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La segnalazione cellulare

Gabriele Candiani

Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica "Giulio Natta"

Via Mancinelli 7 - 20131 Milano

e-mail: [email protected]

Brixen, 16/09/2013

XXXII Scuola Annuale di Bioingegneria

Approccio Integrato per la Medicina Rigenerativa

Gabriele CANDIANI

2

• Gli organismi pluricellulari

• La cellula e la sua organizzazione • Il flusso dell’informazione

• La comunicazione cellulare • La trasduzione del segnale e sue caratteristiche

• «Primo messaggero», recettori e via di segnalazione

• La morte cellulare programmata

• Conclusioni

Outline

X

Gabriele CANDIANI

3

Nessuna cellula vive isolata • cellula (+ matrice) → tessuto → organo → apparato → organismo

Dal micro al macro

tessuto

muscolare

tessuto

epiteliale

tessuto

muscolare

tessuto

muscolare

tessuto

nervoso

tessuto

connettivo

Gabriele CANDIANI

4

La cellula (piccola camera) è l'unità morfofunzionale minima

costituente organismi viventi pluricellulari • Compartimentazione interna

La cellula eucariote animale

nucleo

membrana

plasmatica citoplasma

Chem Comm, 2010, 46, 3538-40

Gabriele CANDIANI

5

Ogni cellula somatica di un organismo pluricellulare

contiene un corredo completo di geni, ma non li esprime tutti • Per lo sviluppo di un organismo pluricellulare è necessario che determinate

proteine siano sintetizzate solo al momento «giusto» e nelle «giuste» cellule

Il flusso dell’informazione intracellulare

fattori di

trascrizione cellule del

sangue

osteoblasti

neuroni

cellule muscolari striate

Gabriele CANDIANI

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Il fenotipo di una cellula viene mantenuto o modificato

mediante la ricezione di stimoli • Coesistenza coordinata di tutte le parti che lo compongono

• Tutte le cellule provviste di complessi sistemi per la ricezione di segnali

dall’ambiente

• Le cellule comunicano e interagiscono tra loro mediante la segnalazione

cellulare

La comunicazione intercellulare

segnale radio

(stimolo)

suoneria

(risposta)

stimolo → risposta cellulare

molecola

segnale A

(stimolo)

molecola

segnale B

proliferazione

differenziamento

migrazione

morte…

(risposta)

nucleo

Gabriele CANDIANI

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La segnalazione cellulare è l’insieme dei processi che

permettono il dialogo tra due o più cellule di un organismo o

tessuto o costrutto in risposta a segnali specifici


1) Sintesi

2) Rilascio

3) Trasporto

4) Captazione

5) Trasduzione

6) Risposta cellulare

7) Rimozione del segnale

Cellula

segnalante

nucleo

nucleo

A → B

Cellula

bersaglio

Gabriele CANDIANI

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La trasduzione del segnale è il processo di conversione

dell’informazione portata dal «primo messaggero»

(extracellulare) in alterazioni intracellulari che evocano una

risposta

La trasduzione del segnale

«primo messaggero»

Recettore

(o trasduttore primario)

Legame ligando-recettore

Trasduzione del segnale

(modificazioni di enzimi,

variazioni [ioniche]…)

Risposta cellulare

e

«secondo messaggero»

Gabriele CANDIANI

9

La trasduzione del segnale può avvenire seguendo 2

principali vie

La trasduzione del segnale

Gabriele CANDIANI

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Caratteristiche generali delle vie di trasduzione 1. Specificità: solo i «primi messaggeri» complementari al sito di legame del

recettore possono legarsi

2. Amplificazione: gli enzimi attivano altri enzimi o mediatori chimici. Il

numero di molecole in gioco aumenta geometricamente, generando

cascate di segnali


Adrenalina (o Glucagone)

Glucosio

Glicogeno fosforilasi

Glicogeno

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Caratteristiche generali delle vie di trasduzione 3. Integrazione: 2 segnali si legano a 2 recettori con effetti anche diversi su

una via metabolica danno luogo a un segnale integrato


Gabriele CANDIANI

12 Costituenti della segnalazione

Legame ligando-recettore

Trasduzione del segnale

(modificazioni di enzimi,

variazioni [ioniche]…)

Risposta cellulare


Recettore

(o trasduttore primario)

e

«secondo messaggero»

Gabriele CANDIANI

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Il «primo messaggero» è il ligando che agisce su un

recettore, inducendo una risposta 1. A seconda della distanza tra il loro sito di produzione (cellula segnalante)

ed il tessuto bersaglio su cui agiscono

Il «primo messaggero»

neurotrasmettitori,

fattori di crescita (GF),

prostaglandine ormoni

fattori di crescita (GF),

prostaglandine

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Il «primo messaggero» è la molecola o ligando che agisce

su un recettore, modificandone la conformazione 2. Sulla base della loro natura chimica

a) Aminoacidi e loro derivati

b) Gas (NO, CO…)

c) Ormoni steroidei

d) Eicosanoidi

e) Peptidi e proteine


Molecole troppo grandi o

idrofiliche per attraversare la

membrana (alcuni derivati

aminoacidici, peptidi e proteine)

o lipofile che legano recettori di

superficie (eicosanoidi)

Piccole molecole lipofile

che attraversano la

membrana (gas, ormoni

steroidei, alcuni derivati

aminoacidici)

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2. Sulla base della loro natura chimica

a) Aminoacidi e loro derivati


Aumentata produzione di calore; mantenimento del

metabolismo del glucosio; ampi effetti sull'espressione

genica e sull'induzione di sintesi enzimatiche

Tetraiodiotironina (T4)

Triidiotironina (T3)

Tiroide

Contrazione delle arteriole; diminuzione della circolazione

periferica

Epinefrina

Norepinefrina

Istamina

Midolla surrenale

Mastociti

Aumento delle pulsazioni e della pressione sanguigna;

contrazione della maggior parte dei muscoli lisci;

glicogenolisi nel fegato e nel muscolo; idrolisi dei lipidi del

tessuto adiposo

Vasocostrizione delle grandi arterie e vasodilatazione delle

arteriole; broncocostrizione

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c) Ormoni steroidei


Progesterone

Estradiolo

Testosterone

Cortisolo

Ovaio, corpo luteo;

placenta

Ovaio, placenta

Testicolo

Corteccia surrenale

Differenziamento dell'utero in preparazione all'impianto del

embrione; mantenimento delle prime fasi della gravidanza,

sviluppo del sistema alveolare delle ghiandole mammarie

Maturazione e normale funzionamento degli organi sessuali

accessori maschili; sviluppo delle caratteristiche sessuali

maschili

Differenziamento dell'utero e di altri organi sessuali

femminili; mantenimento dei caratteri sessuali secondari

della femmina e delle normali funzioni cicliche degli organi

sessuali accessori; sviluppo del sistema duttale delle

ghiandole mammarie

Effetto sul metabolismo dei carboidrati, dei lipidi e delle

proteine aumentndo la glicemia; riduzione

dell'infiammazione e delle risposte immunitarie; aumento

delle risposte fisiologiche globali allo stress

Gabriele CANDIANI

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d) Eicosanoidi: Prostanoidi e Leucotrieni


Infiammazione; contrazione o rilassamento

del muscolo liscio

Prostaglandina

> Parte del corpo

Pareti dei vasi Prostaciclina Vasodilatezione e ipotensione;

antiaggregante verso le piastrine

Piastrine Vasocostrizione delle coronarie e

ipertensione; antiaggregante verso le

piastrine

Chemiotassi, infiammazione e reazioni

allergiche Leucociti

Trombossano

Leucotriene

Gabriele CANDIANI

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Denominazione Struttura Sito di

produzione Effetto

Glucagone Peptide, 29 aa Cellule α del

pancreas

Sintesi del glucosio e la degradazione del glicogeno nel

fegato (effetto iperglicemizzante), idrolisi dei lipidi nel

tessuto adiposo

Insulina Polipeptide, catena A:

21 aa, catena B: 30

aa

Cellule β del

pancreas

Assunzione di glucosio nelle cellule adipose e muscolari

(effetto ipoglicemizzante). Anabolismo dei carboidrati e

sintesi/accumulo di lipidi nel tessuto adiposo

Gastrina Polipeptide, 17 aa Intestino Secrezione di HCI e di pepsina da parte dello stomaco

Secretina Polipeptide, 27 aa Intestino

tenue

Secrezione di enzimi digestivi pancrea Secrezione di

enzimi digestivi pancreatici; svuotamento della cistifellea

Ormone adreno

corticotropo (ACTH) Polipeptide, 39 aa Adenoipofisi

Idrolisi su lipidi da parte del tessuto adiposo; stimola la

corteccia surrenale a produrre cortisolo e aldosterone

Ormone follicolo

stimolante (FSH)

Proteina, catena α: 92

aa; catena β: 118 aa Adenoipofisi

Crescita degli oociti e dei follicoli ovarici e sintesi di

estrogeni da parte dei follicoli

Ormone luteinizzante

(LH)


aa; catena β: 115 aa Adenoipofisi

Maturazione dell’oocita; secrezione di estrogeni e di

progesterone da parte dei follicoli ovarici

Ormone

tireostimolante (TSH)


aa; catena β: 112 aa Adenoipofisi Rilascio di tiroxina da parte delle cellule tiroidee

Ormone paratiroideo Proteina, 84 aa Paratiroide

Aumento del Ca2+ e diminuzione dei fosfati nel sangue;

mobilizzazione dei fosfati di calcio dalle ossa; aumento del

riassorbimento di Ca2+ e diminuzione di riassorbimento di

fosfato dal filtrato renale

Gabriele CANDIANI

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Denominazione Struttura Sito di

produzione Effetto

Vasopressina (ADH) Proteina, 9 aa Neuroipofisi Aumento dell’assorbimento di H2O dall’urina da parte dei

tubuli renali; costrizione dei capillari sanguigni e aumento

della pressione sanguigna

Ormone di rilascio del

TSH Polipeptide, 3 aa Ipotalamo

Secrezione dell’ormone tiroido-stimolante da parte

dell’adenoipofisi

Fattore di crescita

epidermica (EGF) Polipeptide, 53 aa

Ghiandole

salivari e altre Crescita delle cellule dell’epidermide e di altre cellule

Somatotropina (GH)

(ormone della crescita) Polipeptide, 191 aa Adenoipofisi

Assunzione di aa da parte di molte cellule; stimola il fegato

a produrre IGF-1 inducendo la crescita di ossa e muscoli

Eritropoietina Polipeptide, 166 aa Rene Differenziamento delle cellule staminali eritrocitarie

Fattore stimolante le

colonie granulocitiche

e macrofagiche (GM-

CSF)

Polipeptidi, MW 14 e

35 kDa

Linfociti T,

cellule

endoteliali e

fibroblasti

Differenziamento di cellule staminali granulocitiche e

macrofagiche

Interleuchina-2 (IL-2) Polipeptide, MW

15.5 kDa

Linfociti T e

macrofagi Divisione dei linfociti T nel sistema immunitario

Fattore di crescita

delle cellule nervose

(NGF)

2 catene identiche

di 118 aa

Tessuti

innervati da

neuroni

simpatici

Crescita e differenziamento dei neuroni sensori e simpatici

Gabriele CANDIANI

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Il «primo messaggero» è la molecola o ligando che agisce

su un recettore, modificandone la conformazione 3. Sulla base del loro effetto

• I «primi messaggeri» agiscono sempre in combinazione per regolare il

comportamento cellulare


Gabriele CANDIANI

21

Ogni tipo cellulare esprime un set di recettori proteici che

permette di rispondere a un numero corrispondente di ligandi • La cellula non può rispondere al segnale senza uno specifico recettore

• Il «primo messaggero» scatena una risposta ma il tipo di risposta è

determinata dal recettore (e dagli effettori o «secondi messaggeri»)

• Le cellule modulano la risposta variando la [recettori] (down- e up-

regulation)

I recettori cellulari

cellule acinose del

pancreas

secrezione

cellule muscolari lisce

non vascolari

contrazione

cellule muscolari

cardiache

↓frequenza e forza

ACh

Gabriele CANDIANI

22

Poiché la risposta ad un segnale dipende dalle proprietà del

recettore, questo ha portato allo sviluppo di farmaci • Agonisti hanno lo stesso effetto del «primo messaggero»

• Antagonisti impediscono il legame del «primo messaggero»


«primo messaggero» agonista antagonista

attivazione

inattivazione

Adrenalina Isoproterenolo Propranololo

Cardiomiocita

Cellula

muscolare

liscia

bronchiale

β1 β2

Gabriele CANDIANI

23

Ogni tipo cellulare esprime un particolare set di recettori

che permette di rispondere a un numero corrispondente di

«primi messaggeri» 1. Recettori di superficie (di membrana)

2. Recettori intracellulari (citoplasmatici e nucleari)



idrosolubile


liposolubile (2)


liposolubile (1)

nucleo

citoplasma

Gabriele CANDIANI

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• Impiegati per classificare le cellule sulla base della presenza o

assenza di marcatori di superficie o Cluster di differenziazione (CD)

(http://www.pathologyoutlines.com/cdmarkers.html)

I recettori di membrana

Tipo di cellula Marker CD

Cellula staminale CD34+, CD31-

Tutti i leucociti CD45+

Granulociti CD45+, CD15+

Monociti CD45+, CD14+

Linfociti T CD45+, CD3+

Linfociti B CD45+, CD19+

Gabriele CANDIANI

25




I. Recettori accoppiati a proteine G (GPCR) trimeriche


risposta cellulare

Interazione

con effettore

Gabriele CANDIANI

26

1. Recettori di superficie (di membrana)

I. Recettori accoppiati a proteine G (GPCR) trimeriche


«secondi messaggeri»

Variazione

conformazionale

Gabriele CANDIANI

27 I messaggeri intracellulari


• Il legame di «primi messaggeri» a molti recettori di superficie porta alla

variazione della concentrazione di «secondi messaggeri», molecole

a basso peso molecolare che portano ad un’amplificazione del

segnale

a) AMP ciclico (cAMP)

b) GMP ciclico (cGMP)

c) Diacilglicerolo (DAG)

d) Inositolo trifosfato (IP3)

e) Ca2+

Gabriele CANDIANI



I. Recettori accoppiati a proteine G (GPCR). Il legame di «primi

messaggeri» a molti recettori di superficie porta alla variazione della

concentrazione di «secondi messaggeri» a basso peso molecolare

a) AMP ciclico (cAMP)

↑ cAMP

↑ PKA

Glicogeno Glucosio

Epatocita

Gabriele CANDIANI



I. Recettori accoppiati a proteine G (GPCR). Il legame di «primi

messaggeri» a molti recettori di superficie porta alla variazione della

concentrazione di «secondi messaggeri» a basso peso molecolare

c) Diacilglicerolo (DAG)

d) Inositolo trifosfato (IP3)

e) Ca2+

contrazione muscolare,

proteolisi,

glicogenolisi,

secrezione…

(PKC)

contrazione muscolare,

secrezione,

glicogenolisi…

effetti tessuto-specifici

Gabriele CANDIANI

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II. Recettori ad attività enzimatica intrinseca o legati ad enzimi


Proliferazione

Differenziamento

«primo

messaggero»

espressione genica,

riorganizzazione citoscheletro…

Gabriele CANDIANI

31



a) Recettori guanilil-ciclasi

b) Recettori tirosin-chinasi (RTK)

c) Recettori associati a tirosin-chinasi

d) Recettori tirosin-fosfatasi

e) Recettori serin/treonin-chinasi


Gabriele CANDIANI

32





Gabriele CANDIANI

33





PKC

↑ proliferazione

↑ motilità

cellulare

Gabriele CANDIANI

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III. Recettori ionotropici (o canali ionici ligando-dipendenti)

a) Eccitatori

b) Inibitori


«primo messaggero» Tipo di

recettore

Distretto

d’azione Effetto

Glutammato NMDA e non-MDA SNC Eccitatorio

(depolarizzazione)

Acido γ-aminobutirrico

(GABA) GABAA SNC

Inibitorio

(iperpolarizzazione)

Glicina GlyR Midollo allungato

e spinale

Inibitorio

(iperpolarizzazione)

Gabriele CANDIANI

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«primi messaggeri» 2. Recettori intracellulari

I recettori intracellulari

Ghiandole surrenali

Gabriele CANDIANI

36 La morte cellulare programmata

L’apoptosi è un processo fisiopatologico che attraverso

una sequenza di eventi ben coordinata conduce alla morte

cellulare programmata • Provvede all’eliminazione di cellule «pericolose» per l’organismo

• Contribuisce al mantenimento del numero di cellule di un sistema

• E’ contrapposta alla necrosi, risultante da un acuto stress o trauma

cellulare

4 μm

SEM: Linfocita T apoptotico

Immunomarcaggio di una (a) cellula

sana vs (b) apoptotica. Blu = nucleo;

verde = citocromo c (mitocondrio)

a)

b)

Gabriele CANDIANI


Apoptosi e necrosi sono distinguibili sulla base di

differenze morfologiche e biochimiche

Necrosi Apoptosi

Caratteristiche

biochimiche

ATP-indipendente ATP-dipendente

Perdita regolazione omeostasi ionica Fine regolazione dell’attività caspasica

Digestione random del DNA Digestione del DNA in «tipici» frammenti

Caratteristiche

morfologiche

Inizia con il rigonfiamento del

citoplasma e mitocondri

Inizia con la contrazione del citoplasma e

del nucleo

Perdita dell’integrità di membrana Presenza di membrana integra

Termina con la lisi cellulare Termina con la formazione di corpi

apoptotici

Gabriele CANDIANI


Il destino (vita o morte) di una cellula dipende da un mix di

segnali anti- e pro-apoptotici

TNF-R1 (CD120a)

TNF-α

Via intrinseca

Via estrinseca

Via estrinseca

Gabriele CANDIANI

39

Al fine di capire quale è «l'errore» che genera l'insorgenza

dei processi patologici e per migliorare le strategie

terapeutiche è fondamentale comprendere i complessi

meccanismi responsabili della vita, ma…

Conclusioni (1)

Gabriele CANDIANI

40 Conclusioni (2)

«Parlando di fenomeni complessi spesso si tende a semplificare, ma a semplificare (troppo) spesso si sbaglia»

Grazie per l’attenzione

Gabriele Candiani

…purtroppo c’è ancora molto da fare

Proteomica

Citometria a

flusso Trascrittomica

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