APOPTOSI

L'omeostasi tra la produzione di nuove cellule e l' eliminazione delle cellule "vecchie" è uno degli obiettivi principali di ogni organismo pluricellulare. Inoltre è comunemente accettato che in tali organismi, l' eliminazione di alcune cellule sia un prerequisito essenziale per il differenziamento in linee cellulari con diversa specializzazione; tale fenomeno ha un carattere di importanza fondamentale, ad esempio, nel corso dello sviluppo fetale.

La maggior parte, se non tutte le cellule hanno la capacità di auto-distruggersi mediante l'attivazione di un programma di suicidio al quale sembrano fare eccezione solo cellule particolarmente specializzate quali quelle del muscolo cardiaco e del tessuto nervoso. Questo programma suicida prende il nome di apoptosi o morte cellulare programmata.

A livello citologico, l'apoptosi si manifesta con una condensazione del nucleo e del citoplasma. Successivamente, la cellula si frammenta in vescicole, dette corpi apoptotici, che sono rapidamente fagocitate e digerite dai macrofagi o da cellule vicine (Fig-1). La cellula scompare senza lasciare traccia, cioè senza dar luogo a fenomeni infiammatori o necrotici. Il termine apoptosi fu appunto coniato da Kerr nel 1972 proprio per distinguerlo dal fenomeno necrotico.

Figura 1

Morte cellulare programmata

Lo studio dell'apoptosi nell'uomo si presenta alquanto complesso per la difficoltà con gli attuali mezzi biochimici e molecolari ad individuare le molecole coinvolte ed i meccanismi alla base. Attualmente la maggior parte delle nostre conoscenze sull'apoptosi provengono dagli studi compiuti sul nematode Caenorhabditis elegans.

Tre geni sembrano svolgere un ruolo nella morte cellulare programmata di questo nematode :
ced-3, ced-4 e ced-9 (la denominazione ced deriva da: cell death defective).

Mentre i prodotti genici di ced-3 e ced-4 promuovono la morte cellulare, il prodotto di ced-9 svolge un ruolo protettivo.

Il gene ced-9 codifica una proteina analoga a Bcl-2, un inibitore della morte cellulare in altri sistemi cellulari.

Le cellule sono programmate a suicidarsi, perciò per rimanere in vita devono ricevere continuamente segnali di sopravvivenza da parte di altre cellule. Questo fenomeno è denominato "social control of cell survival".

Si ipotizza che l'induzione dell'apoptosi potrebbe essere abolita attraverso due meccanismi diversi di controllo:

a) riduzione dell'attività delle proteine effettrici la morte cellulare;

b) aumento dell'attività delle proteine anti-apoptotiche, come Bcl-2.

Alcuni Autori sostengono che l'apoptosi sia una conseguenza dell'azione dannosa dei radicali liberi. Tuttavia questa ipotesi sembra piuttosto semplicistica data la complessità del fenomeno ed il ruolo centrale che esso riveste nel controllo della proliferazione cellulare.

L'apoptosi è stata osservata anche in assenza del processo respiratorio ed in cellule cresciute in assenza di ossigeno. Anche l'ipotesi che l'apoptosi sia una mitosi aberrante sembra non trovare conferme.

Come origina l'apoptosi ?

Esistono prove che indicano che una cistein-proteasi ced-3 / ICE-simile dia inizio al processo irreversibile dell'apoptosi sia nei nematodi che nei mammiferi.

In Fig 2 e Fig. 3 sono illustrati due possibili modelli che rendono conto del possibile modo di azione di questa proteina.

Figura 2

Figura 3

E' noto che la p-53 svolge un ruolo nel controllo della proliferazione cellulare in diversi organismi. Due sono le modalità con cui p-53 agirebbe:

a) aumentando l'attività delle funzioni protettive

oppure

b) bloccando l'attività della proteasi ICE-simile o di altre proteine effettrici la morte cellulare.

Un aiuto alla comprensione di come differenti segnali possano avere un effetto cooperativo nell' attivazione di un comune programma di morte cellulare, è venuto dagli studi di genetica sul controllo dell'apoptosi nel moscerino della frutta, Drosophila melanogaster. Alcuni ricercatori sono giunti all'isolamento di un gene chiamato reaper, che è in grado di integrare l'informazione proveniente da diversi segnali (Fig-4). Mutanti per delezione nel gene reaper mostrano soppressione dell’ apoptosi.

L’analisi della sequenza deI gene reaper indica che questo codifica un polipeptide di 65 aminoacidi: tale peptide non sembra presentare alcuna omologia con altre proteine note.

Comunque l' osservazione che l' apoptosi può essere indotta in embrioni privi del gene reaper, fa ritenere che il prodotto genico non sia un effettore diretto dell'apoptosi, ma che piuttosto sia una proteina con proprietà regolatrici del fenomeno stesso.

Figura 4

Ÿ Modello di apoptosi. Ruolo di reaper.

La modalità di azione del prodotto del gene reaper è piuttosto complesso, ma sostanzialmente può essere schemattizzato come segue:

a) attivazione di una proteasi ced-3 / ICE-simile;

b) inibizione della formazione del complesso ced-9 /Bcl-2.

L'apoptosi svolge un ruolo di regolazione in quanto permette l'eliminazione di cellule che sono state prodotte in numero eccessivo, che sono sfuggite ai meccanismi di controllo del processo di sviluppo cellulare o che hanno subìto un danno genetico.

In assenza di cambiamenti compensatori nella proliferazione cellulare, alterazioni del tasso di mortalità cellulare possono tradursi in un accumulo o in una perdita di cellule (Fig 5).

In base all’alterazione del tasso di scomparsa delle cellule si possono distinguere due possibili tipi di patologia: la prima è associata ad un'aumento della sopravvivenza cellulare, mentre nella seconda si osserva un eccesso di morte cellulare (Tab-1).

Figura 5

Tabella 1

Malattie associate ad un'aumentata sopravvivenza cellulare.

Ÿ  Morte cellulare e tumori.

In diverse forme tumorali le cellule trasformate in attiva proliferazione presentano una ridotta capacità di subire apoptosi in risposta a stimoli fisiologici. Questa apparente resistenza all' apoptosi è maggiormente evidente nei tumori metastatizzati.

Lo studio del gene bcl-2 ha permesso di chiarire le basi molecolari della insensibilità delle cellule tumorali all'apoptosi. Il gene bcl-2 è coinvolto nella traslocazione cromosomica (14; 18) osservata nella maggior parte dei linfomi follicolari umani. Nel periodo immediatamente successivo alla sua scoperta, questo gene era ritenuto un oncogene, ma studi più recenti hanno dimostrato che la proteina Bcl-2 ha scarsa o nulla capacità a promuovere la proliferazione delle cellule in vitro. Studi sull 'interazione tra la proteina p53 e Bcl-2 hanno permesso di chiarire i meccanismi molecolari alla base dell' effetto parodosso di Bcl-2. Infatti, in alcuni casi l'iperespressione di questa proteina impedisce alle cellule di entrare in apoptosi.

La proteina p53 è ritenuta un potente regolatore del ciclo cellulare. Essa viene attivata dai danni prodotti al DNA come si verifica ad esempio nell’esposizione a chemioterapici o a radiazioni ionizzanti. In questo caso il livello di p53 aumenta, provocando l’arresto del ciclo cellulare, il che facilita il riparo del danno a livello del DNA.

La p53 può anche promuovere l'apoptosi. Il meccanismo di morte cellulare attivato dalla p53 sembra essere lo stesso che viene regolato negativamente da Bcl-2. Infatti le cellule della linea linfoide che iperesprimono Bcl-2, sono protette dall' apoptosi indotta dall' esposizione a radiazioni ionizzanti.

In altri casi, ma non sempre, l' apoptosi è mediata dal protooncogene c-myc. Analogamente a p53, l' attivazione di c-myc induce alternativamente sia la proliferazione cellulare che la morte programmata. La scelta di una via rispetto all'altra dipende dal rapporto tra i livelli dei fattori di crescita (Tab-2; Fig-6).

Con il procedere degli studi sull' apoptosi, comunque diviene sempre più evidente che altri geni oltre bcl-2 sono coinvolti nel processo apoptotico.

 

Tabella 2

LA QUIESCIENZA DELLE MICROMETASTASI: RUOLO dell'APOPTOSI

Le metastasi rappresentano la principale causa di morte nei pazienti affetti da tumori. Esse possono rimanere asintomatiche e clinicamente non rilevabili per mesi o anni per poi improvvisamente proliferare rapidamente.

Per spiegare questa condizione di "quiescenza" sono state proposte diverse ipotesi:

1) le cellule tumorali entrano in un prolungato stato di fase Go;

2) il sistema immunitario o la deplezione di ormoni nei tumori ormoni-dipendenti controllano la crescita del tumore.

Riuscire a conoscere i meccanismi che sono alla base della quiescenza dei tumori potrebbe portare a sviluppare terapie mirate atte a prolungare questo stato di "sonno tumorale".

 

Fotografie

Queste fotografie, ottenute con il microscopio a scansione nel corso di una ricerca svolta dall' istituto di medicina sperimentale del CRN, mostrano una coltura di neuroni cerebbellari di controllo (A), alcune ore dopo l' inizio dell' apoptosi (B) o durante il processo di necrosi (D). Durante l' apoptosi la trama dei neuriti incomincia ad assottigliarsi e a ritrarsi, mentre si va formando un agglomerato di corpi apoptotici che, osservati a più alto ingrandimento (C), assomigliano a tanti acini d' uva. Anche nel caso della morte per necrosi la trama neuritica è in via di completa dissoluzione, ma i corpi cellulari, al contrario di quanto avviene nel corso dell' apoptosi, appaiono irregolarmente rigonfi per l' eccessivo ingresso di acqua e di soluti che precede la distruzione completa del neurone.

A

B

C

D