Stem Cells
Medicine
Bioethics
Biology
Dal DNA all organismo complesso
Organismo
(uomo)
Ogni nucleo
Il corpo umano
cellulare è
è composto
dotato di un
damiliardi
identico corredo
di cellule
cromosomico
I cromosomi
sono
in coppia
Ogni cromosoma
è una lunga
molecola
di DNA e i geni
sono regioni
funzionali su
questa molecola
Il DNA è una
doppia elica
Tutte le cellule di un individuo hanno lo stesso DNA.
Ma non sono tutte uguali!
Combinazione di geni on e off = identità cellulare
What are the molecular bases of
differentiation?
Differentiation as an Epigenetic
Phenomenon
Epigenetic Landscape
Conrad Hal Waddington
(1940)
Regolazione dell espressione
genica
Prodotti dei geni necessari al metabolismo cellulare
(housekeeping): sempre presenti
Prodotti degli altri geni: regolati
Come si attua questa regolazione?
Trascrizione
Maturazione RNA
Trasporto RNA nel citoplasma
Stabilità mRNA
Traduzione
Stabilità proteine
Negli eucarioti, prima di passare nel
citoplasma, l RNA deve essere
modificato mediante una serie di
eventi noti come processo di
maturazione dell RNA
- Aggiunta del cappuccio al 5 (guanina + 2 gruppi metilici
(sito di inizio traduzione)
- Processamento degli introni
- Aggiunta coda poli-A al 3
Maturazione dell RNA
Dall RNA devono essere allontanate le sequenze introniche con un processo
chiamato splicing
Trascrizione
Maturazione RNA
Trasporto RNA nel citoplasma
introni presenti: no trasporto
Stabilità mRNA
Controllo code poliA
Rimozione CAP
Traduzione
Accorciamento code poliA e riallungamento
Stabilità proteine
ubiquitinazione
Trascrizione
Fattori trascrizionali
Basali (legati ai promotori)
Speciali (legati agli enhancer)
Struttura della cromatina
aperta o chiusa
Epigenetics and Chromatin
Differentiation
Bivalent Chromatin Domains
Pluripotency
Genes Activity
Differentiation
Genes Activity
Stem Cells:
at the crossroad between self-renew and differentiation
Differentiation
Stem Cell
Differentiated Cell
Stem Cell
Cellule differenziate:
Combinazione di geni attivi o inattivi non modificabile
Si duplicano un numero ridotto di volte
(o non si duplicano più)
dando origine sempre allo stesso tipo di cellule
Cellule staminali:
Cellule non specializzate in grado di dividersi
per lunghi periodi dando origine a
diversi tipi di cellule
Cellule Staminali
1. Non svolgono alcuna funzione specifica, come cellule
del sangue, muscolari o nervose, ma possono diventare
ciascuna di esse
2. Una popolazione di cellule staminali può proliferare in laboratorio
per molti mesi, rimanendo indifferenziata: autorinnovamento
3. Differenziamento guidato da segnali intracellulari
(attivazione specifica di geni) ed extracellulari
(molecole secrete da cellule vicine o presenti nel mezzo)
Asymmetric division
Two sisters with different fates
size,
morphology
gene expression pattern
number of subsequent divisions
Two mechanisms:
1. response to extracellular signals (extrinsic mechanism)
2. cell autonomously (intrinsic mechanism)
1. response to extracellular signals
From:
Knoblich JA. Cell 132:583-597, 2008
Stem Cell Niches
Example: HSC
(Hsu and Fuchs, 2012)
Polarized mother cell capable of segregating
specific factors called determinants into
one of its daughter cells
to initiate a particular developmental pathway
in this cell but not its sister.
Four steps
From:
Ahringer, Curr. Opin. Cell Biol. 15:73-81, 2003
Spindle orientation and
Slicening of a cake
Vertical slice =
2 pieces of equal size
and content
Horizontal slice =
2 pieces of unequal size
and content
Symmetric division
Asymmetric division
From: Kaltschmidt and Brand, J. Cell Sci. 115: 2257-2264
Asymmetric divisions of Drosophila neuroblasts
From:
Bonaccorsi et al.,
Nature CellBiol2: 54-56
Proteins involved in asymmetric cell division
identified in D. melanogaster
Proteins involved in asymmetric cell division
identified in C. elegans
Cellule Staminali
• Embrionali: totipotenti o pluropotenti
• Provengono dalla “inner cell mass” di embrioni
di 4-5 giorni (blastocisti) prodotti in vitro
• Adulte: multipotenti
• Cellule indifferenziate mescolate ad altre differenziate
in un dato tessuto o organo
necessarie per mantenere e/o riparare i tessuti
Embryonic Stem Cells
Embryonic Stem Cells derive from the early embryo.
Blastocyst
ICM
Inner Cell Mass
Embryonic
Stem Cells
Adult Stem Cells
Adult Stem Cells are present in (some) organs during our
entire lifetime. They are able to regenerate our tissues.
Prometeus
Ἧπαρ (liver) is derived from ἠπάοµαι (repair).
(Thanks to A. Musarò!)
Adult Stem Cells
Adult Stem Cells are multipotent or unipotent.
Satellite Cell
Differentiation
Muscle Fiber
Adult Stem Cells
Some examples of Adult Stem Cells:
- Hematopoietic Stem Cells
- Muscle Stem Cells (satellite
cells)
- Skin Stem Cells
Adult Stem Cells
Adult Stem Cells are multipotent or unipotent.
Satellite Cell
Differentiation
Muscle Fiber
Differentiation as an Epigenetic
Phenomenon
Epigenetic Landscape
Conrad Hal Waddington
(1940)
Reprogramming the Epigenome
At the GENETIC level an embryonic cell is identic to an
adult cell (with very few exceptions). Genes are not lost,
gained or modified during differentiation.
If this is true, we could reprogram the EPIGENETIC state
of the cell to bring it back to an embryonic state.
Somatic Cell Nuclear Transfer (SCNT) and Cell
Fusion
These experiments clearly
showed that some sort of
Reprogramming Factors is
present in the cytoplasm of
the egg and of the embryonic
stem cells.
Such factors can
“reprogram” a somatic
nucleus to an embryonic
stem cell-like state.
