Tematica 1. Biologia cellulare:

Interazioni tra le cellule e il loro ambiente

Cosa tiene le cellule di un organo insieme?

Corso di Laurea in Biotecnologie a.a. 2013/2014

Tecnologie per linee cellulari e cellule staminali

Docente: Grazyna Ptak

Morfogenesi

• Come si formano i tessuti a partire da popolazioni cellulari?

• In che modo dai tessuti si costruiscono gli organi?

• Come fanno gli organi a formarsi in sedi particolari e in che modo le cellule migranti raggiungono le loro destinazioni?

• Come si accrescono gli organi e le loro cellule, e come è coordinato il loro accrescimento nel corso dello sviluppo?

1. la parte essenziale dei tessuti: matrice extracellulare,

un complesso network di macromolecole

- aiuta a mantenere le cellule e i tessuti insieme

- provvede un ambiente organizzato per le cellule migratorie dove esse si possono

muovere ed interagire tra di loro.

Diversità delle forme dipendente dalla necessita funzionale di particolare tessuto

(osso, denti, cornea, tendini)

Molecole della matrice sono prodotte da fibroblasti (condroblasti – cartilagine,

osteoblasti – tessuto osseo)

Come le piccole cellule, fragili e esposte alla deformazione

creano un organismo forte come un albero oppure un cavallo?

2. il legame tra le cellule avviene tramite i giunzioni cellulari

The Extracellular Matrix (ECM) of Animal Cells

• Functions of the ECM include

– Support

– Adhesion

– Movement

– Regulation

Determinazione sperimentale dello spessore della matrice extracellulare

prodotta dalla cellula di cartilagine

Organizazzione della matrice extracellulare - impalcatura, ponteggi, travi, tubi e colla

Le due classi principali di macromolecole che compongono la matrice sono:

1. Glicosoaminoglicani (GAG), che solitamente si trovano legati alle proteine per

formare I proteoglicani.

Proteoglicano –molecola proteica (core protein) alla quale la catena di

glicosoaminoglicano (GAGs) viene ancorata.

Un gel poroso (lega molte molecole di acqua)

2. Proteine fibrose appartenenti a due gruppi:

Funzione strutturale:

Collagene – glicoproteine fibrose, molto resistenti; I,II,III struttura: alfa eliche tripliche

Esempio: stroma corneale

IV-trimer con struttura non elicale, si trova nelle membrane basali

Funzione adesiva:

Laminine - ruolo nella migrazione, nella crescita e la differenziazione-basal lamina

Fibronettine – favoricse il congiungimento dei fibroblasti e di varie altre cellule con la

matrice

I GAG occupano ampi spazi e

formano gel idratati

I gruppi di GAG:

• Acido ialuronico

• Condroitinsolfato e dermatansolfato

• Eparansolfato ed eparina

• cheratansolfato

Acido ialuronico, è particolarmente abbondante

nelle fasi precoce dello sviluppo; il ruolo:

• Resistenza a forze compresive

• Crea uno spazio privo di cellule, in cui le cellule stesse migrerano in seguito, questo avviene nel corso della formazione del cuore, della cornea ect. Quando la migrazione si interrompe, l’acido ialuronico vienne degradato da parte dell’ enzima ialuronidasi

• È prodotto in grande quantità durante I processi di riparazione delle ferite

I collageni

sono una famiglia di proteine

fibrose presenti in tutti gli

organismi pluricellulari

• La principale componente della pelle e dell’osso.

• Più importanti proteine nei mammiferi,

constituendo il 25% della massa tottale di

proteine di questi animali.

• Contrariamente ai GAG, che resistono alle forze

compressive, le fibrille di collageno costituiscono

le strutture che resistono alla trazione.

Le molecole di collageno di tipo IV hanno una struttura più flessibile di

quella dei collageni fibrillari e siaggregano per formare una magli di rete

che contibuisce alla formazione della lamina basale.

due estremi di organizzazione: il tessuto connettivo e il tessuto epiteliale

Fibronectine, dimeri glicoproteici

Hanno siti di legame per gli altri componenti, come collagene e proteoglicani.

Hanno siti di legame per i recettori sulla superficie cellulare

Funzione: molecola di adesione, lega le cellule tra loro e ad altri substrati.

- Corretto allineamento delle cellule con la loro matrice (aiutano a creare un

stabile interconnesso network).

- Importanti durante la migrazione cellulare, sopratutto durante lo sviluppo

embrionale: percorsi di fibronectina guidano le cellule germinali alle gonadi e

guidano le cellule cardiache verso la linea mediana del embrione (se si inettano

anticorpi anti-fibronectine nel embrione di pollo….)

• Fig. Fibronectine nel embrione di Xenopus in via di sviluppo

Dinamica della matrice extracellulare

- spaziale (retrazione e distensione)

- rinnovo – importanza per lo sviluppo embrionale e

in seguito a danno tessutale

La matrice extracellulare puo influenzare la forma della cellula,

la sua sopravivenza e la proliferazione.

Esistono due modi fondamentali in cui le

cellule animali formano I tessuti

I mecanismi che dirigano le celule alla loro destinazione sono:

• La secrezione di una sostanza chimica solubile che attraga le cellule in migrazione (chemiotassi). Movies 15.2; 15.3

• La formazione di molecole di adesione nella matrice extracellulare o alla superfice delle cellule per guidare le cellule in migrazione lungo la via corretta (via guidata di migrazione)

Cellule migratorie:

• sono guidate dalle proteine, fibronectine

• anticorpi anti-fibronectine bloccano il movimento delle cellule, quindi, lo sviluppo degli organi

• Altre, come il proteoglicano condroitinsolfato, inibiscono la locomozione e impediscono l’acceso a determinati ristretti.

• Le cellule che non migrano situate lungo la via possono possedere superfici attraenti o repellenti , o possono mettere i filipodi, che toccando la cellula, ne alterano il comportamento

creste neurali (blu)

Lo sviluppo embrionale è caracterizzato dalla migrazione cellulare

sacco vitelino

anticorpi contro le laminine (rosso)

cellule germinali primordiali (verde)

Cellule migratorie:

nella cresta neurale, nei somiti, precursori delle cellule ematiche,

delle cellule germinali, neuroni del sistema nervoso centrale

Molte funzioni di segnalazione delle integrine dipendono da una tirosina chinasi citoplasmatica (FAK). Le adesioni focali sono spesso I siti più importanti di fosforilazione in tirosina in cellule in coltura

Adesioni focali come siti di produzione di segnali extracellulari

fibre di actina (verde)

integrine (rosso)

rapresentano I siti di adesione focale

Adesione focale Ruolo delle integrine nella conessione tra la matrice

Extracellulare e il citoscheletro

il dominio citoplasmatico delle integrine rappresenta

il sito di legame di varie proteine che creano un link

con citoscheletro (filamenti di actina)

• FAK aiuta a disasemblare le adesioni focali e questa perdita di

adesioni sia necessaria per la normale adesione delle cellule.

• Molte cellule cancerose hanno livelli elevati di FAK.

Classi principali di caderine

• E – caderine (caderine epiteliali,

ovomoruline) cellule embrionali iniziali, in

sequito restano limitate ai tessuti epiteliali

• P- caderine (caderine placentali)

trofoblasto, cellule uterine (impianto),

placenta

• N- caderine (caderine neurali)

• C – caderine, movimenti di gastrulazione

La distibuzione di E-caderina e di N-

caderina nel sistema nervoso in sviluppo

Le cellule del tubo neurale hanno perso E-

caderina e hanno acquisito N-caderina

E-caderina N-caderina

Importanza delle N- caderine nella separazione dell’ectoderma

neurale da quello epidermico. Indotta mutazione delle N-

caderine a lato sinistro del embrione di Xenopus.

Thomas, F. C. et al. J Cell Sci 2004;117:5599-5608

Immunofluorescence confocal microscopy of E-cadherin (A-H) and JAM-1 (I-P) staining patterns during preimplantation development

Gonadi di embrioni di topo colorate a 13 giorni di sviluppo con anticorpi per

la E-caderina (rosso) e la laminina (giallo)

Movie 19.1 caderine epiteliali

Varie giunzioni cellulari presenti in

una cellula epiteliale di vertebrato