2. Capacità di dare origine in risposta a stimoli adeguati e specifici a cellule progenitrici “di transito” dalle quali discendono popolazioni di cellule altamente differenziate

1. Capacità di autorinnovamento illimitato

CELLULE STAMINALI

Staminali embrio-fetali

Staminali del cordoneombelicale

Staminali d’organoStaminali Adulte

Cellule Staminali con “potenziale” diverso:

-Totipotenti (zigote e cellule derivanti dalle prime due divisioni) capaci di formare tutto l’embrione e i trofoblasti della placenta

- Pluripotenti ( ICM-Cellule della massa cellulare interna della blastocisti) capaci di differenziare in tutti i tipi di cellule che derivano dai tre foglietti embrionali, ma non di formare la placenta e i tessuti di supporto

- Unipotenti o “committed progenitors”: capaci di generare uno specifico tipo cellulare

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MORTE CELLULARE

• Derivano dalla massa cellulare interna o epiblasto della blastocisti

• Divisioni cellulari simmetriche illimitate senza andare incontro a differenziamento

• Cariotipo stabile e diploide

• Possono dare origine a cellule differenziate che derivano da endo-derma, mesoderma, ectoderma

• Capacità di integrarsi in tutti i tessuti fetali durante lo sviluppo

• Capacità di colonizzare la linea germinale dando origine ad ovociti e spermatociti

• Clonogenicità: una singola ES può generare una colonia di cellulegeneticamente identiche o cloni che hanno le stesse proprietà dellacellula originale

• Espressione dei fattori di trascrizione Oct-4, Sox-2, NANOGmantengono ES in uno stato proliferativo e impediscono il differenziamento

• Telomerasi

•Induzione alla proliferazione o al differenziamento

•Fase S del ciclo cellulare predominante. Mancanza del checkpoint in G1. Non è richiesto uno stimolo esterno per iniziare la sintesi del DNA ( vedi cellule somatiche differenziate)

CELLULE STAMINALI ADULTECELLULE STAMINALI ADULTE (ASC)

• Possono dividersi senza differenziarsi per lunghi periodi di tempo

• Possono differenziarsi, in seguito ad opportuni stimoli, in cellule cosidette “mature” aventi specifiche caratteristiche morfologiche e specifiche funzioni

• Normalmente il differenziamento avviene attraverso cellule progenitrici che sono solo parzialmente differenziate, denominate: “committed”, in quanto ormai indirizzate ad intraprendere una precisa via differenziativa.

Una cellula di un organismo adulto per definirsi staminale deve “idealmente” avere tre caratteristiche essenziali:

1 - Capacità di autorinnovarsi durante tutto l’arco di vita di un organismo

2 - Elevata clonogenicità

3 - Capacità di differenziare completamente in tipi cellulari con fenotipo cosidettomaturo, pienamente integrati nei diversi tessuti, con evidenti capacità funzionali.

Per fenotipo si intendono tutte le caratteristiche osservabili di una cellula: morfologia, markers di superficie, interazioni con altre cellule e con l’ambienteextracellulare, caratteristiche funzionali e metaboliche

( es. secrezione, contrazione, trasmissionesinaptica).

Le cellule staminali adulte sono poco numerose, le loro funzioni principali sono: il mantenimentodell’omeostasi cellulare e, se pur limitatamente, la sostituzione di cellule che subiscono danni e muoiono in seguito a patologie varie o semplicemente invecchiano.

Popolazione cellulare presente in piccola percentuale rispetto alla totalità delle cellule.

Es. cellule satelliti del muscolo scheletrico sono circa il 5%.

Nel midollo osseo le cellule staminali emopoietichesono ancora più rare: 1/10.000 o più.

•Sono sparse nei vari tessuti dell’organismo e si comportano diversamente a secondo dell’“ambiente” tissutale in cui sono inserite.

• Hanno un ciclo cellulare molto lento ma sono molto clonogeniche. Si dividono meno frequentemente della popolazione cellulare intermedia.

S

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TD TD TD TDProliferazione assente

Elevata specificità funzional

Basso livello di proliferazione

Alta clonogenicità

Ciclo cellulare rapidoBassa clonogenicità

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MORTE CELLULARE

Cellule staminali adulte sono state individuate nei seguenti tessuti:

• midollo osseo• sistema nervoso centrale• sangue• midollo spinale• endotelio• muscolo scheletrico• epidermide• epitelio intestinale• cornea• retina• fegato• pancreas• tessuto adiposo

E’ evidente che sono presenti in tessuti che derivano da tutti etre i foglietti embrionali

NICCHIA: si può definire come il “microambiente” tissutale costi-tuito da cellule e componenti extracellulari che sono ingrado di “alloggiare” una o più cellule staminali e dicontrollarne la capacità di autoreplicarsi e di intrapren-dere la via del differenziamento.

La nicchia orienta le divisioni cellulari, influenzando l’orientamento del fuso mitotico.

Alcune tra le molecole coinvolte:Dineina-dinactina, PKC-ζ, actina-miosina, integrine, caderine, giunzioni intercellulari.

Fattori intrinseci di controllo (intracellulari)

Fattori di trascrizione per il controllo dell’espressione genica

Es. : nell’epidermide la β-catenina attiva la trascrizione mediata dai fattori trascrizionali della famiglia Tcf/Lef.

E’ più abbondante nelle cellule staminali che non nellapopolazione cellulare “di transito”.

Orologio intracellulare

Una volta che la cellula staminale lascia la propria nicchia che cosa determina il numero di divisioni cellulari che compie prima di essere completamente differenziata?

Livelli di promotori ed inibitori del ciclo cellulare.Lunghezza dei telomeri. Le cellule staminali hanno un’attività telomerasica costitutiva.

Fattori esterni di controllo (extracellulari)

L’insieme dei segnali che intercorrono tra cellule staminali e cellule in via di differenziamento nell’ambito della nicchia.

Fattori di secrezione : es. TGF-β (differenziamento delle cellule staminali della cresta neurale) e Wnt(differenziamento delle cellule staminali dell’epidermide e dell’epitelio intestinale).

Interazioni tra cellule mediate da proteine integrali di membrana : Es. recettore Notch.

Integrine e Matrice extra-cellulare (ECM):Integrina β-1 nell’epidermide, altamente espressa nelle cellule staminali.

In generale, le integrine hanno la funzione di mantenere la localizzazione delle cellule nei tessuti.

Alterazioni nell’espressione delle integrineregolano il differenziamento delle cellule staminali presenti in una nicchia.

Le proteine della ECM possono modulare l’espressione delle integrine e avere quindi un ruolo nel mantenimento della distribuzione delle cellule staminali.

ECM può anche modulare la concentrazione locale di fattori di secrezione (es.citochine) a livello di nicchia.

Le Cellule staminali pluripotenti indotte, abbreviate comunemente in iPSCs (Induced Pluripotent Stem Cells)

sono un tipo di cellule staminali pluripotenti, derivate artificialmente da una cellula non-pluripotente, tipicamente

una cellula somatica adulta.

Si pensa che le cellule staminali pluripotenti indotteabbiano molte proprietà in comune con le ES, come l'

espressione di certi geni e proteine, schemi di metilazionedella cromatina,, formazione di teratomi, potenziale

proliferativo e differenziativo.

Comunque, la relazione con le cellule staminali pluripotentidi derivazione embrionale è ancora oggetto di ricerca.

Le iPSCs si ottengono tipicamente per trasfezione di particolari geni associati alle staminali, all' interno dicellule somatiche, come i fibroblasti.

La trasfezione, prevede l’utilizzo di vettori virali, come i retrovirus.

I geni trasfettati includono regolatori trascrizionali: Oct-3/4 e Sox2. Dopo 3/4 settimane, piccoli gruppi di cellule trasfettate cominciano a diventare morfologicamente e biochimicamente simili alle staminali pluripotenti (ES).