3. Morte cellulare

3. Morte cellulare

3.1 Introduzione

Cellule possono morire per tre tipi di morte diverse:

1. Morte accidentale (se vengono a mancare O₂ e nutrienti, un bel gruppo di cellule va incontro a questa morte con un meccanismo ben preciso chiamato necrosi o oncosi, può venire da cause esterne ma anche da cause interne al nostro organismo);
2. Apoptosi (suicidio cellulare per dare sostegno alle cellule vicine);
3. Omicidio (operato dalle cellule del sistema immunitario che incontrano una cellula infettata, ad esempio da un virus).

3.2 Apoptosi

Il termine apoptosi vuol dire “allontanamento del corpo”, ma voglio dire anche un’altra cosa, ovvero “isolare”, eliminare dal contesto degli individui che in qualche modo sono nocivi per la società.

Innanzitutto la morte per apoptosi è una morte che in tanti casi è considerata fisiologica perché non è legata ad alcun fattore eziologico tossico ed è geneticamente programmata, il programma all’interno di ogni cellula che in qualche modo è in grado di dirigere verso questa via, viene quindi chiamata anche morte spontanea o autodistruzione.

È un processo selettivo, non è casuale (come invece è il processo necrotico), innescato da tanti segnali esterni ma anche interni (come mutazioni del DNA). Richiede una partecipazione attiva da parte della cellula stessa, vengono innescate delle cascate con una gerarchia ben precisa, non c’è niente di lasciato al caso, tutto arriva in sequenza con le vie di segnalazione che possono essere molto diverse anche se poi la via finale è comune.

Differenze tra apoptosi e necrosi

La prima cosa che succede in una cellula che va incontro a un processo di apoptosi è che perde i contatti con le cellule vicine, non può più parlare con le altre cellule, si sente già estranea al tessuto stesso e comincia quel processo di coartazione e diventa più piccola, gli organuli rimangono intatti in tutto questo processo, il DNA si distribuisce a semiluna, a falce, attorno al nucleo; in mano questa cellula emette i corpi apoptotici, cioè raccoglie all’interno di membrane tutto ciò che è all’interno della cellula stessa.

Questi corpi apoptotici vengono captati dalle cellule vicine (si parla di cannibalismo), oppure vengono rimossi tramite i macrofagi. Espongono dei fosfolipidi che normalmente si mantengono all’interno della membrana (fa “flip-flop”), un esempio è la fosfatidilserina, che serve per il riconoscimento da parte di macrofago.

Quindi abbiamo una serie di modificazioni morfologiche in cui la cellula diminuisce di volume, espelle acqua e ioni all’esterno perché il RE capta acqua e ioni, si fonde con la membrana cellulare e li estrude all’esterno. Processo noto come budding, ossia una sorta di gemmazione. Anche i mitocondri sono particolarmente attivi perché sono impegnati nella sintesi di ATP, questo ci fa capire che l’apoptosi è una morte attiva, per farla ci vuole ATP e quindi mitocondri ben funzionanti.

Di estremamente positivo l’apoptosi ha il fatto che non mette in azione il processo infiammatorio che è sì un processo che ci protegge ma, qualche volta provoca danni all’organismo. Nell’apoptosi c’è il cosiddetto “silenzio infiammatorio”. Nella necrosi avviene il processo inverso con un tipico aumento di volume dovuto essenzialmente a una perdita della permeabilità di membrana.

I mitocondri aumentano di volume, le creste sono frastagliate e questo sta a significare che non si sintetizza bene ATP. La carenza di ATP scompagina la selettività di membrana. In questo caso la cellula rimane nel tessuto e viene captata da granulociti o macrofagi. La necrosi porta sempre al processo infiammatorio che darà vantaggi ma anche svantaggi.

• Istologia: L’apoptosi colpisce cellule isolate in tessuti vitali, mentre la necrosi colpisce un gran numero di cellule vicine distruggendo la struttura del tessuto.
• Citologia: I nuclei sono piuttosto trofici nell’apoptosi, mentre sono intatti nella necrosi che presenterà anche edema cellulare con cellule rigonfie di acqua.
• Coloranti: Nell’apoptosi sono esclusi i coloranti vitali (che entrano quando c’è una alterazione della plasma-membrana, mentre se non c’è restano fuori) mentre nella necrosi sono inclusi in quanto entrano (facendoci capire che la cellula è morta perché ha subito alterazioni).
• Citoplasma: Nell’apoptosi è compatto, solo il reticolo è dilatato perché raccoglie materiale citosolico, si fonde con la plasma-membrana e lo porta all’esterno. Nell’apoptosi i mitocondri sono attivi, mentre nella necrosi i mitocondri sono ridotti e contenenti corpi densi (c’è qualcosa che non va nella sintesi di ATP). Gli organuli risultano dilatati perché cambiando la selettività di membrana anche gli organelli si rigonfiano ed in ultima analisi abbiamo una rottura, una lisi delle membrane interne ed esterne della cellula.
• Nucleo: Nell’apoptosi la cromatina si condensa a semiluna o a falce, mentre nella necrosi in genere assume una struttura frammentata e grossolana.
• Circostanze: Per l’apoptosi morte programmata, atrofia, uccisione cellulo-mediata. Per la necrosi mai in condizioni fisiologiche, perché è sempre una situazione non fisiologica, complemento ed ipossia. Quella che si vedrà in particolar modo sarà la necrosi da ipossia, perché in prima causa, l’ischemia è la prima causa di morte nell’uomo e quella la ritroveremo in modo particolare.
• Effetto sui tessuti: Nessuna infiammazione per l’apoptosi, fagocitosi dei corpi apoptotici ed involuzione del tessuto senza che ci sia collasso, quindi nessuna alterazione strutturale del tessuto. Nella necrosi invece c’è sempre processo infiammatorio acuto perché la cellula riversa fuori tutto.

Circostanze in cui si osserva l’apoptosi

1. Sviluppo embrionale, l’apoptosi è quasi uno scultore che modella il feto perché permette lo sviluppo normale dei tessuti consentendo la funzionalità dell’organo; ad esempio rimuove le membrane interdigitali delle mani e dei piedi, che se non venissero rimosse determinerebbero una situazione particolare nota come sindattilia. Oppure se la membrana che rimuove i due emipalati non viene rimossa non abbiamo la fusione del palato e quindi abbiamo palatoschisi (malattie congenite).
2. Sviluppo del sistema immunitario, spegne la risposta quando i linfociti sono stati attivati (quindi privati dei fattori di crescita), eliminando i cloni T autoreattivi.
3. Sviluppo del sistema nervoso, durante la fase fetale abbiamo una grande massa di neuroni, molti dei quali devono essere eliminati alla nascita e questo avviene attraverso un processo apoptotico; questo per limitare lo sviluppo del cervello che comprimerebbe la scatola cranica e porterebbe a causa della pressione eccessiva a una morte prematura.
4. Turnover tissutale, diciamo che è la controparte delle mitosi, il numero di cellule che muore deve essere uguale al numero di cellule che entrano nei nostri organi, perché il volume deve rimanere costante. Questo è l'esempio delle cripte intestinali, dove le cellule si replicano in continuazione, dalla parte basale salgono verso le cripte, man mano vanno incontro ad apoptosi e poi finiscono la loro morte per necrosi quando cadono nel lume intestinale finendo lì il loro destino. Se non vi fosse tale processo è stato calcolato che l’intestino di un uomo di 60 anni sarebbe lungo 60 Km.
5. La metamorfosi, come la regressione della coda degli anfibi, ma questi ci interessano meno.
6. Atrofia, ci sono tre meccanismi: uno è l'autofagia, l'altro il proteosoma e l'altro, per inibire il numero di cellule, è il processo apoptotico. Esempio: facendo un'ostruzione del dotto pancreatico il pancreas esocrino va incontro ad atrofia completa.
7. Alterazione ormonale (evento ormono-dipendente), quindi una carenza di ormoni per un organo trofico ad esempio la delezione ciclica dell'endometrio durante il mestruo, la deprivazione di fattori di crescita quindi di mancanza di fattori che stimolano la cellula. La cellula infatti deve essere sempre stimolata per andare avanti nella sua vita, ha bisogno di segnali che oltre che non morire gli dicano anche “vivi”.
8. Citotossicità cellulo-mediata, lo stesso meccanismo che abbiamo visto per l'ontogenesi del sistema immunitario (quindi delezione dei cloni T autoreattivi) lo utilizzano le cellule T e le NK.
9. Fattori esterni, le irradiazioni o i chemioterapici mandano le cellule tumorali in apoptosi, quindi si va a colpire dei bersagli specifici con i chemioterapici, con la radioterapia invece uccido le cellule e basta.
10. Esaurimento per funzione, quando linfociti e macrofagi hanno finito la loro funzione devono essere eliminati velocemente dal nostro organismo, se non ci fosse questo meccanismo si avrebbe una incredibile quantità di queste cellule che se rilasciassero il loro contenuto tutto insieme farebbero dei danni enormi, quindi il sistema è fondamentale per la nostra sopravvivenza.
11. Immunità centrale e periferica, i linfociti, se questi reagiscono contro il self devono essere eliminati perché altrimenti portano a difetti associati a malattie autoimmunitarie come la sindrome linfoproliferativa autoimmune, dove questi linfociti si spostano tutti nei linfonodi, quindi abbiamo linfopenia molto importante, accumulo nella milza e accumulo nel fegato, quindi gli organi sembrano ipertrofici, in realtà sono solo aumentati di volume perché ci sono accumulate queste cellule con le conseguenze che un accumulo cellulare può avere.
12. Ischemia, intorno alla zona necrotica c'è una zona apoptotica, che è quella che viene chiamata penombra.

Epicuro diceva: “La morte non è nulla per noi, o forse è tutto” perché noi ci manteniamo su di un meccanismo di morte, perché se le nostre cellule non morissero nel modo giusto nel momento in cui devono morire noi non proseguiremo la nostra vita.

Regolazione dell’apoptosi

Cosa induce la cellula in omicidio? Il bilancio fra segnali pro-apoptotici che gli arrivano e segnali anti-apoptotici, ci deve essere un equilibrio, perché se la cosa è sbilanciata si va incontro alla patologia. Quindi è sì una morte fisiologica, però se sbilanciata anche l'apoptosi diventa patologica perché va a formare cose che non dovrebbero formarsi.

Fattori apoptotici

Fattori apoptotici (stimoli positivi):

1. TNF-α che è una citochina che ha bersagli multipli (che tra l'altro è un po' indeciso, perché a volte dà uno stimolo alla vita altre volte alla morte), reagisce quindi con recettori di tipo diverso, ma per ora lo prendiamo con il processo di citochina apoptotica.
2. Gli antigeni quando le cellule T sono immature, non sono ancora pronte per dare la risposta immunitaria e quindi vanno incontro ad apoptosi.
3. ATP extracellulare, perché si trova dentro alle cellule, ci sono dei recettori sulle cellule che se questo esce fuori può determinare l'induzione di apoptosi. Anche durante la necrosi succede che quel poco di ATP che esce fuori dalle cellule che sono permeabilizzate, può attivare il meccanismo apoptotico intorno al focolaio necrotico, quindi c'è un ampliamento del danno che poi a livello cellulare ha un'importanza notevole anche per il rilascio di altri mediatori.
4. Glucocorticoidi, che hanno come bersaglio le cellule T immature.
5. Fas/Fasl, meccanismo di morte cellulare programmata e interviene soprattutto nell'ontogenesi del sistema immunitario.
6. Vari stress moderati, (perché se non sono moderati si va incontro a morte di tipo necrotico), le radiazioni (ma anche tossine e radicali) se sono moderate portano ad apoptosi, sopra una certa soglia abbiamo la necrosi cellulare.

Fattori antiapoptotici

Fattori antiapoptotici (stimoli negativi):

E poi ci sono tutta una serie di stimoli (antiapoptotici) che se mancano è un determinante per l'apoptosi, ci sono tutti i fattori di crescita, i fattori trofici per un determinato organo, quindi per esempio l'eritropoietina per i normoblasti, se non ce l'abbiamo non si sviluppano e vanno incontro ad apoptosi, nerve growth factor per le cellule nervose, gli estrogeni per la cellula mammaria, CSFs (fattori stimolanti colonie) per i precursori mieloidi e così via, fattori di crescita o ormoni.

Si possono classificare tutti in una unica grossa classe:

Quindi il trofismo dei tessuti è mantenuto costante e se viene a mancare il fattore di crescita le cellule vanno incontro a morte cellulare. Viene chiamata anche trascuratezza, la cellula decide di suicidarsi perché manca il fattore trofico.

Un'altra morte importante è quella da mancanza di substrato, le cellule come sapete devono essere attaccate alla matrice extracellulare, è lei che gli dà la forma e nel contesto gli permette di svolgere la propria funzione. Se una cellula si stacca dal proprio substrato prende la strada sbagliata e va in metastasi, anche se generalmente le cellule normali (che non sono cellule tumorali) muoiono, non arrivano al sangue perché staccate dal loro contesto non sanno dove andare e preferiscono suicidarsi prima di andare in un posto sbagliato. Quindi se la cellula non aderisce al proprio substrato va incontro a morte.

Caratteristiche biochimiche

1. Il sistema è abbastanza semplice, ha delle tappe ed è costituito da vari enzimi e vari riconoscimenti per fare l'apoptosi. Gli enzimi principali sono le caspasi. Caspasi cosa vuol dire? C sta per cisteina, asp sta per acido aspartico ed asi sta per proteolisi. Perché hanno un gruppo di cisteina nel sito proteolitico, riconoscono una sequenza particolare DXXD che è tra due residui di acido aspartico e tagliano poi l'acido, e proteasi perché fanno un taglio proteolitico ovviamente. Che cosa fanno? Tagliano le proteine del citoscheletro e della matrice cellulare, però soprattutto innescano proprio un programma di morte.
2. Poi ci sono degli enzimi meno importanti e meno conosciuti che si chiamano transglutaminasi che determinano legami crociati fra le varie proteine, sono quelli che danno la compattezza alla cellula apoptotica.
3. Un altro enzima è la deossiribonucleasi che frammenta il DNA e qui è però tra le CAD: caspasi dipendente, quindi viene attivata dalle caspasi e riesce a tagliare il DNA in punti specifici di 180 paia di basi o multipli.
4. Meccanismo flip-flop: L'altro punto importante è rappresentato dal flip-flop che fa la fosfatidilserina, che normalmente si trova all'interno del foglietto interno delle membrane plasmatiche. Nel momento in cui la cellula sta facendo apoptosi questa si gira e serve come riconoscimento da parte dei macrofagi. In altre parole si ha un ribaltamento dallo strato interno della membrana allo strato esterno dove non è quasi mai espressa la fosfatidilserina. Questo è un segnale per i macrofagi per riconoscere le cellule che stanno morendo.

Caspasi

Allora, c'è una gerarchia delle caspasi, si dividono infatti in caspasi di inizio e caspasi effettrici.

• Le caspasi di inizio sono diverse (II, VIII, IX, X), ma soprattutto la VIII e la IX (le caspasi principali che vedremo nei processi apoptotici) ricevono l’ordine di apoptosi.
• Le caspasi effettrici (III, VI, VII), la III è quella che più frequentemente viene attivata, determinano la degradazione delle proteine.

Le prime caspasi ricevono l'ordine dell'apoptosi, quindi hanno dei domini particolari che riconoscono il segnale di morte (o dall'ambiente extracellulare con i domini DEAD, o dall'ambiente intracellulare con i domini CAD) praticamente all'inizio e trasmettono poi alle caspasi effettrici che sono quelle che fanno un po' il lavoro più grosso perché andranno poi a degradare le proteine.

Sfatiamo subito un mito: le caspasi sono enzimi proteolitici, ma non è che sono come gli enzimi lisosomiali che prendono e degradano completamente le proteine del citoscheletro o le proteine che si trovano nel citosol. Loro fanno tagli sulle proteine, la proteina cambia conformazione, dopodiché la proteina andrà o ai proteosomi e quindi verrà segnalata come proteina avvolta male, quindi subirà il taglio dei proteosomi o verrà degradata da altre proteasi, ma non dalle caspasi, le caspasi fanno solo un segno.

Le caspasi non agiscono nella cellula sotto forma di caspasi, sarebbe un disastro avere le caspasi attive all'interno del citosol perché queste automaticamente farebbero morte cellulare, quindi esistono sotto forma di procaspasi e bisogna dirgli di attivarsi.

Cosa succede: una caspasi iniziatrice va a tagliare in prossimità di quel dominio che abbiamo detto DXXD, cioè dell'acido aspartico e quindi si sta tagliando una procaspasi 3 che è una procaspasi effettrice. Le caspasi sono in grado di fare dei tagli autocatalitici quindi da sé si tagliano in prossimità dell'acido aspartico.

Quindi la caspasi è in grado di autoattivarsi quando riceve il segnale, in questa maniera toglie il dominio DEAD o CAD e due caspasi uguali, due caspasi 3 vanno a formare un tetramero che è la forma attiva della caspasi, mediante un'attivazione però sempre gerarchica, perché una caspasi iniziatrice attiva la caspasi effettrice che poi è in grado di autoattivarsi da sé, infatti si chiama autoattivazione, attivazione da parte di altre caspasi, quindi c'è un meccanismo che poi amplifica enormemente il processo dell'apoptosi.

C'è una fase comune: la fase comune è quella delle caspasi effettrici, da qualsiasi parte si parta si arriva sempre alle caspasi effettrici che dobbiamo attivare per avere quella frammentazione