Apoptosis. and a time to die

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1 Apoptosis For every cell, there is a time to live and a time to die

2 Apoptosis There are two ways in which cells die: They are killed by injurious agents. They are induced to commit suicide.

3 Death by injury Le cellule che vengono danneggiate da insulti, come danni meccanici o l esposizione a sostanze chimiche tossiche, subiscono una serie caratteristica di modifiche: Esse e i loro organelli (come i mitocondri) si rigonfiano (perché la membrana plasmatica perde la capacità di controllare il passaggio di ioni e di acqua). Il contenuto della cella fuoriuscire, con conseguente infiammazione dei tessuti circostanti. infiammazione

4 Death by suicide

5 shrink (si riducono/contraggono); Death by suicide la cromatina (DNA e proteine) nei loro nucleo viene degradata; si frammentano in corpi apoptotici (piccoli frammenti cellulari avvolti da membrana); rilasciano ATP, che si lega a specifici recettori sulle cellule con attività fagocitica (macrofagi, cellule dendritiche ), attraendole verso le cellule apoptotiche. Una sorta di find-me-signal (trovami!). Il fosfolipide fosfatidilserina, che normalmente si trova sul versante interno della membrana plasmatica, viene esposto sul versante esterno, fungendo da segnale eatme (mangiami!) per i fagociti che hanno raggiunto le cellule morenti. I fagociti inglobano i frammenti e rilasciano citochine che inibiscono l'infiammazione (es., IL-10 e TGF-β)

6 Death by suicide La sequenza di eventi che porta all apoptosi è così ordinata che il processo è spesso chiamato morte cellulare programmata. I meccanismi che portano all apoptosi, sono intrinseci alla cellule, come lo sono quelli che portano alla mitosi.

7 Differenze morfologiche tra necrosi e apoptosi I seguenti cambiamenti morfologici (soprattutto ultrastrutturali) caratterizzano la cellula che va incontro ad apoptosi: shrink = riduzione delle dimensioni cellulari (cellula più piccola, cyt denso, organelli addensati) Condensazione cromatina, è la > caratteristica. La cromatina si aggrega perifericamente sotto la membrana nucleare, in masse ben delimitate, di varie forme e dimensioni. Nucleo si rompe in > 2 frammenti. Formazione di estroflessioni citoplasmatiche e corpi apoptotici. La cella apoptotica mostra inizialmente bollosità di superficie, poi va incontro a frammentazione in corpi apoptotici circondati da membrana composti da cyt e da organelli citoplasmatici + o frammenti nucleari. Fagocitosi dei corpi apoptotici da parte delle cellule parenchimali adiacenti o dei macrofagi. Le cellule adiacenti migrano e proliferano per rimpiazzare.

8 Differenze funzionali tra necrosi e apoptosi La più importante differenza funzionale: L APOPTOSI, A DIFFERENZA DELLA NECROSI, NON INDUCE INFIAMMAZIONE.

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11 Ad un esame istologico (in tessuti colorati con EE) l apoptosi coinvolge singole cellule o piccoli aggregati cellulari. Le cellule apoptotiche appaiono come masse ovali, con citoplasma intensamente eosinofilico, con densi frammenti nucleari di cromatina. Poiché la riduzione del cellulare e la formazione dei corpi apoptotici è rapida e i frammenti sono rapidamente fagocitati e degradati, può avvenire una considerevole apoptosi nei tessuti prima che essa appaia evidente nelle sezioni istologiche. L apoptosi è un evento veloce e pulito, per questo motivo per lungo tempo non è stata osservata.

12 Why should a cell commit suicide? There are two different reasons

13 1. L apoptosi è necessaria per un corretto sviluppo quanto lo è la mitosi Esempi: Il riassorbimento della coda girino al momento della sua metamorfosi in una rana avviene per apoptosi. La formazione delle mani e dei piedi del feto richiede la rimozione, per apoptosi, del tessuto tra loro. L esfoliazione) del rivestimento interno dell'utero (l'endometrio) all'inizio delle mestruazioni avviene per apoptosi. La formazione delle connessioni appropriate (sinapsi) tra i neuroni nel cervello richiede che le cellule in eccedenza (non accoppiate) vengano eliminate per apoptosi.

14 2. La morte cellulare programmata è necessaria per distruggere le cellule che costituiscono una minaccia per l'integrità dell'organismo Esempi: Cellule infettate da virus Uno dei modi in cui I linfociti T citotossici (CTLs) uccidono le cellule infettate da virus e quello di indurre in queste cellule l apoptosi. e alcuni virus sviluppano contromisure per impedirlo!

15 2. L apoptosi è necessaria per distruggere quelle cellule che potrebberio rappresentare una minaccia per l integrità dell organismo continua Cellule con il DNA danneggiato che potrebbero diventare cancerose Le cellule rispondono al danno al DNA incrementando la loro produzione di un fattore di trascrizione: p53, un potente induttore di apoptosi. Infatti le mutazioni a carico del gene per p53, che producono una proteina difettosa, sono frequenti nelle cellule cancerose.

16 About p Dopo il danno al DNA 2. la proteina p53 viene up-regolata 3. causando l arresto del ciclo cellulare e il potenziamento dei meccanismi di riparazione del DNA. 4. Se il danno al DNA non puo essere riparato ❸ APOPTOSI ❶ ❷. ❹ ❺ ❻❼❽

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18 Induttori di apoptosi Aumento di ossidanti all interno della cellula; danno al DNA da parte dei suddetti ossidanti e di: UV raggi X farmaci chemioterapici; accumulo di proteine che hanno perso/non hanno raggiunto la loro conformazione terziaria stabile (UNFOLDING) molecole che legano specifici recettori sulla superficie cellulare e inducono la cascata di eventi che portano all apoptosi. Questi ATTIVATORI DI MORTE comprendono: Tumor necrosis factor-alpha (TNF-α); Lymphotoxin (also known as TNF-β); Fas ligand (FasL).

19 I meccanismi dell apoptosi Ci sono 3 diversi meccanismi attraverso i quali una cellula può andare in apoptosi. 1. Uno generato da segnali che nascono ALL INTERNO DELLA CELLULA; 2. un altro innescato dagli ATTIVATORI DI MORTE che si legano ai rispettivi recettori sulla superficie cellulare: TNF-α Lymphotoxin Fas ligand (FasL) 3. un terzo che può essere innescato direttamente dai ROS= REACTIVE OXYGEN SPECIES.

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21 1. Apoptosi innescata da segnali esterni: la via di attivazione estrinseca o death receptor pathway Fas e il recettore per il TNF sono proteine integrali di membrana (Death receptors) che legano il loro ligando complementare = death activator (FasL and TNF rispettivamente) e trasmettono nel citoplasma un segnale che porta alla attivazione della caspasi 8 la caspasi 8 (come la caspasi 9) inizia una cascata di attivazione di caspasi che porta alla frammentazione della cellula e alla sua fagocitosi. Fas L Fas

22 Fase effettrice: le C * ASP * ASI. Le caspasi sono un gruppo di proteasi con cisteina nel sito attivo; questi enzimi possono tagliare altre proteine dopo un residuo di acido aspartico, tale capacità NON è comune alle altre proteasi. Il nome deriva dalle caratteristiche della proteina: C come cisteina nel centro reattivo; ASP in luogo di acido aspartico riconosciuto come sito di taglio nell ambito di una sequenza amminoacidica; ASI come tutti gli enzimi litici.

23 Cascata delle caspasi La caspasi 9 attiva i precursori delle caspasi 3 e 9, le quali attivano altre caspasi, tagliano enzimi e attivano endonucleasi.

24 La caspasi 3 degrada infatti una serie di substrati: Bcl-2 ridotta protezione dall apoptosi. GELSOLINA (actin binding protein che in presenza di calcio ha la funzione di sciogliere il gel di actina) alterazioni citoscheletriche. LAMININE (proteine che tengono insieme la membrana nucleare) alterazioni membrana nucleare. DNA Fragmentation Factor (DFF) attiva la frammentazione del DNA. Questa serie di eventi porta nel suo complesso all apoptosi.

25 2) Apoptosi innescata da segnali endogeni (internidanno DNA e unfolding): la via di attivazione intrinseca o mitochondrial pathway Bax

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27 In un cellula healthy la membrana mitocondriale esterna presenta sulla sua superficie la proteina Bcl-2. Bcl-2 inibisce l apoptosi. Un danno al DNA induce (tramiya p53) la sintesi della proteina Bax, che migra sulla superficie mitocondriale, dove annulla l effetto protettivo di Bcl-2 e, inserendosi nella membrana mitocondriale esterna, forma/apre dei pori che fanno uscire il citocromo c.

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29 L apoptosoma Questo complesso è denominato APOPTOSOMA. Si tratta del complesso multiproteico costituito dal Citocromo c, Apaf-1, pro-caspasi 9 e ATP!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! che attiva la pro-caspasi 9, che a sua volta attiva la caspasi 3. Portando all apoptosi.

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31 Apoptosis-Inducing Factor (AIF) Neurons, and perhaps other cells, have another way to self-destruct that unlike the two paths described above does not use caspases! Apoptosis-inducing factor (AIF) is a protein that is normally located in the intermembrane space of mitochondria. When the cell receives a signal telling it that it is time to die, AIF is released from the mitochondria (like the release of cytochrome c); migrates into the nucleus binds to DNA triggers the destruction of the DNA and cell death.

32 Virus VS Apoptosis L apoptosi indotta da recettori di morte (Fas in figura) può essere bloccata in diversi punti, ad esempio all inizio da v-flip. HumanHerpesVirus (HHV)-8 v-flip block apoptosis in virus-infected cells.

33 Apoptosis and Cancer Some viruses associated with cancers use tricks to prevent apoptosis of the cells they have transformed. Several human papilloma viruses (HPV) have been implicated in causing cervical cancer. One of them produces a protein (E6) that binds and inactivates the apoptosis promoter p53. Epstein-Barr Virus (EBV), the cause of mononucleosis and associated with some lymphomas produces a protein similar to Bcl-2 produces another protein that causes the cell to increase its own production of Bcl-2. Both these actions make the cell more resistant to apoptosis (thus enabling a cancer cell to continue to proliferate).

34 Apoptosis and Cancer Even cancer cells produced without the participation of viruses may have tricks to avoid apoptosis. mutazioni nel gene per p53 nel mutazioni nel gene per p53 nel 50% dei tumori umani!

35 Apoptosis and AIDS The hallmark of AIDS (acquired immunodeficiency syndrome) is the decline in the number of the patient's CD4 + T cells (normally about 1000 per microliter (µl) of blood). CD4 + T cells are responsible, directly or indirectly (as helper cells), for all immune responses. When their number declines below about 200 per µl, the patient is no longer able to mount effective immune responses and begins to suffer a series of dangerous infections.

36 Apoptosis and AIDS What causes the disappearance of CD4 + T cells? HIV (human immunodeficiency virus) invades CD4 + T cells, and one might assume that it is this infection by HIV that causes the great dying-off of these cells. However, that appears not to the main culprit. Fewer than 1 in CD4 + T cells in the blood of AIDS patients are actually infected with the virus. So what kills so many uninfected CD4 + cells? The answer is clear: apoptosis! The mechanism is not clear

37 Indicare (con N per necrosi e A per apoptosi) quale delle seguenti modificazioni cellulari corrispondono alla morte cellulare per Necrosi e per Apoptosi. Formazione di estroflessioni citoplasmatiche, contenenti anche frammenti nucleari, e che successivamente si staccano N?A N A Fagocitosi dei residui cellulari in assenza di infiammazione N?A Lisi delle membrane lisosomiali e plasmatica con rilascio di enzimi idrolitici nello spazio circostante N?A

38 Quando in una cellula sofferente la membrana mitocondriale si permeabilizza e viene rilasciato citocromo c nel citoplasma la cellula andrà automaticamente in apoptosi? Sicuramente si Sicuramente no Dipende dalle disponibilità energetiche residue della cellula. Dipende dai livelli di caspasi presenti nel citoplasma.