Biologia cellulare

Biologia cellulare

Indice

Segnali che agiscono nella regolazione dell’espressione genica…………………..…2

Matrice extracellulare e sua interazione con la cellula……………………………..…..4

Livelli di regolazione dell’espressione genica: struttura del DNA………………..…….5

Livelli di regolazione dell’espressione genica: trascrizione……………………..………7

Livelli di regolazione dell’espressione genica: maturazione dei trascritti……..………9

Livelli di regolazione dell’espressione genica: stabilità dei messaggeri……..………11

Livelli di regolazione dell’espressione genica: modificazioni post-traduzionali….….12

Differenziamento cellulare durante l’embriogenesi…………………………………….14

Morfogeni e meccanismi di differenziamento………………………………………..…16

Cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC)………………………………………….…18

Medicina rigenerativa……………………………………………………………..………19

Cellule tumorali……………………………………………………………………….……19

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Segnali che agiscono nella regolazione dell’espressione genica

- l’espressione genica è regolata dall’interazione di ligandi con specifici recettori o dalle condizioni

ambientali in cui si trova la cellula che attivano una risposta a livello della trascrizione del DNA

- i ligandi possono essere di natura proteica (ormoni proteici, fattori di crescita, citochine),

steroidea (ormoni steroidei) o molecole non peptidiche (catecolamine)

- a livello ambientale l’espressione genica è influenzata da: contatti con altre cellule (inibizione da

contatto), contatti cellula-ECM (proliferazione, migrazione), nutrizionali (gluconeogenesi), shock

termico (geni heat schock), luce, ossigeno (angiogenesi)

- i ligandi agiscono con meccanismi diversi a seconda della distanza dalla cellula che li ha prodotti

(autocrino, paracrino, endocrino) e la loro attività dipende dalla loro concentrazione

- la cellula bersaglio dispone di recettori specifici per il ligando: se questo è di natura proteica

agisce su un recettore posto sulla membrana cellulare e innesca una via di trasduzione del

segnale; se di natura steroidea diffonde nella membrana secondo gradiente e interagisce con

recettori citoplasmatici o nucleari

- le vie di trasduzione del segnale agiscono su fattori di trascrizione che modulano la trascrizione

genica interagendo con una specifica sequenza di DNA (promotore di un determinato gene): il

livello di trascrizione dipende dall’affinità del fattore di trascrizione con la sequenza promotore;

questo tipo di risposta a lungo termine richiede una prolungata esposizione della cellula al

ligando

- lo stesso ligando può determinare risposte immediate, a breve termine

meccanismo d’azione degli ormoni steroidei

- sintetizzati a partire dal colesterolo: vitamina D, estrogeni, ormoni tiroidei, acido retinoico

- diffondono secondo gradiente nel citoplasma dove possono seguire due distinte vie:

• interazione con un recettore citoplasmatico proteico: questi recettori si trovano nel citoplasma

legati ad una molecola inibitrice che ha meno affinità col recettore rispetto all’ormone; quando

l’ormone si lega al recettore il complesso attivato raggiunge il nucleo e attiva geni con un

promotore specifico per quel complesso: in questo caso il fattore di trascrizione è dato dal

complesso recettore-ormone

• interazione con recettori nucleari (vitamina D, acido retinoico, ormoni tiroidei): questi recettori

sono legati al DNA anche senza la presenza del ligando e mantengono deacetilati gli istoni

favorendo la condensazione del DNA; in presenza di ligando acetilano gli istoni che perdono

l’interazione elettrostatica con la molecola di DNA che è quindi decondensata ed esposta per la

trascrizione

meccanismo d’azione dei ligandi di natura proteica

- ormoni peptidici, citochine (interleuchine, interferone), catecolamine, fattori di crescita; questi

ultimi stimolano la proliferazione in cellule con potenziale mitotico, il differenziamento nelle altre

- agiscono dall’esterno, senza mai superare la membrana plasmatica; interagiscono con recettori

transmembrana con una porzione idrofilica esterna che funge da sito di legame e una porzione

idrofilica interna che lega altre proteine per la trasduzione del segnale

- il segnale è trasdotto da una molecola all’altra attraverso la fosforilazione delle proteine che

partecipano a quella determinata via

- il recettore di membrana può avere o non avere un dominio chinasico

- sono noti almeno 50 recettori di tipo RTK

- uno stesso segnale può attivare più vie contemporaneamente che possono interagire tra loro

(cross talk) 2

Fosforilazione

avviene ad opera di enzimi protein chinasi che trasferiscono gruppi fosfato derivati dall’idrolisi

di ATP o GTP sugli amminoacidi serena, tirosina o treonina delle proteine bersaglio; la

fosforilazione attiva o disattiva le proteine che possono trasferire i gruppi fosfato su altri

bersagli

- la risposta cellulare a uno stesso segnale dipende dal tipo cellulare perché per uno stesso

segnale possono esistere recettori diversi che attivano vie diverse: cellule differenti possono

sintetizzare diverse versioni dello stesso recettore come isoforme di splicing

- lo stesso recettore può attivare vie diverse sfruttando nella stessa cellula recettori diversi

- la risposta cellulare è specifica per il segnale ricevuto

- recettore HER per EGF (Epidermal Growth Factor)

• è un recettore tirosin-chinasico (RTK) che dispone di una coda citoplasmatica ricca di Tyr

• quando il sito di legame lega il fattore di crescita i recettori dimerizzano si fosforilano le code a

vicenda

• una proteina adattatrice GRB lega i gruppi fosfato dell’RTK e una proteina di scambio SOS

• SOS agisce su una proteina Ras scambiando il GDP che lega con GTP

• Ras foforilata agisce su Raf

• Raf fosforila MEK che a sua volta attiva MAPK (Mitogen Activated Protein Kinase)

• MAPK entra nel nucleo dove fosforila il fattore di trascrizione Jun che induce la trascrizione dei

geni della proliferazione precoci: Jun, Myc, Fos

• Jun, Myc e Fos inducono la trascrizione dei geni tardivi che codificano per Ciclina D e Cdk

della fase G , DNA polimerasi

1

• il complesso Ciclina D-Cdk ha come bersaglio pRb (proteina del retinoblastoma) che inibisce

la trascrizione dei geni per passare alla fase S del ciclo cellulare legando il fattore di

trascrizione E2F; quando viene fosforilata E2F fa trascrivere i geni che codificano per gli enzimi

replicativi tra cui Ciclina E/Cdk2, Ciclina A ed E2F stesso

• Ciclina E/Cdk2 fosforila pRb anche in assenza dei fattori di crescita consentendo di superare il

punto di restrizione della fase G

1

- recettore per l’insulina (IGF-1)

• l’insulina si lega a un recettore formato da due catene α esterne alla membrana con il sito di

legame e due catene β transmembrana con il sito attivo protein-chinasi

• il legame dell’insulina provoca la fosforilazione di IRS-1; questo evento attiva due vie:

- metabolismo del glucosio e sintesi di glicogeno

• IRS-1 attiva fosfatidil-inositolo-3-kinasi (PI3K) che converte il lipide di membrana fosfatidil-

inositolo-2-fosfato (PIP ) in fosfatidil-inositolo-3-fosfato (PIP )

2 3

• PIP attiva PKB (protein-chinasi B) che fosforila e inattiva GSK3 (glicogeno-sintasi-

3

chinasi-3) inducendo la sintesi di glicogeno

• nel processo viene fosforilata anche AKT (chinasi inibente l’apoptosi) che fosforila GLUT4

- espressione genica

• a IRS-1 si lega GRB2 a cui si lega SOS che scambia il GDP legato alla proteina Ras con

GTP

• avvio della catena delle MAP chinasi con proliferazione cellulare

- recettori accoppiati a proteine G (es. recettore per adrenalina)

• non ha attività tirosin-chinasica; è un recettore proteico con sette domini transmembrana

• in condizioni di ipoglicemia il surrene libera adrenalina; quando questa si lega al recettore β-

adrenergico la proteina G che vi è associata scambia GDP con GTP e va a legarsi con le altre

proteine della via di trasduzione tra cui acetilato ciclasi

3

• acetilato ciclasi produce cAMP che attiva la PKA che induce la glicogenolisi

segnali provenienti dall’ambiente esterno: p53

- quando la cellula è sottoposta a stress di vario tipo (perdita di nucleotidi, radiazioni UV, radiazioni

ionizzanti, radiazioni γ, ipossia, blocco della trascrizione) che provocano un danno all’integrità del

genoma, diversi sensori fosforilano la proteina p53 (oncosoppressore) aumentando la sua

stabilità post traduzionale

- in condizioni normali p53 è molto instabile e viene rapidamente ubitiquinata e degradata (emivita

di circa 20 minuti)

- quando aumenta la sua concentrazione agisce da fattore di trascrizione su oltre 300 geni

inducendo blocco della crescita cellulare, riparo del DNA e apoptosi:

• effetto citostatico reversibile (con ritorno alla proliferazione) o irreversibile (senescenza)

tramite espressione di p21 che inibisce le chinasi ciclina-dipendenti

• riparo del DNA

• apoptosi tramite espressione di Bax e la repressione di geni anti-apoptotici; l’apoptosi è

indotta quando il danno al DNA si dimostra irreparabile per evitare la trasmissione di mutazioni

alla progenie

Matrice extracellulare e sua interazione con la cellula

- intricata rete di macromolecole che riempie lo spazio extracellulare; costituisce i tessuti assieme

alle cellule

- funzioni della ECM:

• mantenimento della struttura fisica e degli organi

• determinazione dello stato di idratazione dei tessuti e degli scambi tra sangue e cellule

• ultrafiltrazione

• influenza forma, migrazione e proliferazione cellulare

• interviene nella morfogenesi e nel differenziamento

• cicatrizzazione e riparo delle ferite

• immagazzina fattori di crescita e cellule staminali (nicchie staminali)

- è costituita da due componenti:

• componente fondamentale/amorfa: proteoglicani (glicoproteine con una massiccia

componente zuccherina utile all’imagazzinamento di acqua); determina la resistenza a forze

pressorie

• componente fibrillare: proteine fibrillari (collagene, elastina, fibronectina); determina elasticità

e resistenza alla tensione

- collagene: 27 proteine trimeriche le cui catene polipeptidiche sono codificate da 40 geni; tessuti

diversi contengono collageni diversi per garantire elasticità e resistenza ottimali

- la cellula dispone di recettori per le proteine della ECM: integrine

• recettore costituito da una catena α e una catena β; lega le proteine della ECM (in particolare

la fibronectina) e il citoscheletro

• esistono 18 subunità α e 8 subunità β che combinate danno 38 tipi di integrine; in tessuti

diversi possono esistere integrine diverse per la stessa proteina

• le integrine formano placche di adesione tra la ECM e le proteine del citoscheletro a cui

partecipano anche chinasi che attivano processi di trasduzione del segnale

- la ECM si organizza e disorganizza ciclicamente: in condizioni fisiologiche esiste un equilibrio tra

i due processi; durante la proliferazione prevale la disorganizzazione

4

- quando la cellula entra in mitosi o deve migrare la disorganizzazione di citoscheletro, placche di

adesione ed ECM le fa assumere una forma tondeggiante e il suo stato adeso

- l’organizzazione e la disorganizzazione delle placche di adesione con la ECM sono anche alla

base del movimento ameboide condotto dalla cellula nel processo di migrazione

Livelli di regolazione dell’espressione genica: struttura del DNA

fenomeni epigenetici

- variazione di origine chimica della struttura del DNA che non altera la sequenza delle basi

azotate ma influenza i livelli di espressione di geni sui quali agisce; è generalmente trasmissibile

da una generazione all’altra

- metilazione delle basi azotate: aggiunta di un gruppo metile alla citosina (5-metilcitosina)

• isole CpG: sequenza di citosine alternate a guanine in prossimità del promotore di un gene

eucariotico; la metilazione di questi siti silenzia la trascrizione di quel gene

• le isole CpG vengono ereditate dalle cellule figlie

amplificazione

- fenomeno che comporta un aumento del livello dell’espressione genica di uno o più geni

- è causato da una duplicazione generata da un crossing-over ineguale in cui i cromosomi

omologhi si appaiano in maniera sfalsata:

• duplicazione genica: se interessa un singolo gene

• duplicazione cromosomica: se l’alterazione riguarda zone più estese comprendenti due o più

geni

- il crossing-over ineguale comporta la formazione di cromosomi ricombinanti: uno dei due avrà

una copia doppia di uno o più geni non più presenti nell’altro cromosoma

- può avvenire anche durante la replicazione del DNA eucariotico: sulla doppia elica figlia si apre

una bolla di replicazione da cui prende inizio un’ulteriore replicazione di quel segmento di DNA

• le nuove bolle possono essere in alcuni casi tagliate dal DNA originario con la conseguente

liberazione di minicromosomi (o double minutes) circolari che vengono ereditati in maniera

casuale dalle cellule figlie

- determina un aumento del livello di trascrizione genica; il fenomeno è rilevante nella

trasformazione tumorale: es. la duplicazione del gene Myc e il conseguente aumento della

concentrazione del suo mRNA induce la cellula a dividersi con più frequenza rispetto alla

condizione fisiologica

mutazioni

- danno al DNA che consiste nell’alterazione della sequenza di basi azotate; si distinguono in

puntiforme, se sono coinvolti uno o comunque pochi nucleotidi dello stesso gene, e

cromosomica, se la sequenza coinvolta è più estesa e coinvolge più geni

- le mutazioni possono essere trasmesse alle cellule figlie

- si distinguono mutazioni somatiche, se riguardano cellule somatiche, e germinali, se riguardano

le cellule progenitrici dei gameti; nel primo caso interessano solo l’individuo in cui nascono e non

sono trasmissibili, nel secondo caso le mutazioni sono trasmissibili alla prole se il gamete mutato

prende parte alla fecondazione

- si distinguono mutazioni dominanti, se è sufficiente che la mutazione avvenga su una delle due

copie del gene per avere effetto, recessive, se è necessario che essa colpisca entrambe le copie

del gene per alterarne il funzionamento 5

- si distinguono mutazioni spontanee, se nascono in normali condizioni di crescita cellulare a

causa, per es. di un errore di DNA pol, indotte, se provocate dall’esposizione del DNA ad agenti

mutageni

- portano alla generazione di un clone cellulare in un individuo mosaico o chimera perché le

cellule figlie di quella con patrimonio genetico mutato portano tutte la stessa mutazione e

nell’individuo convivono cellule con patrimonio genetico normale e mutato

mutazioni spontanee

- sostituzioni nucleotidiche

• causate dalla tautomeria: cambiamento dello stato elettronico delle basi azotate quando

esposte ad elevate temperature o a pH non fisiologico

• comporta il sovvertimento delle regole di appaiamento di Watson e Crick: l’adenina si appaia

con la citosina, la timina si appaia con la guanina

• tautomeria ammino-imminica: sostituzione del gruppo amminico di adenina e citosina con un

gruppo amminico conseguente alla deprotonazione del gruppo amminico

• tautomeria cheto-enolica: sostituzione del gruppo carbonile di timin