SUN STEM CELLS 29-12-15 copia 4

Cellule staminali e
riprogrammazione cellulare
Massimiliano Caiazzo
1
Definizione di cellula staminale
Una cellula, per essere considerata staminale, deve:
1)  essere in grado di auto-rinnovarsi
(self-renewal)
2) Possedere potenzialita differenziativa:
cioè dare origine a uno o più tipi cellulari
specializzate
A=cellula staminale
B=cellula progenitore
C=cellula differenziata
COMPARTIMENTO DI CELLULE
PROLIFERANTI
capacità
proliferativa
differenziazione
DIFFERENZIAZIONE TERMINALE
Cellula
staminale
Potenza:
capacità di dare origine a una o più specie cellulari (nervose, muscolari,
ematiche, ecc.).
Questo permette di definire le cellule staminali come:
Totipotenti:possono differenziarsi in tipi di cellule embrionali ed extraembrionali.
Tali cellule sono in grado di costruire un organismo completo vitale.
Pluripotenti: sono i discendenti di cellule totipotenti e possono differenziarsi in
quasi tutte le cellule, cioè le cellule derivate da uno qualsiasi dei tre strati
germinali (ectoderma, mesoderma, endoderma).
Multipotenti: possono differenziarsi in un numero di cellule, ma solo quelle di una
famiglia strettamente correlata di cellule.
Oligopotenti: possono differenziarsi in poche cellule, come le cellule staminali linfoidi
o mieloidi.
Unipotenti: possono produrre un solo tipo di cellula, ma hanno la proprietà di autorinnovamento che le distingue dalle cellule non-staminali (ad esempio le cellule
staminali muscolari).
Fonti potenziali di cellule staminali:
Cellule staminali embrionali: blastocisti
Cellule staminali adulte: vari tessuti
Cellule staminali fetali: tessuti fetali a vari stadi di sviluppo
Cellule staminali clonate: trasferimento nucleare
Cellule staminali indotte: riprogrammazione genica
Cellule staminali embrionali (ES cells)
• Situate nella massa interna
della blastocisti (embrione
del IV-V giorno) in numero di
circa 30 cellule
• Estrema plasticità
differenziativa
(pluripotenza)
• Capacità replicativa
illimitata in vitro senza segni
di differenzimento
(propagate per due anni in
vitro)
Crescono in presenza di Leukemia
Inhibitory Factor (LIF)
EMBRYONIC STEM CELLS FEATURES
Alkaline Phosphatase
EMBRYONIC STEM CELL DIFFERENTIATION
EPIBLAST (EPI) STEM CELLS
Crescono in presenza di
Fibroblast Growth Factor 2 (FGF2)
Cellule staminali adulte
Derivano da tessuti
maturi, nell’organismo
adulto rimpiazzano le
cellule ad es. del sangue
(esistono cellule staminali
in quasi tutti i tessuti, ma
in alcuni quiescenti). Esse
possono dare origine ad
un numero limitato di tipi
cellulari e quindi sono
dette multipotenti
glossary at the end of this report.
and Delia B. Bax
Director of the B
Laboratory in Ge
macology and m
Stem Cell Institu
University Schoo
She received her
Harvard Univers
postdoctoral res
UCSF, Dr. Blau j
faculty at Stanfo
mary research focus is on the regulation of dif
stem cell fate, and mechanisms leading to stem
potency (iPS).
Stem cell niche
2. Biological Background
2.1. Adult Stem Cells Reside in Niches
MP Lutolf and HM Blau,
Adv Mater Weinheim (2009)
Adult stem cell niches are anatomically de
comprised of complex mixtures of extracellular
by support cells in close physical proximity (Fig. 1
concert with cell-intrinsic regulatory networks, c
functions of adult stem cells, most importa
self-renewal, as discussed in some detail belo
niche is so important that its absence leads to the
function, which in turn can have profound
impacting tissue function and regeneration. Nich
MESENCHYMAL STEM CELLS
ORIGINE: CORDONE OMBELICALE, MIDOLLO OSSEO, TESSUTO ADIPOSO
Cellule staminali ematopoietiche
HEMATOPOIETIC STEM CELLS TRANSPLANTATION TO CURE BLOOD CANCERS
EPITHELIAL STEM CELLS
TRAPIANTO DI PELLE COLTIVATA IN LABORATORIO
NEUROGENESI LE CERVELLO
ADULTO
21
NEURAL STEM CELLS
ALVAREZ-BUYLLA and GARCIA-VERDUGO, Journal of Neuroscience, 2002
ZHAO, DENG and GAGE, Cell, 2008
Le cellule staminali
provenienti datessuti di
adulti sono più facili e
sicure da manipolare e
innestare, poiché non
tendono a differenziarsi
spontaneamente e
incontrollatamente come
quelle embrionali, che
potrebbero anche
sviluppare in vivo dei
teratomi (focolai
tumorali costituiti da
cellule eterogenee)
RIPROGRAMMAZIONE
33
Developmental cell fate specification
Adulthood
Embryonic development
Blastocyst ICM
Pluripotent cells
Graf and Enver, Nature 2009
Waddington landscape revised
Takahashi and
35 Yamanaka,
Development 2013
Cellule staminali clonate
Trasferimento di un nucleo da
una cellula (somatica) in oocita
denucleato ed attivato.
Le applicazioni nell uomo sono
oggi sostanzialmente
accantonate sia per via dei
rischi biologici che dei dubbi
etici.
Cellule staminali indotte (iPS)
Takahashi e Yamanaka, Cell 2006
Therapeutic potential of induced pluripotent stem (iPS) cells
Takahashi et Yamanaka Cell 2006 38
Transdifferentiation (or metaplasia) !
Transdifferen*a*on:
Reprogramming of one specialized cell
type into another, without reversion to
pluripotent cells. Also called ‘lineage
switching’or‘lineageconversion.
Yamada T. 1966!
EMT, cancer&wound healing
Kalluri and Weinberg, JCI 2009
J.P. Thiery et al., Cell 2009
Schafer et Werner, 2008
Nat Rev Mol Cell Biol
Gurtner et al., 2008 Nature
41
Spontaneous transdifferentiation?
Science, 1999
Science, 2000
Science, 2000
Nature, 2002
….or may be cell fusion?
Nature, 2002
Nature, 2003
Wang et al., 2003
Cell reprogramming
Yamanaka and Blau, Nature 2010
Direct cell reprogramming/conversion/
transdifferentiation
fibroblasts
skeletal myofibers
MyoD
Myogenic full conversion
Harold Weintraub
10T1/2 Fibroblasts............................YES
3T3 Fibroblasts...............................YES
3T3 derived adipocytes..................YES
Monkey kidney cells.......................NO
Neuroblastoma cells......................NO
Melanoma cells..............................NO
Direct cell reprogramming or direct cell conversion
1986
2004
2006
2008
Weintraub et al.
Graf et al.
Yamanaka et al.
Melton et al.
2010
2010
Srivastava et al. Wernig et al.
Modified by Graf and Enver, Nature 2009
2011
Hui et al.
Suzuki et al.