I derivati del mesoderma. Miogenesi

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1 I derivati del mesoderma Miogenesi

2 Cellule muscolari Cellula muscolare: cellula specializzata per la contrazione con un apparato contrattile particolarmente sviluppato. I mammiferi possiedono 4 tipi diversi di cellule muscolari: muscolari scheletriche; muscolari lisce; muscolari cardiache; mioepiteliali.

3 Proprie del tessuto cardiaco, hanno organizzazione strutturata di actina e miosina. Responsabili dei movimenti volontari, possono essere molto grandi e sono sincizi. Responsabili della contrazione involontaria di molti organi; non appaiono striate Le cellule mioepiteliali si trovano negli epiteli dove permettono la secrezione delle ghiandole e la dilatazione dell iride. Differentemente dagli altri tipi le cellule muscolari mioepiteliali derivano dall ECTODERMA.

4 Gastrulazione I precursori del mesoderma si involvono sotto il tetto del blastocele Organogenesi Si sviluppa la notocorda Il mesoderma si raggruppa lungo i lati della notocorda formando blocchi separati di segmenti definiti somiti

5 Linee di discendenza cellulare del mesoderma negli amnioti BMP4

6 Anteriormente.. al mesoderma del tronco si trova un altra regione mesodermica: il mesoderma della testa tessuti connettivi muscolatura della faccia e degli occhi

7 Nel pollo Mesoderma, endoderma e tubo neurale si formano contemporaneamente Quando le pieghe neurali cominciano a unirsi le cellule del mesoderma parassiale formano i somiti Alla neurulazione il mesoderma somitico prospettico si segmenta in blocchi

8 I somiti Strutture transitorie Vertebre e muscoli scheletrici Noggin specifica il mesoderma parassiale

9 I somiti COMPONENTI DELLA SOMITOGENESI SOMITI Periodicità (Notch, Wnt, FGF) Fissurazione Epitelizzazione Specificazione Differenziamento La proteina Notch regola la periodicità dei somiti

10 Epitelizzazione del somite Le cellule esterne del somite immaturo si uniscono in un epitelio L epitelizzazione di ogni somite viene stabilizzata dalla sintesi di fibronectina e di N-caderina

11 Specificazione La specificazione lungo l asse A-P è regolata dai geni Hox

12 Derivati del somite Quando il somite matura forma regioni diverse, ognuna delle quali dà origine solo a certi tipi cellulari Le cellule localizzate nelle regioni dorsali e laterali dei somiti costituiscono il DERMAMIOTOMO (Pax3). Le cellule della zona ventromediale formano lo SCLEROTOMO CARTILAGINE delle vertebre e delle coste

13 Differenziamento: i mioblasti Dal dermamiotomo si forma il miotomo (cellule muscolari) e il dermatomo (derma) Le cellule mediali del miotomo formeranno i muscoli (MyoD) Fattori provenienti dal tubo neurale e dall ectoderma sovrastante inducono il miotomo a differenziare Wnt1 Wnt3a Bassi livelli di Shh

14 Modello delle principali interazioni postulate nella formazione del piano strutturale dei somiti sclerotomo (vertebre) Una combinazione di proteine Wnt, provenienti dall epidermide, e la proteina morfogenetica dell osso (BMP4) specificano i mioblasti ipoassiali

15 DETERMINAZIONE DEL MIOTOMO I fattori paracrini inducono i mioblasti ad esprimere la proteina MyoD, mediante attivazione dei fattori di trascrizione Pax3 (nel miotomo ipoassiale) e Myf5 (nel miotomo epiassiale) ed a migrare lontano dalla regione dorsale.

16 MIOGENESI Produzione proteine dell apparato contrattile Durante il differenziamento subiscono modificazioni strutturali: assumono forma bipolare, si fondono a costituire miotubi multinucleati

17 Miogenesi Pax3 myod Una volta attivato, si autoaattiva myod e myf5: proteine miogeniche specificano la discendenza delle cellule muscolari miogenina differenziamento

18 Il gene myo-d L espressione forzata: 1. Nei mioblasti in coltura ne blocca la crescita e induce il differenziamento in cellule muscolari mature 2. Alcune linee di fibroblasti si differenziano in cellule del muscolo scheletrico 3. Riesce a riconvertire verso un programma di differenziamento muscolare anche cellule istologicamente molto distanti: adipociti, neuroblastomi, condrociti, muscolo liscio, fibroblasti, neuroni, Myo-D ha il ruolo di gene regolatore principale: master regulatory gene Per svolgere il suo ruolo necessita dell ausilio di altri geni: miogenina myf-5 mrf-4 Famiglia genica di myo-d hanno la stessa funzione di myo-d

19 Differenziamento del muscolo scheletrico nei vertebrati Myo-D e myf-5 uno di essi è espresso in modo preferenziale (a seconda della specie) si autoattivano e si inibiscono a vicenda

20 MyoD e Myf5 appartengono a una famiglia di fattori di trascrizione con un dominio HLH Tutte le proteine di questa famiglia si legano al DNA in siti simili e attivano geni specifici del muscolo. Es: la proteina MyoD attiva il gene della creatinfosfochinasi muscolo-specifica; myod attiva anche se stesso: il suo prodotto si lega a monte del suo stesso gene tenendolo attivo

21 Hierarchy of transcription factors regulating progression through the myogenic lineage. Six1/4 and Pax3/7 are master regulators of early lineage specification. Myf5 and MyoD commit cells to the myogenic program. Bentzinger C F et al. Cold Spring Harb Perspect Biol 2012 Expression of the terminal differentiation genes, required for the fusion of myocytes and the formation of myotubes, are performed by both myogenin (MyoG) and MRF4

22 FUSIONE DEI MIOBLASTI IN COLTURA Tempo crescente in presenza dello stimolo

23 ACCRESCIMENTO DEL MUSCOLO SCHELETRICO Il numero di cellule muscolari di un adulto viene raggiunto nell uomo prima della nascita Le cellule muscolari scheletriche sono incapaci di dividersi per cui un muscolo si accresce aumentando il volume della cellula. L aumento di lunghezza è ottenuto mediante fusioni alle estremità, mentre l aumento di circonferenza si ottiene per aumento del numero e delle dimensione delle miofibrille contrattili. Le cellule muscolari secernono la proteina extracellulare Miostatina che ne limita la crescita

24 RIGENERAZIONE DEL MUSCOLO SCHELETRICO Alcuni mioblasti persistono nell adulto come cellule staminali quiescenti Sono cellule appiattite in stretto contatto con la cellula muscolare, mantenute in uno stato di quiescenza, ma disponibili per l autorinnovamento; si attivano, iniziando a proliferare e poi a fondersi, in risposta a fattori di crescita (es. FGF) o in seguito ad un danno muscolare.

25 Schematic of skeletal muscle and the satellite cell niche. ADULT MYOGENESIS (A) Satellite cells reside along the host muscle fiber and are marked by Pax7 expression (red); nuclei (blue); cytoplasm (green). (B) Satellite cells (arrow) marked by Pax7 (green) are found beneath the basal lamina (red) that surrounds each muscle fiber. In mature muscle, they are always associated with a myonucleus (arrowhead) and are in close proximity to local capillaries (empty arrowhead) Representation of skeletal muscle and the satellite cell niche. Bentzinger C F et al. Cold Spring Harb Perspect Biol 2012 Molecular signals within the niche govern the behavioral response of satellite cells in maintaining quiescence or activation during injury.

26 Muscolo striato scheletrico adulto invecchiamento Durante l invecchiamento le cellule satellite perdono la capacità di fondersi a formare miotubi Giovane Vecchio Comparsa di miotubi più sottili

27 RIGENERAZIONE IN SEGUITO A DANNO Ipertrofia: crescita come conseguenza dell'ingrossamento delle cellule muscolari Iperplasia: crescita mediante aumento del numero di fibre muscolari

28 DANNO DISTROFICO La riparazione muscolare funziona bene per alcuni animali, ma meno bene per l uomo, come ad esempio nelle distrofie muscolari. Le cellule satelliti proliferano costantemente, ma il tessuto muscolare viene rimpiazzato da tessuto connettivo.

29 IDENTIFICATA UNA PROTEINA ASSOCIATA ALLA MIOGENESI E ALLA DISTROFIA MUSCOLARE 09 April 2013 Uno studio della Yale University, condotto da Anton Bennett, professore associato di farmacologia alla School of Medicine, ha identificato nella proteina MKP-5 un regolatore della chinasi MAP a cascata, un sistema cellulare che regola le funzioni delle cellule staminali dei muscoli e pertanto fonte di nuove cellule. La scoperta apre a nuove possibili terapie che puntano ad inibire MKP-5 e a migliorare i trattamenti per diverse malattie degenerative muscolari ed in particolare per la distrofia muscolare di Duchenne, malattia degenerativa del muscolo scheletrico causata da mutazioni della proteina distrofina. Lo studio è stato effettuato sui topi (Journal of Clinical Investigation).

30 La Distrofia Miotonica di tipo 1 (DM1) È una forma comune di distrofia muscolare. Come altre distrofie muscolari, è caratterizzata da debolezza muscolare e atrofia, ma si distingue per difetti aggiuntivi nel differenziamento muscolare. Lo sviluppo fetale del muscolo è pregiudicato in pazienti con una forma congenita della malattia e nei pazienti adulti la rigenerazione muscolare può essere compromessa.

31 La creazione di cellule staminali pluripotenti umane indotte ( hipscs ) ha permesso la produzione di modelli in vitro, cellule paziente - specifici della malattia l'espressione inducibile MYOD1 in hipscs immature per almeno 5 giorni dirige le cellule verso il differenziamento miogenico, con una efficienza fino al 70-90%. Il differenziamento miogenico guidato da MYOD1 si è verificato anche in cellule immature, hipscs quasi del tutto indifferenziate, senza transizione mesoderma. Miopatia di Miyoshi (MM ): è una miopatia distale congenita causata da difetti di riparazione della membrana muscolare dovuta a mutazioni della dysferlina. Utilizzando questa tecnica di differenziazione indotta, è stata ricreata con successo la condizione patologica di MM in vitro, dimostrando un difetto di riparazione della membrana in miotubi hipsc derivati da un paziente MM.

32 (A) Myogenic differentiation pathways of embryonic, regenerative and C2C12 myobl(a) MyoD and Myf5 are expressed in muscle precursor cells (myoblasts). These cells proliferate and in some cases migrate to sites of muscle formation. Myogenin and MRF4 are involved in the differentiation of myoblasts into multinucleated myotubes that eventually incorporate into myofibers. (B) In adult muscle, satellite cells serve to regenerate lost tissue. Satellite stem cells are normally quiescent, but become activated by muscle damage. Activated satellite cells divide to renew themselves and produce a lineage of distinct myoblasts. These myoblasts express MyoD or Myf5 and undergo several rounds of mitosis. It has been shown in mice that MyoD is required for regenerative myoblasts to differentiate. MyoD+ cells initiate differentiationspecific genes (such as myogenin and MRF4), exit the cell cycle and form myotubes that fuse with damaged myofibers.