Appunti di Biologia cellulare (15/03)

- VIA DI SEGNALAZIONE DI NOTCH

La via di Wnt β-catenina va a modulare anche l’espressione di componenti della

via di segnalazione di Notch, un’altra importante via di segnalazione per il

differenziamento cellulare. Nel caso delle cellule staminali intestinali, è proprio

la via di Notch a controllare il differenziamento a enterociti o verso cellule di

Paneth, enteroendocrine e caliciformi; inoltre, il fatto che la via di Wnt controlli

anche la via di Notch, ci permette di comprendere come la via di segnalazione di

Wnt sia a monte, quindi necessaria non soltanto a mantenere lo stato

proliferativo del compartimento staminale intestinale, ma anche nel

commissionare i progenitori di cellule a differenziarsi correttamente verso tutti e

quattro i tipi cellulari.

Questa via di segnalazione è molto interessante: è una delle vie più usate

Drosophila melanogaster.

durante lo sviluppo animale, è stata scoperta in Notch

è un recettore che si trova esposto sulla membrana delle cellule e, quando è

attivata la via di segnalazione, si assiste ad eventi di processazione proteolitica

di un frammento del recettore: in particolare, un pezzo della coda citosolica del

recettore se ne va nel nucleo quando la via è attivata e modula l’espressione di

geni target specifici di Notch.

La via di Notch è controllata a monte a sua volta dalla via di Wnt β-catenina

canonica (importante per la proliferazione cellulare); questa via è stata scoperta

Drosophila megalonoster:

durante lo sviluppo di cellule nervose in grazie alla via

di segnalazione di Notch, quando il precursore cellulare che è commissionato a

diventare una cellula nervosa, questo segnala alle cellule circostanti di non

differenziarsi a cellule nervose, ma in qualcos’altro. Questo meccanismo Notch-

mediato, in cui una cellula che si differenzia verso un tipo cellullare specializzato

inibisce le cellule circostanti del fare altrettanto, prende il nome di inibizione

laterale, mediata dall’interazione di Notch con il suo ligando Delta.

Sia Notch (il recettore) che Delta (il ligando) sono glicoproteine, proteine

modificate covalentemente dalla presenza di un core/porzione oligosaccaridica;

è proprio la glicosilazione del recettore Notch, catalizzata enzimi

glicosiltrasferasi della famiglia Fringe, a modulare la specificità di Notch per i

diversi ligandi.

Il recettore Notch subisce

tutta una serie di tagli

protolitici uno dopo l’altro,

3 in totale. Il recettore si

trova sulla membrana

plasmatica: è un

eterodimero perché

formato da due subunità e 5

c’è tutta una porzione del recettore che sporge verso il versante extracellulare;

sarà a livello di questo dominio che avverrà il legame con il ligando. L’altra

subunità dell’eterodimero presenta una porzione che attraversa la membrana

plasmatica e presenta inoltre, una coda citosolica. I tagli proteolitici sono 3

(indicati anche nello schema, con anche il punto in cui avvengono).

- Il primo taglio avviene durante la maturazione del recettore stesso,

nell’apparato di Golgi. Infatti, il recettore di Notch è una proteina che è

destinata alla membrana plasmatica e quindi entra nella via secretoria. Le

proteine che devono entrare nella via secretoria cominciano a essere tradotte

a livello di ribosomi liberi nel citoplasma, ma la presenza all’estremità N-

terminale di una sequenza di riconoscimento del segnale permette al

complesso (ribosoma-mRNA-proteina in via di traduzione) di aderire al

reticolo endoplasmatico e di riprendere la traduzione. La proteina, via via che

si allunga, entra nel lume del reticolo endoplasmatico, dove subirà una serie

di modificazioni che proseguiranno all’apparato del Golgi. Dal trans Golgi

network, la proteina viene impacchettata in vescicole membranose e

raggiunge la sua destinazione finale, la membrana plasmatica.

Il primo taglio avviene quindi a livello dell’apparato di Golgi: il recettore

Notch subisce, durante la sua maturazione, il taglio proteolitico in grado di

fatto di generare l’eterodimero maturo, che verrà esposto sulla membrana

plasmatica.

- Il secondo taglio protolitico avviene solo dopo che Notch si è legato al suo

ligando Delta, di cui esistono diverse isoforme (in realtà non è l’unico ligando

di Notch, ma adesso ci riferiamo a Delta come principale ligando di Notch). A

differenza di Wnt, proteina diffusibile/solubile che si legava al recettore

Frizzled, Delta non è una proteina solubile, ma anch’essa è una proteina di

membrana. Infatti, Delta attraversa il doppio strato fosfolipidico della

membrana di un’altra cellula e presenta una coda che sporge nel citosol.

Quindi, Delta non è un fattore solubile ma una proteina di membrana e,

perché ci sia interazione tra il recettore Notch e il ligando Delta, le due cellule

devono essere adiacenti. Si fa riferimento alla inibizione laterale in cui la

differenziazione delle cellule vicine viene inibita e quindi si può avere

interazione tra il recettore Notch e il ligando Delta solo se queste cellule sono

adiacenti.

Nel momento che Delta si è legata al recettore Notch, in seguito al

riconoscimento di specifici residui, avviene il secondo taglio proteolitico: è un

taglio che viene effettuato nel dominio extracellulare di Notch che lascia il

dominio extracellulare di Notch legato a Delta e, nella cellula che esprimeva

il recettore Notch, adesso rimane la porzione transmembrana e quella

intracellulare. 6

- A questo punto, avviene il terzo ed

ultimo taglio proteolitico nel

versante citosolico: questo taglio

libera questa coda (Notch tail), il

dominio intracitoplasmatico di

Notch, mentre la porzione

transmembrana chiaramente

rimane nella membrana. La

reazione che libera la coda

citosolica è catalizzata da enzimi,

quali la γ-secretasi, che permette

alla coda citosolica di Notch di

traslocare dal citoplasma al nucleo:

passa attraverso i pori nucleari e,

così come abbiamo visto precedentemente per Wnt β-catenina, è il recettore

stesso, o meglio la coda citosolica del recettore, a permettere la trascrizione

dei geni bersaglio di Notch, insieme ad altri fattori trascrizionali regolatori

dell’espressione genica.

A livello del promotore del gene bersaglio di Notch si forma questo complesso

che attiva la trascrizione; quindi, di fatto, quel complesso proteico, che in

assenza di segnalazione accesa di Notch (in assenza del legame Delta-Notch)

era un complesso che reprimeva la trascrizione, adesso diventa un complesso

che la promuove e porta alla promozione di tutti quei geni bersaglio di Noch,

che nel loro complesso vengono indicati con il nome geni Hes. Questi geni sono

chiaramente coinvolti nella inibizione laterale, nel mediare il differenziamento e,

per ricollegarsi con l'osservazione sperimentale fatta prima in merito al controllo

a monte della via di Notch da parte di Wnt β-catenina, adesso possiamo

comprendere come la via di Wnt controlli Notch.

Quindi, in pratica se la via di Wnt influenza l'attivazione della via di Notch (che a

sua volta controlla il differenziamento), ecco spiegato come grazie a un inibitore

diffusibile che blocca Wnt nell’intestino, noi troviamo non soltanto cripte

praticamente assenti ma, a livello di tipologie di cellule differenziate, troviamo

solo cellule dell’intestino differenziate a enterociti, mentre mancano le cellule

caliciformi, le cellule enteroendocrine, le cellule di Paneth.

Se possiamo diciamo vedere un bivio nel commissionamento e nel

differenziamento, mentre gli enterociti sono delle cellule assorbenti, le cellule di

Paneth, caliciformi ed enteroendocrine sono tutte cellule che hanno un fenotipo

di tipo secretorio.

Notch, ad un certo punto della sua via sua via di segnalazione, dice ad una

cellula che sta cominciando a differenziarsi verso un fenotipo di tipo secretorio e

non verso un fenotipo assorbente: capiamo che se Wnt che controlla Notch (che

controlla inibizione laterale) è alterato, questo stesso meccanismo di

differenziamento è alterato e quindi poi il quadro finale è un quadro in cui i tipi

cellulari differenziati sono alterati tutti di un solo tipo.

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- Cellula staminale emopoietica (HSC)

Continuando a parlare delle cellule staminali adulte,

abbiamo già precedentemente fatto riferimento alla

cellula staminale emopoietica, quella che viene

indicata con l'acronimo HSC. Questa cellula risiede nella

sua nicchia, che è il midollo osseo, dove sono presenti

anche precursori immaturi delle cellule del sangue

insieme anche a cellule adipose, cellule stromali del

tessuto connettivo che producono matrice extracellulare,

che hanno un ruolo quindi importante di supporto per la

popolazione staminale.

Questo tessuto è rifornito di vasi sanguigni, dove poi

vengono rilasciate le cellule differenziate: il sangue

contiene diversi tipi di cellule che hanno funzioni diverse

e alcune di queste svolgono le loro funzioni al di fuori del

sistema vascolare. Tutte queste cellule differenziate hanno però una durata nel

tempo limitata ed è proprio la staminale emopoietica multipotente del midollo

osseo a garantire ogni giorno la generazione di un numero pazzesco di cellule

degli elementi figurati del sangue.

Chiaramente, questo numero pazzesco è garantito anche dall' amplificazione in

transito dei progenitori: visto che la cellula staminale emopoietica è una cellula

rara (solo 1/100 mila cellule del midollo è una staminale emopoietica) e

abbiamo anche già parlato di quelle che sono le strategie che vengono messe in

atto nella nicchia staminale per far sì che, per soddisfare le richieste in termini

numerici di cellule differenziate, questa staminale non debba dividersi tante

volte. Durante la duplicazione incessante del DNA, se questa deve dividersi di

continuo, andrebbe incontro a uno stress da replicazione del DNA che la mette a

rischio di accumulo di mutazioni, che potrebbero compromettere l’integrità del

genoma della staminale stessa.

Quindi, per soddisfare la richiesta del numero di cellule differenziate, ci sono i

progenitori, cioè le cellule figlie (non più staminali) della staminale, che sono

ancora in grado di proliferare: lo fanno molto frequentemente, anche se per un

tempo limitato e questo permette proprio di ottenere un grande numero di

cellule differenziate anche se la nostra cellula staminale non sia divisa poi così

tante volte.

Fra gli elementi figurati, i globuli rossi rimangono all'interno dei vasi e

 trasportano ossigeno, anidride carbonica, grazie all'emoglobina.

Le piastrine sono dei frammenti cellulari

 che derivano dagli enormi megacariociti e

co