Apoptosi nello sviluppo. Biologia dello sviluppo Tor Vergata Dott.ssa Merlo 3 Dic 2014

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Cipriano Piccinini
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1 Apoptosi nello sviluppo Biologia dello sviluppo Tor Vergata Dott.ssa Merlo 3 Dic 2014

2 + Apoptosi Apoptosi (dal Greco antico ἀπό apo, via e πτῶσις ptōsis, cadere ): processo di morte cellulare programmata (programmed cell death, PCD) che si verifica negli organismi multicellulari MORTE ALTRUISTA!

3 Apoptosi È un meccanismo importante per: + il corretto sviluppo l omeostasi tissutale la risposta cellulare a stress o patogeni

4 Sydney Brenner, H. Robert Horvitz e John E. Sulston Sydney Brenner Brenner ha contribuito a dimostrare geneticamente la natura a triplette del codice di traduzione delle proteine, fornendo le basi della comprensione della natura del codice genetico. Ha anche caratterizzato Caenorhabditis elegans come organismo modello per lo studio dello sviluppo animale, incluso lo sviluppo neuronale. Sulston lavorò a Cambridge sulla neurobiologia di C. elegans, producendo la mappa completa dei neuroni del verme. Ha continuato a lavorare sul sequenziamento del genoma del verme (il primo ad essere completato nel 1998) e di altri genomi. Una delle sue scoperte più importanti è la comprensione dell ordine preciso tramite il quale le cellule si dividono in C. elegans, la cell lineage embrionale del verme. Nel 2002 ricevono il Premio Nobel in Medicina per le loro scoperte riguardanti la regolazione genetica dello sviluppo degli organi e della morte cellulare programmata H. Robert Horvitz John E. Sulston

5 Apoptosi Morte cellulare programmata (condizioni fisiologiche normali suicidio cellulare) Perdita dei contatti cellulari Condensazione citoplasmatica e riduzione del volume cellulare Permeabilità normale della membrana Cromatina condensata in tipici aggregati granulari Frammentazione tipica della cromatina Frammentazione della cellula in corpi apoptotici senza rilascio di citoplasma Esposizione della fosfatidilserina Infiammazione assente Necrosi Morte cellulare incontrollata (ipossia, ipotermia variazioni estreme delle condizioni fisiologiche) Rigonfiamento cellulare e di tutti i compartimenti Permeabilità alterata della membrana Lisi cellulare con rilascio di enzimi lisosomiali nel fluido extracellulare Infiammazione

6 Apoptosi vs Necrosi

7 Cellule Nuclei DNA From Taylor et al., 2008 La cromatina si frammenta con un pattern tipico

8 Induzione dell APOPTOSI Assenza di fattori di crescita Danno al DNA (causato da radiazioni, sostanze chimiche, ROS) Legame ligando-recettore

9 Condizioni fisiologiche dell APOPTOSI Normale sviluppo embrionale (eliminazione della membrana interdigitale) Normale turnover cellulare (villi intestinali) Metamorfosi (regressione della coda degli anfibi) Citotossicità cellulo-mediata (uccisione T-cell mediata)

10 Patologie legate all APOPTOSI Aumento dell apoptosi AIDS Malattie neruodegenerative Sindromi mielodisplastiche Danno ischemico (infarto del miocardio, ictus) Diminuzione dell apoptosi Cancro Malattie autoimmuni (Lupus, glomerulonefriti immuno-mediate) Infezioni virali (Herpesvirus, Poxvirus, Adenovirus) Malattie del fegato indotte da tossine (alcohol)

11 Vie di segnalazione dell APOPTOSI VIA ESTRINSECA comincia all esterno della cellula ed è mediata dall attivazione di recettori di morte sulla membrana esterna, dovuta al legame con ligandi pro-apoptotici VIA INTRINSECA comincia all interno della cellula ed è mediata dal mitocondrio

12 Recettori di morte transmembrana FasR TNFR1 DR3 Trail-R1 (DR4) Trail-R2 (DR5) DR6 Proteine adattatrici FADD o TRADD Caspasi iniziatrici Casp-8 o -10

13 Proteine che governano la permeabilità della membrana mitocondriale esterna (pro- o anti-apoptotiche) Proteine della famiglia di Bcl-2 che promuovono il rilascio di Citocromo C Apoptosoma Apaf1/dATP/citocromoc/Casp-9 macchinario necessario affinché vengano attivate le caspasi esecutrici (3, 6 e 7) Caspasi esecutrici Casp-3,-6 e -7 La via apoptotica mitocondriale è regolata dalle IAPs (inibitori delle caspasi) e da Smac/ DIABLO (inibitori delle IAPs)

14 +

15 Apoptosi nello sviluppo L importanza che l apoptosi esercita nello sviluppo animale aumenta con la complessità degli organismi Un nematode che non può eseguire l apoptosi ha una vita normale ma ha un 15% di cellule in eccesso e pochi problemi funzionali Topi, invece, a cui la Casp3 è stata eliminata presentano morte perinatale dovuta ad una crescita cellulare eccessiva nel sistema nervoso centrale, per la mancanza di apoptosi nelle cellule neuroepiteliali. I topi che mancano di BclX muoiono anche prima, nel giorno embrionale 13, per eccessiva apoptosi nel cervello, nella corda spinale e nel sistema ematopoietico Knock-out e transgenici hanno aiutato a capire in quali tessuti uno specifico gene apoptotico funziona

16 Regressione della coda nella rana +

17 Eliminazione della membrana interdigitale Apaf1 Knock-out Bax BclXL Cyt c Casp9 Casp3 Apaf1 Assenza di apoptosi Apoptosi regolare E Cecconi et al., 1998

18 Sviluppo del sistema nervoso Apaf1 Knock-out Bax BclXL Cyt c Casp9 Casp3 Apaf1 E 15.5 E 14.5 E /- +/+ -/Cecconi et al., 1998

19 Sviluppo del sistema nervoso Cyt c Knock-in expressing mutant cyt c Bax BclXL Cyt c Apaf1 Casp9 Casp3 E Hao Z. et al., 2005

20 Sviluppo del sistema nervoso Caspase 9 Knock-out Bax BclXL Cyt c Casp9 Casp3 E 10.5 Apaf1 E /+ -/- +/+ -/- Kuida et al., 1998

21 Sviluppo del sistema nervoso Caspase 3 Knock-out Bax BclXL Cyt c Casp9 Casp3 Apaf1 +/+ -/- + PN 16 Roth et al., 1999

22 APOPTOSI e danno al DNA Quando la cellula ha il DNA danneggiato attiva dei meccanismi di riparo Se il danno è irreparabile o il sistema di riparo non funziona la cellula va in apoptosi Esistono vari sistemi di riparo del danno al DNA, a seconda del tipo di danno Se il danno è caratterizzato dalla rottura del doppio filamento (DSB), due sono i processi che possono essere attivati: Ricombinazione omologa (HR) Ricombinazione non omologa (NHEJ) (il pathway più usato poichè non prevede la presenza del cromatide fratello e può essere utilizzato durante tutto il ciclo cellulare)

23 p53: il guardiano del genoma p53 subisce modificazioni post-traduzionali (tipo fosforilazione) che ne aumentano i livelli e l attività trascrizionale p53 attiva la trascrizione di vari geni apoptotici (Noxa, PUMA, Bax, Bid, Apaf1) danno al DNA (chemioterapici, radiazioni, ROS) Fosforilazione di H2AX HR NHEJ

24 Ku70/86: la proteina di riparo del danno al DNA (NHEJ)

25 Ku70/86 reprime l espressione del gene Apaf1 De Zio et al., 2011

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