Biologia e genetica 2

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- Proapoptotiche multidominio: funzionalmente proapoptotiche, strutturalmente multidominio (conten-

gono tre domini: BH1, BH2, BH3) e sono Bax, Bak.

- Proapoptotiche BH3-only: funzionalmente proapoptotiche, strutturalmente contengono solo BH3 e so-

no Bid, Bad, Noxa, Puma, Bim.

La scelta tra sopravvivenza e apoptosi è data dal bilancio tra proteine proapoptotiche e antiapoptotiche.

Le proteine BH3-only agiscono da sensori e operano a monte, mentre le altre operano a valle formando eterodi-

meri, e le antiapoptotiche impediscono alle multiapoptotiche di indurre apoptosi. Le BH3-only possono essere

inattive, e la cellula sopravvive, oppure attive, e la cellula va incontro ad apoptosi.

Gli stimoli apoptotici attivano le proteine BH3-only, che agiscono da sensori e vanno a competere con le protei-

ne proapoptotiche multidominio sulle antiapoptotiche, legandosi a esse e liberando le proapoptotiche multido-

minio, Bak e Bax, che nel citosol formano oligomeri che vano a legare la membrana mitocondriale esterna, dove

provocano la formazione di aperture che determinano il rilascio dai mitocondri dell’enzima citocromo C.

Nel citosol si forma un complesso multiproteico dall’associazione di sette copie di citocromo C, sette copie di

procapsasi 9, e sette copie di una proteina chiamata Apaf-1, tutte disposte a raggiera (simmetria radiale). All’in-

terno di questo complesso multiproteico con struttura a raggiera, chiamato apoptosoma, la procaspasi viene

multimerizzata e si attiva, diventando caspasi 9. La caspasi 9 attiva, a sua volta, con taglio proteolitico, la caspa-

si 3, che digerirà i quattro bersagli proteolitici iniziando l’apoptosi.

a[I] Vie di segnalazione di controllo delle proteine apoptotiche

Le proteine proapoptotiche si trovano sotto il controllo di due vie di segnalazione: una intracellulare che induce

apoptosi, e una extracellulare che induce sopravvivenza.

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La via intracellulare è la via di p53, che entra in gioco quando vengono accumulati danni al DNA. Si atti-

- vano ATM e ATR, che vanno a fosforilare CHK1 e CHK2 che poi fosforilano p53. In particolare, p53 ha co-

me geni bersaglio Puma e Noxa (p.a. BH3-only), oltre a p21, che fa bloccare il ciclo cellulare nella fase

in cui è.

La via extracellulare è la via della PI3K, che si attiva mediante la via dei recettori tirosin-chinasici. PI3K

- fosforila PIP2, presente sul monostrato citosolico di membrana. Si forma PIP3, a cui si attaccano le due

serin-treonin chinasi PDK1 e Akt, grazie al fatto che contengono un dominio PH di riconoscimento di PIP3

Il legame permette alle due serin-treonin chinasi di entrare in contatto, PDK1 fosforila e attiva Akt, che

ne induce il rilascio da PIP3, e va a fosforilare Bad. Grazie alla fosforilazione di Bad viene indotta sopravvi-

venza. Akt va a fosforilare e inibire il fattore trascrizionale FOXO, che normalmente induce la trascrizione

del gene che codifica per Bim.

(b) Via estrinseca dell’apoptosi

La via estrinseca viene attivata da molecole segnale extracellulari, tra cui TNFɑ, che agisce sotto forma di omo-

trimero, inducendo l’omotrimerizzazione sulla cellula bersaglio del suo recettore TNFR. Il recettore omotrimeri-

co recluta a livello intracellulare la proteina adattatrice TRADD, e l’adattatore recluta e multimerizza la procas-

pasi iniziatrice 8. La multimerizzazione della procaspasi la rende attiva, diventa caspasi 8, e a sua volta attiva

con taglio proteolitico la procaspasi 3 esecutrice, comune tra la via estrinseca e la via intrinseca. La procaspasi

3 si attiva diventando caspasi 3, e va a digerire i bersagli proteici che sono responsabili dei segnali apoptotici. La

caspasi 8 va ad attivare Bid, sempre mediante taglio proteolitico, che andrà ad attivare la via intrinseca. La via

estrinseca ha quindi un meccanismo proprio che attiva anche la via intrinseca, con lo scopo di amplificare l’ef-

fetto apoptotico finale.

Un’altra molecola segnale che agisce in questo modo si chiama FAS-L (FAS ligand) dove FAS è il recettore e la

molecola segnale apoptogena è FAS-L. Quando FAS-L lega FAS, questo recluta l’adattatore intracellulare FADD,

che attiva per multimerizzazione la caspasi 8. Il resto degli eventi è sovrapponibile.

TNFα e FAS-L sono coinvolti nelle reazioni di risposta immunitaria: quando i linfociti T incontrano una cellula tu-

morale o infettata si attivano e ne inducono l’apoptosi mediante il rilascio di una delle due molecole segnale.

Poi, sempre con queste, viene indotta l’apoptosi del linfocita T attivato. Storicamente si è sempre considerato

che l’apoptosi della cellula bersaglio fosse mediata da TNFα e che l’apoptosi del linfocita fosse mediata da FAS-

L, ad oggi non viene considerata questa differenza e si pensa che entrambe le molecole segnale possano inter-

venire in entrambe le fasi.

4.5 Differenziamento cellulare

Ha preso piede una convenzione per cui le cellule staminali pluripotenti sono quelle embrionali, e le cellule sta-

minali adulte sono cellule multipotenti; ci si riferisce a cellule multipotenti anche per cellule staminali adulte.

Il differenziamento è una trasformazione che trasforma una cellula indifferenziata, che possiamo definire cellu-

la staminale, priva di un fenotipo definito e di funzioni specializzate, in un’altra cellula che possiamo definire

differenziata o matura, che invece presenta un fenotipo definito e delle funzioni specializzate. Per fenotipo defi-

nito si intende una morfologia e una struttura definita.

È necessaria la trasformazione perché le cellule terminalmente differenziate o mature di un organismo adulto

non durano all’infinto, hanno una emivita limitata, e trascorsa quella vanno incontro a senescenza e apoptosi,

perciò devono essere sostituite continuamente. Il ricambio di queste cellule è garantito dalla presenza in quasi

tutti i tessuti di cellule staminali adulte. Le cellule staminali, per svolgere questo compito, devono essere dotate

di due proprietà biologiche:

Automantenimento o self-renewal, è la capacità di differenziamento, il fenomeno attraverso cui le cel-

- lule staminali producono altre cellule uguali a sé stesse.

Differenziamento: capacità di proliferare generando cellule specializzate differenziate dei vari tessuti

- partendo da una cellula staminale adulta. Il differenziamento da cellula staminale a cellula matura è un

processo non diretto che prevede stati intermedi.

In particolare, il primo è lo stadio dei progenitori, anche definiti TAC (transitory o transient amplifying cells): so-

no cellule un po’ più differenziate delle cellule staminali e non sono dotate di automantenimento. I progenitori

hanno un altissimo potenziale proliferativo, che ha il compito di creare il maggior numero possibile di cellule

mature a partire da poche cellule staminali. Dopo i progenitori ci sono i precursori, e infine la cellula matura.

Cellula staminale > Progenitore > Precursore > Cellula matura

Dal punto di vista molecolare il differenziamento è il risultato dell’attivazione di un programma trascrizionale,

avviato da pochi fattori trascrizionali che attivano la trascrizione dei loro geni bersaglio, che consentono di diffe-

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renziare e maturare. Le proteine espresse come risultato finale dell’attivazione del programma trascrizionale

sono quelle che, oltre a mediare il differenziamento in cellule mature ne mediano anche l’acquisizione di funzio-

ni specializzate. Tutte queste cellule, in alcuni tessuti hanno una collocazione topografica precisa, e anche il

percorso differenziativo presenta una polarità precisa, mentre in altri no. La polarità si vede negli epiteli:

Nella cute, dove partendo da uno strato basale profondo formato da cellule staminali, attraverso un pro-

- cesso di maturazione differenziativa verticale si arriva ad avere nello strato corneo, il più esterno, cellule

completamente differenziate.

Una cosa simile avviene anche nella mucosa del colon: nella cripta troviamo le cellule staminali, e le

- cellule differenziate sono nell’apice. Il differenziamento avviene in modo verticale.

Nella cornea si trovano cellule staminali nel limbo, la zona che circonda la cornea, che differenziano

- con direzione centripeta.

4.5.1 Ematopoiesi

Le cellule del sangue hanno una emivita limitata e sono globuli rossi (eritrociti), globuli bianchi (leucociti) e pi-

astrine (trombociti). L’ematopoiesi nell’organismo adulto si svolge nel midollo partendo dalla cellula staminale

ematopoietica pluripotente, HSC (hematopoietic stem cell). Nel midollo osseo si osserva come non si verifichi

la situazione degli epiteli, e tutti gli stadi differenziativi sono mescolati fra loro: non si osserva una precisa collo-

cazione topografica né una polarizzazione dei vari stadi differenziativi. In realtà esiste una precisa gerarchia fra

i tipi cellulari. Gli stadi differenziativi sono quattro:

Cellule staminali ematopoietiche > progenitori ematopoietici > precursori ematopoietici > cellule mature del sangue

Il differenziamento va inteso come un flusso continuo di transizioni differenziative, e ad ogni livello di questo

processo la cellula si trasforma un po’. Per questi quattro stadi sono riconosciute convenzionalmente e didatti-

camente due principali transizioni differenziative:

Il commitment ematopoietico: traducibile come indirizzamento, è il processo che trasforma la cellula

- staminale in progenitore (octapotente), in pratica è il fenomeno attraverso cui la cellula staminale sce-

glie quale percorso differenziativo intraprendere.

La maturazione terminale: fenomeno attraverso cui il precursore si trasforma in cellula matura.

-

(a) Commitment

La staminale ematopoietica genera due progenitori, che a sua volta ne genera altri due e così via, fino alla cellula

terminalmente differenziata.

HSC (common myeloid progenitor): si passa da una cellula staminale pluripotente che può generare al-

- meno 8 tipi cellulari diversi (octapotente) a progenitori tetrapotenti, poi bipotenti e unipotenti (si verifica

una progressiva restrizione della potenza differenziativa).

CMP (common myeloid progenitor), è il progenitore di tutta la linea mieloide dell’emopoiesi, ed

o è tetrapotente. Da CMP hanno origine la linea maturativa eritroide, megacariocitaria, granuloci-

taria e mieolocitaria.

MEP (megakaryo-erythroid progenitor), è bipotente.

 EP (erythroid progenitor) è il progenitore definitivo della linea maturativa eritroi-

 de: eritrobasto > eritrociti. È un progenitore monopotente.

MkP (megakaryocyte progenitor) è il progenitore definitivo della linea maturativa

 megacariocitaria: megacariocito > piastrine.

GMP (granulo-monocyte progenitor), è bipotente.

 GP (granulocyte progenitor) è il progenitore definitivo della linea maturativa gra-

 nulocitaria: mieloblasto > granulocito.

MoP (monocyte progenitor) è il progenitore definitivo della linea maturativ