DIFFERENTIERING APOPTOS EMBRYOGENES STAMCELLER

Transkript

1 DIFFERENTIERING APOPTOS EMBRYOGENES STAMCELLER Föreläsningsinnehåll Befruktning Tidig embryonalutveckling och differentiering apoptos Differentierade celler i vävnader Förnyelse av vävnader Stamceller hematopoesen embryonala stamceller Befruktning avslutande av meios II Ca2+ - beroende aktivering av anafas II-aktiveringskomplex slutför meios II Befruktning avslutande av meios II 1

2 Embryogenes TIDIG EMBRYONALUTVECKLING första celldelningarna utan storlekstillväxt det blir fler celler, fastän mindre fram till morula-stadiet (32 celler) Tidig embryonalutveckling och differentiering morula 32 celler fäster in i endometriet positionell skillnad understa cellerna har kontakt med endometriet 2

3 Principiella processer vid skapandet av 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 DIFFERENTIERING The body plan organens struktur och organisation anläggs/bestäms under embryogenesen ett förlorat organ eller delar av organ regenereras ej (men kvarvarande del av organ kan växa till, ex lever) Utveckling alla celler ärver samma arvsanlag, men blir olika celltyper genomet bestämmer cellegenskaperna som ger the body plan celler utnyttjar positionell information för att styra comittment/utvecklingslinjer Hur cellerna får positionell information diffunderande signalmolekyler cellerna själva utsöndrar signalmolekyler ger granncellerna vägledning specialiseringen successiva signaler styr differentiering sonic hedgehog-gener och hoxgener nästan alla djur använder samma uppsättning gener för att skicka, detektera, tolka och lagra signaler som styr differentieringen 3

4 Mönsteranläggning diffunderande signalmolekyler kan inducera nya celltyper mellan befintliga sekventiell mönsteranläggning Mönsteranläggning Cellerna själva utsöndrar signalmolekyler som ger grannceller vägledning i specialiseringen Mönster-anläggning forts. Mönsteranläggning 4

5 embryogenes i Drosophila Kamp genom inhibition och självstimulering Drosophila facettöga Signalering via tyrosinkinasreceptor cell-cellsignalering ger info till granncellen att utvecklas till fotoreceptorcell MAP-kinase pathway (Ras/Raf/ERK) 5

6 Selektiv cell-cell adhesion viktig för organisation av celler i vävnader celler från samma organ adhererar selektivt med varandra Selektiv cell-cell adhesion Calcium-beroende (medieras av cadheriner) Calcium-oberoende (medieras av N-CAM:s, ICAM:s etc) Klassiskt experiment cell-cell sortering utefter ursprung via migrering och cell-cell adhesion Ett tidigt embryo har blivit dis-aggregerat Cellerna återtar inbördes arrangemang som i viss mån påminner om ursprungliga embryo epidermis, mesodermis Sonic hedgehog-genen Sonic hedgehog genen styr antero-posterior differentiering 6

7 Hedgehogsignalering Drosophila Hedgehog ett sekreterat protein, modifierat med lipider Ci75 repressor Ci155 aktivator transkriptionsfaktor för bl.a. Wnt-gener Wnt signaling pathway också viktig för embryonalutvecklingen Hox-gener DNA bindande Hox-gener styr kranialkaudal (huvud-svans) differentiering Mönster av expression av olika Hox gener i Drosophila förstärker och bestämmer cell-öde Apoptos programmerat självmord embryo och växande barn embryonalutvecklingen Nervcellsutvecklingen Hälften av bildade nervceller vuxna uppehållande och 'underhåll' av vävnader balansera ständig nybildning av celler 5x10 11 blodceller/dag virusinfekterade celler kan gå i apoptos skadat DNA kan innehålla farliga mutationer organ ska kunna krympa i storlek om ej större behövs 7

8 Apoptos viktig i embryogenes Apoptos i embryogenes Simhuden mellan blivande tår i en mus-tass syns fortfarande, men infärgning av apoptotiska celler visar hur vävnaden snart kommer brytas Apoptos Nekros och Apoptos Apoptotic bodies 8

9 Apoptos är kontrollerad celldöd, till skillnad från Nekros Nekros, inflammation. celldöd orsakad av yttre skada celler sväller och lyserar, sprider sitt innehåll runt omkring sig triggar inflammatoriskt svar, kärldilatation, ödem, lockar dit makrofager mm kan skada övriga vävnaden högljudd celldöd Apoptos tyst celldöd skadar ej grannceller cellytan ändras till att trigga fagocytos makrofager och granncellerna fagocyterar Kärnan bryts upp i små blobbor då nuklear lamina klipps upp normal golgi normal Apoptotiska celler fagocyteras Cellmembranet instabilt - inverteras Fosfatitylserin hamnar på utsidan Känns igen av receptorer på fagocyterande celler (ätarceller) 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) 9

10 Reglering av apoptos Proteolytisk kaskad! proteolytisk kaskad Caspaser aktiverar (C-Asp). Initiators (drar igång) och effectors (utförare) Caspaser klyver c:a 100 olika proteiner DNAse inhibitor klyvs -> DNA fragmenteras av DNAse nuclear lamins klyvs => kärnan fragmenteras cytoskelettprotein klyvs cellstrukturen kollapsar Bcl-2 protein reglerar apoptos Familj av både pro-apoptotiska och anti-apoptotiska Bcl2 finns Det som heter Bcl-2 är anti-apoptotiskt (oncogen!) IAPs (inhibitors of apoptosis proteins) Inhiberar caspaser eller ubiquitinerar dem (dödskyss) Proteolytisk kaskad! Initator caspase (ex caspase 9) effector caspaser Apoptos aktivering Extern väg Caspase kaskad aktiveras direkt. Via death receptors, aktiv uppmaning utifrån om att begå apoptos Viktig vid immunförsvarets funktion Intern väg Cytokrom C läckage från mitokondrier föregår aktivering av caspase kaskad Utebliven överlevnadssignal Viktig vid cellskada 10

11 Extern väg Intrinsic (intern) väg Intern Intern reglering av apoptos mitokondrier skadas vid hotande celldöd cytokrom c läcker ut cytokrom c binder till Apaf-1 apoptosom bildas = komplex mellan Apaf- 1 och caspas 9 caspas 9 klyvs, blir aktivt och aktiverar andra caspaser celldöd 11

12 Intern reglering av apoptos 2 mitokondrier skadas pro-apoptotiska molekyler läcker ut, bl.a. Smac/Diablo interfererar med IAPs (inhibitors of apoptosis proteins) apoptos kan aktiveras Reglering av apoptos 1+2 Bcl2-proteiner (Bax, Bak) binder mitokondrie-membran Bildar kanal CytokromC, diablo, Smac m.fl. läcker ut Cytokrom C deltar i caspase aktivering Smac/diablo inhiberar IAPs IAP kan då inte stoppa apoptos Figur 17.7 i nya boken!! Bcl-2 and related proteins Bcl2-proteiner (Bax, Bak) binder mt-membran= por CytokromC, diablo m.fl. ut Apoptosome aktivering av caspase cascade Smac/diablo inhiberar IAPs Caspaser kan ej inaktiveras d Bax, Bak kan hindras av Bcl2 (anti-apoptotisk) Bcl2 kan inhiberas av Bad (proapoptotisk Sammafattning: Bcl2-familjens olika proteiner reglerar utflöde av proapoptotiska susbtanser från mitokondrier = apoptos eller inte apoptos? Alla har en BH3 domain. Några (ex Bcl-2), har BH1 and BH2 domains 12

13 Tillväxtsignaler uppmuntrar överlevnad genom att aktivera Bcl2 (anti-apoptotisk) Binder/iniberar proapoptotiska Bax, Bak => Inget utflöde av cytokrom C Bcl2 förmedlar överlevnadssignal! Överlevnadsfaktorer hindrar celler för att aktivera sitt program för celldöd tillväxtfaktorer eller cell-cellkontakt binder extracellulära receptorer eller tyrosinkinaser (icke-receptorer) bundna till integrin uppreglerar bl.a. transkriptionen av bcl-2 genen Bcl-2 proteinet hindrar apoptos Utebliven kontakt med extracellulär matrix proteiner (uteblivna signaler via integriner) inducerar apoptos i epitelceller Brist på överlevnadsfaktor leder till apoptos ett sätt att matcha cellantal till behov 13

14 PI 3-kinas och cellöverlevnad 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 från mitokondrier läcker proapoptotiska molekyler ut Cellers livslängd Flesta celler kan bara dela sig ett förprogrammerat antal gånger vad cellåldrande beror på? ackumulering av cdk-inhibitoriska protein telomersekvenser ackumulering av avfallsprodukter och inlagringsprodukter vilken betydelse har cellåldrande? känslighet för tillväxtfaktorer minskar storlekstillväxt stoppas liten varelse DIFFERENTIERADE CELLER I VÄVNADER en blandning av celltyper vävnader förnyas kontinuerligt 14

15 Differentierade celler i vävnader celler i vävnader förnyas med olika hastighet vävnadsarkitekturen behålls genom cellkommunikation selektiv cell-adhesion cellminne = dotterceller kommer ihåg vilken slags cell de härstammar från FÖRNYELSE AV VÄVNADER embryonalutvecklingen: proliferation och differentiering barn växer: proliferation den 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 Förnyelse - av permanenta celler cellkomponenter byts kontinuerligt ut, men cellens livslängd är livslång och nya celler bildas ej omsättning av nysyntetiserat membranprotein Förnyelse genom duplicering duplicering ger nya differentierade celler leverceller - hepatocyte growth factor styr - hepatocyter delar sig hepatocyte GF ökar vid leverskada (ex. partiell leverresektion) upprepad levercellsskada ger ärrvävnad och förstörd arkitektur = skrumplever 15

16 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 har bibehållen förmåga att både proliferera och differentiera delar sig dottercellerna kan antingen proliferera till nya stamceller eller differentiera STAMCELLER 3. Förnyelse med stamceller stamceller delar sig och dotterceller differentierar ut till terminala celler dvs nya celler fylls på från en outsinlig källa de differentierade cellerna representerar slutstadiet - en dead-end (kan inte dela sig mer) stamcell odödlig stamcell 16

17 Förnyelse med stamceller Hud-epitel stamceller och differentiering vävnader med hög omsättning av celler förnyas med hjälp av stamceller differentierade celler har kort livslängd antalet differentierade celler hålls konstant stamceller prolifererar och differentierar hudepitel, matsmältningskanalens epitel blodceller Stamceller delar sig sällan, comittade transitceller står för amplifiering Tarm-epitel 17

18 Hematopoesen bildandet av blodets celler pluripotent stamcell ger upphov till flera terminala celltyper fortsatt proliferation och differentiering längs en linje styrs av cytokiner och andra signalmolekyler En stamcell kan tex. ge upphov till 2 11 röda blodkroppar Hematopoesen Bildande av blodceller produktion under hematopoesen styrs genom reglering av cell-överlevnad cell-död cellproliferering 18

19 Kontakt med stödjeceller (stromal cells) styr self-renewal av stamceller i BM. Fortsatt proliferation och differentiering längs en linje styrs av cytokiner och andra signal-molekyler? En stamcell kan ge upphov till 2 11 röda blodkroppar Celler längs olika linjer svarar olika på samma signalmolekyl Cell-minne! Stamceller - medicinska applikationer stamceller kan differentiera till en mängd olika celltyper potentiell medicinsk applikation ersätta celler i skadad vävnad, eller ersätta celler med defekt funktion pionjärexperiment: cellkärna från vuxen individ infört i ett ägg Dolly cellkärna från vuxet får infört i en äggcell surrogatmamma Dolly föddes i februari

20 Embryonala stamceller Embryonala stamceller skapa nya individer produktion av humana proteiner att användas som läkemedel produktion av organ för xenotransplantation (organ från tex gris till människa) cellbaserad terapi ska ej skapa humana embryon! Produktion av differentierade celler från ES celler Embryonala stamceller i terapeutisk kloning cellbaserad terapi 20

21 Terapeutisk kloning cellbaserad terapi diverse celltyper intressanta möjlighet att ersätta vävnad i tex Parkinsons sjukdom (DA-producerande celler), diabetes (insulinproducerande β- celler) djurmodeller tekniska problem etiska frågeställningar lovande teknik för framtiden för behandling av många olika sjukdomar 21