6 apoptosi

Apoptosi
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La morte cellulare e la sua regolazione
a La morte cellulare programmata è un processo fondamentale che controlla lo
sviluppo degli organismi pluricellulari;
a L’apoptosi porta all’eliminazione di intere strutture (es.: la coda durante lo sviluppo
embrionale dell’uomo), scolpisce tessuti specifici asportando campi di cellule (es.: il
tessuto tra le dita) e regola il numero di neuroni presenti nel sistema nervoso;
a Le interazioni cellulari regolano lo sviluppo in due modi sostanzialmente diversi:
ƒ La maggior parte delle cellule degli organismi pluricellulari hanno bisogno di
segnali (fattori trofici) per rimanere in vita e in assenza di tali segnali di
sopravvivenza la cellula attiva un programma di “suicidio”
ƒ In alcuni contesti di sviluppo (es.: sistema immunitario) specifici segnali
attivano un programma “assassino” che uccide le cellule
a In entrambi i casi la morte cellulare viene mediata dalla stessa via molecolare
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La morte cellulare programmata avviene
tramite apoptosi
Cellula normale
ƒ La perdita di cellule mediante
morte cellulare programmata è
contraddistinta da una sequenza
ben definita di modificazioni
morfologiche, nel loro insieme
chiamate “apoptosi” (dal greco
“cadere da”).
ƒ Le cellule si condensano, e quindi
si suddividono in frammenti che
vengono fagocitati da altre cellule.
ƒ Le cellule che muoiono in risposta
ad un danno tissutale (necrosi)
aumentano di dimensioni e
scoppiano, rilasciando il loro
contenuto intracellulare.
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Cellula
apoptotica
Le neurotrofine promuovono la sopravvivenza dei
neuroni
ƒ Esperimenti di rimozione di tessuto o di
trapianto in embrioni di pollo hanno dimostrato
che il numero dei neuroni che innervano le
regioni periferiche dipende dalle dimensioni del
campo cellulare bersaglio.
ƒ I neuroni competono per i fattori di
sopravvivenza prodotti dal tessuto bersaglio.
ƒ I sarcomi producono grandi quantità di un
fattore trofico l’NGF.
ƒ I fattori trofici, detti neurotrofine sono: NGF,
BDNF (brain-derived growth factor) e la
neurotrofina-3 (NT-3).
ƒ Le neurotrofine si legano, attivandoli, ad una
famiglia di recettori tirosina chinasi chiamati Trk
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(“track”)
Dimostrazione sperimentale che differenti neurotrofine
sono necessarie per la sopravvivenza di classi differenti
di neuroni sensoriali del ganglio della radice dorsale
ƒ Negli animali privi di NGF o dei suoi recettori TrkA, i neuroni sensibili al dolore
(nocicettivi) che innervano la pelle sono assenti.
ƒ Negli animali privi o della NT-3 o dei suoi recettori TrkC, sono assenti i neuroni
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propiocettivi che innervano i fusi
muscolari
Neurotrofine diverse sono necessarie per la
sopravvivenza di differenti classi di neuroni sensoriali
ƒ Il BDNF ed i recettori TrkB sono necessari per lo sviluppo dei neuroni
sensoriali dei gangli vestibolari, che innervano gli organi dell’orecchio
interno e che permettono la percezione del moto.
ƒ I mutanti per il BDNF presentano difetti dell’equilibrio associati a quelli
del sistema vestibolare.
ƒ La perdita dei propiocettori nei mutanti NT-3 si associa ad anomalie
posturali e motorie.
ƒ I mutanti per il l’NGF (e per i TrkA) in omozigosi sono letali, ed in
eterozigosi presentano una minore sensibilità al dolore.
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Studi genetici in C. elegans hanno chiarito i
meccanismi molecolari che regolano l’apoptosi.
ƒ Delle 1090 cellule somatiche generate durante lo sviluppo di C. elegans,
131 vanno incontro ad apoptosi.
ƒ Mutazioni specifiche hanno portato all’identificazione dei geni coinvolti
nella regolazione dell’apoptosi
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Studi genetici in C. elegans hanno chiarito i
meccanismi molecolari che regolano l’apoptosi.
ƒ a) Larva appena uscita dal
guscio con mutazione del
gene ced-1 che impedisce la
fagocitosi delle cellule morte.
ƒ b) Larva appena uscita dal
guscio con mutazione del
gene ced-1 e ced-3.
L’assenza di accumulo di
cellule morte dimostra che
l’apoptosi non avviene. La
proteina CED-3 è necessaria
per l’apoptosi.
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Tre classi di proteine funzionano nella via apoptotica
ƒ Nei vermi che possiedono mutazioni dei geni ced-3 o ced-4, la morte
cellulare non si verifica e tutte le 1090 cellule sopravvivono
ƒ Nei vermi mutanti per il gene ced-9, tutte le 1090 cellule muoiono.
ƒ Le proteine CED-3 e CED-4 sono necessarie per la morte cellulare;
ƒ La proteina CED-9 inibisce l’apoptosi, e la via apoptotica può essere
attivata in tutte le cellule.
ƒ Nei doppi mutanti ced-9/ced-3 la morte cellulare non si verifica:
CED-9 agisce a monte di CED-3 inibendo la via apoptotica.
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Il gene bcl-2 isolato in tumori umani
ƒ Il primo gene per l’apoptosi clonato nei mammiferi è stato il gene bcl-2.
ƒ Il gene bcl-2 è stato isolato nel linfoma follicolare umano come prodotto
di un riarrangiamento a livello di un punto di rottura.
ƒ Il gene bcl-2 funge da oncogene, promuovendo la sopravvivenza delle
cellule piuttosto che la loro moltiplicazione
ƒ Le proteine Bcl-2 e CED-9 sono omologhe e fungono da proteine
regolatrici che inibiscono la via apoptotica.
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L’apoptosi è una via conservata durante l’evoluzione
ƒ L’effettore più importante in C. elegans è la proteasi CED-3.
ƒ CED-3 è una caspasi (cisteine proteasi che scindono le proteine in
corrispondenza di siti in posizione C-terminale rispetto a residui di aspartato).
ƒ Le cellule dei mammiferi contengono molteplici caspasi.
ƒ CED-9 e BCL-2 sono proteine di membrana e la CED-4 può legarsi sia alla CED-9
che alla CED-3.
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Proteine regolatrici pro-apoptotiche promuovono
l’attivazione delle caspasi
ƒ La famiglia Bcl-2 comprende sia membri anti-apoptotici (la CED-9 in C.
elegans e Bcl-2 e Bcl-xl nei mammiferi) che membri pro-apoptotici (Bax).
ƒ Sono tutte proteine transmembrana, con un unico dominio che attraversa
la membrana. Possono partecipare ad interazioni oligomeriche e sono
localizzate sulle membrane mitocondriale esterna, nucleare e del RE.
ƒ Il destino di una data cellula dipende dai membri della famiglia Bcl-2
presenti
ƒ I membri della famigli Bcl-2 possono influenzare la distribuzione
subcellulare del citocromo c, che contribuisce all’attivazione delle
caspasi.
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Proteine regolatrici pro-apoptotiche promuovono
l’attivazione delle caspasi (2)
ƒ Nelle cellule normali e sane, il citocromo C è localizzato tra la membrana
mitocondriale esterna e quella interna, mentre nelle cellule che vanno
incontro ad apoptosi viene rilasciato nel citosol.
ƒ Nel citosol il legame del citocromo c alla proteina di raccordo Apaf-1 (la
CED-4 dei mammiferi) induce l’attivazione della cascata delle caspasi.
ƒ Il rilascio del citocromo c nel citosol è inibito da una espressione elevata
di Bcl-2, e stimolato da una espressione elevata di Bax.
ƒ Non è ancora chiaro come, ma gli omodimeri Bax consentono un influsso
di ioni attraverso la membrana mitocondriale esterna che favorisce il
rilascio del citocromo c.
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Alcuni fattori trofici impediscono l’apoptosi inducendo
l’inattivazione di una proteina regolatrice pro-apoptotica
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Alcuni fattori trofici impediscono l’apoptosi inducendo
l’inattivazione di una proteina regolatrice pro-apoptotica
ƒ Le neurotrofine, come l’NGF, proteggono i neuroni dalla morte cellulare.
ƒ In assenza di fattori trofici, la forma non fosforilata della proteina Bad è
associata all’eterodimero Bcl2/Bcl-xl, localizzato a livello della membrana
mitocondriale esterna, e ne inibisce la funzione anti-apoptotica.
ƒ La Bad fosforilata non può legarsi all’eterodimero Bcl2/Bcl-xl ed è
localizzata nel citosol, legata alla proteina 14-3-3 con residui di fosfoserina.
ƒ Le vie di trasmissione del segnale che portano alla fosforilazione della Bad
trasmettono segnali di sopravvivenza.
ƒ Numerosi fattori trofici attivano la PI-3 chinasi, che attiva la chinasi Akt
(protein chinasi B). La Akt fosforila Bad e ne inibisce l’attività proapoptotica.
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Via di trasduzione del segnale dell’insulina
Ras-indipendente
a L’IRS1 fosforilato si lega anche alla PI-3 chinasi stimolandone l’attività chinasica;
a La proteina chinasi B (protein kinase B, PkB) viene richiamata verso la membrana
grazie alla regione N-terminale che contiene un dominio PH (di omologia alla
Pleckstrina) che si lega ai fosfoinositidi della membrana plasmatica;
a La PKB, posizionata a livello della membrana, viene fosforilata e quindi attivata, da 2
chinasi associate alla membrana;
a La PKB attivata viene rilasciata nel citosol e media molti degli effetti dell’insulina,
compresa la stimolazione dell’assunzione del glucosio e della sintesi del glicogeno.
a La PKB, detta anche Akt, è una componente della via per la trasmissione del segnale
che previene la morte cellulare.
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La via Ras indipendente attiva la Proteina chinasi B
GSK3 = glicogeno sintetasi chinasi 3
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Alcuni fattori trofici impediscono l’apoptosi inducendo
l’inattivazione di una proteina regolatrice pro-apoptotica
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