Biologia cellulare

Agiscono anche da fattori di trascrizione per i geni che specificano per la stessa struttura del

corpo.

Morfogeni umani: BMP, proteine del gruppo TGFβ, Chordin e Noggin, Nodal, NF-kB

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• se l’oocita occupa una delle estremità del follicolo conterrà una zona di massima

concentrazione, se sta al centro ne conterrà due

• Dm sfrutta 4 morfogeni: Bicoid e Nanos per la polarità antero-posteriore, Dorsal e Töll per la

polarità dorso-ventrale; questi si localizzano in determinate regioni dell’oocita, per es. Bicoid

nel polo anteriore; a dimostrazione di ciò, va notato che embrioni omozigoti per mutazioni di

questo gene non hanno le regioni anteriori del corpo

• eventi dopo la fecondazione in Dm:

- polarizzazione dell’embrione

- segmentazione: divisioni nucleari non accompagnate da divisione del citoplasma; si forma

un sincizio; in questa fase i morfogeni istruiscono la trascrizione dei geni della

segmentazione che suddividono l’embrione in unità ripetitive:

• geni GAP: attivati da Bicoid

- in particolare Hunchback è specifico per la parte anteriore dell’embrione

- è distribuito anche posteriormente ma la sua traduzione è inibita da Nanos

- il nome deriva dal fatto che la mancata espressione provoca un gap, una lacuna, nella

strutturazione anteriore dell’embrione

• geni Paire-Rule: attivati dalle proteine GAP

- es. Paired e Fushi-taratzu

- dirigono la formazione dei margini dei segmenti

• geni Segment Polarity: attivati dalle proteine Paire-Rule

- suddivisione in unità ripetitive dell’embrione

- disposizione dei nuclei: si posizionano addossati alla membrana

- la membrana si richiude intorno ai nuclei: formazione della blastula con inizio della

gastrulazione; in questa fase si disattivano i geni della segmentazione e si attivano i geni

omeotici che specificano l’identità dei segmenti corporei:

• geni HOX (omeotici)

- Antennapedia

- Ultrabithorax

- 8 geni distribuiti consequenzialmente sul cromosoma 3; la loro attivazione avviene

nell’ordine con cui sono sul DNA

• il differenziamento durante l’embriogenesi dipende dalle cascate di attivazione-inibizione che si

generano tra i geni materni, di segmentaizione e omeotici; questi ultimi codificano anche per

proteine strutturali dell’embrione

• nell’uomo è conservato lo stesso numero di clusters genici Hox del topo; la loro attivazione e il

loro funzionamento sono analoghi a quelli di Dm: nei vertebrati questi geni controllano le

differenze morfologiche tra le vertebre, tra le strutture ripetute del rombencefalo e tra le dita

degli arti; nell’uomo agiscono anche altre famiglie di geni omeotici:

- OTX e EMX: sviluppo del cervello

- PAX: sviluppo di occhi e denti

- MSX: sviluppo di cranio, faccia e denti

- TBX: sviluppo del cuore

• mutazioni in questi geni possono determinare deformità e difetti all’embrione:

- Hox: polidattilia, sindattilia, deformità alla colonna vertebrale

- EMX: schizocefalia, fenditura a tutto spessore degli emisferi cerebrali

- PAX: sindrome di Waardenburg, sordità congenita, leucoderma, eterocromia dell’iride,

malformazioni facciali, palatoschisi, aniridia

- TBX: sindrome di Holt-Oram, assenza del pollice, cardiopatie, sindrome ulnare-mammaria

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Cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC)

- cellula staminale pluripotente derivata da una cellula differenziata e riprogrammata in vitro; sono

simili alle staminali pluripotenti naturali (come le staminali embrionali)

- caratteristiche comuni con le ES:

• espressione di geni e proteine staminali

• pattern di metilazione embrionale

• tempo di raddoppiamento

• incapacità di andare in senescenza

• formazione del corpo embrioide (cloni)

• formazione di teratomi (forma tumorale delle cellule staminali)

• possibilità di formare chimere

• potenzialità di differenziamento

- vengono prodotte tramite la trasfezione veicolata da vettori virali (retrovirus) di particolari geni

associati alla staminalità in cellule differenziate adulte; la cellula infettata è così indotta ad

esprimere quei geni

- create per la prima volta da Yamanaka (2006) a partire da fibroblasti di topo prima, umani poi

• trasfezione per mezzo di retrovirus dei geni: Oct-4, Sox2, Kif4 e c-Myc; questi geni codificano

anche per fattori di trascrizione in grado di mantenere la loro espressione per restare allo stato

staminale

- Oct-4 e Sox2 garantiscono la pluripotenza

- Kif4 ha un ruolo nella regolazione della proliferazione

- c-Myc induce la proliferazione (geni tardivi della proliferazione: Ciclina D, ecc.) e potrebbe

essere implicato nell’insorgenza di teratomi

- inducono la trascrizione di geni con un effetto a cascata per metilazione del DNA,

rilassamento della cromatina, espressione di ncRNA

• trasferendo le iPS ottenute nella blastocisti di un topo, l’organismo nato è un topo chimerico

eterozigote con cellule della blastocisti e cellule del corpo embrioide; accoppiando questo topo

con un topo normale, tra gli individui nasce un topo con cellule derivate esclusivamente da iPS

- l’insorgenza di teratomi a partire dalle iPS impiantate in un tessuto deriva dal fatto che queste

non si differenziano perché non ricevono la giusta sequenza di stimoli; una soluzione a questo

problema sarebbe il differenziamento indotto in vitro

- attualmente le iPS consentono di:

• studiare i meccanismi di sviluppo

• studiare in vitro i meccanismi che determinano malattie genetiche

• sperimentare in vitro nuovi farmaci per la cura di malattie genetiche

• riparare in vitro mutazioni genetiche in determinate cellule da trapiantare nel paziente

- problematiche nell’utilizzo di cellule iPS:

• alta propensione a formare tumori

• attivazione di geni patogeni derivati dal metodo di trasfezione che sfrutta un vettore virale

- la potenzialità della medicina rigenerativa è quella di bypassare il problema etico dell’utilizzo di

cellule staminali embrionali e il problema del rigetto immunitario grazie all’utilizzo di cellule self; le

applicazioni in ambito clinico sono ancora lontane: attualmente sono da considerare uno

strumento 18

Medicina rigenerativa

- ricostituzione di un tessuto malato o compromesso attraverso l’attivazione di cellule staminali

residenti o attraverso il trapianto di cellule

- rigenerazione tissutale: capacità intrinseca di alcuni tessuti che hanno cellule staminali

unipotenti, per es. epidermide, tessuto muscolare scheletrico, ecc.; cellule staminali sono state

trovate in alcune aree del SNC (ippocampo) e nel miocardio

• riparo del miocardio

- la teoria tradizionale sostiene che il tessuto danneggiato sia sostituito da tessuto cicatriziale

- attualmente si crede che il tessuto danneggiato sia sostituito da nuovi cardiomiociti derivati

dalla divisione di cardiomiociti endogeni o dalla divisione asimmetrica di cellule staminali

unipotenti progenitrici dei cardiomiociti

• trapianto del midollo osseo

- estrazione di cellule staminali dal midollo osseo e dal sangue

- immunosoppressione del paziente

- trasfusione delle cellule ai pazienti per rigenerare il midollo osseo o cellule mature di un

particolare tessuto

• riparo di lesioni degli epiteli

- generazione dell’epidermide in vitro su matrici di collagene a partire da progenitori staminali

cutanei isolati dal paziente in zona sana e trapianto su pazienti con ustioni di terzo grado

- trattamento di lesioni alla cornea provate da ustioni chimiche

- trattamento di malattie genetiche curando le cellule epiteliali in vitro (es. epidermolisi

bollosa)

- si distinguono trapianto autologo, se le cellule trapiantate sono del paziente stesso, allogenico,

se le cellule trapiantate provengono da un donatore

Cellule tumorali

- il tumore è una malattia multifattoriale originata dall’interazione di fattori genetici e ambientali

- di norma le mutazioni che provocano trasformazione tumorale interessano geni che controllano la

proliferazione di una cellula somatica

- la perdita del controllo sulla crescita cellulare porta alla formazione di neoplasie: clone di cellule

che deriva da una cellula capostipite e ne condivide la mutazione

classificazione

- si distinguono tumori:

• benigni, se la neoplasia è localizzata in un solo organo e il tessuto connettivo che la circonda

ne ostacola la crescita e la diffusione (neoplasia primaria)

• maligni, se le cellule tumorali acquisiscono una capacità proteolitica e angiogenetica e creano

una metastasi (neoplasia secondaria)

- capacità proteolitica: producono enzimi per degradare la ECM (es. metalloproteasi); la

mancanza di una ECM induce le cellule a migrare in altri tessuti

- capacità angiogenetica: producono fattori di crescita per le cellule endoteliali dei vasi

sanguigni per la creazione di nuovi vasi

- le due capacità si combinano: la degradazione della ECM e la creazione di nuovi vasi

consente alle cellule tumorali di raggiungere altri distretti del corpo attraverso il torrente

circolatorio dove ricominciare la proliferazione per dare origine a una massa tumorale

istologicamente derivata dal tessuto primario: metastasi

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cause della trasformazione tumorale

- sono determinati da mutazioni somatiche e quindi non trasmissibili per via ereditaria; l’individuo

portatore è un individuo chimera o mosaico perché ha cellule con due genomi diversi

contemporaneamente

- le mutazioni possono essere:

• casuali se avvengono spontaneamente durante la replicazione del DNA

• indotte da fattori ambientali: esposizione ad agenti mutageni e cancerogeni

- è una malattia multistep: necessita di più mutazioni di diverso tipo; il numero di mutazioni varia

da tumore a tumore e di conseguenza varia il tempo di sviluppo della malattia

tappe evolutive del cancro

- iniziazione: una mutazione trasforma una cellula somatica in una cellula neoplastica latente

• il danno genetico può essere riparato, con ritorno allo stato somatico, o, se irreparabile, la

cellula può andare in apoptosi; se non si verificano questi eventi il danno permane e la cellula

diventa neoplastica latente

- promozione: intervengono altre mutazioni che inducono la proliferazione della cellula mutata

• si origina un clone cellulare

- progressione: intervengono mutazioni che promuovono le attività invasive e metastatiche:

angiogenesi e proteolisi

caratteristiche dele cellule tumorali

- crescita indipendente dai fattori di crescita

• i meccanismi di trasduzione del segnale sono sovvertiti

• le cellule passano continuamente dalla fase G a S: il checkpoint non funziona

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- perdita dell’inibizione da contatto

• normalmente