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La mitosi è un processo dinamico
che serve a separare copie identiche
di cromatidi in due cellule figlie
La progressione mitotica è associata
a variazioni dinamiche della
morfologia e del movimento dei
cromosomi che si realizzano in 4 fasi,
profase, metafase, anafase e telofase
DNA damage associated with mitosis and cytokinesis failure - MT Hayashi and J Karlseder - Oncogene
advance online publication, 14 January 2013; doi:10.1038/onc.2012.615
Il fallimento della mitosi genera cellule con
anormale numero di cromosomi che possono
diventare tumorigene e che quindi debbono
essere rimosse dalla popolazione per evitare la
formazione del cancro
Le cellule che non riescono a portare avanti la
mitosi attivano il programma genetico di morte
cellulare (apoptosi) o percorsi di arresto del
ciclo cellulare. Malfunzionamento durante la
mitosi e la citodieresi portano alla generazione
di danni al DNA
DNA damage associated with mitosis and cytokinesis failure - MT Hayashi and J Karlseder - Oncogene
advance online publication, 14 January 2013; doi:10.1038/onc.2012.615
Architettura e scorrimento del
fuso dipendono dai microtubuli (MT)
(a) dineina e kinesina-14 sono
motori che si muovono verso
l’estremità (-), e questo fa scorrere
MT in parallelo verso i poli
(b) i motori kinesina-5 sono diretti
verso l’estremità (+) e possono far
scorrere MT sovrapponendoli in
modo antiparallelo e quindi spingere
i poli verso due regioni opposte
(c) la kinesina-13 ai poli
depolimerizza i MT all’estremità (-) e
contribuisce così al controllo della
lunghezza del fuso
(d-f) MT si possono nucleare in tre
siti: nei centrosomi che formano i
poli del fuso (d), nei cromosomi che
vengono a trovarsi nel piano
equatoriale in metafase (e) e nei
complessi di augmina legati alle
pareti del microtubuli preesistenti (f)
Sett 2014
Sliding filaments and mitotic spindle organization - Nat Cell Biol. 2014 Aug;16(8):737-9. doi: 10.1038/ncb3019. Wang et al.
Fuso mitotico: macchinario proteico che si autoorganizza
e sfrutta vari team di generatori di forza (tra cui kinesine e
dineine) per guidare la segregazione dei cromosomi
Durante la profase, gran parte
della coesina si dissocia dalle
braccia dei cromosomi
Prime movers: the mechanochemistry of mitotic kinesins - Nat Rev Mol Cell Biol. 2014 Apr;15(4):257-71.
doi: 10.1038/nrm3768. Cross and McAinsh
Mar 2014
Il motore della mitosi nelle cellule umane
(a) Il movimento dei centrosomi (centrioli) duplicati verso i lati opposti del
nucleo durante la profase della mitosi richiede assolutamente le kinesine
della famiglia 11 (KIF11) (step 1), che spinge i microtubuli facendoli scorrere
verso l’esterno. Al movimento dei cromosomi contribuiscono anche le dineine
legate alla membrana nucleare (step 2) e alla membrana cellulare (step 3)
contribuiscono a questo movimento dei cromosomi.
(b) La prometafase inizia con frammentazione della membrana nucleare e il
completamento della condensazione dei cromosomi. Il fuso bipolare si forma
grazie alla cattura, scorrimento e riorientamento dei microtubuli (step 4) da
parte di più motori molecolari. Le dineine e le KIFC1 si posizionano alle
estremità dei microtubuli per formare i poli del fuso (step 5). La lunghezza del
fuso viene mantenuta dal bilanciamento delle forze di scorrimento verso
l'esterno e verso l'interno (step 6). I cinetocori sono inizialmente distaccati
(tipo I) prima di formare attacchi bi-orientati (amphitelic; tipo IV), che possono
essere preceduti da intermedi monotelici (tipo II), sintelici (tipo III) o laterali
(tipo V). KIF10 guida i cinetocori ben agganciati verso l'equatore del fuso
all’opposto delle dineine (step 7). I cromosomi bi-orientati (step 8) si
muovono dalla piastra metafasica mediante trazione generata dalla
depolimerizzazione (Pacman) al cinetocore del cromatide fratello. KIF2B e
KIF2C promuovono la depolimerizzazione dei microtubuli, mentre KIF18A
smorza la dinamica dei microtubuli. Anche KIF10 contribuisce ai movimenti
del cinetocore. Le cromokinesine (per esempio, KIF22) generano una forza
di espulsione polare (punto 9) che spinge le braccia dei cromosomi lontano
dai poli, e la depolimerizzazione delle estremità meno (mediata da KIF2A e
KIF2C) (step 10) spinge il flusso di microtubuli verso i poli esercitando
un’ulteriore forza sui cinetocori.
(c) Durante la metafase, la
trazione e la spinta dai
cinetocori (step 8), la forza di
espulsione polare e del
flusso verso i poli (step 9 e
10) portano i cromosomi ad
oscillare all'equatore del fuso.
(d) Durante l'anafase A, i cinetocori fratelli segregano verso i poli guidati dal
movimento accoppiato alla depolimerizzazione (step 11) e dalla spinta del
flusso dei microtubuli verso
i poli (step 10). Nello stesso
tempo il fuso si allunga (anafase B)
attraverso lo scorrimento
antiparallelo dei microtubuli
sovrapposti (step 6) e la trazione
corticale (step 3). Il fuso centrale
(step 12) si assembla e modula
l'allungamento del fuso man mano che l’anafase progredisce.
Si sta cominciando a chiarire come un lungo filamento di DNA genomico sia
compattato in un cromosoma mitotico.
I cromosomi mitotici di cellule HeLa
umane sono costituiti principalmente
da fibre di cromatina irregolari
piuttosto che da fibre di 30 nm.
Il cromosoma mitotico sembra
costituito da fibre irregolarmente
disposte, con una natura frattale, che
permette una organizzazione del
genoma più dinamica e flessibile di
quanto sarebbe consentito dalle
strutture regolari statiche.
Le condensine (blu) trattengono le fibre nucleosomiche (rosso) intorno al
centro del cromosoma.
Human mitotic chromosomes consist predominantly of irregularly folded nucleosome fibres without
a 30-nm chromatin structure - EMBO J. 2012 Apr 4;31(7):1644-53. doi: 10.1038/emboj.2012.35. Epub
2012 Feb 17. Nishino et al. .
Giu 2014
Centromeri = caratteristici dei cromosomi eucariotici, sono i
siti di attacco per la segregazione durante la mitosi e la meiosi
L’unità fondamentale della struttura del centromero è il
nucleosoma centromerico, che differisce dal nucleosoma
convenzionale per la presenza di uno specifico istone
centromero (CenH3) al posto del canonico istone H3
La struttura ad emisomi dei nucleosomi centromerici può
spiegare le proprietà enigmatiche dei centromeri, tra cui
l'accessibilità del cinetocore, l’eredità epigenetica, il rapido
turnover di CenH3 disincorporato, e la quiescenza
trascrizionale dell’eterocromatina pericentromerica
Il meccanismo di differenziazione tra i nucleosomi centromerici
e gli altri nucleosomi si è forse evoluto da un ancestore
Archaea-simile agli albori dell'evoluzione degli Eucarioti
Structure, dynamics, and evolution of centromeric nucleosomes - (Dalal et al., Proc Natl Acad Sci USA, 2007 Oct
9;104(41):15974-81. Epub 2007 Sep 24)
Nella cromatina dei centromeri l’istone H3 è rimpiazzato da CENP-A
In molti metazoi, gli istoni CENP-A restano nella cromatina durante la meiosi per far sì
che i centromeri siano già pronti per quando avverrà la fecondazione
L’istone CENP-A è una proteina
con tre domini funzionali:
(a) Il dominio CATD (CENP-A targeting domain)
che lega il
chaperon HJURP che lo aiuta
nella sua localizzazione
sulla cromatina centromerica;
(b) una volta legato alla cromatina centromerica, il dominio (CAC) dirige
l’assemblaggio del cinetocore reclutando CENP-C;
(c) ulteriore CENP-C verrà reclutato da CENP-B che si lega all’N-terminale di CENP-A
fornendo un pathway altrernativo per la formazione del cinetocoro.
Swapping CENP-A at the centromere - Nat Cell Biol. 2013 Sep 2;15(9):1028-30. doi: 10.1038/ncb2833 - French BT, Straight AF.
Prime movers: the mechanochemistry of mitotic kinesins - Nat Rev Mol Cell Biol. 2014 Apr;15(4):257-71.
doi: 10.1038/nrm3768. Cross and McAinsh
Per evitare la separazione prematura dei cromatidi fratelli, il
checkpoint del fuso (SAC) che controlla la progressione
mitotica rimane attivo fino alla metafase (cromosomi allineati
nella piastra equatoriale)
Prime movers: the mechanochemistry of mitotic kinesins - Nat Rev Mol Cell Biol. 2014 Apr;15(4):257-71.
doi: 10.1038/nrm3768. Cross and McAinsh
DNA damage associated with mitosis and cytokinesis failure - MT Hayashi and J Karlseder - Oncogene
advance online publication, 14 January 2013; doi:10.1038/onc.2012.615
Centromeri : struttura di
assemblaggio del
cinetocore in cui si ha il
contatto tra il cromosoma
e fuso mitotico.
Centromeri e cinetocori
difettosi portano ad
instabilità cromosomica
ed aneuploidia per
diminuzione di numero
Swapping CENP-A at the centromere - Nat Cell
Biol. 2013 Sep 2;15(9):1028-30. doi:
10.1038/ncb2833 - French BT, Straight AF.
All’inizio dell’anafase, la proteolisi della subunità
Scc1 apre gli anelli di coesina permettendo la
separazione dei cromatidi fratelli
Il complesso di promozione dell’anafase (APC), una ubiquitina ligasi,
induce la distruzione della ciclina B e della securina
La distruzione della ciclina B inattiva CDK1 che inibisce le reazioni
necessarie per completare la mitosi, mentre la distruzione della securina
attiva la separasi che taglierà la coesina che tiene uniti i cromatidi
fratelli
DNA damage associated with mitosis and cytokinesis failure - MT Hayashi and J Karlseder - Oncogene
advance online publication, 14 January 2013; doi:10.1038/onc.2012.615
Fino alla metafase => fosforilazione
Della fine della metafase => defosforilazione
In anafase, i cromatidi fratelli sono allontanati dalla forza del
macchinario
mitotico, i
microtubuli si
decondensano
quando
raggiungono i
poli opposti della
cellula, dando
avvio alla telofase con la riformazione della membrana
nucleare attorno ad essi
DNA damage associated with mitosis and cytokinesis failure - MT Hayashi and J Karlseder - Oncogene
advance online publication, 14 January 2013; doi:10.1038/onc.2012.615
CITODIERESI
Decisione binaria tra la vita e la morte
• apoptosi riconosciuta per l’arrotondamento delle cellule, la
frammentazione del DNA, l'esternalizzazione della
fosfatidilserina, l’attivazione delle caspasi e l'assenza di
reazione infiammatoria
• autofagia, caratterizzata dalla formazione di grandi vacuoli e
dal fatto che le cellule possono ancora recuperare fino a
stadi molto avanzati di tale processo
• necrosi, associata a rigonfiamento della cellula e rottura
della membrana con rilascio incontrollato del contenuto
cellulare, forte risposta infiammatoria. La necroptosi è una
morte cellulare in assenza di caspasi
La morte della cellula è raramente accidentale
I vari compartimenti cellulari (nucleo, mitocondri, membrana
plasmatica, reticolo endoplasmatico, apparato di Golgi,
lisosomi, citoscheletro e citosol) percepiscono le
perturbazioni omeostatiche e le traducono in segnali che
attivano i processi di morte cellulare
Se lo stimolo viene eliminato la cellula sopravvive, altrimenti attiva
uno dei programmi di morte cellulare programmata
CASPs, caspases; MLKL, mixed-lineage kinase domain-like; CYPD, cyclophilin D;
MPT, mitochondrial permeability transition; PARP1, poly(ADP-ribose) polymerase 1.
Cell-death-inhibitory factors are shown in blue.
Sett 2014
NUCLEO - Rotture del DNA: della doppia elica sono riconosciute dalle ATM, della
singola elica dalle ATR.
Si attivano varie vie, la più studiata è quella della p53 che induce un arresto
temporaneo del ciclo cellulare per permettere il ristabilimento dell’omeostasi; se non
viene raggiunta si attiva l’apoptosi
MEMBRANA
CELLULARE
LISOSOMI
permeabilizzazione e
morte cellulare per
apoptosi e varie forme
di necrosi
New frontiers in promoting tumour cell death: targeting apoptosis, necroptosis
and autophagy - Oncogene. 2012 Dec 6;31(49):5045-60. doi: 10.1038/onc.2012.7 - Long JS, Ryan KM.
L’apoptosi diventa irreversibile
quandi si attivano le DNAsi CAD
che frammentano l’eucromatina
tagliando il DNA nelle regioni
internucleosomiche
APOPTOSI
è una morte cellulare programmata, esecuzione di un programma genetico
ordinato che richiede trascrizione e traduzione
la cellula in apoptosi si frammenta in corpi apoptotici che sono fagocitati
dai fagociti
APOPTOSI : quando?
nel corso dello sviluppo embrionale/fetale, l’apoptosi
rimuove le cellule indesiderate; per esempio quelle
della membrana interdigitale, circa metà delle cellule
del cervello per consentire il differenziamento dei
neuroni, i linfociti che possono aggredire il “self”
nelle cellule dei tessuti che si rinnovano, come il sangue e gli epiteli,
’apoptosi è l’autoeliminazione delle cellule vecchie e non più utili
l
alcune cellule difensive si sacrificano nell’espletamento della loro funzione
di protezione del corpo, ad esempio i granulociti neutrofili o i linfociti
le cellule infettate da virus impediscono la diffusione del contagio ad
altre cellule attivando il programma genetico dell’apoptosi
l’apoptosi interviene nel ricambio ciclico delle cellule dell’endometrio
uterino, del corpo luteo, dell’epitelio della ghiandola mammaria
Shaping organisms with apoptosis - Cell Death
Differ. 2013 May;20(5):669-75. doi:
10.1038/cdd.2013.11 - Suzanne M, Steller H.
L’apoptosi permette di rimuovere cellule
e tessuti superflui, come organi larvali
durante la metamorfosi, cellule durante lo
sviluppo del sistema nervoso, per guidare
la formazione del corretto pattern
muscolare e la morfogenesi del cuore
Escherichia coli trattata con antibiotici genera di ROS
ed attiva un meccanismo di morte che ha i segni chiave
dell’apoptosi
Evoluzione
dell’apoptosi dai
Procarioti agli
Eucarioti e non la
sua improvvisa
scoperta negli
organismi pluricellulari.
Antibiotic-induced bacterial cell death exhibits physiological and biochemical hallmarks of apoptosis Dwyer, D. J. et al. - Mol. Cell 24 May 2012 (doi:10.1016/j.molcel.2012.04.027)
Nel caso di stimoli fisiologici o di danni
eccessivi, le cellule attivano apoptosi o
senescenza, evitando in tal modo la
proliferazione di cellule potenzialmente tumorali
L'autofagia è attivata da situazioni stressanti
come fame e stress ossidativo, regola il
destino delle cellule dopo il danno al DNA ed ha
anche un ruolo fondamentale nel
mantenimento dell'integrità genomica
nucleare e mitocondriale e nel prevenire
l'instabilità genomica e tumorigenesi
Autophagy and genomic integrity - Cell Death and Differentiation (2013) 20, 1444–1454;
doi:10.1038/cdd.2013.103 – Vessoni et al.
L’autofagia è una via di degradazione
lisosoma-dipendente controllata dalla
famiglia di geni atg e modulata da diverse
chinasi (mTOR, PI3K/AKT, AMPK e MAPK,
…).
I prodotti della degradazione autofagica
consentono il riciclaggio di componenti
danneggiate o non funzionanti, rimuovendo
dall’interno della cellula gli aggregati
disfunzionali
Autophagy and genomic integrity - Cell Death and Differentiation (2013) 20, 1444–1454;
doi:10.1038/cdd.2013.103 – Vessoni et al.
• Le cellule sane utilizzano l'autofagia come un meccanismo generale di
pulizia e di sopravvivenza allo stress.
• L'autofagia inizia con la crescita di una membrana di isolamento per l'azione
coordinata delle proteine ATG: ne risulta la formazione dell'autofagosoma.
L’autofagosoma si forma
rapidamente e si fonde con i
lisosomi.
Disregolazione dell’autofagia
si osserva in varie patologie umane,
quali malattia di Crohn, cancro e
neurodegenerazione.
MVB =MultiVesicular Body
Alcuni miRNA regolano l’espressione
di proteine necessarie per l’autofagia
The autophagosome: origins unknown, biogenesis complex. Nat Rev Mol Cell Biol. 2013 Dec;14(12):759Nov 2013
74. Epub 2013 Nov 8. Lamb et al.
.The return of the nucleus: transcriptional and epigenetic control of autophagy. Nat Rev Mol Cell Biol.
2014 Jan;15(1):65-74. doi: 10.1038/nrm3716. Epub 2013 Dec 11
Gen 2014
Füllgrabe et al.
• Autofagia e apoptosi spesso si escludono a vicenda: l’induzione dell’autofagia blocca l’induzione
dell’apoptosi, le caspasi attivate nel corso dell’apoptosi bloccano il processo autofagico
• In alcuni casi i due processi coesistono portando ad una morte per autofagia
• La P53 nel citosol inibisce l’autofagia, quando trasloca nel nucleo attiva geni per l’autofagia e
successivamente l’apoptosi, quando migra sui mitocondri induce mitofagia ed apoptosi
DISC, death-inducing signalling complex; PTP, permeability transition pore.
Self-consumption: the interplay of autophagy and apoptosis. Nat Rev Mol Cell Biol. 2014 Feb;15(2):81-94.
doi: 10.1038/nrm3735. Epub 2014 Jan 8. Mariño et al.
Gen 2014
Due forme di autofagia, mitofagia e xenofagia,
sono attivate da Parkin (una ubiquitina ligasi)
che media la resistenza a patogeni intracellulari:
(a) il processo di mitofagia inizia quando
PINK1 (e ROS) reclutano Parkin avviando
l’ubiquitinazione delle proteine ​mitocondriali
e l’autofagia dei mitocondri ubiquitinati, che
vengono impacchettati in autofagosomi che
si fondono con i lisosomi per formare un
lisosoma secondario dove i mitocondri
vengono digeriti;
(b) Parkin costituisce il collegamento tra
mitofagia e xenofagia, anch’essa dipendente
dalla presenza di ROS e dal legame di Parkin
a fagosomi contenenti agenti patogeni intracellulari
ingeriti (come il batterio Mycobacterium tuberculosis e la Salmonella Typhimurium).
Non è noto come Parkin si leghi ai fagosomi, ma una volta legato, Parkin ubiquitina
alcune proteine​​, indirizzando il fagosoma verso la distruzione lisosomiale.
Cell biology: A table for two - Nature. 2013 Sep 26;501(7468):498-9. doi: 10.1038/nature12555 - Behr MA,
Schurr E.
Necrosi (Necroptosi= morte cellulare senza caspasi)
Le due protein kinasi RIPK1 e RIPK3 sono essenziali
per la necrosi indotta da recettori di morte (DR),
mentre RIPK1 da sola è implicata nella segnalazione
di sopravvivenza
In vivo, la necrosi programmata si verifica
principalmente in processi fisiopatologici quali danno
per ischemia-riperfusione a cuore-cervello-reni,
infezione virale, sepsi e pancreatite, ed è inoltre in
grado di uccidere cellule tumorali che hanno
sviluppato strategie per eludere l’apoptosi
The flick of a switch: which death program to choose? - Vandenabeele & Melino - Cell Death and
Differentiation (2012) 19, 1093–1095; doi:10.1038/cdd.2012.65
La trogocitosi esiste a livello del sistema immunitario
ma anche di alcuni parassiti come l’ameba
Entamoeba histolytica
Le cellula bersaglio viene letteralmente uccisa “a
morsi”
Infection biology: Nibbled to death. -Nature. 2014 Apr 24;508(7497):462-3. doi:
10.1038/nature13223. Epub 2014 Apr 9 - Guillén N.
Apr 2014
La necrosi può essere un
processo altamente regolato
Oltre alla necroptosi mediata da
RIPK1 (receptor-interacting
protein kinase 1) e RIPK3-MLKL
(mixed lineage kinase domainlike), si stanno scoprendo altri
meccanismi di necrosi regolata,
quali ferroptosis, parthanatos
(indipendente dalle caspasi),
pyroptosis, …
Conoscere I dettagli di questi
meccanismi potrebbe guidare
interventi terapeutici
Gen 2014
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