Università degli Studi di Catania

Corso di Laurea in Medicina e ChirurgiaBiologia e Genetica

A.A. 2013-2014

Presenta

«Controllo del Ciclo

Cellulare»

Leland H. Hartwell, Tim Hunt, Sir Paul M. NurseNobel per la medicina, 2001

- Xenopus Laevis- Sphaerechinus Granularis- Saccharomyces Cerevisiae- Schizosaccharomyces Pombe

Fattore MPF

MaturatingPromoting

Factor

- Ciclina- Cdk

Proteine bersaglio (ciclina B – cdk 2):

- Istone H1 (e condensine) con conseguente condensazione della cromatina;- Lamine Nucleari e demolizione dell'involucro nucleare;- Frammentazione dell’ Apparato di Golgi e del Reticolo Endoplasmatico;- Microtubuli con formazione del fuso mitotico (MAP4);

Fattori MPF Specifici:

- Schizosaccharomyces Pombe: ciclina B e cdc2

- Saccharomyces Cerevisiae: ciclina B e cdc28

Mammiferi

Formazione di MPF- Livelli di cdk = costanti- Livelli di cicline = variabili

Concentrazione critica

Attività chinasica

Degradazione di MPF

- RNP- Inibizione

da contatto- Messaggeri

molecolari

Enzimi E1, E2, E3 e APCLegame isopeptidico tra glicina (gruppo COOH) dell’ ubiquitina e una lisina (gruppo NH2):- K48: Proteosoma- K63: altre vie di segnalazione

Senescenza CellulareLa durata della «vita» di una cellula è regolata da

alcuni geni, denominati pro-invecchiamento, i quali codificano vie di segnalazione che accelerano la fase

in questione.

Teorie sull’invecchiamento

Invecchiamento Programmato

Invecchiamento non

Programmato

Invecchiamento Quasi

Programmato

Teoria dell’ Invecchiamento Programmato

Esisterebbero dei geni regolatori che causerebbero,

secondo uno schema predeterminato, i

cambiamenti caratteristici dell’età senile.

Teoria dell’ Invecchiamento non Programmato

Mutazioni

Danno del DNA (UV, raggiX, chemioterapici) due principali conseguenze:

Arresto del ciclo cellulare

(danno moderato)Apoptosi

(danno forte)

Teoria dell’ Invecchiamento Quasi-Programmato

Non si tratta di una via di mezzo.L’invecchiamento cellulare non è causato da un accumulo di danno

molecolare casuale.L’invecchiamento è un aumento delle

probabilità cha l’organismo possa morire.

Diversi tipi di cellule umane primarie normali (p.es.

fibroblasti) messe in cultura dopo un numero limitato di replicazioni cellulari vanno

incontro ad arresto irreversibile del ciclo cellulare e a

modificazioni morfologiche denominate “senescenza replicativa” (incapacitá a

rientrare in ciclo)

L’arresto del Ciclo Cellulare non è ancora senescenza: la senescenza può

essere guidata da percorsi di promozione della crescita, anche se la

crescita reale è impossibile.

Le cellule possono essere arrestate nel loro ciclo ma mantenere il loro PR

(Potenziale Rigenerativo).

Le cellule staminali e cicatrizzanti,

nell’organismo a riposo, sono in grado di rigenerare i tessuti dopo la perdita di

cellule.

Le cellule senescenti non possono dividersi in risposta a perdita di cellule perdendo la

capacità di rigenerare i tessuti.

Cellule quiescenti, in cui i fattori di crescita

sono ritirati, conservano il

Potenziale Rigenerativo.

Cellule in blocco di ciclo e in presenza di

fattori di crescita diventano senescenti.

Il mTOR e alcune vie che favoriscono la crescita convertono quiescenza in

senescenza: questo processo prende il nome di conversione gerogenica o

geroconversione.

Oncogeni gerogenici e gerogeni

L’attivazione dei recettori per i fattori di crescita sono

universali nel cancro. Gli oncogeni attivano il mTOR.

Poichè forti segnali mitogenici che promuovono

la crescita provocano arresto del ciclo, si

esplicano entrambe le condizioni di senescenza:

arresto e segnale mTOR/crescita.

Gerosoppressori

Geni (e loro prodotti) che sopprimono la

geroconversione; questi agiscono in antagonismo

alla via mTOR. Sono anche soppressori tumorali.

Gerosoppressanti

Piccole molecole (come la rapamacina) che sopprimono la

geroconversione.

Oncogeni gerogenici e gerogeni

L’attivazione dei recettori per i fattori di crescita sono

universali nel cancro. Gli oncogeni attivano il mTOR.

Poichè forti segnali mitogenici che promuovono

la crescita provocano arresto del ciclo, si

esplicano entrambe le condizioni di senescenza:

arresto e segnale mTOR/crescita.

Cellula Gerogenica Oltre alla perdita del

Poteziale Rigenerativo, le cellule quiescenti

possono essere distinte dalle senescenti in base

ai livelli di fosforilazione.

Resistenza alle risposte

IpertrofiaIperfunzione

Implicazioni del Malfunzionamento del Ciclo Cellulare nelle Patologie

PCNA Il PCNA (proliferating cell

nuclear antigen) è una proteina nucleare che ha un ruolo chiave nella sintesi del

DNA a doppia elica (dsDNA). Attivo durante la fase G1 tardiva e la fase S,

grazie alla sua conformazione a «molletta» riesce a rendere il DNA più facilmente accessibile alla

DNA polimerasi così da consentirne la duplicazione.

RFC= fattore di replicazione C.

PCNA (peso molecolare 34 kDa) è molto conservata nelle specie e l’isoforma umana mostra un’analogia sia

con con quella del ratto che con quella del lievito.Proteina ausiliaria della DNA polimerasi δ, il suo

complesso con la ciclina svolge un ruolo fondamentale nei meccanismi di regolazione del ciclo cellulare.

Infatti a seguito di studi effettuati su nuclei di uova di rana trattate con siero di pazienti affetti da LES, gli

anticorpi anti-PCNA sono in grado di bloccare la sintesi del dsDNA, impedendo l’attacco della DNA pol. δ

Lupus Erimatoso Sistemico

Malattia cronica di natura autoimmune. Gli autoanticorpi prodotti causano una risposta immunitaria dannosa che provoca alterazioni

tissutali. Nel caso del lupus si parla di ipersensibilità di tipo III: si vengono a creare

complessi antigene-anticorpo che interagendo con i mediatori del siero e col sistema del

complemento causano risposta infiammatoria generale o localizzata.

Tra gli autoanticorpi prodotti si annoverano quelli anti-PCNA, anche se non sono esclusivi nell’indicare tale patologia.

Infatti recenti studi hanno dimostrato che, in pazienti affetti da LES, si riscontrano autoanticorpi anti-PCNA diretti contro il PCNA libero, ma

anche contro proteine PCNA-associate. In pazienti affetti da altre patologie autoimmuni, virali o infiammatorie sono stati osservati autoanticorpi anti-PCNA diretti contro specifiche proteine PCNA-

associate e non contro il PCNA libero.A prescindere dalla specificità, vi sono indicazioni che indicano che gli

anticorpi anti-PCNA nel LES si associno a interessamento renale, cerebrale e trombocitopenico.

Cellule LE: Generalmente granulociti che

hanno fagocitato frammenti nucleare

degenerati

Descrizione&Sintomi Lupus: lesioni post-rash simili al morso o graffio di un lupo.

Erimatoso: (ερυϑρός , dal greco) rossore tipico

dell’eritemaSistemico: coinvolgimento diversi organi del corpo.

Il LES causa anche artrite (artrite lupica), il che

rende la patologia classificabile tra le

malattie reumatiche.

Manifestazioni tipo eritema polimorfo.

Eritema iniziale delle mani

Non esiste una causa specifica per l’insorgenza del LES; tuttavia basi genetiche indicano che mutazioni (casuali

o ereditarie) sulla regione del cromosoma 6 che codifica per il sistema HLA possano influenzare lo

sviluppo della malattia.Uno dei primi farmaci utilizzati per il trattamento fu il chinino, in seguito associato con l’acido acetilsalicilico,

odiernamente sostituiti con corticosteroidi.Nella fase iniziale, si manifestano: febbre, mialgia,

artralgia, deficit di capacità cognitive. Le lesioni renali e cutanee godono della maggior

importanza diagnostica e prognostica.

G1/S Cell Cycle Checkpoint Defect in Lymphocytes from Patients with Alzheimer's Disease.

Ipotizzando un rapporto di specularità tra cellule

nucleate sanguigne, quali i linfociti, e neuroni si

sono effettuati degli studi su pazienti affetti da

Alzheimer confrontandoli con gruppi di controllo

sani.

A seguito della raccolta di campioni di sangue, è stato messo in evidenza, che linfociti attivati in pazienti con AD non si arrestano nella fase G1 e progrediscono

alla tarda fase del ciclo cellulare, nonostante il trattamento con rapamicina, farmaco immunosoppressore usato per impedire il rigetto di trapianto. Se ne deduce che i linfociti di soggetti con morbo di Alzheimer sono meno sensibili alla rapamicina.

Fondamentalmente i risultati mostrano che la proporzione di cellule nella fase G1 del gruppo AD era inferiore a quella del gruppo di controllo (70,29 ± 6,32% vs 76.03 ± 9.05%, p = 0,01), così come la proporzione di cellule in fase S è stata superiore a

quello del gruppo di controllo (12,45 ± 6,09% vs 6,03 ± 5,11%, p = 0.001).Una crescente evidenza indica che linfociti periferici possono essere sfruttati come

sonda neurale genetica, infatti numerosi studi su disturbi psichiatrici hanno dimostrato che le alterazioni del metabolismo e della funzione cellulare nel sistema

nervoso centrale, così come alterazioni di neurotrasmettitori principali e sistemi ormonali sono correlati a funzioni cellulari e metaboliche alterate nei linfociti.

Gli inibitori Cdk-4 sembrano inibire il processo apoptotico innescato tra l’altro dalla mancanza di NGF (fattore di crescita neurale)

Inibitori Cdk-4 come agenti neuroprotettivi.

L’attivazione di Cdk-4 da parte di alcuni stimoli pro-apoptotici porta all’iperfosforilazione di proteine Rb, il che porta alla dissociazione

di un complesso repressore con conseguente espressione di geni apototici e innesco della morte cellulare programmata.

Studi recenti si basano

sull’introduzione di molecole inibitrici

in grado di bloccare il sito di legame di Cdk-4.

I pazienti affetti da morbo di Alzheimer probabilmente hanno un difetto di controllo del ciclo cellulare, associato alla patologica morte neuronale:

durante l’invecchiamento fisiologico, i meccanismi regolatori che inibiscono la transizione G1 / S del ciclo cellulare ( il "punto di non ritorno” oltre il

quale la cellula si impegna per la divisione) sono attivati, in modo che il ciclo di divisione delle cellule neuronali non vada oltre la fase G1. Tuttavia, il

meccanismo di regolazione la G1 / S sembra essere disfunzionale in pazienti con AD, e il ciclo cellulare neuronale progredisce fino alla fase G2. Poiché i

neuroni non sono in grado di subire mitosi e il completamento del ciclo cellulare, queste cellule possono morire per apoptosi o producendo

patologie AD-correlati.

A livello cerebrale si rileva una progressiva atrofia della corteccia cerebrale per perdita di neuroni, nell'ippocampo e nelle corteccia

implicata nei processi cognitivi e nella memoria. Si è visto che i neuroni che

vengono persi durante il progredire della malattia sono in gran parte di tipo

colinergico

Altri studi dimostrano che anche NGF risulta ridotto; possibile causa atrofia cerebrale.

Con il termine “demenza” si definisce un deterioramento multisettoriale delle funzioni cognitive dovuto a un danno altrettanto multisettoriale del parenchima cerebrale, soprattutto a carico

dell'ippocampo e della corteccia. Esistono diversi tipi di demenza, e secondo una classificazione eziopatogenetica, la malattia di Alzheimer appartiene alle demenze primarie assieme alla

malattia di Pick, l'afasia primaria progressiva e altre forme più rare.La malattia, o per meglio dire, la sindrome di Alzheimer si basa sull'incapacità della cellula di

sbarazzarsi di proteine anomale, con il loro conseguente accumulo intracitoplasmatico. Queste proteine sono prodotte da geni specifici codificanti per esse che hanno subito mutazione.

Quando il gene mutato è situato a livello del cromosoma 21 (quindi anche 1, 14, 19- ma questi codificanti per altre proteine), viene sintetizzato l'APP (Amyloid Precursor Protein). Un

catabolismo aberrante di quest'ultima porterebbe al deposito di una forma insolubile di amoiloide, la beta-amiloide, con conseguente attività tossica di questa e quindi alterazioni

degenerative neuronali. Ma questa è solo l'ipotesi amiloidea, ne esistono altre anche se la causa specifica non è stata individuata completamente.

Depositi di β-amiloide

Bibliografia e Sitografia-Biologia Molecolare della Cellula (Alberts, Johnson, Lewis et al.);-Biologia e Genetica (De Leo, Fasano, Ginelli);-www.landesbioscience.com;-NCBI (PubMed);

Lavoro a cura di:-Paolo Pricoco

-Giuseppe Sotera-Tiziana Puglisi