1. Capacità di autorinnovamento illimitato
2. Capacità di dare origine in risposta a stimoli
adeguati e specifici a cellule progenitrici “di
transito” dalle quali discendono popolazioni
di cellule altamente differenziate
Staminali embrio-fetali
CELLULE STAMINALI
Staminali del cordone
ombelicale
Staminali d’organo
Staminali Adulte
Cellule Staminali con “potenziale” diverso:
-Totipotenti (zigote e cellule derivanti dalle prime due
divisioni) capaci di formare tutto l’embrione e i
trofoblasti della placenta
- Pluripotenti ( ICM-Cellule della massa cellulare interna
della blastocisti) capaci di differenziare in tutti i tipi di
cellule che derivano dai tre foglietti embrionali, ma non di
formare la placenta e i tessuti di supporto
- Unipotenti o “committed progenitors”: capaci di
generare uno specifico tipo cellulare
S
TA
TA
TA
TA
TA
TA
TA
TD
TD
TD
TD
MORTE CELLULARE
• Derivano dalla massa cellulare interna o epiblasto della blastocisti
• Divisioni cellulari simmetriche illimitate senza andare incontro a
differenziamento
• Cariotipo stabile e diploide
• Possono dare origine a cellule differenziate che derivano da endoderma, mesoderma, ectoderma
• Capacità di integrarsi in tutti i tessuti fetali durante lo sviluppo
• Capacità di colonizzare la linea germinale dando origine ad ovociti e
spermatociti
• Clonogenicità: una singola ES può generare una colonia di cellule
geneticamente identiche o cloni che hanno le stesse proprietà della
cellula originale
• Espressione dei fattori di trascrizione Oct-4, Sox-2, NANOG
mantengono ES in uno stato proliferativo e impediscono il
differenziamento
• Telomerasi
•Induzione alla proliferazione o al differenziamento
•Fase S del ciclo cellulare predominante. Mancanza del
checkpoint in G1. Non è richiesto uno stimolo esterno per
iniziare la sintesi del DNA ( vedi cellule somatiche
differenziate)
CELLULE STAMINALI ADULTE
(ASC)
• Possono dividersi senza differenziarsi per lunghi periodi
di tempo
• Possono differenziarsi, in seguito ad opportuni stimoli,
in cellule cosidette “mature” aventi specifiche
caratteristiche morfologiche e specifiche funzioni
• Normalmente il differenziamento avviene attraverso
cellule progenitrici che sono solo parzialmente
differenziate, denominate: “committed”, in quanto ormai
indirizzate ad intraprendere una precisa via
differenziativa.
Una cellula di un organismo adulto per
definirsi staminale deve “idealmente”
avere tre caratteristiche essenziali:
1 - Capacità di autorinnovarsi durante
tutto l’arco di vita di un organismo
2 - Elevata clonogenicità
3 - Capacità di differenziare completamente
in tipi cellulari con fenotipo cosidetto
maturo, pienamente integrati nei diversi
tessuti, con evidenti capacità funzionali.
Per fenotipo si intendono tutte le
caratteristiche osservabili di una cellula:
morfologia, markers di superficie, interazioni
con altre cellule e con l’ambiente
extracellulare, caratteristiche funzionali e
metaboliche
( es. secrezione, contrazione, trasmissione
sinaptica).
Le cellule staminali adulte sono poco numerose, le
loro funzioni principali sono: il mantenimento
dell’omeostasi cellulare e, se pur limitatamente, la
sostituzione di cellule che subiscono danni e
muoiono in seguito a patologie varie o
semplicemente invecchiano.
Popolazione cellulare presente in piccola
percentuale rispetto alla totalità delle cellule.
Es.
cellule satelliti del muscolo scheletrico sono
circa il 5%.
Nel midollo osseo le cellule staminali emopoietiche
sono ancora più rare: 1/10.000 o più.
•Sono sparse nei vari tessuti dell’organismo e si
comportano diversamente a secondo dell’
“ambiente” tissutale in cui sono inserite.
• Hanno un ciclo cellulare molto lento ma sono
molto clonogeniche. Si dividono meno
frequentemente della popolazione cellulare
intermedia.
Basso livello di proliferazione
S
Alta clonogenicità
Ciclo cellulare rapido
TA
TA
TA
TD
TA
TD
Bassa clonogenicità
TA
TA
TD
TA
TD
MORTE CELLULARE
Proliferazione assente
Elevata specificità funzionale
Cellule staminali adulte sono state individuate nei seguenti
tessuti:
• midollo osseo
• sistema nervoso centrale
• sangue
• midollo spinale
• endotelio
• muscolo scheletrico
• epidermide
• epitelio intestinale
• cornea
• retina
• fegato
• pancreas
• tessuto adiposo
E’ evidente che sono presenti in tessuti che derivano da tutti e
tre i foglietti embrionali
NICCHIA: si può definire come il “microambiente” tissutale costituito da cellule e componenti extracellulari che sono in
grado di “alloggiare” una o più cellule staminali e di
controllarne la capacità di autoreplicarsi e di intraprendere la via del differenziamento.
La nicchia orienta le divisioni cellulari, influenzando
l’orientamento del fuso mitotico.
Alcune tra le molecole coinvolte:
Dineina-dinactina, PKC-ζ, actina-miosina, integrine,
caderine, giunzioni intercellulari.
Fattori intrinseci di controllo (intracellulari)
Fattori di trascrizione per il controllo dell’espressione genica
Es. : nell’epidermide la β-catenina attiva la trascrizione
mediata dai fattori trascrizionali della famiglia Tcf/Lef.
E’ più abbondante nelle cellule staminali che non nella
popolazione cellulare “di transito”.
Orologio intracellulare
Una volta che la cellula staminale lascia la propria nicchia
che cosa determina il numero di divisioni cellulari che
compie prima di essere completamente differenziata?
Livelli di promotori ed inibitori del ciclo cellulare.
Lunghezza dei telomeri. Le cellule staminali hanno
un’attività telomerasica costitutiva.
Fattori esterni di controllo (extracellulari)
L’insieme dei segnali che intercorrono tra cellule
staminali e cellule in via di differenziamento
nell’ambito della nicchia.
Fattori di secrezione : es. TGF-β (differenziamento delle
cellule staminali della cresta neurale) e Wnt
(differenziamento delle cellule staminali dell’epidermide
e dell’epitelio intestinale).
Interazioni tra cellule mediate da proteine integrali di
membrana : Es. recettore Notch.
Integrine e Matrice extra-cellulare (ECM):
Integrina β-1 nell’epidermide, altamente espressa
nelle cellule staminali.
In generale, le integrine hanno la funzione di
mantenere la localizzazione delle cellule nei tessuti.
Alterazioni nell’espressione delle integrine
regolano il differenziamento delle cellule
staminali presenti in una nicchia.
Le proteine della ECM possono modulare
l’espressione delle integrine e avere quindi un ruolo
nel mantenimento della distribuzione delle
cellule staminali.
ECM può anche modulare la concentrazione locale
di fattori di secrezione (es.citochine) a livello di
nicchia.
Le Cellule staminali pluripotenti indotte, abbreviate
comunemente in iPSCs (Induced Pluripotent Stem Cells)
sono un tipo di cellule staminali pluripotenti, derivate
artificialmente da una cellula non-pluripotente, tipicamente
una cellula somatica adulta.
Si pensa che le cellule staminali pluripotenti indotte
abbiano molte proprietà in comune con le ES, come l'
espressione di certi geni e proteine, schemi di metilazione
della cromatina,, formazione di teratomi, potenziale
proliferativo e differenziativo.
Comunque, la relazione con le cellule staminali pluripotenti
di derivazione embrionale è ancora oggetto di ricerca.
Le iPSCs si ottengono tipicamente per trasfezione di
particolari geni associati alle staminali, all' interno di
cellule somatiche, come i fibroblasti.
La trasfezione, prevede l’utilizzo di vettori virali, come i
retrovirus.
I geni trasfettati includono regolatori trascrizionali: Oct3/4 e Sox2. Dopo 3/4 settimane, piccoli gruppi di cellule
trasfettate cominciano a diventare morfologicamente e
biochimicamente simili alle staminali pluripotenti (ES).
