Stem Cells. Medicine Biology. Bioethics

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1 Stem Cells Medicine Biology Bioethics

2 Dal DNA all organismo complesso Organismo (uomo) Il corpo umano è composto damiliardi di cellule Ogni nucleo cellulare è dotato di un identico corredo cromosomico I cromosomi sono in coppia Ogni cromosoma è una lunga molecola di DNA e i geni sono regioni funzionali su questa molecola Il DNA è una doppia elica Tutte le cellule di un individuo hanno lo stesso DNA. Ma non sono tutte uguali! Combinazione di geni on e off = identità cellulare

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4 What are the molecular bases of differentiation?

5 Differentiation as an Epigenetic Phenomenon Epigenetic Landscape Conrad Hal Waddington (1940)

6 Regolazione dell espressione genica Prodotti dei geni necessari al metabolismo cellulare (housekeeping): sempre presenti Prodotti degli altri geni: regolati Come si attua questa regolazione?

7 Trascrizione Maturazione RNA Trasporto RNA nel citoplasma Stabilità mrna Traduzione Stabilità proteine

8 Negli eucarioti, prima di passare nel citoplasma, l RNA deve essere modificato mediante una serie di eventi noti come processo di maturazione dell RNA - Aggiunta del cappuccio al 5 (guanina + 2 gruppi metilici (sito di inizio traduzione) - Processamento degli introni - Aggiunta coda poli-a al 3

9 Maturazione dell RNA Dall RNA devono essere allontanate le sequenze introniche con un processo chiamato splicing

10 Trascrizione Maturazione RNA Trasporto RNA nel citoplasma introni presenti: no trasporto Stabilità mrna Controllo code polia Rimozione CAP Traduzione Accorciamento code polia e riallungamento Stabilità proteine ubiquitinazione

11 Trascrizione Fattori trascrizionali Basali (legati ai promotori) Speciali (legati agli enhancer) Struttura della cromatina aperta o chiusa

12 Epigenetics and Chromatin

13 Bivalent Chromatin Domains Differentiation Pluripotency Genes Activity Differentiation Genes Activity

14 Stem Cells: at the crossroad between self-renew and differentiation Differentiation Stem Cell Differentiated Cell Stem Cell

15 Cellule differenziate: Combinazione di geni attivi o inattivi non modificabile Si duplicano un numero ridotto di volte (o non si duplicano più) dando origine sempre allo stesso tipo di cellule Cellule staminali: Cellule non specializzate in grado di dividersi per lunghi periodi dando origine a diversi tipi di cellule

16 Cellule Staminali 1. Non svolgono alcuna funzione specifica, come cellule del sangue, muscolari o nervose, ma possono diventare ciascuna di esse 2. Una popolazione di cellule staminali può proliferare in laboratorio per molti mesi, rimanendo indifferenziata: autorinnovamento 3. Differenziamento guidato da segnali intracellulari (attivazione specifica di geni) ed extracellulari (molecole secrete da cellule vicine o presenti nel mezzo)

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18 Asymmetric division Two sisters with different fates size, morphology gene expression pattern number of subsequent divisions

19 Two mechanisms: 1. response to extracellular signals (extrinsic mechanism) 2. cell autonomously (intrinsic mechanism) 1. response to extracellular signals From: Knoblich JA. Cell 132: , 2008

20 Stem Cell Niches Example: HSC (Hsu and Fuchs, 2012)

21 Polarized mother cell capable of segregating specific factors called determinants into one of its daughter cells to initiate a particular developmental pathway in this cell but not its sister. Four steps From: Ahringer, Curr. Opin. Cell Biol. 15:73-81, 2003

22 Spindle orientation and Slicening of a cake Vertical slice = 2 pieces of equal size and content Horizontal slice = 2 pieces of unequal size and content Symmetric division Asymmetric division From: Kaltschmidt and Brand, J. Cell Sci. 115:

23 Asymmetric divisions of Drosophila neuroblasts From: Bonaccorsi et al., Nature CellBiol2: 54-56

24 Proteins involved in asymmetric cell division identified in D. melanogaster

25 Proteins involved in asymmetric cell division identified in C. elegans

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27 Cellule Staminali Embrionali: totipotenti o pluropotenti Provengono dalla inner cell mass di embrioni di 4-5 giorni (blastocisti) prodotti in vitro Adulte: multipotenti Cellule indifferenziate mescolate ad altre differenziate in un dato tessuto o organo necessarie per mantenere e/o riparare i tessuti

28 Embryonic Stem Cells Embryonic Stem Cells derive from the early embryo. Blastocyst ICM Inner Cell Mass Embryonic Stem Cells

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30 Adult Stem Cells Adult Stem Cells are present in (some) organs during our entire lifetime. They are able to regenerate our tissues. Prometeus Ἧπαρ (liver) is derived from ἠπάοµαι (repair). (Thanks to A. Musarò!)

31 Adult Stem Cells Adult Stem Cells are multipotent or unipotent. Satellite Cell Differentiation Muscle Fiber

32 Adult Stem Cells Some examples of Adult Stem Cells: - Hematopoietic Stem Cells - Muscle Stem Cells (satellite cells) - Skin Stem Cells

33 Adult Stem Cells Adult Stem Cells are multipotent or unipotent. Satellite Cell Differentiation Muscle Fiber

34 Differentiation as an Epigenetic Phenomenon Epigenetic Landscape Conrad Hal Waddington (1940)

35 Reprogramming the Epigenome At the GENETIC level an embryonic cell is identic to an adult cell (with very few exceptions). Genes are not lost, gained or modified during differentiation. If this is true, we could reprogram the EPIGENETIC state of the cell to bring it back to an embryonic state.

36 Somatic Cell Nuclear Transfer (SCNT) and Cell Fusion These experiments clearly showed that some sort of Reprogramming Factors is present in the cytoplasm of the egg and of the embryonic stem cells. Such factors can reprogram a somatic nucleus to an embryonic stem cell-like state.