classificazione dei tessuti proposta nel 1894 da Giulio Bizzozzero un organo può essere costituito da: cellule che si replicano continuamente (cellule labili), come ad esempio gli epiteli di rivestimento (epidermide, endometrio, mucose); cellule che non si replicano continuamente ma che sono capaci di divisione cellulare in risposta ad esigenze omeostatiche (cellule stabili), come i tessuti ghiandolari (ad esempio, fegato dopo epatectomia); cellule che sono incapaci di divisione cellulare (cellule perenni), come ad esempio alcuni tipi di cellule altamente specializzate (neuroni, cellule muscolari cardiache).

10 miliardi di eritrociti e 10 miliardi di leucociti prodotti ogni ora

or progenitor cell most often in cycle most often quiescent

________________________ Compartimento Staminale cellule staminali Compartimento Proliferativo (o “di transito”) progenitori (cellule proliferanti indifferenziate) clonogenici non-clonogenici   Compartimento Differenziativo - precursori (cellule incapaci di proliferare e andate incontro a differenziazione iniziale) - cellule mature (differenziazione terminale) ________________________ “Linea” differenziativa: la progressione da un progenitore clonogenico (che viene “commissionato” a differenziare verso un determinato tipo cellulare funzionale) al compartimento differenziativo (corrispondente).

un tessuto è composto pertanto delle seguenti sottopopolazioni cellulari: cellule staminali responsabili della “memoria” del tessuto progenitori, clonogenici e non clonogenici, responsabili della crescita del tessuto precursori cellule mature, responsabili della funzione fisiologica del tessuto

cosa sono le cellule staminali? cosa sono le cellule clonogeniche? La divisione nei compartimenti staminale e proliferativo/di transito consente di produrre un alto numero di cellule mature a fronte di un numero di divisioni delle cellule più immature – le cellule staminali - estremamente ridotto. Le cellule staminali, e quindi il loro corredo di informazioni, risultano così il più possibile protetti dal rischio di mutazioni, la cui “fissazione” avviene a seguito dell’attraversamento del ciclo mitotico. Quindi, cosa sono le cellule staminali? cosa sono le cellule clonogeniche?

________________________________________ Clone: popolazione di cellule derivata da un unico progenitore e capace di cospicua espansione numerica prima dell’innesco del differenziamento (le dimensioni di un clone sono ampiamente variabili). ________________________________________ Cellula Clonogenica (Lajtha, 1979): cellula capace di proliferare estensivamente prima dell’innesco del differenziamento (il differenziamento terminale è usualmente accoppiato all’arresto mitotico). Cellula Staminale (Wilson, 1896): cellula ancestrale della linea germinale del nematode Ascaris megalocephala.   Cellula Staminale (definizione moderna): cellula con capacità di esteso o illimitato auto-mantenimento (cioè di generare cellule con caratteristiche sostanzialmente identiche a quelle della cellula progenitrice) combinata con la capacità di generare una progenie differenziata di almeno un tipo cellulare. Cellula Staminale Ematopoietica: cellula capace di ripopolare un midollo aplastico con tutte le cellule del sistema linfo-ematopoietico.

Proprietà della cellula staminale: capacità di divisione simmetrica / asimmetrica; alta attività telomerasica Proprietà accessorie della cellula staminale: multipotenza differenziativa; capacità di permanere in stato di quiescenza replicativa

Modelli di divisione delle cellule staminali asimmetrica simmetrica simmetrica modulazione ambientale Morrison SJ et al – Cell 1997; 8:287

Telomeres Telomeres are specialized non-coding DNA sequences located at the ends of chromosomes. In humans, telomeres are composed of repeats of the TTAGGG (10 kilobase pairs) sequence. Approximately 50-100 bp of this sequence is lost with each cell division. This loss eventually results in the reduction to a critical length which is associated with growth arrest and cellular senescence. Telomeres provide a protective capping function, preventing degradation as well as undesiderable recombination events such as chromosome end-to-end fusion commonly associated with broken chromosome ends.

Telomerase Telomerase is an RNA-dependent DNA polymerase composed of two major subunits: an RNA component, that serves as a template for enzyme activity and a catalytic subunit with reverse transcriptase activity. Telomerase extends or maintains telomeric DNA length so that replicative senescence is avoided. While most normal human somatic cells exhibit no detectable telomerase activity, highly proliferative cells such as germline cells, trophoblasts, endometrial cells, stem cells, and up to 95% of cancer cells express telomerase to varying degrees.

Attivazione acquisizione della capacità di rispondere a stimoli proliferativi (= acquisizione di “competenza”; = transizione G0 > G1); Amplificazione proliferazione che precede la determinazione; espansione numerica della sottopopolazione staminale (= auto-mantenimento / self-renewal); porta alla generazione di progenitori clonogenici multipotenti, incapaci di automantenimento; Determinazione restrizione del potenziale differenziativo a poche/una linea differenziativa (= restrizione di linea / commitment); perdita della multipotenza e dell’assetto genomico germinale; porta alla generazione di progenitori clonogenici oligo- o mono-potenti; Differenziazione acquisizione del fenotipo specifico di una linea differenziativa; si accompagna alla perdita di clonogenicità e allo sviluppo iniziale di proprietà linea-specifiche (progenitori non clonogenici morfologica- mente identificabili); porta alla generazione di precursori incapaci di proliferare (post-mitotici); Maturazione completa acquisizione da parte dei precursori di proprietà funzionali linea-specifiche (= differenziazione terminale); Espansione clonale prodotto della amplificazione della cellula staminale e della proliferazione dei progenitori clonogenici e dei progenitori non clonogenici.

Compartimento ……………….. cellule staminali quiescenti staminale attivazione (induzione competenza; G0>G1) ▲▼ cellule staminali attivate  progressione G1>S amplificazione (del compartimento staminale) ▼ Compartimento ………………. progenitori clonogenici proliferativo multipotenti determinazione (commitment) progenitori clonogenici linea-ristretti espansione clonale progenitori non clonogenici proliferazione terminale differenziazione iniziale arresto mitotico Compartimento ………………. differenziativo precursori maturazione (differenziazione terminale) ▼ cellule mature

2) la maturazione non sia inibita, con produzione L’espansione clonale è basata sul bilanciamento tra proliferazione e differenziazione La differenziazione terminale o maturazione è accoppiata all’arresto della proliferazione, in modo che: 1) l’espansione numerica non sia bloccata da una precoce maturazione, con produzione di un numero insufficiente di cellule; 2) la maturazione non sia inibita, con produzione di un numero eccessivo di cellule non funzionali.

Potenziale differenziativo di cellule staminali e progenitori Totipotenza: capacità di una cellula staminale embrionale di dare origine a tutti i tipi cellulari dell’embrione e degli annessi embrionari.   Pluripotenza: capacità di una cellula staminale embrionale di dare origine a tutti i tipi cellulari dell’embrione. Multipotenza: capacità di una cellula dell’animale adulto di dare origine a tutti i tipi cellulari di un tessuto. Oligopotenza: capacità di una cellula dell’animale adulto di dare origine a più di un tipo cellulare. Monopotenza: capacità di una cellula dell’animale adulto di dare origine a un solo tipo cellulare.

TRAPIANTO cellule staminali somatiche (SSc) cellule staminali embrionali (ESc) CAPACITA’ PROLIFERATIVA: molto elevata CAPACITA’ PROLIFERATIVA: elevata CAPACITA’ DIFFERENZIATIVA: normalmente ristretta al tessuto di appartenenza CAPACITA’ DIFFERENZIATIVA: praticamente illimitata una volta individuate le condizioni TUMORIGENICITA’: molto elevata TUMORIGENICITA’: assente o molto limitata TRAPIANTO

meccanismi di controllo del compartimento staminale La caratterizzazione di un sistema staminale (quello ematopoietico è stato il primo ad essere studiato sistematicamente e caratterizzato in dettaglio) prevede di stabilire i meccanismi di controllo di: 1) amplificazione 2) restrizione differenziativa

meccanismi di controllo del compartimento staminale peculiarità microanatomiche e metaboliche del tessuto (microambiente della “nicchia” staminale e microambiente “esterno”) espressione di geni protettori della staminalità 3) fattori solubili stimolatori selettivi (?) della amplificazione staminale 4) fattori solubili “classici” (citochine) stimolatori dell’espansione clonale

the Stem Cell Niche model (Schofield – 1978) Spradling A et al - Nature 2001; 414:98

meccanismi di controllo del compartimento staminale peculiarità microanatomiche e metaboliche del tessuto (microambiente della “nicchia” staminale e microambiente “esterno”) espressione di geni protettori della staminalità 3) fattori solubili stimolatori selettivi (?) della amplificazione staminale 4) fattori solubili “classici” (citochine) stimolatori dell’espansione clonale

I geni Nanog e Oct-3/4 genes mantengono la pluripotenza di cellule staminali embrionali VEGF induce cellule del mesoderma a generare cellule staminali ematopoietiche; SHh, ligando di Ptc/Smo, induce espansione delle cellule staminali; Delta e Jagged, ligandi di Notch-1, inibiscono il commitment, consentendo l’amplificazione delle cellule staminali; Wnt, ligando di Frizzled o di LRP-5/6, induce l’espressione di Notch-1 e di HoxB4 e l’amplificazione delle cellule staminali;

meccanismi di controllo del compartimento staminale peculiarità microanatomiche e metaboliche del tessuto (microambiente della “nicchia” staminale e microambiente “esterno”) espressione di geni protettori della staminalità 3) fattori solubili stimolatori selettivi (?) della amplificazione staminale 4) fattori solubili “classici” (citochine) stimolatori dell’espansione clonale

meccanismi di controllo del compartimento staminale del compartimento proliferativo del compartimento differenziativo

Fattori di regolazione solubili: prodotti a distanza, all’esterno del tessuto (endocrinia) prodotti da altre cellule presenti nel tessuto (paracrinia) prodotti da cellule adiacenti alle cellule-bersaglio (iuxtacrinia) 4) prodotti dalle stesse cellule-bersaglio (autocrinia)

Categorie di citochine regolatrici dell’ematopoiesi: 1) Attivatori (delle cellule staminali) inducono competenza (transizione G0>G1) stimolano la amplificazione (progressione G1>S>G2>M) (FL, KL/SCF, TPo, G-CSF, IL6, IL11) 2) Induttori sostengono la sopravvivenza inducono la restrizione di linea stimolano la proliferazione (GM-CSF, IL3, IL4, IL7, IL11) 3) Fattori linea-specifici inducono la differenziazione (M-CSF, G-CSF, TPo, EPo, IL5)