono anche un’altra molecola di superficie cellulare chiamata Delta che può legarsi e attivare la tacca sulle cellule adiacenti., L’attivazione di Notch avvia una cascata di eventi intracellulari che si traduce nella soppressione della produzione Delta e nella soppressione della differenziazione neuronale. Ciò significa che il neuroepitelio genera solo poche cellule con alta espressione di Delta circondate da un numero maggiore di cellule con bassa espressione di Delta. L’alta produzione di Delta e l’attivazione bassa della tacca fanno sì che le cellule si sviluppino in neuroni. La produzione bassa di Delta e l’attivazione dell’alta tacca fanno sì che le cellule rimangano come cellule precursori o diventino cellule gliali (di supporto)., Un meccanismo simile è noto per produrre le cellule endocrine del pancreas e le cellule caliciformi dell’epitelio intestinale. Tali sistemi di inibizione laterale funzionano perché le cellule in una popolazione non sono mai del tutto identiche per cominciare. Ci sono sempre piccole differenze, come il numero di molecole Delta visualizzate sulla superficie cellulare. Il meccanismo di inibizione laterale amplifica queste piccole differenze, usandole per determinare l’espressione genica differenziale che porta a stati stabili e persistenti di differenziazione cellulare.