meccanobiologia Interazione tra modifiche ambientali forma cellulare forze fisiche attivazione e risposta nucleare Leggendo “Le Scienze , gennaio 2015

Osservazione preliminare modificazioni morfologiche in cellule , (provocate mediante stiramenti, compressioni, torsioni : forze fisiche extracellulari) inducono come risposta comportamenti particolari, tumorali, e insieme la variazione della concentrazione di due proteine simili YAP e TAZ Problema : come si può interpretare l’interazione tra forze fisiche extracellulari (artificiali o naturali) e la risposta che rivela una attivazione di geni a livello nucleare, mediata dalle proteine YAP/TAZ ?

Osservazioni in cellule staminali coltivate in laboratorio Le cellule con molto spazio a disposizione tendono a moltiplicarsi più facilmente :meno facilmente in spazio disponibile ridotto La consistenza del mezzo colturale ( o del tessuto naturale) determina il tipo di specializzazione cellulare( neuroni, fibre muscolari..)

Attività cellulare regolata da attivazione di geni presenti nel DNA dei cromosomi contenuti nel nucleo provocata da molecole regolatrici provenienti dal citoplasma: tali molecole sono a loro volta attivate da informazioni provenienti dall’ambiente extracellulare (es. ormoni) Recettore di membrana Effetto reazione

Matrice extracellulare- fibre varie, collagene Citoplasma e organuli Proteine di mebrana colleganti matrice e citoscheletro Citoscheletro: intreccio di molecole proteiche

Osservazioni su colture cellulari indicano che variazioni morfologiche causate da forze fisiche applicate (trazioni, compressioni, torsioni..) inducono risposte cellulari (proliferazione anomala) simili a quelle di cellule tumorali (dovute a mutazioni geniche) normale Tumorale-mutazione genica Normale-deformata

Da informazioni sperimentali si ricercano i geni attivati da sollecitazioni meccaniche indotte e le proteine responsabili del controllo di tali geni: YAP, TAZ Ipotesi di interruttore che influisce sulla morfologia, proliferazione ? Il complesso proteico può trovarsi nel citoplasma nello stato inibito da un inibitore specifico :non può entrare nel nucleo: l’inibitore può essere catturato da proteine del citoscheletro (actina) in particolari condizioni e quindi il complesso proteico libero può entrare nel nucleo e attivare dei geni L’inibitore si trova legato alla actina o libero nel citoplasna (legandosi al complesso) in funzione di sollecitazioni fisiche extracellulari che modificano la matrice e tramite proteine di membrana inducono la actina a legare o liberare l’inibitore

Stato di sovraffolamento : Fibre della matrice e citoscheletro rilassate actina citoplasma integrina Membrana cellulare Matrice extracellulare collagene citoplasma Complesso YAP/TAZ + fattore di inibizione

Stato poco affollato : Fibre della matrice e citoscheletro lineari actina citoplasma integrina Membrana cellulare collagene Matrice extracellulare citoplasma Fattore inibizione legato ad actina complesso YAP/TAZ libero

Cellule in stato di sovraffollamento fibre della matrice extracellulare e del citoscheletro , rilassate Fattori di inibizione si legano a complesso YAP/TAZ Cellule in stato poco affollato fibre della matrice extracellulare e del citoscheletro più lineari Fattori di inibizione trattenuti nelle fibre del citoscheletro lasciano libero il complesso YAP/TAZ

Il complesso YAP/TAZ entra nel nucleo, attiva gei geni e si ottiene la risposta relativa al messaggio generato dalla modificazione fisica provocata dalla interazione di forze fisiche e ambiente Risposta nucleare

Riparazione tessuto in seguito a lacerazione, ferita: la perdita di tessuto riduce la pressione sulle cellule residue che vengono indotte a dilatarsi modificando il citoscheletro: l’allungamento viene percepito come segnale che porta alla proliferazione mediante aumento di YAP/TAZ fino al ritorno della pressione normale e inibizione della proliferazione. Ferita e riduzione di pressione Stiramento, aumento di YAP/TAZ-proliferazione Osservata rigenerazione parziale tessuto cardiaco (topi) mediante uso di TAP/TAZ Modificando gene per produrre YAP in maggior quantità del normale (topi) si osserva un accresciuto (anomalo) spessore nel derma (effetto tumorale…): :sembra necessario un equilibrio tra YAP e TAZ: per evitare assenza di rigenerazione o eccesso.

La continua sostituzione delle cellule naturalmente giunte al termine della loro vita richiede una equivalente proliferaziome di cellule simili per mantenere la integrità di tessuti, organi La corretta forma e posizione delle nuove cellule risente della architettura della matrice nella quale sono inglobate (quasi fosse una memoria della struttura precedente che deve essere rispettata nella proliferazione, rigenerazione mediata da YAP/TAZ

Come viene regolata la dimensione ottimale per ogni organo durante la crescita ? Si osserva che un eccesso di YAP/TAZ durante la crescita comporta la comparsa di organi molto più voluminosi della norma: Ammesso che la architettura della matrice e le forze collegate può influire sulla quantità di YAP/TAZ presente ed essendo soggette a modifica le forze in funzione della architettura che cresce, deve esserci un meccanismoi che interviene ad equilibrare la quantità di YAP/TZA a sviluppo normale raggiunto. YAP/TAZ equilibrato YAP/TAZ in eccesso

Regolazione delle cellule staminali mesenchimali presenti in organi adulti e responsabili della riparazione in caso di lesioni: possono differenziarsi in vari tipi cellulari (in funzione di sostanze chimiche, di interazioni fisiche con matrice?) Producendo in laboratorio matrici con caratteristiche di vari tessuti (osseo, nervoso, muscolare..) e inglobando staminali mesenchimali si ottengono cellule tipi nervoso, osseo, muscolare in funzione della matrice inglobante.

La cellula mesenchimale può essere indotta a differenziarsi in funzione della matrice inglobante (ma anche del tipo di YAP/TAZ aggiunto sperimentalmente) YAP/TAZ normale > cellula adiposa Matrice adiposa YAP/TAZ modificato > cellula ossea Prospettive : influire sulla differenziazione delle staminali presenti nei tessuti o in coltura per generare tessuti, organi per trapianto… Pericoli: aumentare potere di proliferazione con differenziazione anomala,con effetto cancerogeno…

Tentativo di ridurre la proliferazione delle cellule tumorali: cellule originate da mutazioni geniche (ma anche in funzione di caratteristiche ambientali, forze fisiche interagenti..) Esperimenti con cellule benigne inglobate in matrice con particolare densità entrano in proliferazione similtumorale Esperimenti con modificazione indotta nella forma aumentano YAP/TAZ , la proliferazione similtumorale Esperimenti con cellule tumorali ridotte a comportamento normale tagliando i collegamenti delle fibre del citoscheletro con la matrice Ricerca di inibitori di YAP/TAZ che agiscano in modo mirato, solo sulle cellule tumorali e non staminali… oppure farmaci che influiscano sulla stato di rilassamento della matrice e del citoscheletro ( e quindi su YAP/TAZ)