Cellula Staminale

classificazione dei tessuti proposta
nel 1894 da Giulio Bizzozzero
un organo può essere costituito da:
a) cellule che si replicano continuamente (cellule labili),
come ad esempio gli epiteli di rivestimento (epidermide,
endometrio, mucose);
b) cellule che non si replicano continuamente ma che sono
capaci di divisione cellulare in risposta ad esigenze
omeostatiche (cellule stabili), come i tessuti ghiandolari (ad
esempio, fegato dopo epatectomia);
c) cellule che sono incapaci di divisione cellulare (cellule
perenni), come ad esempio alcuni tipi di cellule altamente
specializzate (neuroni, cellule muscolari cardiache).
10 miliardi di eritrociti e
10 miliardi di leucociti
prodotti ogni ora
or
progenitor cell
most often
quiescent
most often in cycle
Compartimento Staminale
cellule staminali
Compartimento Proliferativo (o “di transito”)
progenitori (cellule proliferanti indifferenziate)
• clonogenici
• non-clonogenici
Compartimento Differenziativo
- precursori (cellule incapaci di proliferare e andate
incontro a differenziazione iniziale)
- cellule mature (differenziazione terminale)
________________________
“Linea” differenziativa: la progressione da un progenitore
clonogenico (che viene “commissionato” a differenziare
verso un determinato tipo cellulare funzionale) al
compartimento differenziativo (corrispondente).
un tessuto è composto pertanto delle seguenti
sottopopolazioni cellulari:
• cellule staminali
responsabili della “memoria” del tessuto
• progenitori,
clonogenici
e
non
clonogenici,
responsabili della crescita del tessuto
• precursori
• cellule mature,
responsabili della funzione fisiologica del tessuto
La divisione nei compartimenti staminale e
proliferativo/di transito consente di produrre un
alto numero di cellule mature a fronte di un numero
di divisioni delle cellule più immature – le cellule
staminali - estremamente ridotto.
Le cellule staminali, e quindi il loro corredo di
informazioni, risultano così il più possibile protetti
dal rischio di mutazioni, la cui “fissazione” avviene
a seguito dell’attraversamento del ciclo mitotico.
Quindi,
cosa sono le cellule staminali?
cosa sono le cellule clonogeniche?
Clone: popolazione di cellule derivata da un unico progenitore e capace di
cospicua espansione numerica prima dell’innesco del differenziamento (le
dimensioni di un clone sono ampiamente variabili).
________________________________________
Cellula Clonogenica (Lajtha, 1979): cellula capace di proliferare
estensivamente prima dell’innesco del differenziamento (il differenziamento
terminale è usualmente accoppiato all’arresto mitotico).
Cellula Staminale (Wilson, 1896): cellula ancestrale della linea germinale
del nematode Ascaris megalocephala.
Cellula Staminale (definizione moderna): cellula con capacità di esteso o
illimitato auto-mantenimento (cioè di generare cellule con caratteristiche
sostanzialmente identiche a quelle della cellula progenitrice) combinata con
la capacità di generare una progenie differenziata di almeno un tipo
cellulare.
Cellula Staminale Ematopoietica: cellula capace di ripopolare un midollo
aplastico con tutte le cellule del sistema linfo-ematopoietico.
Proprietà della cellula staminale:
•
capacità di divisione simmetrica / asimmetrica;
•
alta attività telomerasica
Proprietà accessorie della cellula staminale:
•
multipotenza differenziativa;
•
capacità di permanere in stato di quiescenza
replicativa
Modelli di divisione delle cellule staminali
asimmetrica
simmetrica
simmetrica
modulazione
ambientale
Morrison SJ et al – Cell 1997; 8:287
Telomeres
Telomeres are specialized non-coding DNA sequences
located at the ends of chromosomes. In humans,
telomeres are composed of repeats of the TTAGGG (10
kilobase pairs) sequence. Approximately 50-100 bp of
this sequence is lost with each cell division. This loss
eventually results in the reduction to a critical length
which is associated with growth arrest and cellular
senescence.
Telomeres provide a protective capping function,
preventing degradation as well as undesiderable
recombination events such as chromosome end-to-end
fusion commonly associated with broken chromosome
ends.
Telomerase
Telomerase is an RNA-dependent DNA polymerase
composed of two major subunits: an RNA component,
that serves as a template for enzyme activity and a
catalytic subunit with reverse transcriptase activity.
Telomerase extends or maintains telomeric DNA length so
that replicative senescence is avoided. While most
normal human somatic cells exhibit no detectable
telomerase activity, highly proliferative cells such as
germline cells, trophoblasts, endometrial cells, stem
cells, and up to 95% of cancer cells express telomerase
to varying degrees.
Attivazione
acquisizione della capacità di rispondere a stimoli proliferativi
(= acquisizione di “competenza”; = transizione G0 > G1);
Amplificazione proliferazione che precede la determinazione; espansione
numerica della sottopopolazione staminale (= auto-mantenimento /
self-renewal); porta alla generazione di progenitori clonogenici
multipotenti, incapaci di automantenimento;
Determinazione restrizione del potenziale differenziativo a poche/una linea
differenziativa (= restrizione di linea / commitment); perdita della
multipotenza e dell’assetto genomico germinale; porta alla
generazione di progenitori clonogenici oligo- o mono-potenti;
Differenziazione acquisizione del fenotipo specifico di una linea differenziativa; si
accompagna alla perdita di clonogenicità e allo sviluppo iniziale di
proprietà linea-specifiche (progenitori non clonogenici morfologicamente identificabili); porta alla generazione di precursori incapaci di
proliferare (post-mitotici);
Maturazione
completa acquisizione da parte dei precursori di proprietà funzionali
linea-specifiche (= differenziazione terminale);
Espansione clonale
prodotto della amplificazione della cellula staminale e della
proliferazione dei progenitori clonogenici e dei progenitori
non clonogenici.
Compartimento ………………..
staminale
cellule staminali quiescenti
attivazione
(induzione competenza; G0>G1)
▲▼
cellule staminali attivate
progressione G1>S
amplificazione
(del compartimento staminale)
▼
Compartimento ……………….
proliferativo
Compartimento ……………….
differenziativo
progenitori clonogenici
multipotenti
determinazione
(commitment)
▼
progenitori clonogenici
linea-ristretti
espansione clonale
▼
progenitori non clonogenici
proliferazione terminale
differenziazione iniziale
arresto mitotico
▼
precursori
maturazione
(differenziazione terminale)
▼
cellule mature
L’espansione clonale è basata sul bilanciamento
tra proliferazione e differenziazione
La differenziazione terminale o maturazione è
accoppiata all’arresto della proliferazione, in modo
che:
1) l’espansione numerica non sia bloccata da una
precoce maturazione, con produzione di un numero
insufficiente di cellule;
2) la maturazione non sia inibita, con produzione
di un numero eccessivo di cellule non funzionali.
Potenziale differenziativo di cellule staminali e progenitori
Totipotenza: capacità di una cellula staminale embrionale
di dare origine a tutti i tipi cellulari dell’embrione e degli
annessi embrionari.
Pluripotenza: capacità di una cellula staminale embrionale
di dare origine a tutti i tipi cellulari dell’embrione.
Multipotenza: capacità di una cellula dell’animale adulto di
dare origine a tutti i tipi cellulari di un tessuto.
Oligopotenza: capacità di una cellula dell’animale adulto di
dare origine a più di un tipo cellulare.
Monopotenza: capacità di una cellula dell’animale adulto
di dare origine a un solo tipo cellulare.
cellule staminali somatiche
(SSc)
CAPACITA’ PROLIFERATIVA:
elevata
cellule staminali embrionali
(ESc)
CAPACITA’ PROLIFERATIVA:
molto elevata
CAPACITA’ DIFFERENZIATIVA:
CAPACITA’ DIFFERENZIATIVA:
normalmente ristretta
al tessuto di appartenenza
praticamente illimitata
una volta individuate le condizioni
TUMORIGENICITA’:
TUMORIGENICITA’:
assente o molto limitata
molto elevata
TRAPIANTO
meccanismi di controllo
del compartimento staminale
La caratterizzazione di un sistema staminale
(quello ematopoietico è stato il primo ad essere
studiato sistematicamente e caratterizzato in
dettaglio) prevede di stabilire i meccanismi di
controllo di:
1) amplificazione
2) restrizione differenziativa
meccanismi di controllo
del compartimento staminale
1) peculiarità microanatomiche e metaboliche
del tessuto (microambiente della “nicchia”
staminale e microambiente “esterno”)
2) espressione di geni protettori della staminalità
3) fattori solubili stimolatori selettivi (?) della
amplificazione staminale
4) fattori solubili “classici” (citochine) stimolatori
dell’espansione clonale
the Stem Cell Niche model (Schofield – 1978)
Spradling A et al - Nature 2001; 414:98
meccanismi di controllo
del compartimento staminale
1) peculiarità microanatomiche e metaboliche
del tessuto (microambiente della “nicchia”
staminale e microambiente “esterno”)
2) espressione di geni protettori della staminalità
3) fattori solubili stimolatori selettivi (?) della
amplificazione staminale
4) fattori solubili “classici” (citochine) stimolatori
dell’espansione clonale
I geni Nanog e Oct-3/4 genes mantengono la pluripotenza di
cellule staminali embrionali
VEGF induce cellule del mesoderma a generare cellule
staminali ematopoietiche;
SHh, ligando di Ptc/Smo, induce espansione delle cellule
staminali;
Delta e Jagged, ligandi di Notch-1, inibiscono il commitment,
consentendo l’amplificazione delle cellule staminali;
Wnt, ligando di Frizzled o di LRP-5/6, induce l’espressione di
Notch-1 e di HoxB4 e l’amplificazione delle cellule staminali;
meccanismi di controllo
del compartimento staminale
1) peculiarità microanatomiche e metaboliche
del tessuto (microambiente della “nicchia”
staminale e microambiente “esterno”)
2) espressione di geni protettori della staminalità
3) fattori solubili stimolatori selettivi (?) della
amplificazione staminale
4) fattori solubili “classici” (citochine) stimolatori
dell’espansione clonale
meccanismi di controllo
del compartimento staminale
meccanismi di controllo
del compartimento proliferativo
meccanismi di controllo
del compartimento differenziativo
Fattori di regolazione solubili:
1) prodotti a distanza, all’esterno del tessuto
(endocrinia)
2) prodotti da altre cellule presenti nel tessuto
(paracrinia)
3) prodotti da cellule adiacenti alle cellule-bersaglio
(iuxtacrinia)
4) prodotti dalle stesse cellule-bersaglio (autocrinia)
Categorie di citochine regolatrici dell’ematopoiesi:
1) Attivatori (delle cellule staminali)
inducono competenza (transizione G0>G1)
stimolano la amplificazione (progressione G1>S>G2>M)
(FL, KL/SCF, TPo, G-CSF, IL6, IL11)
2) Induttori
sostengono la sopravvivenza
inducono la restrizione di linea
stimolano la proliferazione
(GM-CSF, IL3, IL4, IL7, IL11)
3) Fattori linea-specifici
sostengono la sopravvivenza
stimolano la proliferazione
inducono la differenziazione
(M-CSF, G-CSF, TPo, EPo, IL5)