Le vescicole di trasporto trasportano un cargo da un compartimento cellulare ad un altro

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2 Le vescicole di trasporto trasportano un cargo da un compartimento cellulare ad un altro Le proteine di rivestimento guidano la formazione di queste vescicole polimerizzando sulla superficie delle membrane della cellula Differenti proteine di rivestimento sono implicate nella gemmazione di vescicole dai differenti compartimenti

3 Vescicole di endocitosi che gemmano dalla membrana cellulare sono rivestite da clatrina La biogenesi dei lisosomi avviene con vescicole rivestite da clatrina che gemmano dal TGN Vescicole che gemmano dal reticolo endoplasmatico sono rivestite dalle proteine COPII le proteine COPI rivestono le vescicole che gemmano dal Golgi verso il Golgi oppure verso il reticolo endoplasmatico nel traffico retrogado

4 Le vescicole di trasporto traghettano un cargo da un compartimento cellulare ad un altro. Le proteine di rivestimento guidano la formazione delle vescicole: vescicole rivestite da clatrina si formano a livello della membrana plasmatica vescicole rivestite da COPII gemmano dal reticolo endoplasmatico (RE) vescicole che gemmano dal Golgi sono rivestite da COPI reclutata dalle GTPasi della famiglia ARF Copy coats: COPI mimics clathrin and COPII - Cell Jul 9;142(1): doi: /j.cell Hughson FM.

5 La Clatrina, COPI e COPII guidano la formazione di vescicole di trasporto quando polimerizzano sulle membrane cellulari L'unità di assemblaggio della gabbia di clatrina è il triskelion, con le tre catene pesanti della clatrina unite da un nodo centrale La struttura della gabbia formata da COPII è notevolmente diversa, l unità di assemblaggio non è un triskelion ma un eterotetramero formato da quattro subunità lineari, due Sec13 e due Sec31 Copy coats: COPI mimics clathrin and COPII - Cell Jul 9;142(1): doi: /j.cell Hughson FM.

6 Trasporto bidirezionale tra RER e Golgi mediato da COPI e COPII. Le proteine che debbono restare nel RER hanno la sequenza K/HDEL che viene riconosciuta da un recettore. La fusione delle vescicole è mediata dalle proteine v-snare (vescicolari) e t-snare (del target) che ancorano i carrier al loro compartimento target di destinazione. Organization of the ER Golgi interface for membrane traffic control - Nat Rev Mol Cell Biol Jun;14(6): doi: /nrm Brandizzi F, Barlowe C.

7 COPI, COPII e le rotte del traffico anterogrado e retrogrado sono generalmente conservati in tutti gli eucarioti, mentre l'organizzazione dell'interfaccia RER-Golgi varia notevolmente in specie diverse Sono infatti variabili sia la distribuzione dei siti di gemmazione di COPII sul RER, che la natura delle stesse vescicole di trasporto e la dipendenza da componenti citoscheletriche Organization of the ER Golgi interface for membrane traffic control - Nat Rev Mol Cell Biol Jun;14(6): doi: /nrm Brandizzi F, Barlowe C.

8 Apparato di Golgi

9 Apparato di GOLGI Nella zona cis del Golgi è presente un enzima che lega un fosfato al mannosio della catena di 14 zuccheri che era stata aggiunta agli enzimi lisosomali mentre entravano nel RER durante la loro sintesi Nella zona mediale ci sono enzimi che (i) modificano le serie di 14 zuccheri legate nel RER (N-glicosilazione) (ii) iniziano la O-glicosilazione aggiungendo uno zucchero alla volta

10 Nella zona trans sono realizzate ulteriori ramificazioni e reazioni di capping (incappucciamento con galattosio, acido sialico, solfatazione e fucoso) sulle catene glucidiche sia N-linked che O-linked Nella zona TGN (trans-golgi network) avviene il completamento del capping, lo smistamento delle glicoproteine ai recettori per la secrezione regolata oppure per la secrezione costitutiva oppure per la membrana cellulare o per la formazione dei lisosomi Il flusso nel Golgi da cis a trans è controbilanciato dal trasporto retrogrado che riporta al compartimento giusto le proteine erroneamente trasportate

11 La glicosilazione delle proteine è una modificazione post-traduzionale onnipresente in tutti i viventi Le complesse strutture dei glicani svolgono ruoli biologici e fisiologici cruciali, contribuiscono al ripiegamento delle proteine ed al controllo della qualità, permettono il riconoscimento biologico e conferiscono un ulteriore livello di contenuto informativo alle strutture polipeptidiche sottostanti Le strutture di oligosaccaridi sulla superficie cellulare influenzano le interazioni delle cellule con l'ambiente extracellulare, fornendo ligandi per l'adesione cellulare, per le interazioni con varie macromolecole e per l invasione dei patogeni Vertebrate protein glycosylation: diversity, synthesis and function - Moremen Ket al. - Nature Reviews Molecular Cell Biology, 13, , doi: /nrm3383

12 I glicani associati a recettori sulla superficie cellulare possono modulare direttamente il signalling delle proteine e le dinamiche dell endocitosi Ruoli più generali dei proteoglicani comprendono contributi alla sorveglianza immunitaria, alle reazioni infiammatorie, alle reazioni autoimmuni, all'azione degli ormoni ed alle metastasi tumorali Le strutture dei glicani legati alle proteine possono essere molto complesse, con numerose possibilità di ramificazione e di conseguenza hanno una diversità strutturale molto maggiore di quella degli acidi nucleici lineari o delle strutture polipeptidiche Vertebrate protein glycosylation: diversity, synthesis and function - Moremen Ket al. - Nature Reviews Molecular Cell Biology, 13, , doi: /nrm3383

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14 Secrezione costitutiva e secrezione regolata All interno della vescicola = verso l esterno della cellula

15 Matrice extracellulare

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19 Apparato di GOLGI Nella zona cis del Golgi è presente un enzima che lega un fosfato al mannosio della catena di 14 zuccheri che era stata aggiunta agli enzimi lisosomali mentre entravano nel RER durante la loro sintesi Gli enzimi lisosomali non vengono generalmente modificati nell attraversamento delle zone mediale, trans e TGN

20 mannoso-6-fosfato: guida enzimi dal Golgi al lisosoma Cis Golgi network (CGN) Fosforilazione per formare M6P Trans Golgi network (TGN) Clatrina Lisosoma RER enzima lisosomale (precursore) Recettore di M6P Fosfatasi a ph 5 Enzima maturo Ritorno al Golgi del recettore di M6P Rimozione del fosfato e attivazione per proteolisi

21 clatrina

22 Gli enzimi lisosomali sono fosforilati sullo zucchero mannosio nella zona cis del Golgi. Questo permette loro di evitare altre modificazioni nelle zone mediale e trans Golgi, e di essere riconosciuti da recettori nel TGN

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24 La proteina più abbondante della membrana lisosomiale è LAMP1 che arriva ad essere il 50% delle proteine presenti; è coinvolta nel traffico lisosomiale Signals from the lysosome: a control centre for cellular clearance and energy metabolism - Nat Rev Mol Cell Biol May;14(5): doi: /nrm Settembre et al.

25 All interno dei lisosoma sono contenute alcune centinaia di idrolasi acide specifiche verso molti substrati La loro membrana contiene proteine per trasportare sostanze da e verso il lume, pompe di protoni per acidificare il lume lisosomiale e proteine per la fusione del lisosoma con altre strutture

26 Lisosomi : organuli subcellulari con funzione digestiva, funzionano come centro di riciclaggio di materiali che provengono sia dall esterno che dall interno della cellula tutto quello che finisce dentro il lisosoma viene tagliato in piccoli pezzi (idrolisi) e quindi inviato nel citosol cellulare per essere riutilizzato

27 Principali funzioni dei Lisosomi

28 I lisosomi possono ricevere materiali provenienti da: - esterno (endocitosi) - interno (autofagia) - oppure possono riversare all esterno i loro enzimi fondendosi con la membrana plasmatica (es. cellule della linea ematopoietica, osteoclasti, melanociti, varie cellule cancerose, nei meccanismi cellulari di difesa da parassiti, per la funzione piastrinica nella coagulazione, nel rilascio delle idrolasi dall acrosoma degli di spermatozoi durante la fecondazione, ecc. Signals from the lysosome: a control centre for cellular clearance and energy metabolism - Nat Rev Mol Cell Biol May;14(5): doi: /nrm Settembre et al.

29 extracellulare extracellulare Fecondazione Impianto Invasione DIGESTIONE Materiale esogeno intracellulare intracellulare Materiale endogeno

30 DIGESTIONE extracellulare extracellulare intracellulare intracellulare Fecondazione Impianto Invasione le cellule tumorali invasive, con rapide divisioni cellulari ed invasività, sono fortemente dipendenti dai lisosomi Materiale esogeno la trasformazione e la progressione del cancro portano a drammatici cambiamenti del volume lisosomiale, della loro composizione e della distribuzione intracellulare Materiale endogeno Cancer-associated lysosomal changes: friends or foes? - Kallunki et al. - Oncogene (2013) 32,

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32 Alcuni micobatteri patogeni liberano sostanze che impediscono alla vescicola di fagocitosi di fondersi con i lisosomi, originano patologie con lunghi tempi di incubazione, come la tubercolosi o la lebbra

33 Le patologie lisosomali derivano da accumulo di materiale indigeribile Le malattie lisosomali sono malattie genetiche dovute ad errori del metabolismo che si manifestano fin dall infanzia

34 Sebbene le malattie lisosomali siano individualmente rare, come gruppo hanno una frequenza stimata intorno ad 1 su nati

35 Che modalità di trasmissione hanno? esempio => Tay-Sachs, malattia genetica dovuta alla mancanza dell enzima lisosomale esosaminidasi A l esosaminidasi A è implicata nella demolizione della parte glicidica di un glicolipide chiamato ganglioside senza tale enzima, il ganglioside parzialmente degradato si accumula, specialmente nel sistema nervoso la sintomatologia comprende un progressivo ritardo nello sviluppo, paralisi, cecità e morte entro i primi 3-4 anni di vita

36 Indice delle principali malattie lisosomali disordini del metabolismo del glicogeno disordini del metabolismo dei glicolipidi disordini del metabolismo dei mucopolisaccaridi disordini del metabolismo di oligosaccaridi/glicoproteine disordini degli enzimi della biogenesi dei lisosomi disordini del trasporto attraverso la membrana lisosomale altri disordini

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38 All azione anti-infiammatoria di alcuni composti, ad esempio il Cortisone, contribuisce la stabilizzazione della membrana dei Lisosomi Composti che rendono più fragile la membrana dei Lisosomi possono avere un effetto teratogeno

39 La loro funzione appare sempre più ampia, intervengono in processi come secrezione, signalling, riparazione della membrana plasmatica, metabolismo energetico, sistema immunitario Il ruolo essenziale dei lisosomi nell autofagia mette questi organuli al crocevia di diversi processi cellulari, con implicazioni significative per la salute e la malattia Uno stesso fattore di trascrizione, TFEB, che regola biogenesi dei lisosomi ed autofagia in risposta a stimoli ambientali, come la fame, sta diventando interessante per fornire nuove strategie terapeutiche per modulare la funzione lisosomiale nelle malattie Signals from the lysosome: a control centre for cellular clearance and energy metabolism - Nat Rev Mol Cell Biol May;14(5): doi: /nrm Settembre et al.

40 Signals from the lysosome: a control centre for cellular clearance and energy metabolism - Nat Rev Mol Cell Biol May;14(5): doi: /nrm Settembre et al.

41 Le cellule sane utilizzano l'autofagia come un meccanismo generale di pulizia e di sopravvivenza allo stress L'autofagia inizia con la crescita di una membrana di isolamento per l'azione coordinata delle proteine ATG: ne risulta la formazione dell'autofagosoma L autofagosoma si forma rapidamente e si fonde con i lisosomi Disregolazione dell autofagia si osserva in varie patologie umane, quali malattia di Crohn, Gen 2014 Nov 2014 cancro e neurodegenerazione La biogenesi di alcuni mirna regola e controlla l espressione di alcune proteine necessarie per l autofagia

42 MVB =MultiVesicular Body

43 Autofagia e apoptosi spesso si escludono a vicenda: l induzione dell autofagia blocca l induzione dell apoptosi, le caspasi attivate nel corso dell apoptosi bloccano il processo autofagico In alcuni casi i due processi coesistono portando ad una eccessiva distruzione di citoplasma e quindi ad una morte per autofagia La P53 nel citosol inibisce l autofagia, quando trasloca nel nucleo attiva geni per l autofagia e successivamente l apoptosi, quando migra sui mitocondri induce mitofagia ed apoptosi Gen 2014

44 Inibizione di apoptosi e anoikis (apoptosi indotta da senza casa ) da parte dell autofagia DISC, death-inducing signalling complex; PTP, permeability transition pore

45 Lisofosphatidilcolina = LPC Interferire con le relazioni tra autofagia e apoptosi ha importanti conseguenze patofisiologiche

46 Impatto dell autofagia nella rimozione delle cellule morte e nell attivazione del sistema immunitario

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