CRITERI DI CLASSIFICAZIONE DELLE MALATTIE focale diffusa

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1 PATOLOGIA GENERALE DEFINIZIONI DI MALATTIA Qualsiasi condizioni del corpo e della mente che diminuisce la probabilità di sopravvivenza dell individuo o della specie. Assenza dello stato di salute. Deviazione rilevabile della condizione omeostatica. Comporta un aumento dell entropia. E una condizione dinamica. DEFINIZIONE DI SALUTE (OMS) Stato di tenesse fisico, mentale e sociale completo e non semplice assenza di malattia. L omeostasi è un disequilibrio controllato. L azione di fattori patogeni intrinseci o estrinseci possono portare a: adattamento/risposta difensiva malattia mancato adattamento malattia, morte Il mancato adattamento è anche una possibile descrizione dell invecchiamento. CRITERI DI CLASSIFICAZIONE DELLE MALATTIE focale diffusa Topografico disseminata sistemica generalizzata (da non confondersi con sistemica ) Funzionale es. malattie psichiche, del metabolismo, ecc. Eziologico es. malattie virali, ambientali, professionali Epidemiologico es. malattie stagionali, ricorrenti, ecc. Sindrome (concorso): associazione di diversi fenomeni patologici che hanno in comune un nesso fisio-patologico, ovvero una sola causa per anomalie di vari organi. Stress: risultato non specifico di qualsiasi richiesta abnorme rivolta all organismo. Stimoli abnormi ed eterogenei portano ad una risposta unitaria, non specifica, della cellula in 3 fasi: 1. allerta 2. resistenza 3. esaurimento Agenti stressanti ambientali Condizioni patologiche Shock termico Metalli pesanti Inibitori del metabolismo energetico Chemioterapici Processi flogistici Febbre Neoplasie Infezioni Ischemia Danno ossidativo Tutti questi fattori portano alla denaturazione di proteine. Le HSP (Heat Shock Proteins) presenti si staccano dall HSF (Heat Shock Factor) monomerico, allo scopo di rinaturare le proteine. L HSF può così trimerizzare e attivare nel nucleo la trascrizione delle stress proteins. Il processo si verifica in pochi minuti: c è un aumento misurabile delle HSP in mezz ora. L RNA delle HSP non contiene introni. Le HSP sono altamente conservate (sono uguali nell uomo e in Drosophila), quindi sono fondamentali per la sopravvivenza. Le HSP sono proteine chaperone che prevengono l aggregazione delle proteine e ne ripristinano la giusta conformazione. Esistono stress proteins costitutive e indotte. Quelle costitutive servono a garantire che le proteine siano prodotte correttamente. Funzioni delle proteine chaperone: impedire l aggregazione e la precipitazione delle catene proteiche durante la traduzione e delle proteine con conformazione alterata; aiutare le catene polipeptidiche ad assumere una conformazione corretta o a riacquistarla dopo un evento che ne ha alterato la struttura; hanno un ruolo nella degradazione delle proteine alterate strutturalmente. Mutazioni delle proteine chaperone chaperonopatie. Fattori che possono disturbare il processo di ripiegamento di una proteina nascente: 1. mancata sintesi contemporanea di tutti i domini della proteina; 2. presenza di grande quantità di macromolecole; 3. esposizione di regioni che si ripiegano lentamente o idrofobiche. Quando c è una situazione di stress vengono sintetizzate le chaperonine inducibili. Tra le proteine da stress c è l ubiquitina (~ 9 Da), che si lega alle proteine che devono essere degradate e le conduce al proteasoma dove vengono degradate. Instabilità delle proteine nell ambiente cellulare: 1. denaturazioni e modificazioni (ossidoriduzioni, glicosilazioni spontanee); 2. esposizione a tossici ambientali: radicali dell O 2, metalli pesanti, alcuni antibiotici; 3. mutazioni che causano l assunzione di conformazioni anomale. 1

2 ADATTAMENTO Capacità delle cellule di modulare alcune funzioni in caso di stress Fisiologico Patologico Adattamento metabolico (es. digiuno, dopo rifampicina) Adattamento strutturale Aumentata richiesta funzionale: aumento del numero delle cellule iperplasia aumento delle dimensioni delle cellule ipertrofia entrambe Diminuita richiesta funzionale: riduzione del numero delle cellule involuzione riduzione delle dimensioni delle cellule atrofia cellulare entrambe Quando lo stimolo termina si ha la restitutio ad integrum. Questi processi sono reversibili entro certi limiti. Meccanismi alla base dell ipertrofia: stimoli meccanici; stimoli nervosi; fattori di crescita; vengono indotti fattori trascrizionali e geni embrionali. Meccanismi alla base dall atrofia: distruzione di proteine citosoliche: aumento dell RNA codificante ubiquitina e proteasomi; distruzione di costituenti cellulari autofagia. Autofagia: nel reticolo endoplasmatico vengono prodotte vescicole dotate di una doppia membrana; la vescicola avvolge l organulo e si fonde con un lisosoma; parte del materiale viene riutilizzata, parte rimane nel vacuolo e dà origine ai corpi residui, che si presentano elettrondensi (es. lipofuscine, che rappresentano l accumulo di fosfolipidi nei lisosomi); è un processo ubiquitario, regolato nel corso dello sviluppo e in base alla nutrizione; ruolo centrale della chinasi Tor: l inattivazione di Tor ad opera della fosfatasi PP2A induce autofagia. Autofagia e malattie: eccessiva autofagia si associa a malattie neurodegenerative (es. Parkinson, cardiomiopatie); deficit di autofagia si associa a tumori. La morte cellulare si divide in 2 categorie: apoptosi morte cellulare programmata; necrosi. Esistono anche una serie di modalità intermedie. APOPTOSI Funzione dell apoptosi: nell organismo viene mantenuta un omeostasi cellulare; il bilancio tra l incremento (differenziamento da precursori e proliferazione) e il decremento (differenziamento e morte) della popolazione cellulare è finemente regolato; senza morte cellulare, una persona di 80 anni avrebbe 2 tonnellate di midollo osseo e linfonodi, e un intestino di 16 km. Esempi di apoptosi: morte cellulare durante embriogenesi (regressione vasi, ecc.); sostituzione delle cellule dell epitelio delle cripte intestinali; regolazione della popolazione delle cellule B e T nel sangue; nelle malattie autoimmuni ci sono cellule del sangue che sono iperreattive nei confronti di cellule self. L apoptosi è conservata nell evoluzione: i geni che la regolano in C. elegans (studiati da Sydney Brenner), sono gli stessi che la regolano nell uomo. Caratteristiche morfologiche della cellula apoptotica: condensazione e frammentazione specifica della cromatina; vacuolizzazione del citoplasma; membrana intatta (non c è rilascio di materiale all esterno); formazione di invaginazione e protrusioni della membrana; formazione a partire dalle protrusioni di corpi apoptotici, che contengono organuli; fagocitosi dei corpi apoptotici; assenza di fenomeni infiammatori. La cellula scompare senza indurre modificazioni nell ambiente circostante. Se la cellula si rompesse, il contenuto si spanderebbe nell ambiente extracellulare e scatenerebbe fenomeni infiammatori. 2

3 Frammentazioni della cromatina: il DNA genomico viene tagliato da endonucleasi specifiche in frammenti di lunghezza discreta; questi frammenti sono lunghi 200 bp o multipli. Il DNA è arrotolato sugli istoni. Tra un istone e l altro il DNA è esposto e quindi può essere tagliato dall endonucleasi. Il DNA avvolto intorno ad un istone è lungo 200 bp. A volte l endonucleasi manca un taglio e quindi ci sono filamenti di lunghezza multipla. Nella cellula necrotica il DNA subisce una degradazione casuale. Fagocitosi dei corpi apoptotici: i macrofagi riconoscono i corpi apoptotici e li fagocitano; il recettore della fosfatidilserina viene esposto sulla superficie esterna della membrana plasmatica dei corpi apoptotici; molecole di superficie (TSP-1, CD36) o intracellulari (DOCK180) sono coinvolte nella fagocitosi. Il passaggio dall interno all esterno della membrana del recettore della fosfatidilserina è catalizzato dalla flippasi. VIE PER INDURRE L APOPTOSI Via estrinseca Ligandi extracellulari Attivazione di recettori specifici caspasi Via intrinseca Stress intra- ed extracellulari (stress ossidativo, farmaci citotossici, radiazioni) mitocondrio caspasi Pathway recettore-mediato (death receptors) Il ligando si lega al recettore: la porzione citosolica induce la reazione all interno della cellula. Tra i recettori più importanti ci sono il FAS, il CD95 e il TN-α. Ci sono anche dei recettori esca, che non hanno la componente intracellulare e non inducono nessuna reazione. L attivazione della porzione citosolica delle proteine avviene legando il FADD, che adatta il recettore alla procaspasi. La procaspasi contiene diverse caspasi. Legandosi al FADD viene tagliata e si formano le caspasi attive. Le caspasi 8 e 10 sono attivatori di altre proteine della stessa famiglia, le caspasi 3, 6 e 7, che sono le caspasi effettrici. Le caspasi effettrici attivano una serie di substrati coinvolti nell apoptosi, come l endonucleasi, substrati che fanno formare le bolle o portare sulla superficie esterna della membrana il recettore della fosfatidilserina. Esiste anche una via di attivazione dalle caspasi 8 al mitocondrio. Pathway mitocondriale L attivazione avviene a livello mitocondriale: vengono alterate o regolate alcune proteine della famiglia delle BCL-2 (BAD, BAX, BCL-2, BCL-X L ). Alcune di queste promuovono l apoptosi (BAD, BAX), altre la inibiscono (BCL-2, BCL-X L ). Apoptosoma: gruppo di proteine che contiene il citocromo c, proteina mitocondriale che si libera quando avviene l apoptosi. L apoptosoma ha la stessa funzione delle caspasi attivatici: attiva le caspasi effettrici. Il livello di ATP nella cellula è importante per il funzionamento dell apoptosoma: se c è ATP l apoptosoma può funzionare, se manca ATP la cellula muore per necrosi. MEDIATORI DELL APOPTOSI Bcl-2 Famiglia di proteine caratterizzate da 4 BH (Bcl2 homology) domains (dominio: parte di una proteina dotata di una certa funzione). Si dividono in: antiapoptotici: Bcl2, Bcl-X L, Bcl-w, MCL1, DIVA, NR-13 (BH 1, 2, 4 domains); proapoptotici: BAX, BAK, BOK (pochi BH domains) e Bad, Bik, Bid, Bim (solo BH3). Caspasi Proteasi sintetizzate come procaspasi e attivate da tagli proteolitici. Agiscono su substrati specifici (altre caspasi e non), tagliando in corrispondenza dell acido aspartico (Asp): caspasi. 14 caspasi di mammifero conosciute. Classificate in 3 gruppi: caspasi (apoptotiche) iniziatrici: lungo prodominio (-2, -8, -9, -10); caspasi (apoptotiche) effettrici o esecutive: corti prodomini (-3, -6, -7); caspasi coinvolte nella maturazione delle citochine. Substrati delle caspasi ICAD (inibitore della DNAasi attivata dalle caspasi). CAD libero trasloca nel nucleo e frammenta il DNA genomico. PARP (Poly (ADP-ribose) Polimerase): enzima che ripara il DNA viene inattivato. ROCK 1 (Rho-associated coiled-coil forming kinase I). Se tagliata, rimane attiva e fosforila permanentemente la MLC (miosine light chian): avvengono modificazioni morfologiche della cellula. Actina, lamina. 3

4 Inibitori Proteine cellulari agiscono come inibitori dell apoptosi a vari livelli: FLIPs, simili alla procaspasi-8, ma prive di attività catalitica. Bloccano il death receptor; Proteine Bcl-2: regolano la permeabilità della membrana mitocondriale. Proteine virali e cellulari agiscono come inibitori dell attività delle caspasi (IAPs): NAIP (Neuronal Apoptosis Inhibitory Protein): protegge i neuroni da prematura apoptosi nel morbo di Parkinson; Survivina; P35 del Baculovirus: è un potente inibitore delle caspasi. PATOLOGIE ASSOCIATE AD UN ECCESSO DI APOPTOSI Malattie neurodegenerative: Parkinson: neurotossine inducono stress ossidativo sul mitocondrio dei neuroni e produzione di Bax; Alzheimer: APP e TAU possono indurre apoptosi. Atrofie muscolari spinali: mutazione in Survival of Motor Neuron (SMN). AIDS: HIV-1 induce l apoptosi in CD4+ (helper) T cells / via mitocondriale. Alcool Stress ossidativo PATOLOGIE ASSOCIATE AD UN DIFETTO DI APOPTOSI Cancro: da infezione virale; da mutazione nel DNA genomico. Malattie autoimmuni: diabete tipo I (mediatori infiammatori da T cells, glucosio/il-1): l organismo non riesce a distruggere le cellule autoreattivi, le quali distruggono le isole di Langerhans; encefalomieliti: antigeni contro mielina. Neuroni e oligodendrociti muoiono per apoptosi. APOPTOSI E CANCRO Molti dei meccanismi di controllo della proliferazione cellulare fanno capo all apoptosi: eccessiva proliferazione o crescita in luoghi non appropriati induce apoptosi nelle cellule interessate. Mutazioni che causano overespressione di oncogeni pro-proliferativi come cmyc, E1A o E2F1, sensibilizzano le cellule verso l apoptosi e non sono sufficienti per la formazione del tumore. Cellule tumorali possono proliferare se eludono i controlli apoptotici. La resistenza delle cellule tumorali all apoptosi è una caratteristica essenziale dello sviluppo del tumore ed è causata da overespressione di geni anti-apoptotici o inattivazione di geni pro-apoptotici. NECROSI NECROSI: morte cellulare patologica; si instaura una condizione infiammatoria; la necrosi, tuttavia, viene utilizzata anche in processi fisiologici. NECROSI FISIOLOGICA: rimpiazzamento degli enterociti intestinali: apoptosi e necrosi; maturazione follicolare durante oogenesi: apoptosi e necrosi; morte indotta da attivazione di linfociti T primari (regolazione negativa della risposta immunitaria). Esperimenti di genetica indicano che la necrosi può sostituire l apoptosi durante lo sviluppo embrionale. Gli inneschi di apoptosi e necrosi usano molecole in comune. LA CELLULA NECROTICA Distribuzione dispersa della cromatina degradazione del DNA. Dilatazione degli organelli. Degradazione delle membrane (membrane degli organelli e membrana plasmatica). Materiale cellulare nel mezzo no fagocitosi INFIAMMAZIONE Nell apoptosi, il DNA viene tagliato in frammenti lunghi 200 bp o multipli; nella cellula necrotica, invece, avviene un taglio casuale: le DNAasi tagliano a random. STIMOLI PATOLOGICI CHE PORTANO ALLA NECROSI Virus, batteri, protozoi. Tossine batteriche. Componenti del sistema immunitario: complemento, NK attivati, macrofagi peritoneali. Deplezione di ossigeno, glucosio e altri fattori trofici (ischemia) necrosi massiva (cellule endoteliali, neuroni, miocardiociti, cellule renali, ecc.) RECETTORI CELLULARI DEL PROGRAMMA DI NECROSI 4

5 Stimoli e recettori: membri della famiglia dei recettori del TNF possono innescare la necrosi, oltre che l apoptosi (es. linfociti T attivati muoiono per necrosi via FAS e attraverso un meccanismo caspasi-indipendente); excitotossine (NMDA, AMPA, Kainate) inducono necrosi in vari tipi di cellule via recettori del glutammato (NMDA receptor, ecc.); ischemia, stress ossidativo e farmaci citotossici agiscono direttamente sui sistemi intracellulari. Mediatori intracellulari: ioni calcio; kinasi indotte da stress (JNK, p38); PARP: Poly(ADP-ribosio)polimerase. Il recettore FAS può attivare sia la necrosi, sia l apoptosi. La PARP nell apoptosi viene degradata, mentre viene attivata nella necrosi. Effettori mitocondriali: proteine della famiglia Bcl-2: Bcl-X L, BNIP3. Geni anti-apoptotici favoriscono la necrosi bloccando Cyt C; massiccia attivazione di PARP, che riduce drasticamente il livello di ATP; ioni calcio inducono ROS (Reactive Oxygen Species) Effettori finali: Reactive Oxygen Species (ROS), come H 2 O 2, vengono prodotte dal mitocondrio; le ROS attivano proteasi, lipasi e nucleasi; degradazione di proteine cellulari, membrane e DNA. Proteasi: calpaine; catepsine; ser-prot. Le caspasi hanno substrati specifici. Le proteasi, invece, degradano le proteine che hanno una funzione all interno della cellula. CONSEGUENZE DELLA NECROSI: INFIAMMAZIONE L organismo necessita di uno stimolo infiammatorio per attivare il sistema immunitario e far fronte a condizioni patologiche come infezioni, traumi, cellule trasformate, ecc. La morte cellulare per necrosi crea questo stato infiammatorio rilasciando nel mezzo mediatori solubili (prima o dopo la distruzione della cellula). HSP70, calreticinina, oligonucleosomi e carboidrati sono noti per la loro capacità di attivare le Antigen Presenting Cells (APC). Molti virus esprimono inibitori delle caspasi. La necrosi rappresenta una via alternativa per indurre la morte cellulare (significato evolutivo). APOPTOSI O NECROSI? Il bilanciamento tra i fattori pro-apoptotici (anti-necrotici) e pro-necrotici (anti-apoptotici) determinano se una cellula morirà per apoptosi o per necrosi. Una stessa specie cellulare può passare da apoptosi a necrosi, se il suddetto bilanciamento cambia (es. glucatione in U937). Specie cellulari diverse hanno sistemi regolativi diversi (es. NMDA su NMDAR porta a necrosi o ad apoptosi a seconda del tipo cellulare, della presenza di inibitori o della diversa espressione dei recettori). L organismo decide se, in quella particolare condizione patologica o fisiologica, quel tipo di cellula deve morire per necrosi o per apoptosi: le condizioni patologiche prediligono la necrosi perché necessitano di una condizione infiammatoria per far fronte alla patologia; in condizioni fisiologiche prevale l apoptosi. PATOLOGIE ASSOCIATE A NECROSI Infezioni Morbo di Alzheimer. Morbo di Creuzfeldt-Jakob. Epilessia. Malattie infiammatorie. Ischemie. MODULAZIONE DELLA MORTE CELLULARE COME TERAPIA In molte patologie, la modulazione della necrosi e dell apoptosi viene considerata come un possibile approccio terapeutico: aumento della morte cellulare (tumori); inibizione della morte cellulare (ischemia). Ischemia: inibitori delle caspasi sono già utilizzati in danni ischemici del miocardio e del cervello per ridurre il fenomeno apoptotico; in aree ischemiche, il blocco della necrosi favorirebbe una riduzione della morte del tessuto; SB è un inibitore della stress kinase p38, utilizzato con successo in modelli di ischemia cerebrale; UU126 (inibitore di MEK/ERK) protegge l ippocampo da ischemia cerebrale; 3-aminobenzamide (inibitore di PARP) previene danni ischemici al miocardio e al cervello. 5

6 RADICALI LIBERI I radicali liberi sono molecole o frammenti di molecole che hanno uno o più elettroni spaiati negli orbitali esterni. Sottraggono elettroni ad altre molecole per completare il loro ottetto. Molecole bersaglio: acidi nucleici; proteine; lipidi delle membrane biologiche. Danno origine a stress ossidativo. Fattori che influenzano l iperproduzione di radicali liberi: diete sbilanciate, prive di verdure; fumo; alcool; inquinamento; raggi solari; esercizio fisico intenso. In condizioni fisiologiche, il 3% dell O 2 a livello mitocondriale non entra in catena respiratoria, ma forma radicali liberi, che vengono neutralizzati dalle difese antiradicaliche. Alla formazione dei radicali liberi concorrono diverse molecole, tra cui il citocromo b ed enzimi citoplasmatici, come la xantina ossidasi. Anche la presenza di Fe 2+ e Cu catalizza la formazione di radicali liberi. I radicali liberi più frequenti sono: O 2 : si forma a livello della catena respiratoria, oppure per azione degli enzimi ossidasi. H 2 O 2 : prodotto dalla superossidodismutasi a partire da O 2 e trasformato in acqua dalla catalasi. OH - : il glucatione difende da questo radicale libero passando alternativamente dalla forma ossidata a quella ridotta. NO. Le vitamine C, E ed A hanno azione antiradicalica. Se i meccanismi di protezione sono insufficienti, la cellula viene danneggiata: si può arrivare ad un danno tale da uccidere la cellula. Le proteine con gruppi sulfidrilici (SH) sono molto sensibili ai radicali liberi, che formano un cross-legame tra i gruppi SH. I doppi legami dei lipidi polinsaturi sono suscettibili all azione dei radicali liberi, che formano perossidi (radicali liberi di natura lipidica) innescando una reazione autocatalitica a catena. I RL interagiscono con le timine del DNA genomico e mitocondriale, provocando una rottura dell elica. Se gli enzimi riparatori non funzionano si possono avere mutazioni. I RL possono inoltre convertire la deossiguanosina in idrodeossiguanosina. DANNO DA RIPERFUSIONE Se una coronaria è occlusa da un trombo, il tessuto miocardico a valle di essa diventa ischemico. Quando si rivascolarizza, il danno diventa più esteso di quello provocato dall ischemia. Questo fenomeno è detto danno da riperfusione. Ischemia ATP ADP AMP Adenosina Inosina Ipoxantina Attivazione di proteasi citosoliche Conversione proteolitca della xantina deidrogenasi in xantina ossidasi Se non c è O 2, la xantina ossidasi è inattiva. Riperfusione O 2 ipoxantina + xantina ossidasi + O 2 urato + H 2 O 2 + O 2 (radicale superossido) Fe 3+ (catalizzatore) O 2 + OH- + OH (radicale ossidrile) Danno PMN (polimorfonucleati) Radicali liberi Danno 6

7 I radicali liberi sono uno dei meccanismi antimicrobici più efficienti. I globuli bianchi usano mieloperossidanti per uccidere i microbi invasori. O 2 O 2 - NADPH ossidasi superossido H 2 O 2 Cl -, Br -, I -, Scn - perossidasi HOX Acido ipoanico Terapia O 2 eccesso di O 2 PMN, macrofagi infiammazione PMN, xantina ossidasi danno da riperfusione MECCANISMO DI SMALTIMENTO DEI RADICALI LIBERI ENDOGENI Sistemi enzimatici: superossidodismutasi; catalasi; glucatione perossidasi; denaturasi; acido lipoico. ESOGENI Dieta: antiossidanti; grassi polinsaturi. Molecole chelanti i metalli: albumina; ferritina; transferrina; celluloplasmina. INVECCHIAMENTO Progressiva perdita di efficienza dei meccanismi di conservazione dell omeostasi biologica. Teorie evoluzionistiche Pleiotropia antagonistica: geni vantaggiosi in giovane età sono deleteri in età avanzata. Disposable soma: le cellule somatiche sono mantenute solo per assicurare la riproduzione della specie. Accumulo di mutazioni: non c è selezione contro quelle mutazioni che compromettono la capacità di adattamento e di sopravvivenza nella vecchiaia. Teorie sistemiche Immulogica. Neuroendocrina. Rate of living: il potenziale metabolico di ogni organismo è prefissato. Teorie cellulari Radicali liberi: il metabolismo ossidativo produce RL che danneggiano proteine e DNA (anche mt). Wear & tear: accumulo di danni per alterazioni posttraduzionali (glicossidazione e infiammazione). Teorie molecolari Restrizione dei codoni: l accuratezza della traduzione degli mrna è compromessa. Catastrofe molecolare. Genetica. 7

8 Principali teorie dell invecchiamento Errori macromolecolari (crosslinking/glicossidazione) Radicali liberi Danno mitocondriale Teoria genomica ERRORI MACROMOLECOLARI Crosslinking Calore + glucosio: crosslinking di aa. Diabete + A.G.E. invecchiamento precoce. Glucosio + Gruppo amminico proteico Base di Schiff Prodotto di Amadori Prodotto con legame trasversale Le molecole di collagene crosslinkano in modo irreversibile i vasi e il cristallino diventano più rigidi. Il proteasoma non è più in grado di eliminare le proteine anomale. RADICALI LIBERI I tessuti postmitotici (cervello, muscolo, miocardio) possono essere i bersagli critici del ROS nell invecchiamento. Un drammatico aumento della mortalità correlata all età coinvolge malattie del cuore e del sistema nervoso. La restrizione calorica riduce la produzione di radicali liberi nei mitocondri. DANNO MITOCONDRIALE La riparazione del DNA mt non è efficiente. Il DNA mitocondriale codifica per 13 subunità proteiche, 22 trna e 2 rrna. La delezione di ogni singolo trna mt compromette la sintesi proteica mitocondriale. Un deficit di proteine mitocondriali aumenta la generazione di radicali liberi. 1. Declino nel trasposto di elettroni riduzione della sintesi di ATP. 2. Aumentata sintesi di radicali liberi. 3. Induzione di morte cellulare per rilascio del citocromo c, che entra nel citoplasma provocando l apoptosi. SENESCENZA REPLICATIVA TEORIA GENOMICA Una cellula normale si può replicare al massimo volte, poi raggiunge la senescenza replicativa: la cellula non muore, ma non risponde più a stimoli proliferativi. Gli organismi vivono più a lungo se le loro cellule sono capaci di più divisioni cellulari. Significato della senescenza replicativa: le cellule neoplastiche richiedono più 4-6 mutazioni per assumere un fenotipo maligno; contenere la proliferazione (vale a dire un numero minore di duplicazioni del DNA) riduce l incidenza di mutazioni. SINDROMI DA INVECCHIAMENTO PRECOCE Sindrome di Verner (AR): wrn codifica una DNA elicasi aumento delle mutazioni (soprattutto delezioni). Atassia telangectasica (AR): atm, una protein chinasi della famiglia delle PI-3 chinasi, media la risposta a rotture nella doppia elica. Progeria di Hutchinson-Gilford (AD): difetto molecolare non identificato. Sindrome di Down. Sindrome di Cockayne. Gli animali modificati geneticamente per essere più piccoli della norma vivono più a lungo. In C. elegans, la mutazione di age-1 aumenta l attività della SOD e della catalasi aumentata resistenza allo stress ossidativo. In C. elegans, la mutazione di clk-1, coinvolto nella sintesi del coenzima Q (componente della catena di trasporto di elettroni mitocondriale) rallenta lo sviluppo e ritarda l invecchiamento, probabilmente come risultato di un rallentato metabolismo. Questi link genetici tra invecchiamento e danno ossidativo sono validi in animali in cui la maggior parte delle cellule è in fase postmitotica un topo k/o per SOD e glucatione perossidasi non ha invecchiamento precoce. Topi k/o per p66 shc : durata della vita aumentata del 30%. p66 shc è una molecola che traduce il segnale dopo stress ossidativo. Il fattore trascrizionale DAF-16 controlla l espressione di vari geni, alcuni dei quali implicati nella longevità. Tra questi ci sono geni anti-aging, tra cui gli enzimi antiossidanti HSP, e geni pro-aging. Questi ultimi hanno a che fare con la riproduzione. TELOMERI I telomeri costituiscono l estremità dei cromosomi e sono formati da sequenze ripetute. Hanno la funzione di proteggere i cromosomi dai danni ed evitare che si chiudano su se stessi o crosslinkino. 8

9 Ogni volta che una cellula si divide, perde circa 350 basi di telomeri. Nelle cellule staminali è presente la telomerasi, che mantiene invariata la lunghezza dei telomeri, rigenerandoli dopo ogni replicazione. La telomerasi si trova nelle cellule embrionali, staminali e nel 90% dei tumori maligni dell uomo. Cellula senza telomerasi senescenza replicativa. Cellula con telomerasi NO senescenza replicativa. Nella progeria, i telomeri alla nascita sono molto corti. EPIGENETICA E INVECCHIAMENTO Le variazioni epigenetiche sono variazioni dell espressione genica non implicanti mutazioni del DNA. Nelle cellule vecchie è stata osservata un ipometilazione generalizzata accompagnata da ipermetilazione selettiva, soprattutto a carico dei geni controllori del mantenimento dell integrità del genoma (caretaker), come p53. Nell invecchiamento sono importanti tanto i fattori genetici, tanto i fattori ambientali. Ci sono cellule che non crescono perché sono quiescenti: esiste quindi la possibilità di confrontare la quiescenza con la senescenza. La quiescenza è reversibile. La quiescenza è determinata dall inibizione da contatto. L eterocromatina è presente solo nelle cellule vecchie, ma non nelle cellule quiescenti. Eziologia delle malattie: cause intrinseche; cause estrinseche. EZIOLOGIA DELLE MALATTIE Nella risposta a stimoli estrinseci esiste comunque una variabilità individuale. Malattia congenita: presente alla nascita. Malattia ereditaria: dovuta al patrimonio genetico, ma non necessariamente presente alla nascita (es. Corea di Huntington). Malattie dello sviluppo: errori di morfogenesi (malformazioni); anomalie cromosomiche; single gene disease; malattie poligeniche. Malformazione: errore di morfogenesi. Le malformazioni possono essere dovute a: cause sconosciute; agenti chimici (talidomide blocco della formazione vascolare focomelia); infezioni (rosolia nel primo trimestre); radiazioni ionizzanti. Nel corso dello sviluppo fetale ci sono momenti di particolare sensibilità: aborto: entro i primi 15 giorni; SNC: 2 a -5 a settimana; cuore: 2 a -6 a settimana; estremità: 3 a -7 a settimana; occhi: 3 a -7 a settimana. Il periodo più a rischio è il primo trimestre. Deformazione: risultato di un fattore meccanico (es. mancanza di liquido amniotico). La sequenza del DNA può cambiare, ma ciò non è sempre negativo perché questo meccanismo è alla base dell evoluzione. I processi evolutivi sono caratterizzati dalla selezione di mutazioni casuali della sequenza degli acidi nucleici, che conferiscono alle specie nuove caratteristiche favorevoli alle condizioni ambientali. Mutazione: alterazione permanente del DNA: mutazioni geniche in regioni codificanti o non codificanti; disordini citogenetici. Molte mutazioni possono essere silenti. MUTAZIONI PUNTIFORMI Missenso: sostituzione di un amminoacido con un altro. Non senso: sostituzione di un amminoacido con un segnale di stop. Si ottiene una proteina più corta non funzionante o instabile. Frame shift: sfasamento del corpo di lettura dovuto ad un inserzione o a una delezione che porta all inserimento di amminoacidi che non sono quelli della proteina nativa. 9

10 Effetti: 1. perdita di funzione completa (null); 2. mutazioni costitutivamente attive (es. RAS: serve a tradurre il segnale dalla membrana al nucleo; nei tumori il RAS è sempre attivo, quindi la cellula riceve il segnale di crescita anche in assenza di un fattore di crescita); 3. acquisizione di nuove funzioni (gain of function). DISORDINI CITOGENETICI Anomalie numeriche Euploidia (multipli di N): mancata divisione meiotica gamete diploide; fecondazione di una cellula uovo con 2 spermatozoi. Cardiociti ed epatociti possono essere fisiologicamente poliploidi. Aneuploidia (non multipli di N): non disgiunzione meiotica (molti casi di sindrome di Down); anafase ritardata (alcuni casi di sindrome di Turner). Anomalie strutturali Delezioni Traslocazioni Amplificazioni Inversioni: paracentriche (dalla stessa parte del centromero); pericentriche (da parti opposte del centromero). Delezioni terminali o interstiziali Sindrome cri du chat: delezione del segmento distale di 5p. Sindrome di Wolf-Hirschorn (delezione di 4p). Rb (retinoblastoma) e Wilms (tumore). Sindrome di Di George/sindrome velo-cardio-facciale: delezione 22q11 difetto di sviluppo delle strutture del III e IV arco branchiale: dismorfie facciali; alterazioni del palato; cardiopatie; aplasia timica; ipoplasia delle parotidi. Traslocazioni Leucemia mieloide cronica (un frammento del cromosoma 22 migra sul cromosoma 9 dando origine ad un cromosoma chimerico detto cromosoma Philadelphia): abl è un oncogene che viene attivato con la traslocazione proliferazione dei blasti mieloide. Inversione Emofilia: mancato funzionamento del fattore VIII della coagulazione. Amplificazione Neuroblastoma (amplificazione di regioni del cromosoma 2): vengono prodotte grandi quantità del gene Mic, che stimola la proliferazione cellulare. TRISOMIA 21 SINDROME DI DOWN 95%: mancata disgiunzione meiotica; 4%: traslocazione robertsoniana di q21 su un cromosoma acrocentrico (22 o 14); 1%: mosaicismo. L incidenza della sindrome di Down aumenta con l età della madre (1/50 sopra i 45 anni), perché le cellule uovo non sono soggette a ricambio, quindi con il tempo aumentano le probabilità che subiscano mutazioni. Normalmente gli spermatozoi alterati non arrivano a fecondare la cellula uovo, quindi la causa è quasi sempre materna. Gli affetti da sindrome di Down sono soggetti ad Alzheimer precoce e sono esenti da aterosclerosi. 10