Candiani

XXXII Scuola Annuale di Bioingegneria
Approccio Integrato per la Medicina Rigenerativa
Brixen, 16/09/2013
La segnalazione cellulare
Gabriele Candiani
Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica "Giulio Natta"
Via Mancinelli 7 - 20131 Milano
e-mail: [email protected]
Outline
2
• Gli organismi pluricellulari
• La cellula e la sua organizzazione
•
Il flusso dell’informazione
• La comunicazione cellulare
•
•
•
La trasduzione del segnale e sue caratteristiche
«Primo messaggero», recettori e via di segnalazione
La morte cellulare programmata
• Conclusioni
X
Gabriele CANDIANI
Dal micro al macro
3
Nessuna cellula vive isolata
•
cellula (+ matrice) → tessuto → organo → apparato → organismo
tessuto
connettivo
tessuto
nervoso
tessuto
muscolare
tessuto
muscolare
tessuto
epiteliale
tessuto
muscolare
Gabriele CANDIANI
La cellula eucariote animale
4
La cellula (piccola camera) è l'unità morfofunzionale minima
costituente organismi viventi pluricellulari
•
Compartimentazione interna
nucleo
membrana
plasmatica
citoplasma
Chem Comm, 2010, 46, 3538-40
Gabriele CANDIANI
Il flusso dell’informazione intracellulare
5
Ogni cellula somatica di un organismo pluricellulare
contiene un corredo completo di geni, ma non li esprime tutti
• Per lo sviluppo di un organismo pluricellulare è necessario che determinate
proteine siano sintetizzate solo al momento «giusto» e nelle «giuste» cellule
fattori di
trascrizione
cellule del
sangue
osteoblasti
neuroni
cellule muscolari striate
Gabriele CANDIANI
La comunicazione intercellulare
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Il fenotipo di una cellula viene mantenuto o modificato
mediante la ricezione di stimoli
•
•
•
Coesistenza coordinata di tutte le parti che lo compongono
Tutte le cellule provviste di complessi sistemi per la ricezione di segnali
dall’ambiente
Le cellule comunicano e interagiscono tra loro mediante la segnalazione
cellulare
stimolo → risposta cellulare
suoneria
(risposta)
proliferazione
differenziamento
migrazione
morte…
(risposta)
molecola
segnale B
nucleo
segnale radio
(stimolo)
molecola
segnale A
(stimolo)
Gabriele CANDIANI
La segnalazione cellulare
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La segnalazione cellulare è l’insieme dei processi che
permettono il dialogo tra due o più cellule di un organismo o
tessuto o costrutto in risposta a segnali specifici
nucleo
1) Sintesi
Cellula
segnalante
2) Rilascio
3) Trasporto
4) Captazione
5) Trasduzione
6) Risposta cellulare
nucleo
A→B
7) Rimozione del segnale
Gabriele CANDIANI
Cellula
bersaglio
La trasduzione del segnale
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La trasduzione del segnale è il processo di conversione
dell’informazione portata dal «primo messaggero»
(extracellulare) in alterazioni intracellulari che evocano una
risposta
«primo messaggero»
Legame ligando-recettore
Recettore
(o trasduttore primario)
e
«secondo messaggero»
Trasduzione del segnale
(modificazioni di enzimi,
variazioni [ioniche]…)
Risposta cellulare
Gabriele CANDIANI
La trasduzione del segnale
9
La trasduzione del segnale può avvenire seguendo 2
principali vie
Gabriele CANDIANI
La segnalazione cellulare
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Caratteristiche generali delle vie di trasduzione
1. Specificità: solo i «primi messaggeri» complementari al sito di legame del
recettore possono legarsi
2. Amplificazione: gli enzimi attivano altri enzimi o mediatori chimici. Il
numero di molecole in gioco aumenta geometricamente, generando
cascate di segnali
Adrenalina (o Glucagone)
Glicogeno fosforilasi
Glicogeno
Glucosio
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La segnalazione cellulare
11
Caratteristiche generali delle vie di trasduzione
3. Integrazione: 2 segnali si legano a 2 recettori con effetti anche diversi su
una via metabolica danno luogo a un segnale integrato
Gabriele CANDIANI
Costituenti della segnalazione
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«primo messaggero»
Legame ligando-recettore
Recettore
(o trasduttore primario)
e
«secondo messaggero»
Trasduzione del segnale
(modificazioni di enzimi,
variazioni [ioniche]…)
Risposta cellulare
Gabriele CANDIANI
Il «primo messaggero»
13
Il «primo messaggero» è il ligando che agisce su un
recettore, inducendo una risposta
1. A seconda della distanza tra il loro sito di produzione (cellula segnalante)
ed il tessuto bersaglio su cui agiscono
fattori di crescita (GF),
prostaglandine
neurotrasmettitori,
fattori di crescita (GF),
prostaglandine
Gabriele CANDIANI
ormoni
Il «primo messaggero»
14
Il «primo messaggero» è la molecola o ligando che agisce
su un recettore, modificandone la conformazione
2. Sulla base della loro natura chimica
a) Aminoacidi e loro derivati
b) Gas (NO, CO…)
c) Ormoni steroidei
d) Eicosanoidi
e) Peptidi e proteine
Molecole troppo grandi o
idrofiliche per attraversare la
membrana (alcuni derivati
aminoacidici, peptidi e proteine)
o lipofile che legano recettori di
superficie (eicosanoidi)
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Piccole molecole lipofile
che attraversano la
membrana (gas, ormoni
steroidei, alcuni derivati
aminoacidici)
Il «primo messaggero»
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2. Sulla base della loro natura chimica
a) Aminoacidi e loro derivati
Tetraiodiotironina (T4)
Aumentata produzione di calore; mantenimento del
metabolismo del glucosio; ampi effetti sull'espressione
genica e sull'induzione di sintesi enzimatiche
Tiroide
Triidiotironina (T3)
Epinefrina
Midolla surrenale
Aumento delle pulsazioni e della pressione sanguigna;
contrazione della maggior parte dei muscoli lisci;
glicogenolisi nel fegato e nel muscolo; idrolisi dei lipidi del
tessuto adiposo
Norepinefrina
Contrazione delle arteriole; diminuzione della circolazione
periferica
Mastociti
Istamina
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Vasocostrizione delle grandi arterie e vasodilatazione delle
arteriole; broncocostrizione
Il «primo messaggero»
16
2. Sulla base della loro natura chimica
c) Ormoni steroidei
Progesterone
Ovaio, corpo luteo;
placenta
Estradiolo
Ovaio, placenta
Differenziamento dell'utero in preparazione all'impianto del
embrione; mantenimento delle prime fasi della gravidanza,
sviluppo del sistema alveolare delle ghiandole mammarie
Differenziamento dell'utero e di altri organi sessuali
femminili; mantenimento dei caratteri sessuali secondari
della femmina e delle normali funzioni cicliche degli organi
sessuali accessori; sviluppo del sistema duttale delle
ghiandole mammarie
Testosterone
Maturazione e normale funzionamento degli organi sessuali
accessori maschili; sviluppo delle caratteristiche sessuali
maschili
Testicolo
Cortisolo
Corteccia surrenale
Gabriele CANDIANI
Effetto sul metabolismo dei carboidrati, dei lipidi e delle
proteine aumentndo la glicemia; riduzione
dell'infiammazione e delle risposte immunitarie; aumento
delle risposte fisiologiche globali allo stress
Il «primo messaggero»
17
2. Sulla base della loro natura chimica
d) Eicosanoidi: Prostanoidi e Leucotrieni
Prostaglandina
Infiammazione; contrazione o rilassamento
del muscolo liscio
> Parte del corpo
Prostaciclina
Pareti dei vasi
Vasodilatezione e ipotensione;
antiaggregante verso le piastrine
Trombossano
Vasocostrizione delle coronarie e
ipertensione; antiaggregante verso le
piastrine
Piastrine
Chemiotassi, infiammazione e reazioni
allergiche
Leucociti
Leucotriene
Gabriele CANDIANI
Il «primo messaggero»
18
2. Sulla base della loro natura chimica
e) Peptidi e proteine
Denominazione
Struttura
Sito di
produzione
Glucagone
Peptide, 29 aa
Cellule α del
pancreas
Sintesi del glucosio e la degradazione del glicogeno nel
fegato (effetto iperglicemizzante), idrolisi dei lipidi nel
tessuto adiposo
Insulina
Polipeptide, catena A:
21 aa, catena B: 30
aa
Cellule β del
pancreas
Assunzione di glucosio nelle cellule adipose e muscolari
(effetto ipoglicemizzante). Anabolismo dei carboidrati e
sintesi/accumulo di lipidi nel tessuto adiposo
Gastrina
Polipeptide, 17 aa
Intestino
Secrezione di HCI e di pepsina da parte dello stomaco
Secretina
Polipeptide, 27 aa
Intestino
tenue
Secrezione di enzimi digestivi pancrea Secrezione di
enzimi digestivi pancreatici; svuotamento della cistifellea
Ormone adreno
corticotropo (ACTH)
Polipeptide, 39 aa
Adenoipofisi
Idrolisi su lipidi da parte del tessuto adiposo; stimola la
corteccia surrenale a produrre cortisolo e aldosterone
Ormone follicolo
stimolante (FSH)
Proteina, catena α: 92
aa; catena β: 118 aa
Adenoipofisi
Crescita degli oociti e dei follicoli ovarici e sintesi di
estrogeni da parte dei follicoli
Ormone luteinizzante
(LH)
Proteina, catena α: 92
aa; catena β: 115 aa
Adenoipofisi
Maturazione dell’oocita; secrezione di estrogeni e di
progesterone da parte dei follicoli ovarici
Ormone
tireostimolante (TSH)
Proteina, catena α: 92
aa; catena β: 112 aa
Adenoipofisi
Rilascio di tiroxina da parte delle cellule tiroidee
Ormone paratiroideo
Proteina, 84 aa
Paratiroide
Gabriele CANDIANI
Effetto
Aumento del Ca2+ e diminuzione dei fosfati nel sangue;
mobilizzazione dei fosfati di calcio dalle ossa; aumento del
riassorbimento di Ca2+ e diminuzione di riassorbimento di
fosfato dal filtrato renale
Il «primo messaggero»
19
2. Sulla base della loro natura chimica
e) Peptidi e proteine
Denominazione
Struttura
Sito di
produzione
Vasopressina (ADH)
Proteina, 9 aa
Neuroipofisi
Ormone di rilascio del
TSH
Polipeptide, 3 aa
Ipotalamo
Effetto
Aumento dell’assorbimento di H2O dall’urina da parte dei
tubuli renali; costrizione dei capillari sanguigni e aumento
della pressione sanguigna
Secrezione dell’ormone tiroido-stimolante da parte
dell’adenoipofisi
Fattore di crescita
epidermica (EGF)
Polipeptide, 53 aa
Ghiandole
salivari e altre
Somatotropina (GH)
(ormone della crescita)
Polipeptide, 191 aa
Adenoipofisi
Eritropoietina
Polipeptide, 166 aa
Rene
Polipeptidi, MW 14 e
35 kDa
Linfociti T,
cellule
endoteliali e
fibroblasti
Differenziamento di cellule staminali granulocitiche e
macrofagiche
Polipeptide, MW
15.5 kDa
Linfociti T e
macrofagi
Divisione dei linfociti T nel sistema immunitario
2 catene identiche
di 118 aa
Tessuti
innervati da
neuroni
simpatici
Crescita e differenziamento dei neuroni sensori e simpatici
Fattore stimolante le
colonie granulocitiche
e macrofagiche (GMCSF)
Interleuchina-2 (IL-2)
Fattore di crescita
delle cellule nervose
(NGF)
Gabriele CANDIANI
Crescita delle cellule dell’epidermide e di altre cellule
Assunzione di aa da parte di molte cellule; stimola il fegato
a produrre IGF-1 inducendo la crescita di ossa e muscoli
Differenziamento delle cellule staminali eritrocitarie
Il «primo messaggero»
20
Il «primo messaggero» è la molecola o ligando che agisce
su un recettore, modificandone la conformazione
3. Sulla base del loro effetto
• I «primi messaggeri» agiscono sempre in combinazione per regolare il
comportamento cellulare
Gabriele CANDIANI
I recettori cellulari
21
Ogni tipo cellulare esprime un set di recettori proteici che
permette di rispondere a un numero corrispondente di ligandi
•
•
•
La cellula non può rispondere al segnale senza uno specifico recettore
Il «primo messaggero» scatena una risposta ma il tipo di risposta è
determinata dal recettore (e dagli effettori o «secondi messaggeri»)
Le cellule modulano la risposta variando la [recettori] (down- e upregulation)
cellule muscolari
cardiache
cellule muscolari lisce
non vascolari
cellule acinose del
pancreas
ACh
secrezione
contrazione
↓frequenza e forza
Gabriele CANDIANI
I recettori cellulari
22
Poiché la risposta ad un segnale dipende dalle proprietà del
recettore, questo ha portato allo sviluppo di farmaci
•
•
Agonisti hanno lo stesso effetto del «primo messaggero»
Antagonisti impediscono il legame del «primo messaggero»
«primo messaggero»
agonista
Adrenalina
Isoproterenolo
β2
attivazione
antagonista
Propranololo
β1
Cellula
muscolare
liscia
bronchiale
Gabriele CANDIANI
Cardiomiocita
inattivazione
I recettori cellulari
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Ogni tipo cellulare esprime un particolare set di recettori
che permette di rispondere a un numero corrispondente di
«primi messaggeri»
1. Recettori di superficie (di membrana)
2. Recettori intracellulari (citoplasmatici e nucleari)
citoplasma
«primo messaggero»
liposolubile (1)
«primo messaggero»
liposolubile (2)
nucleo
«primo messaggero»
idrosolubile
Gabriele CANDIANI
I recettori di membrana
24
Ogni tipo cellulare esprime un particolare set di recettori
che permette di rispondere a un numero corrispondente di
«primi messaggeri»
1. Recettori di superficie (di membrana)
• Impiegati per classificare le cellule sulla base della presenza o
assenza di marcatori di superficie o Cluster di differenziazione (CD)
(http://www.pathologyoutlines.com/cdmarkers.html)
Tipo di cellula
Marker CD
Cellula staminale
CD34+, CD31-
Tutti i leucociti
CD45+
Granulociti
CD45+, CD15+
Monociti
CD45+, CD14+
Linfociti T
CD45+, CD3+
Linfociti B
CD45+, CD19+
Gabriele CANDIANI
I recettori di membrana
25
Ogni tipo cellulare esprime un particolare set di recettori
che permette di rispondere a un numero corrispondente di
«primi messaggeri»
1. Recettori di superficie (di membrana)
I. Recettori accoppiati a proteine G (GPCR) trimeriche
Interazione
con effettore
risposta cellulare
Gabriele CANDIANI
I recettori di membrana
26
1. Recettori di superficie (di membrana)
I. Recettori accoppiati a proteine G (GPCR) trimeriche
Variazione
conformazionale
«secondi messaggeri»
Gabriele CANDIANI
I messaggeri intracellulari
27
1. Recettori di superficie (di membrana)
• Il legame di «primi messaggeri» a molti recettori di superficie porta alla
variazione della concentrazione di «secondi messaggeri», molecole
a basso peso molecolare che portano ad un’amplificazione del
segnale
a) AMP ciclico (cAMP)
b) GMP ciclico (cGMP)
c) Diacilglicerolo (DAG)
d) Inositolo trifosfato (IP3)
e) Ca2+
Gabriele CANDIANI
I messaggeri intracellulari
28
1. Recettori di superficie (di membrana)
I. Recettori accoppiati a proteine G (GPCR). Il legame di «primi
messaggeri» a molti recettori di superficie porta alla variazione della
concentrazione di «secondi messaggeri» a basso peso molecolare
a) AMP ciclico (cAMP)
Epatocita
↑ cAMP
↑ PKA
Glicogeno
Glucosio
Gabriele CANDIANI
I messaggeri intracellulari
29
1. Recettori di superficie (di membrana)
I. Recettori accoppiati a proteine G (GPCR). Il legame di «primi
messaggeri» a molti recettori di superficie porta alla variazione della
concentrazione di «secondi messaggeri» a basso peso molecolare
c) Diacilglicerolo (DAG)
d) Inositolo trifosfato (IP3)
e) Ca2+
contrazione muscolare,
secrezione,
glicogenolisi…
(PKC)
contrazione muscolare,
proteolisi,
glicogenolisi,
secrezione…
effetti tessuto-specifici
Gabriele CANDIANI
I recettori di membrana
30
1. Recettori di superficie (di membrana)
II. Recettori ad attività enzimatica intrinseca o legati ad enzimi
Proliferazione
«primo
messaggero»
espressione genica,
riorganizzazione citoscheletro…
Gabriele CANDIANI
Differenziamento
I recettori di membrana
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1. Recettori di superficie (di membrana)
II. Recettori ad attività enzimatica intrinseca o legati ad enzimi
a) Recettori guanilil-ciclasi
b) Recettori tirosin-chinasi (RTK)
c) Recettori associati a tirosin-chinasi
d) Recettori tirosin-fosfatasi
e) Recettori serin/treonin-chinasi
Gabriele CANDIANI
I recettori di membrana
32
1. Recettori di superficie (di membrana)
II. Recettori ad attività enzimatica intrinseca o legati ad enzimi
b) Recettori tirosin-chinasi (RTK)
Gabriele CANDIANI
I recettori di membrana
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1. Recettori di superficie (di membrana)
II. Recettori ad attività enzimatica intrinseca o legati ad enzimi
b) Recettori tirosin-chinasi (RTK)
PKC
↑ motilità
cellulare
↑ proliferazione
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I recettori di membrana
34
1. Recettori di superficie (di membrana)
III. Recettori ionotropici (o canali ionici ligando-dipendenti)
a) Eccitatori
b) Inibitori
«primo messaggero»
Tipo di
recettore
Distretto
d’azione
Effetto
Glutammato
NMDA e non-MDA
SNC
Eccitatorio
(depolarizzazione)
Acido γ-aminobutirrico
(GABA)
GABAA
SNC
Inibitorio
(iperpolarizzazione)
Glicina
GlyR
Midollo allungato
e spinale
Inibitorio
(iperpolarizzazione)
Gabriele CANDIANI
I recettori intracellulari
35
Ogni tipo cellulare esprime un particolare set di recettori
che permette di rispondere a un numero corrispondente di
«primi messaggeri»
2. Recettori intracellulari
Gabriele CANDIANI
Ghiandole surrenali
La morte cellulare programmata
36
L’apoptosi è un processo fisiopatologico che attraverso
una sequenza di eventi ben coordinata conduce alla morte
cellulare programmata
•
•
•
Provvede all’eliminazione di cellule «pericolose» per l’organismo
Contribuisce al mantenimento del numero di cellule di un sistema
E’ contrapposta alla necrosi, risultante da un acuto stress o trauma
cellulare
a)
b)
4 μm
SEM: Linfocita T apoptotico
Gabriele CANDIANI
Immunomarcaggio di una (a) cellula
sana vs (b) apoptotica. Blu = nucleo;
verde = citocromo c (mitocondrio)
La morte cellulare programmata
37
Apoptosi e necrosi sono distinguibili sulla base di
differenze morfologiche e biochimiche
Necrosi
Caratteristiche
biochimiche
Caratteristiche
morfologiche
Apoptosi
ATP-indipendente
ATP-dipendente
Perdita regolazione omeostasi ionica
Fine regolazione dell’attività caspasica
Digestione random del DNA
Digestione del DNA in «tipici» frammenti
Inizia con il rigonfiamento del
citoplasma e mitocondri
Inizia con la contrazione del citoplasma e
del nucleo
Perdita dell’integrità di membrana
Presenza di membrana integra
Termina con la lisi cellulare
Termina con la formazione di corpi
apoptotici
Gabriele CANDIANI
La morte cellulare programmata
38
Il destino (vita o morte) di una cellula dipende da un mix di
segnali anti- e pro-apoptotici
Via estrinseca
TNF-α
Via estrinseca
TNF-R1 (CD120a)
Via intrinseca
Gabriele CANDIANI
Conclusioni (1)
39
Al fine di capire quale è «l'errore» che genera l'insorgenza
dei processi patologici e per migliorare le strategie
terapeutiche è fondamentale comprendere i complessi
meccanismi responsabili della vita, ma…
Gabriele CANDIANI
Conclusioni (2)
40
…purtroppo c’è ancora molto da fare
«Parlando di fenomeni
complessi spesso si tende
a semplificare,
ma a semplificare (troppo)
spesso si sbaglia»
Proteomica
Trascrittomica
Citometria a
flusso
Grazie
per l’attenzione
Gabriele Candiani
Gabriele CANDIANI