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(A) In response to internal and external signals, a cellchooses between stasis, mitosis, apoptosis and sometimes differentiation.
(B) An imaginary cell in whichsignals are linked toresponses by linearunbranched pathways of stimulation or inhibition.Human cells do notfunction like this.
(C) In real cells signals feedinto a complex network of par tially redundantinteractions, the outcomeof which isnot easy topredict analytically.
Controllo del Ciclo Cellulare
-Rispondere in modo adeguato ai segnali esterni
-Attivazione di enzimi e proteine responsabili della conduzione dei vari processi al momento giusto
- Disattivazione alla fine del processo
Punti di controllo
G1 – Start
La cellula cresce, aumenta la propria massa
• Corretta quantità di nutrienti
• Adeguati segnali extra-cellulari
G2/M
La cellula completa l’accrescimento
• Controllo massa
• Replicazione del DNA completata
Punti di controllo
Transizione Metafase - Anafase
La cellula si preparara alla citodieresi
• Controllo integrità del fuso mitotico
• Corretta disposizione dei cromosomi
Punti di controllo
Negli organismi multicellulari la capacità di procedere
oltre i diversi punti di restrizione del Ciclo Cellulare è
regolata da ormoni e fattori di crescita,
che possono stimolare od inibire la divisione cellulare
attivando una
cascata di reazioni mediate da protein-chinasi
citoplasmatiche.
Possiamo considerare il controllo del ciclo come la
risultante di un delicato equilibrio tra l’attività di
proteine diverse.
Tra di esse sembrano rivestire particolari importanza:
• Le protein chinasi ciclina dipendenti CDK
• Le cicline
Le protein chinasi ciclina dipendenti CDK
Sono enzimi capaci di trasferire un gruppo fosfato da
una molecola di ATP ad una specifica proteina
bersaglio modificandone la funzionalità.
Questi enzimi sono sempre presenti nelle cellule ma
non sono sempre attivi:
lo diventano grazie alla loro associazione con
particolari proteine attivatrici, le cicline
Le cicline
Sono proteine la cui concentrazione intracellulare varia
periodicamente in maniera ciclica ed in modo netto
oscillando da zero a valori relativamente elevati
che vengono raggiunti in momenti critici del ciclo
cellulare.
Esse non posseggono attività enzimatica propria,
ma la capacità di interagire con proteine-chinasi
specifiche predisponendone l’attività funzionale
Le protein-chinasi dipendenti da cicline sono eterodimeri:
le subunità catalitiche sono chiamate chinasi dipendenti
da cicline (CDK), poiché la loro attività chinasica dipende
dall’associazione con una ciclina;
Le cicline costituiscono le subunità regolatrici.
L’associazione di una subunità catalitica (dotata
di attività chinasica) con una delle differenti
cicline disponibili determina
la fosforilazione di proteine target diverse e
l’attivazione di pathways chimiche specifiche.
Cdk4 – Ciclina D e Cdk6 – Ciclina D � � � � a metà ed alla fine della fase G1Cdk2 – Ciclina E ���� alla fine della fase G1Cdk2 – Ciclina A ���� durante la fase SCdk1 – Ciclina A e Cdk1 – Ciclina B ���� durante la fase G2 e la Mitosi
Cell-cycle dependent phosphorylation of Rb
G1
S
G2M
G0Quiescent cells
phase
phase
phase
phase
Rbp
p
p
pRb
p
p
p
p
Rbp
p
p
p
Rbp
p
p
p
Rbp
p
Restriction point
Rbp
p
Phosphorylation of Rballows cells to transitthe restriction pointand enter S phase
Hyperphosphorylated Rb
Hypophosphorylated Rb
Il passaggio attraverso il punto di restrizione G0 richiede l’attività
del fattore E2F, il quale promuove la trascrizione di geni codificanti
le proteine necessarie per la duplicazione del DNA cellulare.
Questo fattore è attivato da Cdk2, Ciclina E e Ciclina A.
L’attività di E2F è inibita dal legame con la proteina Rb
ipofosforilata, presente durante la fase M. Le Cdk 4/6, la Ciclina D, e
successivamente la Cdk2 e la ciclina E, fosforilano Rb provocando
il rilascio e la conseguente attivazione di E2F
I danni subiti dal DNA nucleare sono identificati da un
sistema di controllo, attivo durante G1 e G2, che si basa
sulla attivazione di p53, un fattore di trascrizione che
stimola l’espressione di p21CIP.
Questo cyclin-kinase inhibitor (CKI) si lega ai complessi
Cdk-Ciclina e li inibisce, causando l’arresto del ciclo in
G1 oppure in G2 finchè il danno non sia stato riparato
The role of p53 in the cell cycle
G1
S
G2M
G0
DNA synthesis
Growth andpreparation for
cell division
Quiescent cells
phase
phase
phase
phase
Mitosis
apoptosis (cell death)
p53UV irradiation leads
to cell cycle arrest
In alternativa, se i danni subìti dal DNA sono di
notevole entità, la proteina p53 attiva il macchinario
apoptotico e determina così il suicidio della cellula.
LIFE & DEATH
The term “life” describes a combination of phenotypes such asmetabolic activity, its restriction tocomplex structures, growth, and the potential to identically self-reproduce.
“Death”, of course, does not occur in this description. In prokaryotes, deathonly seems to be a consequence of environmental conditions that are notcompatible with the biochemistry and metabolism that accompanies “life”. In eukaryotes this accidental cell deathconstitutes the phenotype callednecrosis.
OkadaOkadaOkadaOkada etetetet al. 2004 Nature al. 2004 Nature al. 2004 Nature al. 2004 Nature ReviewsReviewsReviewsReviewsCancerCancerCancerCancer 4: 5924: 5924: 5924: 592----603 603 603 603
Perdita della normale morfologia con diminuzione del volume cellulare, specifica degradazione del DNA e delle proteine, comparsa dei corpi apoptotici
ed attivazione della fagocitosi tissutale.
Le Le Le Le pathwayspathwayspathwayspathways coinvolte nella morte cellulare per suicidio sono coinvolte nella morte cellulare per suicidio sono coinvolte nella morte cellulare per suicidio sono coinvolte nella morte cellulare per suicidio sono oggetto di numerosissimi studi e oggetto di numerosissimi studi e oggetto di numerosissimi studi e oggetto di numerosissimi studi e
non sono ancora del tutto caratterizzatenon sono ancora del tutto caratterizzatenon sono ancora del tutto caratterizzatenon sono ancora del tutto caratterizzate
La morte cellulare programmata è determinata geneticamente(circa 300 geni del nostro genoma)
Proteine proapoptotiche (Bax-alfa)
Proteine antiapoptotiche (Bcl2)
Distribution of five pro- and anti-apoptoticgenes in 15 individual MII stage humanunfertilized oocytes obtained from severalpatients. The expression of Bag-1 (yellow), Bax (orange), Bcl-x (pale blue), Hrk (red) and Mcl-1 (dark blue) was determined usingquantitative dot–blot RT-PCR. The total amount of gene expression was calculatedfor these pro-apoptotic (orange and red) and anti-apoptotic (yellow, pale blue and dark blue) genes, each pie piece representing the contribution for that particular gene. The oocytes were then grouped on the basis of theirexpression profiles. (A) Oocytes with a high level of pro-apoptotic
gene expression, possessing an imbalancetowards programmed cell death.
(B) Oocytes with almost equal distributionof pro- and anti-apoptotic factors suggestive of a balance between survival and death moleculecontributions.
(C) Oocytes with an excess of anti-apoptoticfactors indicative of a strong survival pathway.
Negli Negli Negli Negli EucariotiEucariotiEucariotiEucarioti multicellulari il controllo dinamico multicellulari il controllo dinamico multicellulari il controllo dinamico multicellulari il controllo dinamico della della della della morte cellulare per suicidiomorte cellulare per suicidiomorte cellulare per suicidiomorte cellulare per suicidio, , , ,
in stretta correlazione con quello della proliferazione, in stretta correlazione con quello della proliferazione, in stretta correlazione con quello della proliferazione, in stretta correlazione con quello della proliferazione, oltre ad essere un meccanismo fondamentale durante lo sviluppo oltre ad essere un meccanismo fondamentale durante lo sviluppo oltre ad essere un meccanismo fondamentale durante lo sviluppo oltre ad essere un meccanismo fondamentale durante lo sviluppo
embrionale (embrionale (embrionale (embrionale (Rimodellamento dellRimodellamento dellRimodellamento dellRimodellamento dell’’’’embrioneembrioneembrioneembrione) ) ) ) consente lconsente lconsente lconsente l’’’’eliminazione delle cellule senescenti, danneggiate eliminazione delle cellule senescenti, danneggiate eliminazione delle cellule senescenti, danneggiate eliminazione delle cellule senescenti, danneggiate oppure mutate senza che venga alterato loppure mutate senza che venga alterato loppure mutate senza che venga alterato loppure mutate senza che venga alterato l’’’’assetto fisiologico assetto fisiologico assetto fisiologico assetto fisiologico
delldelldelldell’’’’organismo.organismo.organismo.organismo.
APOPTOSII meccanismi genetici e molecolari dell’apoptosi furono identificati per la prima volta nel nematode Caenorhabditis elegans . Basandosi sugli studi
eseguiti su questo animale, si è stabilito di suddividere il processo apoptotico in 3 fasi.
1) induzione
2) esecuzione
3) riconoscimento e fagocitosi del corpo apoptotico
FASE DI INDUZIONE
Le vie indotte possono essere due
Via dei recettori della morte
Via mitocondriale
Via dei recettori della morte
Nella via dei recettori della morte intervengono i legami di specifiche molecole-segnale ai propri recettori posti sulla
membrana plasmatica: ad esempio, il legame del recettore Fas col suo ligandoFas-L determinerebbe un avvio del processo
apoptotico
Via mitocondriale
Nella via mitocondriale intervengono i mitocondri, con la liberazione di attivatori delle caspasi come il citocromo C, con cambiamenti nel
trasporto elettronico, con l'alterata ossido-riduzione cellulare con la partecipazione della famiglia delle proteine pro- e anti-apoptiche Bcl-2
FASE DI ESECUZIONE
La fase di esecuzione è comune a quasi tutte le vie d’innesco ed è costituita da una serie di reazioni
enzimatiche a cascata. Una volta innescata, la reazione non è più arrestabile e procede automaticamente,
portando a morte la cellula.
RICONOSCIMENTO E FAGOCITOSI
Nei tessuti i corpi apoptotici vengono riconosciuti e fagocitati dalle cellule circostanti e dai macrofagi e degradati all’interno dei lisosomi.
il risultato finale è sempre quello di eliminazione “pulita”
Con la comparsa degli organismi multicellulari, Con la comparsa degli organismi multicellulari, Con la comparsa degli organismi multicellulari, Con la comparsa degli organismi multicellulari,
la morte cellulare per suicidiola morte cellulare per suicidiola morte cellulare per suicidiola morte cellulare per suicidio
acquista un significato biologico acquista un significato biologico acquista un significato biologico acquista un significato biologico
Omologhi di geni coinvolti Omologhi di geni coinvolti Omologhi di geni coinvolti Omologhi di geni coinvolti
nella morte cellulare per nella morte cellulare per nella morte cellulare per nella morte cellulare per
suicidio sono stati trovati nei suicidio sono stati trovati nei suicidio sono stati trovati nei suicidio sono stati trovati nei
protistiprotistiprotistiprotisti, anche se con , anche se con , anche se con , anche se con
funzione apparentemente funzione apparentemente funzione apparentemente funzione apparentemente
differente.differente.differente.differente.
Inoltre forme primitive di morte Inoltre forme primitive di morte Inoltre forme primitive di morte Inoltre forme primitive di morte
cellulare “non necrotica” sono cellulare “non necrotica” sono cellulare “non necrotica” sono cellulare “non necrotica” sono
state osservate in alcuni state osservate in alcuni state osservate in alcuni state osservate in alcuni
protozoi ed in protozoi ed in protozoi ed in protozoi ed in eubatterieubatterieubatterieubatteri....
Caratterizzazione del Macchinario Caratterizzazione del Macchinario Caratterizzazione del Macchinario Caratterizzazione del Macchinario Caratterizzazione del Macchinario Caratterizzazione del Macchinario Caratterizzazione del Macchinario Caratterizzazione del Macchinario ApoptoticoApoptoticoApoptoticoApoptoticoApoptoticoApoptoticoApoptoticoApoptotico
KroemerKroemerKroemerKroemer etetetet al. (2005) Nature Medicine 11 (7): 725al. (2005) Nature Medicine 11 (7): 725al. (2005) Nature Medicine 11 (7): 725al. (2005) Nature Medicine 11 (7): 725
In alcuni casi l’avvenire dell’apoptosi èprogrammato, cioè è parte integrante del programma di sviluppo e differenziamentodegli
organismi (morte cellulare programmata);
in altri casi l’avvio del processo apoptotico è determinato da eventiaccidentali quali:
danni subiti dalle strutture e molecole della cellula (e.g., le membrane, il DNA genomico oppure quello mitocondriale, l’RNA e le proteine), che non siano di entità tale da causare la morte per necrosi
mancanza di fattori trofici, tra i quali i più caratteriz zati sono le neurotrofine (e.g., NGF, BDNF e NT-3) che sono essenziali per ilcorretto sviluppo del sistema nervoso
Alterazioni dell’attività di proteine pro o anti ap optotichepossono causare:
• Malattie neurodegenerative
• Neoplasie
