Apoptosi. Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

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1 Apoptosi

2 La morte cellulare e la sua regolazione La morte cellulare programmata è un processo fondamentale che controlla lo sviluppo degli organismi pluricellulari; L apoptosi porta all eliminazione di intere strutture (es.: la coda durante lo sviluppo embrionale dell uomo), scolpisce tessuti specifici asportando campi di cellule (es.: il tessuto tra le dita) e regola il numero di neuroni presenti nel sistema nervoso; Le interazioni cellulari regolano lo sviluppo in due modi sostanzialmente diversi: La maggior parte delle cellule degli organismi pluricellulari hanno bisogno di segnali (fattori trofici) per rimanere in vita e in assenza di tali segnali di sopravvivenza la cellula attiva un programma di suicidio In alcuni contesti di sviluppo (es.: sistema immunitario) specifici segnali attivano un programma assassino che uccide le cellule In entrambi i casi la morte cellulare viene mediata dalla stessa via molecolare

3 La morte cellulare programmata avviene tramite apoptosi Cellula normale La perdita di cellule mediante morte cellulare programmata è contraddistinta da una sequenza ben definita di modificazioni morfologiche, nel loro insieme chiamate apoptosi (dal greco cadere da ). Le cellule si condensano, e quindi si suddividono in frammenti che vengono fagocitati da altre cellule. Le cellule che muoiono in risposta ad un danno tissutale (necrosi) aumentano di dimensioni e scoppiano, rilasciando il loro contenuto intracellulare. Cellula apoptotica

4 Le neurotrofine promuovono la sopravvivenza dei neuroni Esperimenti di rimozione di tessuto o di trapianto in embrioni di pollo hanno dimostrato che il numero dei neuroni che innervano le regioni periferiche dipende dalle dimensioni del campo cellulare bersaglio. I neuroni competono per i fattori di sopravvivenza prodotti dal tessuto bersaglio. I sarcomi producono grandi quantità di un fattore trofico l NGF. I fattori trofici, detti neurotrofine sono: NGF, BDNF (brain-derived growth factor) e la neurotrofina-3 (NT-3). Le neurotrofine si legano, attivandoli, ad una famiglia di recettori tirosina chinasi chiamati Trk ( track )

5 Dimostrazione sperimentale che differenti neurotrofine sono necessarie per la sopravvivenza di classi differenti di neuroni sensoriali del ganglio della radice dorsale Negli animali privi di NGF o dei suoi recettori TrkA, i neuroni sensibili al dolore (nocicettivi) che innervano la pelle sono assenti. Negli animali privi o della NT-3 o dei suoi recettori TrkC, sono assenti i neuroni propiocettivi che innervano i fusi Copyright muscolari (c) by W. H. Freeman and Company

6 Neurotrofine diverse sono necessarie per la sopravvivenza di differenti classi di neuroni sensoriali Il BDNF ed i recettori TrkB sono necessari per lo sviluppo dei neuroni sensoriali dei gangli vestibolari, che innervano gli organi dell orecchio interno e che permettono la percezione del moto. I mutanti per il BDNF presentano difetti dell equilibrio associati a quelli del sistema vestibolare. La perdita dei propiocettori nei mutanti NT-3 si associa ad anomalie posturali e motorie. I mutanti per il l NGF (e per i TrkA) in omozigosi sono letali, ed in eterozigosi presentano una minore sensibilità al dolore.

7 Studi genetici in C. elegans hanno chiarito i meccanismi molecolari che regolano l apoptosi. Delle 1090 cellule somatiche generate durante lo sviluppo di C. elegans, 131 vanno incontro ad apoptosi. Mutazioni specifiche hanno portato all identificazione dei geni coinvolti nella regolazione dell apoptosi

8 Studi genetici in C. elegans hanno chiarito i meccanismi molecolari che regolano l apoptosi. a) Larva appena uscita dal guscio con mutazione del gene ced-1 che impedisce la fagocitosi delle cellule morte. b) Larva appena uscita dal guscio con mutazione del gene ced-1 e ced-3. L assenza di accumulo di cellule morte dimostra che l apoptosi non avviene. La proteina CED-3 è necessaria per l apoptosi.

9 Tre classi di proteine funzionano nella via apoptotica Nei vermi che possiedono mutazioni dei geni ced-3 o ced-4, la morte cellulare non si verifica e tutte le 1090 cellule sopravvivono Nei vermi mutanti per il gene ced-9, tutte le 1090 cellule muoiono. Le proteine CED-3 e CED-4 sono necessarie per la morte cellulare; La proteina CED-9 inibisce l apoptosi, e la via apoptotica può essere attivata in tutte le cellule. Nei doppi mutanti ced-9/ced-3 la morte cellulare non si verifica: CED-9 agisce a monte di CED-3 inibendo la via apoptotica.

10 Il gene bcl-2 isolato in tumori umani Il primo gene per l apoptosi clonato nei mammiferi è stato il gene bcl-2. Il gene bcl-2 è stato isolato nel linfoma follicolare umano come prodotto di un riarrangiamento a livello di un punto di rottura. Il gene bcl-2 funge da oncogene, promuovendo la sopravvivenza delle cellule piuttosto che la loro moltiplicazione Le proteine Bcl-2 e CED-9 sono omologhe e fungono da proteine regolatrici che inibiscono la via apoptotica.

11 L apoptosi è una via conservata durante l evoluzione L effettore più importante in C. elegans è la proteasi CED-3. CED-3 è una caspasi (cisteine proteasi che scindono le proteine in corrispondenza di siti in posizione C-terminale rispetto a residui di aspartato). Le cellule dei mammiferi contengono molteplici caspasi. CED-9 e BCL-2 sono proteine di membrana e la CED-4 può legarsi sia alla CED-9 che alla CED-3.

12 Proteine regolatrici pro-apoptotiche promuovono l attivazione delle caspasi La famiglia Bcl-2 comprende sia membri anti-apoptotici (la CED-9 in C. elegans e Bcl-2 e Bcl-xl nei mammiferi) che membri pro-apoptotici (Bax). Sono tutte proteine transmembrana, con un unico dominio che attraversa la membrana. Possono partecipare ad interazioni oligomeriche e sono localizzate sulle membrane mitocondriale esterna, nucleare e del RE. Il destino di una data cellula dipende dai membri della famiglia Bcl-2 presenti I membri della famigli Bcl-2 possono influenzare la distribuzione subcellulare del citocromo c, che contribuisce all attivazione delle caspasi.

13 Proteine regolatrici pro-apoptotiche promuovono l attivazione delle caspasi (2) Nelle cellule normali e sane, il citocromo C è localizzato tra la membrana mitocondriale esterna e quella interna, mentre nelle cellule che vanno incontro ad apoptosi viene rilasciato nel citosol. Nel citosol il legame del citocromo c alla proteina di raccordo Apaf-1 (la CED-4 dei mammiferi) induce l attivazione della cascata delle caspasi. Il rilascio del citocromo c nel citosol è inibito da una espressione elevata di Bcl-2, e stimolato da una espressione elevata di Bax. Non è ancora chiaro come, ma gli omodimeri Bax consentono un influsso di ioni attraverso la membrana mitocondriale esterna che favorisce il rilascio del citocromo c.

14 Alcuni fattori trofici impediscono l apoptosi inducendo l inattivazione di una proteina regolatrice pro-apoptotica

15 Alcuni fattori trofici impediscono l apoptosi inducendo l inattivazione di una proteina regolatrice pro-apoptotica Le neurotrofine, come l NGF, proteggono i neuroni dalla morte cellulare. In assenza di fattori trofici, la forma non fosforilata della proteina Bad è associata all eterodimero Bcl2/Bcl-xl, localizzato a livello della membrana mitocondriale esterna, e ne inibisce la funzione anti-apoptotica. La Bad fosforilata non può legarsi all eterodimero Bcl2/Bcl-xl ed è localizzata nel citosol, legata alla proteina con residui di fosfoserina. Le vie di trasmissione del segnale che portano alla fosforilazione della Bad trasmettono segnali di sopravvivenza. Numerosi fattori trofici attivano la PI-3 chinasi, che attiva la chinasi Akt (protein chinasi B). La Akt fosforila Bad e ne inibisce l attività proapoptotica.

16 Via di trasduzione del segnale dell insulina Ras-indipendente L IRS1 fosforilato si lega anche alla PI-3 chinasi stimolandone l attività chinasica; La proteina chinasi B (protein kinase B, PkB) viene richiamata verso la membrana grazie alla regione N-terminale che contiene un dominio PH (di omologia alla Pleckstrina) che si lega ai fosfoinositidi della membrana plasmatica; La PKB, posizionata a livello della membrana, viene fosforilata e quindi attivata, da 2 chinasi associate alla membrana; La PKB attivata viene rilasciata nel citosol e media molti degli effetti dell insulina, compresa la stimolazione dell assunzione del glucosio e della sintesi del glicogeno. La PKB, detta anche Akt, è una componente della via per la trasmissione del segnale che previene la morte cellulare.

17 La via Ras indipendente attiva la Proteina chinasi B GSK3 = glicogeno sintetasi chinasi 3

18 Alcuni fattori trofici impediscono l apoptosi inducendo l inattivazione di una proteina regolatrice pro-apoptotica

19 Per vedere questa immagine occorre QuickTime e un decompressore Animation.

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