Biologia Applicata - Apoptosi

APOPTOSI O MORTE CELLULARE PROGRAMMATA

NECROSI E APOPTOSI MORTE CELLULARE: fenomeno complesso, caratterizzato da una sequenza di eventi biochimici e morfologici. •Processo

che si sviluppa nel normale ciclo vitale dei tessuti •Reazioni difensive •Danno tissutale conseguente all’azione di fattori lesivi esogeni ed endogeni

NECROSI E APOPTOSI La morte cellulare è un processo irreversibile che evolve secondo due modalità ben definite: la necrosi e l’apoptosi.

NECROSI Morte non programmata di cellule e tessuti viventi. E’ causata da cancro, infiammazioni, ferite, infarto, ecc.

•Le cellule si rigonfiano •Lesione della membrana degli organuli

cellulare e

•Lisi

cellulare e rilascio del materiale cellulare nell’ambiente circostante (risposta infiammatoria)

•Fenomeni

di infiammazione e autoimmunita’

NECROSI Nel nucleo dopo l’addensamento della cromatina che forma aggregati a tessitura fine ai margini: Picnosi: diminuizione del volume Cariolisi: dissolvimento Scomparsa del nucleo

NECROSI: RUOLO DEL Ca2+

APOPTOSI Fino agli anni ’70 si riteneva che la morte cellulare fosse la conseguenza solo di eventi traumatici o della morte dell’intero organismo. Fu da studi sullo sviluppo e la metamorfosi degli invertebrati che risultò sempre più evidente che esisteva anche una morte cellulare di tipo fisiologico, che come tale poteva non causare infiammazione e dolore ed avere delle finalità proprie.

APOPTOSI L’ apoptosi è una modalità di morte cellulare attiva, tipica delle cellule di organismi pluricellulari. Al contrario della necrosi, che è una forma di morte cellulare risultante da un acuto stress o trauma cellulare, l’apoptosi scaturisce dall’attuazione di un programma preordinato, richiede consumo di energia (ATP) e generalmente porta ad un vantaggio durante il ciclo vitale dell’organismo (è infatti chiamata da alcuni morte altruista o morte pulita).

APOPTOSI •

•

Le modalità della morte (fagocitosi) sono finalizzate a evitare l’instaurarsi di fenomeni di INFIAMMAZIONE e di AUTOIMMUNITÀ Il fatto che non dia luogo a fenomeni di infiammazione fa sì che la morte cellulare non sia avvertita dall’organismo (morte indolore)

RUOLO DELL’APOPTOSI L’apoptosi è la principale forma fisiologica di morte cellulare.

L'omeostasi tra la produzione di nuove cellule e l' eliminazione delle cellule "vecchie" è uno degli obiettivi principali di ogni organismo pluricellulare. L’apoptosi si verifica tutti i giorni in tutti i tipi di tessuti: 50-70 milioni cellule/giorno.

RUOLO DELL’APOPTOSI Turnover tissutale:

in un organismo adulto, il numero delle cellule contenute in un organo deve rimanere costante entro un certo margine. Le cellule del sangue e degli epiteli di rivestimento, ad esempio, sono costantemente rinnovate a partire dai loro progenitori staminali; ma la proliferazione è compensata da una costante morte cellulare. L’omeostasi è mantenuta quando la consistenza delle mitosi (proliferazione cellulare) in un tessuto è bilanciata dalla morte di un numero equivalente di cellule.

RUOLO DELL’APOPTOSI Se questo equilibrio è disturbato si hanno due scenari: •Se le cellule si dividono più velocemente di quanto muoiano, si sviluppa un tumore.

•Se le cellule muoiono più velocemente di quanto si dividano, si hanno disordini da perdita di cellule (morbo di Parkinson, morbo di Alzheimer).

RUOLO DELL’APOPTOSI Ontogenesi:

sviluppo embrionale e metamorfosi degli organismi pluricellulari

Durante il suo sviluppo, l’embrione umano presenta gli abbozzi di mani e piedi “palmati”: affinché le dita si differenzino, è necessario che le cellule che costituiscono le membrane interdigitali muoiano.

RUOLO DELL’APOPTOSI Ontogenesi:

sviluppo embrionale e metamorfosi degli organismi pluricellulari

Il riassorbimento della coda del girino durante la metamorfosi in rana avviene per apoptosi

RUOLO DELL’APOPTOSI Processi immunitari:

nel sistema immunitario, sia l’eliminazione selettiva delle cellule timiche (linfociti T) autoreattive, sia lo spegnimento dei cloni al termine di una risposta immunitaria si avvalgono dell’apoptosi. Inoltre, le cellule citotossiche del sistema immunitario possono indurre le cellule bersaglio al suicidio cellulare. Difetti nel macchinario apoptotico sono associati all’insorgenza di malattie auto-immuni.

RUOLO DELL’APOPTOSI Eliminazione delle cellule con danno al DNA: il danno al genoma può fa sì che una cellula 

•alteri il proprio sviluppo embrionale •diventi cancerosa Le cellule rispondono al danno al DNA aumentando al produzione di p53, un potente induttore dell’apoptosi  eliminazione delle cellule difettate. Mutazioni nel gene che codifica per p53 sono state riscontrate in cellule tumorali ....

SEGNI MORFOLOGICI DELL’APOPTOSI Una cellula apoptotica presenta caratteristiche morfologiche osservabili al microscopio:

•Coartazione (shrinking) •Protrusioni del plasmalemma simili a bolle d’aria (blebs) •Degradazione della cromatina (DNA e proteina) nucleare

•Lisi mitocondriale con rilascio di citocromo C •Frammentazione in piccole vescicole rivestite da membrana (corpi apoptotici)

•Esposizione della fosfatidilserina sul foglietto membranale extracellulare

SEGNI MORFOLOGICI DELL’APOPTOSI

•La fosfatidilserina (segnale “eat me”) è legata da

recettori su cellule fagocitiche che circondano i corpi apoptotici

•Oltre all’esposizione della fosfatidilserina si hanno

ulteriori alterazioni delle molecole di superficie, con variazioni che coinvolgono anche gli oligosaccaridi del glicocalice (lectine).

CELLULE APOPTOTICHE AL MICROSCOPIO

Figure 21.17

2 µm

PERCHE’ UNA CELLULA DECIDE DI SUICIDARSI? Adesione alla superficie sulla quale cresce (perdita del legame tra molecole di adesione)

+

Danno al DNA (agenti ossidanti, raggi ultravioletti, farmaci chemioterapici)

-

APOPTOSI

+

Fattori di crescita

+

Accumulo di proteine con struttura terziaria non corretta

Legame sulla superficie cellulare dei cosiddetti segnali di morte

•TNFα (si lega ai recettori TNF) •Linfotossina (TNFβ; si lega ai recettori TNF) •Ligando Fas (FasL; si lega ai recettori Fas)

MECCANISMI DELL’APOPTOSI Induttori specifici dell’apoptosi innescano uno specifico programma di autodistruzione eseguito dai prodotti di geni specifici e con dispendio di energia.

L’apoptosi comprende tre fasi principali: 3) Induzione 5) Esecuzione 7) Riconoscimento e fagocitosi

MECCANISMI DELL’APOPTOSI INDUZIONE: è regolabile e reversibile, in quanto vede un “colloquio incrociato” (cross-talk) tra stimoli contrastanti (segnali di sopravvivenza e segnali di morte). I diversi stimoli ed eventi apoptogeni seguono due (o forse più) distinte pathways (vie di segnalazione): una attivata da "segnali di morte" che giungono a specifici recettori di superficie, l'altra attivata da segnali endogeni e regolata dal mitocondrio (via recettoriale e via mitocondriale). La segnalazione specifica dell'apoptosi non richiede in genere attivazione genica né sintesi proteica de novo.

MECCANISMI DELL’APOPTOSI ESECUZIONE: entrambe le pathways convergono nell'attivazione di proteasi specifiche, dette caspasi. Questo evento segna l’inizio della fase di esecuzione. L'attivazione delle caspasi è determinata da un evento proteolitico e determina a sua volta un'ulteriore cascata di eventi proteolitici e nucleolitici preordinati, che amplificano il segnale e portano alle tipiche modificazioni morfologiche dell'apoptosi. La fase di esecuzione richiede energia e, nel caso che l’ATP disponibile non fosse sufficiente per completare il processo di apoptosi, questa potrebbe abortire e sfociare in necrosi (per questo motivo per “morte cellulare programmata” si intendono tutti gli eventi che portano all’apoptosi o alla necrosi a partire da segnali di morte).

MECCANISMI DELL’APOPTOSI RICONOSCIMENTO E FAGOCITOSI: la finalità dell’apoptosi è quella di predisporre la cellula ad essere facilmente fagocitata impedendo la fuoriuscita di materiale potenzialmente pro-infiammatorio o immunostimolante. Si ha quindi la successiva fase di riconoscimento e fagocitosi. La superficie della cellula apoptotica (o dei corpi apoptotici in cui si è frammentata) espone segnali “eat-me” (mangiami!) che la rendono appetibile. Inoltre la cellula emette molecole chemiotattiche che richiamano i macrofagi professionisti.

APOPTOSI INNESCATA DA SEGNALI INTRACELLULARI: PATHWAY INTRINSECO O MITOCONDRIALE •

Bcl-2/Bcl-XL: proteine antiapoptotiche sulla superficie esterna del mitocondrio

•

Bcl-2/Bcl-XL inibiscono molecole pro-apoptotiche (Bax, Bak)

•

Un danno cellulare (radicali liberi) inattiva Bcl-2/BclXL  attivazione di Bax, Bak

APOPTOSI INNESCATA DA SEGNALI INTRACELLULARI: PATHWAY INTRINSECO O MITOCONDRIALE •

Apertura di megacanali nella membrana mitocondriale esterna  caduta del potenziale di membrana mitocondriale e moderato aumento della [Ca2+]i

•

Il citocromo C e Apaf-1 passano nel citoplasma e si aggregano formando gli apoptosomi insieme alla caspasi 9 (iniziatrice)

APOPTOSI INNESCATA DA SEGNALI INTRACELLULARI: PATHWAY INTRINSECO O MITOCONDRIALE •

Attivazione della caspasi 9  caspasi 3 (effettrice)  cascata proteolitica  attivazione della endonucleasi CAD  digestione di proteine citoplasmatiche e degradazione della cromatina, disaggregazione citoscheletrica  corpi apoptotici e fagocitosi

APOPTOSI INNESCATA DA SEGNALI EXTRACELLULARI: PATHWAY ESTRINSECO •Fas ed il recettore TNF sono

proteine integrali di membrana con i domini recettoriali esposti sulla superficie cellulare

•Il legame dei rispettivi segnali di morte (FasL e TNF) trasmette un segnale al citoplasma che conduce all’attivazione della caspasi 8

•La caspasi 8 (come la caspasi 9) inizia una cascata di attivazione proteolitica che termina con la fagocitosi della cellula

•Intervento dei mitocondri ad opera di Bid

APOPTOSI INNESCATA DA SEGNALI EXTRACELLULARI: PATHWAY ESTRINSECO •Le cellule natural killer uccidono le

cellule bersaglio (cellule neoplastiche ed infettate da virus) rilasciando enzimi, come le perforine ed i

granzimi

•Le perforine causano la

formazione di pori nella membrana delle cellule bersaglio, permettendo ai granzimi di entrare nella cellula

•I granzimi sono caspasi attivate

che attivano una serie di reazioni a cascata che sfociano in apoptosi (omicidio cellulare)

L’APOPTOSI E CAENORABDITIS ELEGANS

Il programma apoptotico si avvale di molecole specifiche, i cui geni sono altamente conservati. I prototipi di tali geni furono osservati per la prima volta nel nematode Caenorabditis elegans, la cui importanza per la comprensione dell’embriologia può essere paragonata a quella della Drosophila melanogaster per la genetica. Delle 1090 cellule somatiche di questo piccolo verme, 131 muoiono per apoptosi nel corso dello sviluppo embrionale. Geni omologhi sono stati riconosciuti in altri organismi, incluso l’uomo.