DIFFERENTIERING APOPTOS EMBRYOGENES STAMCELLER

Transkript

1 DIFFERENTIERING APOPTOS EMBRYOGENES STAMCELLER Föreläsningsinnehåll Befruktning Embryonalutveckling, differentiering apoptos Differentierade celler i vävnader Förnyelse av vävnader Stamceller hematopoesen embryonala stamceller 1

2 Befruktning avslutande av meios II Ca2+ - beroende aktivering slutför meios II Befruktning avslutande av meios II 2

3 Embryogenes TIDIG EMBRYONALUTVECKLING fler celler, mindre volym => morula-stadiet (32 celler) 3

4 Tidig embryonalutveckling och differentiering morula 32 celler fäster in i endometriet positionell skillnad understa cellerna har kontakt med endometriet 4

5 Så skapas en multicellulär organism! A cell lineage tracing experiment in the Xenopus embryo The pattern of fluorescent labeling reveals how the descendants of the three cells have moved 5

6 DIFFERENTIERING The body plan organens struktur och organisation anläggs under embryogenesen Förlorat organ regenereras ej Utveckling samma arvsanlag, men blir olika celltyper celler utnyttjar positionell information för att styra utvecklingslinjer Hur cellerna får positionell information diffunderande signalmolekyler Parakrin, autokrin ger granncellerna vägledning successiva signaler styr differentiering Konserverat i däggdjur 6

7 Mönsteranläggning Sekventiell Diffunderande signalmolekyler 7

8 8

9 i Drosophila Kamp genom inhibition och självstimulering 9

10 Drosophila facettöga cell-cell kontakt => info till granncellen => bli fotoreceptorcell Signalering via tyrosinkinasreceptor MAP-kinase pathway (Ras/Raf/ERK) 10

11 Selektiv cell-cell adhesion Selektiv cell-cell adhesion Calcium-beroende (cadheriner) Calcium-oberoende (medieras av N-CAM:s, ICAM:s etc) 11

12 Klassiskt experiment cell-cell sortering via migrering och cell-cell adhesion Embryo disaggregerat Cellerna återtar arrangemang påminner om ursprungliga embryot epidermis, mesodermis Apoptos programmerat självmord embryo och barn: embryonalutvecklingen Nervcellsutvecklingen Hälften av bildade nervceller vuxna uppehållande och 'underhåll' av vävnader balansera nybildning av celler 5x10 11 blodceller/dag virusinfekterade celler Celler med DNA skada organ ska kunna krympa i storlek 12

13 infärgning av apoptotiska celler Apoptos i embryogenes 13

14 Apoptos ANIMATION Apoptotic bodies Nekros och Apoptos 14

15 Apoptos är kontrollerad celldöd, till skillnad från Nekros Nekros, inflammation. Celldöd orsakad av yttre skada celler sväller, lyserar, sprider sitt innehåll inflammation, kärldilatation, ödem, lockar dit makrofager mm skadar övriga vävnaden högljudd celldöd Apoptos tyst celldöd skadar ej grannar cellytan ändras, triggar fagocytos makrofager fagocyterar Kärnan bryts upp i små blobbor då nuklear lamina klipps upp 15

16 Apoptotiska celler fagocyteras Cellmembranet instabilt - inverteras Fosfatitylserin hamnar på utsidan Känns igen av receptorer på fagocyterande celler (ätarceller) normal golgi normal chromatin apoptotisk apoptotisk cellens cytoskelett haverat cellmembranet blobbigt Golgi (grönt) fragmenteras vid apoptosen. Chromatin (blått) bryts upp,. PARP (rött) Figure 9.18a The Biology of Cancer ( Garland Science 2007) 16

17 Laminer klyvs kärnan fragmenteras Reglering av apoptos proteolytisk kaskad Caspaser aktiverar (C-Asp). Initiators och effectors (utförare) Caspaser klyver c:a 100 olika proteiner DNAse inhibitor klyvs -> DNAse aktivt =>DNA fragmenteras nuclear lamins klyvs => kärnan fragmenteras Cytoskelett-protein klyvs =>cellstrukturen kollapsar Bcl-2 protein reglerar apoptos både pro-apoptotiska och anti-apoptotiska Bcl2 IAPs (inhibitors of apoptosis proteins) Inhiberar eller ubiquitinerar caspaser (så de bryts ned) 17

18 Caspaser - Initiators och effectors Proteolytisk kaskad! Initator caspase (ex caspase 9) effector caspaser 18

19 Extern väg Apoptos aktivering Caspase kaskad aktiveras direkt (ej mt) Via death receptors, ( go kill yourself ) Viktig vid immunförsvarets funktion Intern väg Cytokrom C-läckage från mitokondrier=> aktivering av caspase kaskad Utebliven överlevnadssignal Viktig vid cellskada Extern väg 19

20 Intern (hotande cellskada) mitokondrier skadas pro-apoptotiska molekyler läcker ut, Cytokrom C, Smac/Diablo interfererar med IAPs (inhibitors of apoptosis proteins) Caspaskaskad initieras Apoptosome aktiveras Effektorer aktiveras apoptos går igång Bcl-2 och besläktade proteiner Alla har en BH3 domain. Några (ex Bcl-2), har BH1 and BH2 domains 20

21 Bcl2 Bax Bad Bad Bax Bcl2 Intrinsic väg (som reaktion) Bcl2-proteiner (Bax, Bak) binder mitokondrie Bildar kanal CytokromC, diablo, Smac m.fl. läcker ut Cytokrom C binder i apoptosom Smac/diablo inhiberar IAPs Apoptosome aktiverar caspaser Caspaser kan ej inaktiveras 21

22 Bax, Bak gör por i mitokondrien Bax, Bak kan hindras av Bcl2 (antiapoptotisk) Bcl2 kan inhiberas av Bad (proapoptotisk Bcl2-familjens proteiner reglerar utflöde av pro-apoptotiska molekyler från mitokondrier = apoptos eller inte apoptos? Tillväxtsignaler uppmuntrar överlevnad => aktiverar Bcl2 (anti-apoptotisk) inhiberar Bax, Bak => Ingen por i mt => inget cytokrom C går ut Bcl2 förmedlar överlevnad! 22

23 Överlevnadsfaktorer hindrar celler att aktivera sitt program för celldöd tillväxtfaktorer eller cell-cellkontakt extracellulära receptorer eller tyrosinkinaser (icke-receptorer) bundna till integrin uppreglerar bl.a. bcl-2 genen Bcl-2 proteinet hindrar apoptos Utebliven kontakt med extracellulär matrix (uteblivna signaler via integriner) inducerar apoptos i epitelceller 23

24 Brist på överlevnadsfaktor leder till apoptos matchar cellantal till behov Extern aktivering: Celldödsreceptorer TNF = tumor necrosis factor en FAS-ligand caspase 8 aktiverar andra caspaser aktiverar Bid som tillhör Bcl2-familjen Bid flyttas till mitokondriemembran som går sönder => proapoptotiska molekyler läcker ut 24

25 Cellers livslängd Flesta celler kan dela sig ett förprogrammerat antal gånger Vad beror cellåldrande beror på? ackumulering av cdk-inhibitoriska protein Förkortning av telomer-sekvenser ackumulering av avfalls- och inlagringsprodukter Betydelse av cellåldrande? känslighet för tillväxtfaktorer minskar storlekstillväxt stoppas liten varelse DIFFERENTIERADE CELLER I VÄVNADER en blandning av celltyper vävnader förnyas kontinuerligt 25

26 Differentierade celler i vävnader förnyas med olika hastighet vävnadsarkitekturen behålls genom cellkommunikation selektiv cell-adhesion cellminne = dotterceller kommer ihåg sitt ursprung FÖRNYELSE AV VÄVNADER embryonalutvecklingen: proliferation och differentiering barn växer: proliferation vuxna individens vävnader förnyas kontinuerligt differentierade celler i vävnader av 3 typer map cellförnyelse: permanenta kan dela sig och proliferera stamceller kan proliferera och differentiera 26

27 permanenta celler cellkomponenter byts kontinuerligt ut, nya celler bildas ej omsättning av nysyntetiserat membranprotein Förnyelse genom duplicering duplicering => nya differentierade celler leverceller - hepatocyte growth factor styr hepatocyte GF ökar vid leverskada (ex. partiell leverresektion) - hepatocyter delar sig upprepad levercellsskada ger ärrvävnad, förstörd arkitektur => skrumplever 27

28 Vissa differentierade celler kan proliferera Endothel celler (VEGF) Fibroblaster (PDGF) Glatta muskelceller (utv. från Fibroblaster) Leverceller (om vävnadsarkitektur behålls) Proliferering av endotelceller nybildning av kapillärer 28

29 förmåga att både proliferera och differentiera STAMCELLER Dottercellerna: proliferera till nya stamceller eller differentiera 3. Förnyelse med stamceller stamceller delar sig, dotterceller delar och differentierar ut till terminala celler. De differentierade cellerna representerar slutstadiet - en dead-end (kan inte dela sig mer) stamcell odödlig stamcell 29

30 Förnyelse med stamceller vävnader med hög cell-omsättning differentierade celler har kort livslängd Cellantalet regleras genom stamcellsproliferation och differentiering apoptos ex hudepitel, matsmältningskanalens epitel blodceller 30

31 Stamceller delar sig mindre frekvent, comittade transitceller amplifierar Hud-epitel 31

32 Tarm-epitel Hematopoesen Blodcells bildning (i benmärgen) pluripotent stamcell => flera terminala celltyper proliferation och differentiering längs en linje styrs av signalmolekyler (cytokiner mm) 1 stamcell => 2 11 röda blodkroppar! 32

33 Hematopoesen produktion under hematopoesen styrs genom reglering av cell-överlevnad cell-död cellproliferering Bildande av blodceller 33

34 Kontakt med stödjeceller (stromal cells) styr self-renewal av stamceller i BM.? Cytokiner mm styr Celler längs olika linjer svarar olika på samma signalmolekyl En stamcell kan ge upphov till 2 11 röda blodkroppar Cell-minne! 34

35 Stamceller - medicinska applikationer differentiera till en mängd olika celltyper potentiell medicinsk applikation ersätta celler i skadad vävnad, ersätta celler med defekt funktion Dolly cellkärna från vuxet får infört i en äggcell surrogatmamma Dolly föddes i februari

36 Embryonala stamceller produktion av humana proteiner => läkemedel produktion av organ för xenotransplantation (djur till människa) cellbaserad terapi ska ej skapa humana embryon för implant! Embryonala stamceller 36

37 Produktion av differentierade celler från ES celler ES i terapeutisk kloning cellbaserad terapi 37

38 Terapeutisk kloning cellbaserad terapi ersätta vävnad i tex Parkinsons sjukdom (DA-producerande celler), diabetes (insulinproducerande β-celler) tekniska problem etiska frågeställningar lovande teknik för framtiden Ex på tentafråga Apoptos, vad är det (kortfattat)? Varför är apoptos så viktig för multicellulära organismer? Beskriv apoptos utifrån vad man skulle kunna se om man studerade apoptotiska celler genom ett mikroskop? Om en cell går i apoptos eller ej beror mycket på vilka signaler den får från omgivningen. Förklara vilka omgivningsfaktorer som kan få en cell att gå i apoptos. Vad är en stamcells speciella egenskaper? Nämn två celltyper/vävnader som förnyas med hjälp av stamceller och beskriv hur denna förnyelse går till. Rita gärna Ange tre situationer då programmerad celldöd är bra Hur skiljer sig apoptos från nekros? 38

39 Instuderings-uppgift HPV infektion av vissa HPV stammar kan resultera i cervix cancer, en sexuellt överförbar sjukdom. HPV har utvecklat en överlevnadstrategi för att göra att den infekterade värdcellen överlever och därigenom kan producera många fler kopior av viruset. Förklara (mot bakgrund av dagens föreläsning) de molekylära mekanismerna (inkl namn på komponenter/proteiner) bakom detta, och hur detta gör cellerna mer benägna att utveckla cancer 39