DIFFERENTIERING APOPTOS EMBRYOGENES STAMCELLER

DIFFERENTIERING APOPTOS EMBRYOGENES STAMCELLER Föreläsningsinnehåll Befruktning Tidig embryonalutveckling och differentiering apoptos Differentierade celler i vävnader Förnyelse av vävnader Stamceller hematopoesen embryonala stamceller 1

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

Embryogenes TIDIG EMBRYONALUTVECKLING första celldelningarna utan storlekstillväxt det blir fler celler, fastän mindre fram till morula-stadiet (32 celler) 3

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

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 5

DIFFERENTIERING The body plan organens struktur och organisation anläggs under embryogenesen ett förlorat organ eller delar av organ regenereras ej 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 utvecklingslinjer Hur cellerna får positionell information diffunderande signalmolekyler Parakrin, autokrin ger granncellerna vägledning specialiseringen successiva signaler styr differentiering sonic hedgehog-gener och hoxgener nästan alla djur använder samma uppsättning gener för att styra differentieringen 6

Mönsteranläggning sekventiell mönsteranläggning Diffunderande signalmolekyler Mönsteranläggning 7

Mönster-anläggning forts. Mönsteranläggning 8

embryogenes i Drosophila Kamp genom inhibition och självstimulering 9

Drosophila facettöga cell-cell kontakt/signalering ger info till granncellen att utvecklas till fotoreceptorcell Signalering via tyrosinkinasreceptor MAP-kinase pathway (Ras/Raf/ERK) 10

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) 11

Klassiskt experiment cell-cell sortering utefter ursprung via migrering och cell-cell adhesion Ett tidigt embryo har blivit dis-aggregerat Cellerna återtar arrangemang som i viss mån påminner om ursprungliga embryot epidermis, mesodermis Sonic hedgehog-genen Sonic hedgehog genen styr antero-posterior differentiering 12

Hedgehogsignalering Drosophila Hedgehog sekreterat protein 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 13

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 skadat DNA kan innehålla farliga mutationer organ ska kunna krympa i storlek 14

Apoptos viktig i embryogenes infärgning av apoptotiska celler Apoptos i embryogenes 15

Apoptos ANIMATION Apoptotic bodies Nekros och Apoptos 16

Apoptos är kontrollerad celldöd, till skillnad från Nekros Nekros, inflammation. celldöd orsakad av yttre skada celler sväller och lyserar, sprider sitt innehåll omkring sig triggar inflammation, 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 17

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) Laminer klyvs kärnan fragmenteras 18

Apoptotiska celler fagocyteras Cellmembranet instabilt - inverteras Fosfatitylserin hamnar på utsidan Känns igen av receptorer på fagocyterande celler (ätarceller) Reglering av apoptos proteolytisk kaskad Caspaser aktiverar (C-Asp). Initiators och effectors (utförare) Caspaser klyver c:a 100 olika proteiner DNAse inhibitor klyvs -> DNA fragmenteras nuclear lamins klyvs => kärnan fragmenteras Cytoskelett-protein klyvs cellstrukturen kollapsar Bcl-2 protein reglerar apoptos Familj av både pro-apoptotiska och anti-apoptotiska Bcl2 Det som heter specifikt Bcl-2 är anti-apoptotiskt (oncogen!) IAPs (inhibitors of apoptosis proteins) Inhiberar caspaser eller ubiquitinerar dem (så de bryts ned) 19

Caspaser - Initiators och effectors Proteolytisk kaskad! Initator caspase (ex caspase 9) effector caspaser 20

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 föregår aktivering av caspase kaskad Utebliven överlevnadssignal Viktig vid cellskada Extern väg 21

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 22

Bcl2 Bax Bad Bad Bax Bcl2 Intrinsic väg (som reaktion) 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 23

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 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 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? 24

Tillväxtsignaler uppmuntrar överlevnad genom att aktivera Bcl2 (anti-apoptotisk) Binder/iniberar proapoptotiska Bax, Bak => Inget utflöde av cytokrom C Bcl2 förmedlar överlevnad! Överlevnadsfaktorer hindrar celler för att aktivera sitt program för celldöd tillväxtfaktorer eller cell-cellkontakt extracellulära receptorer eller tyrosinkinaser (icke-receptorer) bundna till integrin uppreglerar bl.a. transkriptionen av bcl-2 genen Bcl-2 proteinet hindrar apoptos 25

Utebliven kontakt med extracellulär matrix proteiner (uteblivna signaler via integriner) inducerar apoptos i epitelceller Brist på överlevnadsfaktor leder till apoptos matchar cellantal till behov 26

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 dela sig 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 27

DIFFERENTIERADE CELLER I VÄVNADER en blandning av celltyper vävnader förnyas kontinuerligt Differentierade celler i vävnader förnyas med olika hastighet vävnadsarkitekturen behålls genom cellkommunikation selektiv cell-adhesion cellminne = dotterceller kommer ihåg vilken slags cell de härstammar från 28

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 permanenta celler cellkomponenter byts kontinuerligt ut, nya celler bildas ej omsättning av nysyntetiserat membranprotein 29

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 Vissa differentierade celler kan proliferera Endothel celler (VEGF) Fibroblaster (PDGF) Glatta muskelceller (utv. från Fibroblaster) Leverceller (om vävnadsarkitektur behålls) 30

Proliferering av endotelceller nybildning av kapillärer bibehållen förmåga att både proliferera och differentiera STAMCELLER dottercellerna kan antingen proliferera till nya stamceller eller differentiera 31

3. Förnyelse med stamceller stamceller delar sig och dotterceller differentierar ut till terminala celler. De differentierade cellerna representerar slutstadiet - en dead-end (kan inte dela sig mer) stamcell odödlig stamcell Förnyelse med stamceller vävnader med hög cell-omsättning differentierade celler har kort livslängd antalet differentierade celler styrs stamceller prolifererar och differentierar hudepitel, matsmältningskanalens epitel blodceller 32

Hud-epitel stamceller och differentiering Stamceller delar sig mindre frekvent, comittade transitceller står för amplifiering 33

Tarm-epitel 34

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 produktion under hematopoesen styrs genom reglering av cell-överlevnad cell-död cellproliferering 35

Bildande av blodceller Kontakt med stödjeceller (stromal cells) styr self-renewal av stamceller i BM.? 36

Kontakt med stödjeceller (stromal cells) styr self-renewal av stamceller i BM.? proliferation och differentiering längs en linje styrs av cytokiner och andra signal-molekyler Celler längs olika linjer svarar olika på samma signalmolekyl En stamcell kan ge upphov till 2 11 röda blodkroppar Cell-minne! 37

Stamceller - medicinska applikationer stamceller kan differentiera till en mängd olika celltyper potentiell medicinsk applikation ersätta celler i skadad vävnad, 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 1997 38

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! Embryonala stamceller 39

Produktion av differentierade celler från ES celler Embryonala stamceller i terapeutisk kloning cellbaserad terapi 40

Terapeutisk kloning cellbaserad terapi 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 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? 41

hemuppgift 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 kopior av viruset Förklara kort (mot bakgrund av dagens föreläsning) mekanismerna bakom detta och hur detta gör cellerna mer benägna att utveckla cancer 42