Perché la cellula si “suicida”?
Ci sono due ragioni principali:
� Durante lo sviluppo embrionale la morte cellulare ènecessaria quanto la mitosi
• Riassorbimento della coda durante la metamorfosi del girino in rana
• La formazione delle dita delle mani e dei piedi
• La formazione delle appropriate connessioni tra i neuroni durante lo sviluppo embrionale.
Per esempio l’eliminazione di:
o Cellule infettate con virus
o Cellule del sistema immunitario
o Cellule con danni al DNA (mutate)
o Cellule tumorali
� La morte cellulare programmata è necessaria per distruggere quelle cellule che rappresentano un pericolo per l’integrità dell’organismo
Cosa spinge le cellule a morire ?
Il bilancio tra:
• Il rilascio di segnali positivi, necessari per la sopravvivenza (fattori di crescita)
• ricevere segnali negativi quali:
� i livelli di ossidanti intracellulari
� il danno al DNA da ossidanti o altri agenti
� i raggi UV, X, ionizzanti
� i chemioterapici
� specifiche molecole che si legano a recettori che trasmettono messaggi di morte (Fas e TNF)
APOPTOSI
1800s
Caratterizzazione morfologica delle alterazioni che accompagnano la sofferenza cellulare
1964-66
Saunders e Lockshinsuggeriscono l’esistenza di una “morte cellulare programmata” durante la metamorfosi degli insetti
1971
Kerr, Wyllie e Curriedefiniscono la modalità di morte alternativa alla necrosi, definita “apoptosi”, deputata al controllo dell’omeostasi tissutale degli organismi
1980-82
Si osserva la DNA fragmentation e viene identificata la caspasi-3
1989-91
Identificati alcuni geni coinvolti nel processo apoptotico, bcl-2, fas e p-53
L’APOPTOSI E’ UNA FORMA DI MORTE CELLULARE CHE HA LO SCOPO DI ELIMINARE CELLULE NON DESIDERATE ATTRAVERSO L’ATTIVAZIONE DI UNA SERIE DI EVENTI COORDINATI E INTERNAMENTE PROGRAMMATI PORTATI AVANTI DA UN INSIEME SPECIFICO DI PRODOTTI GENICI.
Modificazioni morfologiche associate al processo apoptotico
� Diminuzione delle dimensioni cellulari con addensamento degli organelli e mantenimento della loro integrità
� Condensazione della cromatina e successiva degradazione internucleosomale del DNA in frammenti multipli di 180 paia di basi
� Formazione di estroflessionidella membrana citoplasmatica(blebs) che si distaccano da questa formando i caratteristici corpi apoptotici
� Processo di fagocitosi dei corpi apoptotici da parte di macrofagi
Si tratta di un processo , che richiede espressione di geni specifici, finemente controllato dalla cellula (oncogeni e onco-soppressori)
� Taglio delle proteine;
� Formazione di legami crociati fra le proteine;
� Rottura del DNA (a livello internucleosomiale ad opera di endonucleasi);
� Ricognizione fagocitaria (fosfatidilserina).
Caratteristiche biochimiche dell’apoptosi
BASI AZOTATE
Basi azotate + pentoso = nucleosidi
adenina guanina
Basi azotate + pentoso + fosfato = nucleotidi
I nucleosomi sono le unità ripetitive della cromatina, ciascuna contenente 200 bp di DNA e due molecole di ciascun istone H2A, H2B, H3 e H4
Caenorabditis elegans
• 1090 cellule somatiche
• 131 vanno in apoptosi
Studi condotti su C. eleganspermisero di suddividere il processo apoptotico in 3 fasi:
� induzione;
� esecuzione;
� riconoscimento;
fagocitosi.
Studi condotti sul C. elegans hanno permesso di identificare un gran numero di geni dell’apoptosi, tali geni sono in grado di dare risposte stereotipate a stimoli diversi, e attualmente sonocosì raggruppati:
� Recettori di membrana (Fas /APO1/CD95, TNF, TRIAL)
� Adattatori (FAAD, APAF1, ced-4)
� effettori (caspasi, ced-3, endonucleasi)
� Modulatori (Anti-apoptotici come Bcl-2 e ced-9, proapototicicome il Bax)
� inibitori (Crma, survivina)
� Induttori (p53, c-myc)
� Fagocitosi
Caspase-8
CD95L
CD95
FADD
Procaspase-8
c-FLIP Danno al DNA
BidP-53
Bax
Bcl-2
AIF
Smac/DIABLO
IAPs
Apaf-1Procaspase-9
Apoptotic substrates
Caspase-3
Apoptosome
Procaspase-3Cytochrome-c
Truncated bid
Bcl-xL
Vie principali del processo apoptotico
� via estrinseca mediata dai recettori di morte
� via intrinseca mediata dai mitocondri
Caspase-8
CD95L
CD95
FADD
Procaspase-8
c-FLIP Danno al DNA
BidP-53
Bax
Bcl-2
AIF
Smac/DIABLO
IAPs
Apaf-1Procaspase-9
Apoptotic substrates
Caspase-3
Apoptosome
Procaspase-3Cytochrome-c
Truncated bid
Bcl-xL
Vie principali del processo apoptotico
� via estrinseca mediata dai recettori di morte
� via intrinseca mediata dai mitocondri
Caspasi
Cysteinyl aspartate proteinases
� cistein-proteasi che possiedono un sito attivo cisteinico e operano il taglio proteolitico dei loro substrati specifici a livello di residui di acido aspartico
� sono presenti in tutte le cellule animali in forma inattiva, come zimogeni inerti, composti da tre domini: un prodominioN-terminale e due domini p10 e p20
� in relazione alla loro funzione e ai tempi di attivazione le caspasi vengono distinte in due gruppi principali:
Caspasi iniziatrici Caspasi esecutrici
CASPASI INIZIATRICI CASPASI ESECUTRICI
caspasi esecutrici • proteine coinvolte nella degradazione del citoscheletro
• endoribonuleasi responsabili della frammentazione del DNA
• proteine deputate alla trascrizione, duplicazione e riparazione del DNA
caspasi 8, 9 caspasi 3, 6, 7
Le caspasi esecutrici, come la caspasi-3, sono in grado di indurre l’attivazione di tutti quegli enzimi che sono responsabili delle modificazioni morfologiche a carico delle cellule
Durante il processo apoptotico l’azione delle caspasi è strettamente regolata da due
famiglie di proteine
Inhibitor Apoptosis Proteins (IAPs)
Proteine della famiglia del Bcl-2
Caspase-8
CD95L
CD95
FADD
Procaspase-8
c-FLIPDanno al DNA
BidP-53
Bax
Bcl-2
AIF
Smac/DIABLO
IAPs
Apaf-1Procaspase-9
Apoptotic substrates
Caspase-3
Apoptosome
Procaspase-3Cytochrome-c
Truncated bid
Bcl-xL
IAPs
Le IAPs svolgono un’azione di tipo inibitorio sulle caspasi
Queste vengono indicate come HIAP1, HIAP2, XIAP, NIAP, Survivin e Livin.
Tra queste, la XIAP, legandosi alla caspasi-3, inibisce entrambe le vie apoptotiche, intrinseca ed estrinseca.
L’azione della proteina XIAP può essere inibita mediante legame con la proteina mitocondriale Smac/DIABLO
La famiglia delle proteine del Bcl-2
Le proteine del Bcl-2 si dividono in tre gruppi in base a criteri di omologia di sequenza e di funzione:
� 1°gruppo: proteine antiapoptotiche (Bcl-2, Bcl-xL), presentano 4 brevi domini (BH1, BH2, BH3, BH4) e un dominio c-terminale idrofobico che costituisce il sito di ancoraggio al mitocondrio
� 2°gruppo: proteine proapoptotiche (Bax, Bad, Bcl-xs), mancano del dominio BH4
� 3°gruppo: proteine con attività proapoptotica (Bid, Bik), conservano inalterata una sequenza di 12-16 aa del dominio BH3
Caspase-8
CD95L
CD95
FADD
Procaspase-8
c-FLIP Danno al DNA
BidP-53
Bax
Bcl-2
AIF
Smac/DIABLO
IAPs
Apaf-1Procaspase-9
Apoptotic substrates
Caspase-3
Apoptosome
Procaspase-3Cytochrome-c
Truncated bid
Bcl-xL
PROTEINE BCL-2
� le proteine Bcl-2 formano eterodimeri o omodimeri
� questi dimeri svolgeranno un’azione anti o pro-apoptotica, a seconda che prevalgano le proteine anti o pro-apoptotiche
L’azione delle proteine Bcl-2 è strettamente correlata all’attività di proteine regolatrici
del ciclo cellulare quali la p53
Caspase-8
CD95L
CD95
FADD
Procaspase-8
c-FLIP Danno al DNA
Bid
-
P-53
Bax
Bcl-2
AIF
Smac/DIABLO
IAPs
Apaf-1Procaspase-9
Apoptotic substrates
Caspase-3
Apoptosome
Procaspase-3Cytochrome-c
c
Truncated bid
Bcl-xL
p53
� l’attivazione della p53 avviene in seguito alla sua fosforilazione in corrispondenza di un residuo di serina
� la p53 attivata blocca la progressione del ciclo cellulare nella fase G1
� la p53 attivata determina l’up-regulation di proteine pro-apoptotiche quali il Bax.
Bcl-2, proteina codificata dall’omonimo gene che appartiene alla famiglia di geni ANTI-APOPTOTICI
Bax
Citocromo C + Apaf-1 + ATP
Pro-caspasi 9
caspasi 9
APOPTOSI
IAP = Proteine Inibenti l’Apoptosi
___
Variazione del potenziale di transizione di permeabilità
Proteina codificata dall’omonimo gene che
appartiene alla famiglia di geni PRO-APOPTOTICI
Stimolo stressogeno
p53
Apaf = fattore attivante le proteasi dell’apoptosi (=caspasi)
DANNO
Attivazione p-53
Trascrizione geni pro-apoptotici
Rilascio citocromo-c
Attivazione procaspasi 9
Attivazione procaspasi 3
APOPTOSI
VIA ESTRINSECA VIA INTRINSECALIGANDO
Attivazione recettore di morte
Legame con proteine adattatrici
Attivazione procaspasi 8
Attivazione procaspasi 3
APOPTOSI
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