CELLULE STAMINALI APPLICAZIONI TERAPEUTICHE Maurilio Sampaolesi Gabriele Ceccarelli LESSON 2 Corso ANATOMIA UMANA Specialistica (2013-2014) 2014)
Stem cells and Parkinsons disease Fondazione Michael J. Fox
DNA switch coding region Gene Insulin gene X Rhodopsin gene X Protein Insulin protein X Rhodopsin protein X Cell Islet cell Retinal cell Organ Pancreas Eye Organism Diabetes Color blindness
Basics of cell biology:development
Basics of cell biology:development Genome code Lo sviluppo embrionale si suddivide in tre fasi principali: la segmentazione, la gastrulazione e l'organogenesi. Body La segmentazione inizia subito dopo la fecondazione: l' uovo fecondato (zigote) comincia a dividersi. All' inizio va incontro ad una serie di numerose divisioni mitotiche che portano alla formazione di una morula e, successivamente, di una blastula: questo processo è sotto il controllo dell RNA fornito dall'uovo blastocisti.
Basics of cell biology:development Fertilized egg
Basics of cell biology:development Cells differentiate
Basics of cell biology:development Cells differentiation is due to different gene Switches going on and off
Basics of cell biology:development Cells differentiation is due to different gene Switches going on and off These cells are different because they express a subset of their 30,000 genes
Basics of cell biology:development Brain Heart Eye Pancreas
Basics of cell biology:development Stem cells Brain Heart Eye Pancreas
Basics of cell biology:development Pancreatic stem cells Brain Heart Eye Pancreas
What s a stem cell: A cell that can divide to make lots of other types of cells. It is the stem of a family tree of cells. Pancreatic stem cell All the different types of cell of a pancreas
Basics of cell biology:development Embryonic stem cell Brain Heart Eye Pancreas
Basics of cell biology:development Pluripotent Embryonic stem cell Multipotent Adult stem cells Brain Heart Eye Pancreas
Pluripotent - can make all cell types Multipotent - can make some cell types
Totipotent - can make whole organism Multipotent - can make an organ
What is a cell line? It is a cell that can keep dividing and not change in a petri dish
What is a cell line? It is a cell that can keep dividing and not change in a petri dish
What is a cell line? It is a cell that can keep dividing and not change in a petri dish
The hot thing to do right now: Embryonic stem cell Add drugs/factors Cells of pancreas
Basics of cell biology:development Regenerate new pancreas with stem cells Brain Heart Cell Pancreas X Pancreas
Basics of cell biology:development Brain Heart Cell Pancreas
Basics of cell biology:development Brain Heart Cell Pancreas Aging
Basics of cell biology:development Brain Heart Cell Pancreas Aging
Basics of cell biology:development Brain Heart Cell Pancreas Aging
Basics of cell biology:development Regenerate new pancreas with stem cells Brain Heart Cell Pancreas
PROGERIA 1 per 8 million live births
Basics of cell biology:development Embryonic stem cells Adult stem cells Brain Heart Cell Pancreas
Fertilized egg
Fertilized egg
Fertilized egg 1 2 4 8
Fertilized egg 1 2 4 8 At the 8 cell stage, each can make a whole person again
Fertilized egg Identical twins 1 2 4 8 At the 8 cell stage, each can make a whole person again
Fertilized egg 1 2 4 8 Blastocyst Inner Cell Mass
Fertilized egg 1 2 4 8 Inner Cell Mass Embryonic stem cells
Basics of cell biology:development Embryonic stem cells Brain Heart Eye Pancreas
In theory, embryonic stem cells can make all parts of the body.
In theory, embryonic stem cells can make all parts of the body. Problems: how do you program them down the right paths?
Cells differentiation is due to different gene Switches going on and off These cells are different because they express a subset of their 30,000 genes
In theory, embryonic stem cells can make all parts of the body. Problems: how do you program them down the right paths? How do you stop them from dividing too much - from becoming cancer - teratocarcinoma
A tumor is due to uncontrolled cell division
The hope: ES cells will only replace those parts that need replacing Brain Heart Cell Pancreas X Pancreas
In theory, embryonic stem cells can make all parts of the body. Problems: how do you program them down the right paths? How do you stop them from dividing too much - from becoming cancer - teratocarcinoma Immune problem: your body will reject foreign stem cells - use your own? - Clone yourself
In theory, embryonic stem cells can make all parts of the body. Problems: how do you program them down the right paths? How do you stop them from dividing too much - from becoming cancer - teratocarcinoma Immune problem: your body will reject foreign stem cells - use your own? - Clone yourself Therapeutic cloning
Embryonic Germ Stem cell Germline: maintained as pluripotent Differentiated cells
Embryonic Germ Stem cell Extract primitive germline and make cell line
Embryonic Stem Cells
Nuclear transplant stem cells
Nuclear transplant stem cells
Nuclear transplant stem cells
Nuclear transplant stem cells Makes stem cells
Nuclear transplant stem cells Makes stem cells Solves immunity problem
Nuclear transplant stem cells Makes stem cells
Nuclear transplant stem cells Makes stem cells Makes a new you!
Makes stem cells Mutate Make a new you - without higher brain Anencephaly (1-5/1000 births)
Adult stem cells
Adult stem cells Miracle? It sometimes happens
Embryonic stem cells From embryo. Totipotent stem cells that make entire body or body parts Cells are non-self - possible rejection/immunity problems Ethical problems Embryonic Germline stem cells From embryonic germline. Same as ES cells but possibly easier to work with Nuclear Transplant Stem cells A fusion of and adult nucleus and an embryonic stem cell The embryonic cell re-programs the adult cell Can be grown into a whole organism - cloning Also called therapeutic cloning Solves immunity problems as the genotype is self Potential ethical problems Adult stem cells From adult -you make them from yourself Biology unknown Solves ethical and immunity problems Sources??: fatty tissue
Using stem cells today cancer leukemia Brain Heart Cell Blood
Using stem cells today drug X cancer X leukemia Brain Heart Cell Blood X
Using stem cells today X Regenerate new blood with stem cells Brain Heart Cell Blood X Blood
Using stem cells today Blood stem cells are always kept in bone marrow X Regenerate new blood with stem cells Brain Heart Cell Blood X Blood
Stem cell research Up to late 1990 s: Basic research in background Late 1990 s: Federal Funded work banned; Private work (Geron) pushes field. July 2001: Virginia Company is first to make embryos solely as source of stem cells. August 2001: Bush allows some Stem cell work to be federally funded Sept 2002: Congress debating therapeutic cloning 2003 Clinical trials of stem cells
Parkinson s s Disease neurotransmitter dopamine Movements turns on turns on Pleasure center
Parkinson s s Disease neurotransmitter dopamine Movements turns on turns on Pleasure center Dopaminergic neurons die
Divisione cellulare: processo che dà origine a nuove cellule. Avviene durante lo sviluppo embrionale, nella formazione dell organismo adulto e nella vita adulta, dove circa 25 milioni di cellule al secondo sono soggette a divisione. La divisione cellulare si inserisce nel ciclo cellulare, che corrisponde al periodo di vita della cellula.
Il ciclo cellulare: interfase e mitosi
Il ciclo cellulare: interfase e mitosi Interfase: G1 (G=gap) S (duplicazione del DNA) G2 Nell interfase la cellula cresce in volume ed è attiva nelle sue funzioni metaboliche, come l ossidazione del glucosio, la trascrizione, la traduzione e la replicazione. Nell interfase avvengono gli eventi preparatori alla mitosi. La sintesi proteica è sempre attiva, ma per esempio in S vengono sintetizzati soprattutto gli istoni.
La durata del ciclo varia molto, soprattutto nella lunghezza della fase G1. In una cellula adulta può durare da 12 a 36 ore, la differenza dipende dalla fase G1. La fase G1 può durare ore, giorni, settimane o più a lungo a seconda del tipo cellulare. Quando la fase G1 si protrae a lungo, si parla di Go, cioè una fase stazionaria di attesa. L ingresso da Go a G1 ed il passaggio da G1 a S richiede l intervento di messaggi ambientali, chiamati mitogeni o fattori di crescita.
Diversità nel ciclo cellulare tra cellule dell organismo adulto e cellule embrionali cellule embrionali cellule adulte
I meccanismi di controllo del ciclo cellulare: da Go a G1: fattori di crescita Transizione G1 - S: start point, preparazione delle molecole necessarie per la duplicazione del DNA Transizione G2 M: controllo quantitativo e qualitativo dell avvenuta duplicazione del DNA, preparazione del fuso mitotico. L uscita da M e l avvio della citochinesi
- G1 phase (G = gap): la cellula monitora le sue dimensioni e l ambiente esterno e cresce sintetizzando RNA e proteine - S (S = synthesis) : replicazione del materiale genetico. Il DNA passa da 2n a 4n. - G2 : controllo dell avvenuta replicazione di tutti i cromosomi e una crescita secondaria prima della mitosi. In questa fase il DNA ha un corredo 4n - M (M = Mitosis): si compone di profase, metafase, anafase e telofase e citochinesi Alcuni tipi cellulari non si dividono più (cellule terminalmente differenziate), sono usciti irreversibilmente dal ciclo cellulare, altre cellule entrano in uno stato di quiescienza chiamato G0 e possono essere stimolate a lasciare G0 e a rientrare nel ciclo cellulare. Le cellule nervose e quelle striate dei muscoli scheletrici rimangono in questo stadio per tutta la vita dell'organismo
Ingresso nel ciclo: l aggiunta di fattori di crescita attiva il passaggio tra la fase G0 e G1
Ingresso nel ciclo e transizione G1-S: il fattore di crescita attiva la via di trasduzione del segnale (Ras/MAPK) che porta alla trascrizione genica. Vengono prodotti fattori trascrizionali (risposta precoce), che a loro volta regolano in cascata la trascrizione di altre molecole (risposta tardiva) che permettono la transizione da G1 ad S.
PDGF-R Myc, Fos, Jun E2F Proliferazione ciclina
Le cicline e le chinasi ciclina dipendenti (CdK) Le cicline sono prodotte nella risposta secondaria e la loro presenza attiva le chinasi- ciclina dipendenti
Le cicline sono state identificate sia in cellule di lievito che in cellule di mammifero. La loro concentrazione aumenta sino ad un livello massimo e poi segue una rapida degradazione. L attività delle CdK è regolata dalla concentrazione delle cicline. Esistono vari tipi di cicline e vari tipi di Cdk.
Le varie cicline nelle cellule di mammifero Ciclina A/Cdk2 Ciclina B/Cdk1 Ciclina E/Cdk2 Ciclina D/Cdk2 ciclinad/cdk4
Le Cdk attivate dalle cicline sono delle proteine serina-treonina chinasi. Fosforilano substrati coinvolti nelle varie fasi del ciclo, ad esempio nel passaggio tra G1 ed S, fosforilano gli istoni e permettono la compattazione dei cromosomi. Oppure fosforilano la lamina nucleare, disassemblandola e rompendo l involucro nucleare. Altre proteine fosforilate sono quelle del citoscheletro, che servono al macchinario della divisione.
CdK
Il ciclo cellulare è controllato da segnali positivi, cioè attivazione di geni, produzione di cicline, ecc Ma esistono anche dei controlli negativi della progressione nel ciclo, che devono essere rimossi. Un esempio è la proteina del retinoblastoma (Rb), che in Go è associato al fattore trascrizionale E2F, inattivandolo. Nella transizione G1-S, le Cdk fosforilano Rb, che di conseguenza si stacca da E2F attivandolo e permettendogli di funzionare come fattore trascrizionale.