Biologia dello sviluppo

Biologia cellulare e dello sviluppo

La segnalazione cellulare

Trasduzione del segnale ovvero tutto quello che si svolge quando c'è un'interazione tra ligando e recettore.

Ogni cellula è in armonia con le altre cellule, comunicano tra loro per una regolazione reciproca -> se vengono meno tali processi si passa dalla fisiologia alla patologia.

Negli organismi unicellulari, la segnalazione consente alle popolazioni di cellule di coordinarsi tra loro e di lavorare in gruppo per svolgere compiti che nessuna singola cellula potrebbe svolgere da sola.

La vita è un sistema integrato basato sulla complessità di informazioni ricevute e di incroci di queste vie di segnalazione.

Ad esempio per riprodursi sessualmente, una cellula di lievito deve essere in grado di stabilire un contatto fisico con un'altra cellula di lievito. Innanzitutto, deve "chiamare" le cellule di lievito del tipo opposto, secernendo un "fattore di accoppiamento" di natura peptidica o un segnale extracellulare, che può anche essere chiamato un "segnale intercellulare".

Il fattore di accoppiamento del lievito si lega a specifici recettori della superficie cellulare su cellule del tipo di accoppiamento opposto e il segnale viene trasmesso nella cellula bersaglio attraverso una catena di molecole di segnalazione intracellulare interagenti, che passano da uno stato inattivo a uno stato attivo.

La sopravvivenza cellulare dipende dalla ricezione e dall'elaborazione delle informazioni proveniente dall'ambiente esterno; tali informazioni riguardano per esempio la disponibilità di nutrienti, i cambiamenti di temperatura o le variazioni dei livelli di luce.

Le cellule possono anche comunicare tra loro e modificare i loro meccanismi interni in risposta, attraverso una varietà di segnali chimici e meccanici. Negli organismi pluricellulari, la segnalazione cellulare consente la specializzazione di gruppi di cellule diverse che possono unirsi per formare i tessuti.

Da una cellula uovo fecondata possiamo ottenere un organismo completamente sviluppato più o meno complesso, proprio grazie a una serie di segnali tra le cellule che fanno acquisire specificità nel momento giusto e al posto giusto.

Le cellule devono quindi differenziare nella posizione corretta e coordinarsi tra loro in modo da consentire il passaggio dall'organizzazione cellulare a quella tissutale e successivamente a quella di organo.

La segnalazione cellulare è responsabile anche della diversa regolazione dell'informazione genetica nelle diverse cellule.

In questo caso sono visibili le forme di adesioni cellulari ma sono ancora delle cellule piuttosto indipendenti che mantengono infatti ancora la capacità di dare origine a un organismo completo.

Adesione cellulare

L'adesione cellulare fa parte della comunicazione cellulare ed è un passaggio importante durante lo sviluppo embrionale perché da qui in poi si perde la capacità di separare le cellule che erano tra loro equivalenti ed è importante per portare alla formazione della blastocele, cavità all'interno della blastocisti e che differenzierà uno strato più esterno, collegato agli annessi extracellulari come la placenta, da uno interno.

Migrazione cellulare

Anche la migrazione cellulare è basata sulle segnalazioni cellulari attraverso ligando-recettore così avremo la possibilità di guidare le cellule che vengono sintetizzate in una sede che non è quella definitiva.

Regolazione epigenetica

Tra specificazione e determinazione non abbiamo ancora cambiamenti morfologici ma cambiamenti nelle regolazioni intracellulari; la differenziazione invece è il processo che limita e restringe progressivamente il destino della cellula, linage cioè l'indirizzamento di una tipologia o linea cellulare.

Si studiano le nuove interazioni delle cellule trapiantate in un ambiente esterno diverso dal quello usuale -> subiranno un'influenza a causa della tipologia di molecole solubili sia per il contesto in cui si realizza l'adesione cellulare.

Talvolta però nonostante il contesto le modifiche dell'espressione genetica quindi l'epigenetica hanno permesso di resistere all'ambiente nel quale son state trapiantate.

La specificazione iniziale può avere due grandi origini in cui una non esclude l'altra:

• Una specificazione autonoma o modello intrinseco -> abbiamo delle asimmetrie di distribuzione di proteine e messaggeri all'interno delle cellule dunque il piano di divisione è estremamente importante -> hanno in comune stessa cellula parentale ma il contesto citoplasmatico ereditato è diverso, diversa segregazione del contenuto.

Il punto della fecondazione è fondamentale già per determinare i piani di sviluppo dell'embrione su un background di localizzazione differenziata di proteine e di messaggeri della cellula uovo, mentre il contributo paterno è dovuto alla posizione casuale di dove lo spermatozoo va ad agganciare l'uovo.

I piani di divisione cellulare subito dopo la fecondazione non sono affatto casuali ma è specifica a seconda della specie.

• Una specificazione regolativa -> cioè dovuta alla posizione specifica della cellula, del contesto, delle cellule che si trova vicino.

Prelevando una cellula e mettendola in un contesto diverso:

se la cellula è solamente specificata allora cambierà la sua regolazione e si conformerà alle nuove informazioni.

se è determinata mantiene gran parte delle sue caratteristiche originali se non tutte perché l'informazione per questo tipo di organizzazione è già stata codificata e non subisce più l'insieme delle nuove informazioni.

>> La trasduzione del segnale consiste nella capacità di una cellula di cambiare comportamento in risposta a interazioni di tipo ligando-recettore.

La maggior parte dei segnali cellulari sono di natura chimica.

Ad esempio, gli organismi procariotici hanno sensori che rilevano i nutrienti e li aiutano a navigare verso le fonti alimentari; i fattori di crescita, gli ormoni, i neurotrasmettitori e i componenti della matrice extracellulare sono alcuni dei molti tipi di segnali chimici utilizzati dalle cellule -> possono esercitare i loro effetti localmente o possono percorrere lunghe distanze.

Possono interagire tra loro direttamente, richiedendo il contatto cellula-cellula, o indirettamente, tramite molecole secrete da una cellula, che vengono poi trasportate verso le cellule bersaglio.

Negli organismi pluricellulari le cellule comunicano tra loro utilizzando centinaia di tipi di molecole segnale extracellulari.

Queste molecole possono essere proteine, peptidi, amminoacidi, nucleotidi, steroidi, derivati degli acidi grassi e persino gas in soluzione ma le modalità di base di comunicazione sono pochissime.

• Contatto tra le cellule -> tramite giunzioni gap, molecole di superficie cellulare in cui sia il ligando che il recettore si trovano sulla membrana plasmatica della cellula di segnalazione e della cellula bersaglio, segnalazione justacrina.
• Attraverso molecole secrete, principalmente solubili in acqua:

• Segnalazione paracrina, in cui le molecole di segnalazione, citochine, vengono rilasciate e agiscono localmente sulle cellule vicine;
• Segnalazione autocrina, in cui le molecole di segnalazione vengono rilasciate e quindi agiscono sullo stesso tipo di cellule che le ha prodotte;
• Segnalazione endocrina, in cui molecole di segnalazione, ormoni, vengono rilasciate da cellule specializzate e trasportate nel sistema vascolare per agire sulle cellule bersaglio a una certa distanza dal sito di rilascio;
• Segnalazione elettrica, in cui la cellula di segnalazione trasmette informazioni sotto forma di variazioni del potenziale di membrana lungo la lunghezza della cellula; il segnale elettrico viene trasferito dalla cellula di segnalazione, un neurone, alla cellula bersaglio, o in forma chimica, come neurotrasmettitore, o tramite giunzioni gap.

Justacrina

Le giunzioni di gap collegano il citoplasma delle cellule vicine tramite canali proteici, che consentono il passaggio di piccole molecole come gli aminoacidi o ioni, consentono la contrazione coordinata delle cellule muscolari cardiache.

In alternativa le cellule possono interagire attraverso le molecole della superficie cellulare, in un modo "dipendente dal contatto" -> la molecola non viene secreta, ma è legata alla membrana plasmatica della cellula di segnalazione e interagisce direttamente con il recettore esposto sulla superficie della cellula bersaglio. Questo tipo di segnalazione è particolarmente importante tra le cellule immunitarie, dove costituisce la modalità base.

Endocrina

Si ha negli organismi pluricellulari e comporta la diffusione del segnale in tutto il corpo in seguito alla secrezione di una molecola segnale nel flusso sanguigno o nella linfa delle piante.

Le molecole segnale extracellulari sono dette ormoni e le cellule che li producono si definiscono endocrine.

Paracrina e autocrina

Nel primo caso le molecole segnale non entrano nel torrente circolatorio, ma diffondono localmente nel liquido extracellulare, restando nei pressi della cellula che le secerne -> sono quindi mediatori locali che agiscono su cellule vicine a quella produttrice, infiammazione o proliferazione cellulare.

In certi casi le cellule rispondono a un mediatore locale che esse stesse producono, una modalità di comunicazione paracrina detta segnalazione autocrina, le cellule tumorali.

Nervosa

I neuroni possono trasmettere il messaggio a notevole distanza e raggiungere in modo rapido e specifico le cellule destinatarie, viaggiando su “linee riservate” come l’assone che termina in giunzioni cellulari specializzate, le sinapsi, sulla superficie di cellule bersaglio.

Quando è attivato da segnali provenienti dall’ambiente o da altre cellule nervose, il neurone manda impulsi elettrici che percorrono l’assone a una velocità che può raggiungere i 100 metri al secondo; una volta raggiunta l’estremità assonica, i segnali elettrici intracellulari sono convertiti in segnali chimici -> ogni impulso elettrico stimola la terminazione a liberare all’esterno della cellula una dose di una molecola segnale extracellulare detta neurotrasmettitore.

La via della sinapsi rappresenta un ibrido perché richiede un contatto fisico tra la cellula che emette il segnale e quella che lo riceve ma i neurotrasmettitori sono molecole solubili, non ho un'interazione tra proteine transmembranali.

Meccanica

Alcune cellule rispondono anche a stimoli meccanici.

Ad esempio, le cellule sensoriali nella pelle rispondono alla pressione del tocco, mentre cellule simili nell'orecchio reagiscono al movimento delle onde sonore -> ricezione, traduzione, risposta.

Molecole di segnalazione

Si dice che le molecole di segnalazione siano a monte o a valle di altri componenti del percorso e attivano le proteine bersaglio effettrici, che causano una risposta.

È possibile che le cellule debbano rispondere a più segnali contemporaneamente e diverse cellule potrebbero dover rispondere allo stesso segnale in modi diversi:

• Lo stesso tipo di recettore può essere accoppiato a diverse vie di segnalazione in diversi tipi di cellule;
• Il segnale può essere amplificato, o attenuato, mentre viaggia lungo il percorso di segnalazione;
• Può attivare più percorsi, portando a diverse risposte cellulari in diverse regioni della cellula;
• Le informazioni possono essere elaborate da più recettori diversi contemporaneamente per produrre una risposta integrata.

Le molecole del segnale sono comuni a diverse specie, sono molecole altamente conservate.

Un fattore mitogeno è una molecola extracellulare che induce la mitosi nelle cellule, è anche chiamato fattore di proliferazione cellulare o fattore di crescita.

Tipologie di recettori

I recettori legano dei ligandi che possono essere rappresentati da peptidi, aminoacidi, proteine, nucleotidi e molto altro tra cui anche gas. Molte di queste molecole vengono secrete nello spazio extracellulare per esocitosi, altre rilasciate per diffusione attraverso la membrana, altre ancora vengono esposte sul lato extracellulare ma legate ancora alla superficie della cellula segnale. I recettori invece possono essere intracellulari come quelli nucleari, i ligandi richiedono dei carrier per essere trasportati dentro la cell, oppure recettori sulla superficie della cellula come quelli di membrana.

Recettori accoppiati a proteine G (GPCR)

Gruppo moto ampio e diversificato di recettori di membrana negli eucarioti.

Sono caratterizzati dall'avere 7 domini transmembranali che dal lato extracellulare, N-terminale, legano con i loro loop un ligando e in quello intracellulare, C-terminale, funzionano da enzimi che catalizzano le fosforilazioni, i loop importanti per la trasmissione delle informazioni -> hanno l'N e il C terminale ai lati opposti perché i domini sono dispari.

Proprio l'interazione ligando-recettore indurrà un cambiamento strutturale e attiverà il recettore stesso che farà entrare la molecola segnale nella cellula.

Superfamiglia con 800-1000 geni che codificano per questi recettori che sono accoppiati alle proteine G.

Importanti nelle prime fasi dello sviluppo di proteolisi dei recettori.

Le proteine G

La loro attività è regolata dall'interazione con il GTP. Due categorie:

• Small G protein -> monomeriche, 20Kdalton;
• Trimeriche -> composte da 3 subunità α, β e γ.

Quando sono legate al GDP non sono attive: le trimeriche avranno le 3 subunità interagenti tra di loro, forma inattiva.

Per essere attivate ci sarà bisogno dello switch del nucleotide -> eliminazione del GDP e attacco del GTP, con cui hanno meno affinità. La molecola ora può modificare gli effettori che permetteranno l'attivazione intracellulare del segnale.

Nel caso delle trimeriche il GTP attiva la subunità α e libera il suo legame dalle altre due subunità.

Le trimeriche

Le 3 subunità sono proteine citosoliche sintetizzate da ribosomi liberi, e hanno avuto una modifica post traduzionale con aggiunta di un acido grasso su α e γ -> prenilazione.

Questo processo avrà come effetto il mantenimento delle proteine nella parte sub-membranale della membrana plasmatica, potranno al massimo avere una diffusione laterale all'interno di essa.

β e γ rimarranno associate tra loro, così anche β rimarrà nella zona sub-membranale.

α oltre ad avere il sito di legame per il nucleotide, è associato direttamente alla membrana per prenilazione.

Il dominio RAS interazione tra subunità α e le proteine monomeriche per la trasduzione.

Attività

A riposo il recettore non è stato attivato, la proteina G è nello spazio sub-membranale -> l'interazione molecola-recettore sul lato extracellulare avrà come effetto l'aumento dell'affinità del C-terminale con la proteina G + cambio conformazionale di α, il rilascio di GDP e aggancio con GTP -> attivazioni delle 3 subunità e quindi degli effettori.

Il recettore rimane attivo e potrà attivare altre proteine G che sono nello spazio sub-membranale.

Disattivazione: inattivazione di G grazie all'attività enzimatica, atpasica della subunità α in grado di idrolizzare il GTP a GDP, idrolisi dell'ultimo P; il recettore invece va in contro a fosforilazione.

Famiglie

I ligandi delle proteine G possono essere di varia natura chimici ma anche fisici, ioni, luci, molecole odorose, aminoacidi, ormoni, fattori di crescita, interleuchine.

Tra le famiglie delle proteine G, le Gs e le Golf, stimolazione e olfattive, hanno effetti di attivazione dell'adenilato ciclasi che permette di produrre AMPciclico a partire dall'atp; Gi, inibizione, subunità i inibisce l'adenilato ciclasi; G0 che ha come bersaglio la plcβ; Gt, trasducina tipica dei recettori visivi, dei coni e bastoncelli, trasforma GMPciclico in GMP essendo una fosfodiesterasi; Gq attivazione della fosfolipasi Cβ; G12-13 che hanno come effettori delle proteine G monomeriche quindi della famiglia di RAS e regolano l'organizzazione dei filamenti di actina della famiglia di rho, GTPasi.

I secondi messaggeri come AMP ciclico, diacilglicerolo [DAG] e inositolo 1, 4, 5-trifosfato [IP3] sono piccole molecole che avviano e coordinano le vie di segnalazione intracellulari.

Gs e Gi

L'attività di proteine G con subunità αs o αolf provocano un aumento di concentrazione di AMP ciclico mentre recettori che controllano proteine Gαi ne provocano una diminuzione. Questo è dovuto all'interazione stimolatrice o inibitrice con l'enzima adenilato ciclasi che catalizza la produzione di cAMP a partire da ATP.

L'ampciclico è una molecola presente sulla membrana plasmatica, una proteina formata da 12 siti transmembranali suddivisi in due parti separate da un loop, 6 e 6 -> domini pari quindi estremità entrambe nel lato citoplasmatico.

La produzione di ampciclico è dovuto a un aumento dell'attività dell'enzima che utilizza come substrato l'atp e permette la ciclizzazione attraverso la perdita di un pirofosfato -> può essere regolato l'enzima attraverso l'inibizione, Gi, oppure attivando delle fosfodiesterasi che attraverso l'idrolisi dell'camp in amp facendo ridurre la concentrazione di camp.

L'amp ciclico permette di regolare a sua volta una proteina chinasi, la PKA: la sua attività enzimatica è contenuta in 2 subunità catalitica e 2 regolative che se interagiscono con quelle catalitiche le inibiscono.

Un aumento del messaggero intracellulare vedrà la formazione di numerosi legami tra esso e le subunità regolative che cambiano di struttura e perdono affinità per quelle catalitiche -> attivazione della serina-treonina chinasi con attivazione d.