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Come la Casualità gioca a nostro favore

10 febbraio 2011 in lente di barlow by Manuel | 12 comments

Finalmente sono tornato! Non ero morto nel frattempo. Il mio ultimo Post risale a più di un mese fa, è ora che io mi decida a scrivere il prossimo. Se non altro sono avvantaggiato, so già di cosa parlerà. Il mio ultimo post riguardava L’immunosorveglianza e l’immunoterapia come possibile arma nella battaglia contro il cancro. E mi era stata fatta una domanda, e ringrazio chi me l’ha fatta, riguardante il funzionamento del sistema immunitario, in particolare: “qual è l’origine della diversificazione del sistema immunitario?”. Il fulcro della discussione sarà incentrato quindi sulle cellule dell’immunità specifica:
I Linfociti B e i Linfociti T. Essi provengono da uno stesso precursore staminale, chiamato precursore Linfoide, che attraverso delle divisioni cellulari, darà origine a delle cellule che man mano si differenzieranno o in B o in T.
I Linfociti B ricordo che sono le cellule che producono gli anticorpi, mentre i Linfociti T hanno molte funzioni, tra cui regolare la risposta immunitaria, riconoscere cellule infette ed eliminarle, ecc…
I primi completano il loro differenziamento nel midollo osseo (B sta per Bone marrow, midollo osseo appunto) i secondi nel Timo. All’inizio quindi, non c’è differenza, poi man mano che i cloni si differenziano, prendono una strada piuttosto che un’altra. Ovviamente, come potrete capire, si tratta di un aut aut.
Durante il processo di maturazione verranno espressi i geni che codificano per il recettore dei linfociti B (BCR) e il recettore dei linfociti T (TCR). Questi due recettori sono i responsabili della specificità e della diversificazione del sistema immunitario. Ciascun recettore di ciascun linfocita è specifico per uno e uno solo antigene, e questa specificità è dovuta alla diversità del sito di legame del recettore con l’antigene.
A questo punto sorge spontanea una domanda. Se i geni del recettore per l’antigene sono uguali per ogni clone linfocitario di un organismo, come si genera questa diversità recettoriale? Qui entra in gioco un processo fondamentale, che pochissimi tipi cellulari sono in grado di eseguire,la Ricombinazione Genetica. Ho già scritto un post in merito alla ricombinazione: Knok Out. Ne cito alcuni passaggi per rinfrescare la memoria.

“È un processo che prevede lo scambio di due o più segmenti genici. Può avvenire all’interno dello stesso cromosoma o avvenire tra due cromosomi diversi. La ricombinazione è uno dei meccanismi attraverso il quale si forma la variabilità genetica. Uno dei più importanti eventi di ricombinazione avviene durante la meiosi (quando cioè i progenitori delle cellule germinali si dividono dando origine ai gameti); in questo caso viene anche chiamata crossing over ed è il meccanismo con il quale segmenti di DNA vengono scambiati tra due cromosomi omologhi. Questo è per creare gameti con un genotipo diverso da quello delle cellule di partenza.”

Oltre al crossing over, che avviene nei gameti, abbiamo la ricombinazione somatica che avviene nei linfociti. (somatica perché avviene in cellule somatiche e non germinali). Il meccanismo di base è lo stesso, cambia ovviamente il soggetto e il risultato. (tra l’altro, sempre nel post Knock out, spiego come è possibile usando la ricombinazione ottenere delle mappe cromosomiche dei geni, se vi interessa.. mi faccio anche la pubblicità).
Prendiamo come esempio il BCR. Il BCR è un recettore che appartiene alla famiglia delle Immunoglobuline, ovvero degli anticorpi. Anzi, esso stesso è un anticorpo, e la sua funzione è la stessa, ma a differenza di un anticorpo non viene liberato all’esterno, ma rimane fissato alla membrana cellulare. Quindi alla fine, gli anticorpi vengono sintetizzati a partire dagli stessi geni utilizzati per il recettore.
Per spiegare l’organizzazione dei geni del BCR, indispensabile per capire la ricombinazione somatica, faccio il percorso inverso, parto dalla proteina e arrivo al gene.
Come è fatto un BCR, e quindi un anticorpo? Sono delle proteine multimeriche, formate da più subunità proteiche, ciascuna codificata dal proprio gene. In particolare, sono costituiti da due catene proteiche pesanti, identiche tra loro associate. Ciascuna catena proteica pesante è a sua volta associata con una catena più leggera. In totale due catene pesanti, identiche, e due catene leggere, identiche. Sia le catene pesanti che quelle leggere sono divisibili in due sottoregioni, una variabile, ed una costante. L’associazione delle regioni variabili delle catene pesanti con quelle leggere formano la tasca di legame con l’antigene. Ciascun anticorpo avrà quindi due siti di legame identici per l’antigene perchè ci sono due coppie di catene pesanti e leggere. Per farvi un’idea potete dare un’occhiata a questo Link , che vi mostra, oltre alla struttura quaternaria della proteina (la prima immagine), anche uno schema più comprenibile della struttura dell’anticorpo.
Gli anticorpi possono inoltre essere di classi diverse (le classi si chiamano isotipi), ciascun isotipo si differenzia dall’altro per la porzione costante delle catene pesanti. Pertanto esistono gli anticorpi di classe A, D, E, G e M. Anche le catene leggere hanno due classi, K e λ. Tutto questo è molto mnemonico, ma necessario. Adesso arriva la parte divertente.
Esistono un gene che codifica per la catena K, uno per quella λ mentre tutte le catene pesanti sono codificate da un unico gene, o locus. Ciascuno di questi geni ha tre regioni, chiamate in ordine V, J e C. Il gene delle catene pesanti ha anche la regione D. Ciascuna regione, in ordine V, D, J e C contiene a sua volta delle sotto regioni, separate da DNA non codificante. Ad esempio il gene K leggo che ha circa 35 regioni V. Ciascun tratto V è diverso da tutti gli altri. Le regioni V(D) e J vanno a costituire la regione variabili delle catene, mentre la regione C quella costante.
La ricombinazione somatica cosa fa? Attraverso due enzimi RAG1 e RAG2 i cui geni vengono espressi solo durante la maturazione linfocitaria, vengono congiunte casualmente una regione V, una regione D ed una regione J, eliminando le sequenze interposte. Viene a crearsi una regione VDJ (o VJ per le catene leggere), che è praticamente unica nel suo genere, perché ottenuta mediante l’unione casuale dei segmenti genici V, D e J. Ci sono delle sequenze di riconoscimento per evitare che si giustappongano sequenze sbagliate. Inoltre la ricombinazione avviene soltanto su uno dei due alleli per ogni gene, in modo da evitare la sintesi di due recettori diversi. E se, ad esempio, viene ricombinato il gene λ, il gene K viene represso per evitare la sintesi di due catene leggere diverse.
Mentre per le catene leggere il discorso finisce qua, per le catene pesanti c’è ancora il discorso dell’isotipo. Il segmento genico unito VDJ viene trascritto dalla RNA polimerasi II in un RNA messaggero fino alle regioni C più prossimali. Abbiamo detto che la regione costante determina l’isotipo. Le regioni ci più prossimali sono quella M e quella D, quindi il primo isotipo che viene sintetizzato è di classe M o di classe D. entrambi gli isotipi possono venire espressi da una stessa cellula Avremo quindi una proteina formata da due catene pesanti identiche ricombinate, e da due catene leggere ricombinate anch’esse, o K o λ.
Tutti i Linfociti B, all’inizio, esprimono recettori di classe M e/o D sulla loro membrana. Quando una cellula B matura incontra per la prima volta il suo antigene specifico si attiva, e lo scopo dell’attivazione è quello di produrre anticorpi, che come ho detto, sono identici al BCR, solo che non sono inseriti nella membrana cellulare ma vengono rilasciati all’esterno. Durante l’attivazione il clone B va incontro a divisioni cellulari che porteranno alla formazione di due tipi di cellule: i cloni memoria e le plasmacellule. I primi rimangono silenti nell’organismo fino ad un successivo contatto con l’antigene, nel qual caso si riattivano e iniziano una nuova risposta immunitaria; le seconde hanno una vita limitata durante la quale producono grandi quantità di anticorpi. Durante l’attivazione è possibile che le plasmacellule vadano incontro allo scambio dell’isotipo della catena pesante, ovvero, attraverso un secondo evento di ricombinazione che porta alla congiunzione del segmento VDJ già ricombinato con un segmento C diverso da M o da D (A, E o G), eliminando tutto il segmento di DNA tra VDJ e il segmento C prescelto. Per cui, avremo una catena pesante che ha la stessa specificità per l’antigene, ma un diverso isotipo e quindi diverse proprietà. Una volta effettuato lo scambio dell’isotipo, quella plasmacellula non potrà più cambiarlo, e continuerà a sintetizzare anticorpi di quell’isotipo. Siccome le plasmacellule saranno molte, ci saranno scambi di isotipi diversi, e quindi avremo contro uno stesso antigene anticorpi con isotipi diversi.
Un discorso Analogo, anche se leggermente diverso vale per il recettore dei Linfociti T. Riassumo quindi i diversi processi che portano alla diversificazione dei BCR, e in modo analogo dei TCR:
1) Diversità combinatoria: La ricombinazione di n segmenti V, m segmenti D e x segmenti J in modo del tutto casuale.
2) Giustapposizione di un qualsiasi VDJ della catena pesante ed un qualsiasi VJ di una catena leggera
3) Non paghi di questo, durante la ricombinazione possiamo avere a livello delle giunzioni tra segmento V e il segmento D, e tra quest’ultimo e il segmento J l’aggiunta o la perdita casuale di alcuni nucleotidi. Cosicché se anche due BCR avessero lo stesso segmento VDJ non sarebbero comunque uguali.

La sintesi del BCR e del TCR è un processo centrale della maturazione linfocitaria. Se un clone non dovesse riuscire ad esprimere il suo recettore andrebbe incontro all’ Apoptosi. Inoltre, poichè le combinazioni sono casuali, possono uscire fuori delle combinazioni difettose, nel qual caso la cellula verrebbe comunque destinata all’apoptosi così come se il recettore risultasse specifico ad un antigene del self, in modo da evitare che il sistema immunitario si attivi contro l’organismo stesso (Tolleranza).

So che è stato un post lungo, difficile e magari anche noioso, ma spero di essere riuscito a trasmettere l’incredibile raffinatezza e complicatezza del processo. Se avete domande o se notate errori usate i commenti!

Alla prossima!

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Telecomunicazioni Cellulari

10 settembre 2010 in lente di barlow by Manuel | 2 comments

Di certo non parlo di un argomento nuovo od innovativo, ma state pur sicuri, e lo capirete leggendo l’articolo, che si tratta di un pilastro della biologia cellulare e molecolare in cui si continua a fare moltissima ricerca. È estremamente interessante, secondo me, anche per chi non studia direttamente queste cose ma ha comunque un interesse. Direi di procedere, anche perché è un argomento estremamente esteso quello dei recettori e dei loro ligandi.
Al giorno d’oggi, per comunicare con persone lontane da noi ci basta collegarci ad internet e connetterci a Skype o a Messenger, in questo modo le informazioni passano dal mittente al destinatario o ai destinatari ad una velocità elevatissima, linea ADSL permettendo. Possiamo anche però comunicare a voce, anche se ovviamente a distanze decisamente più ravvicinate. La nostra civiltà è basata sulle telecomunicazioni, pensate cosa accadrebbe se improvvisamente non potessimo più comunicare. Una catastrofe. Bene, Mutatis Mutandis possiamo fare le stesse considerazioni sugli organismi viventi, in particolar modo quelli pluricellulari. Perché non credo di sorprendervi quando vi dico che i sistemi cellulari tra loro comunicano. Bene cerchiamo di capire come e perché.La comunicazione è fondamentale in un organismo complesso; fondamentale perché serve per coordinare tutte le funzioni in modo da garantire l’omeostasi. Gli organismi animali hanno sviluppato diversi modi per rendere possibile questa comunicazione interna, questa sorta di Intranet. E’ nota a tutti, ad esempio, la comunicazione nervosa, su cui non intendo tanto soffermarmi, ma che merita due parole. La comunicazione nervosa è una comunicazione a metà strada tra la comunicazione a distanza e quella ravvicinata. È a distanza perché molto spesso riguarda elementi posti a grande distanza tra di loro, ad esempio il neurone motore il cui corpo cellulare è situato nel midollo spinale e la fibra muscolare del dito mignolo della mano sinistra. Ma è anche ravvicinata perché la cellula nervosa raggiunge tramite l’assone il suo obiettivo. E’ una comunicazione che si esplica in due fasi, una prima fase in cui viene generato un impulso nervoso, ovvero un segnale elettrico, che viaggia lungo l’assone ad una data velocità, che dipenderà dal diametro dell’assone e dalla sua mielinizzazione, e da una fase chimica in cui viene rilasciato il neurotrasmettitore (acetilcolina in questo caso). E’ proprio in questa fase che l’informazione passa dal mittente al destinatario, il quale deve essere in grado di riceverla, elaborarla e comportarsi di conseguenza. Chiedo scusa sin da ora se in queste mie parole sembra esserci un certo intenzionalismo. Non è così. Ovviamente stiamo parlando di elementi privi di coscienza che fanno tutto automaticamente. La fibra muscolare non sa di stare ricevendo un’informazione, non sa di elaborarla. Tutto avviene come in una cascata. Questo spero sia chiaro.
Oltre alla nervosa, abbiamo altri tipi di comunicazioni, quelle a breve distanza che prendono il nome di comunicazione paracrina ed autocrina e quelle a lunga distanza che prendono il nome di comunicazione endocrina (da non confondere, per chi studia biologia, con i meccanismi di secrezione ghiandolare: merocrina, apocrina ed olocrina).
I primi due sono meccanismi identici, ma mentre nel primo caso i destinatari sono cellule negli immediati paraggi, nel secondo caso il destinatario è la cellula stessa che emette il segnale. Sono entrambi metodi che non utilizzano il circolo sanguigno sistemico come mezzo di trasporto dell’informazione, ma al massimo il microcircolo. L’endocrinia, invece, si basa sull’utilizzo del circolo sistemico per veicolare il messaggio anche a grandi distanze, in questo caso i messaggeri si definiscono ormoni.
Bene, resta da stabilire una questione. In tutti questi casi come viene trasmesso il messaggio? Qui entriamo nel cuore dell’argomento, perché in tutti i casi entrano in gioco messaggeri chimici, molecole più o meno piccole di varia natura che possono essere rilasciate dal mittente nell’ambiente circostante e raggiungono il target per semplice diffusione oppure attraverso il circolo ematico. Parliamo quindi di molecole che vagano libere, ma ci sono dei casi in cui queste molecole non vengono liberate ma rimangono fissate alla membrana della cellula mittente ed operano attraverso un contatto diretto tra cellula mittente e cellula ricevente.In tutti i casi, quindi, siamo di fronte a molecole che vengono prodotte e secrete e che hanno un’attività biologica. E’ proprio nella loro attività biologica che risiede la comunicazione cellulare. Per compiere questa attività biologica le molecole, che d’ora in poi chiamerò genericamente con il nome di Ligandi, devono legarsi ad un recettore. Cos’è un recettore? Un recettore è una proteina espressa dalla cellula ricevente e che lega con specificità variabile un particolare ligando. Per far sì che Ligando e Recettore si incontrino, generalmente quest’ultimo è esposto sulla membrana cellulare (ma con alcune importantissime eccezioni come i recettori per gli ormoni steroidei) ed è composto da uno o più domini extracellulari (che legano il ligando), uno o più domini transmembrana (che lo ancorano alla membrana) e uno o più domini intracellulari che permettono la trasduzione del segnale, di cui parlerò tra non molto. Ovviamente, nella complessità del mondo biologico ci saranno numerosissime eccezioni a questo schema, ma resta comunque utile per capire la funzione del recettore. Il recettore può essere presente in due stadi, attivo e inattivo (ovviamente ci sono situazioni intermedie). In genere in assenza di ligando il recettore è inattivo mentre legato al suo ligando si attiva.A cosa serve il recettore? Un recettore è il primo step per la decodifica del messaggio. Infatti di per sé il ligando non contiene nessun’informazione, è soltanto una molecola. Diventa biologicamente importante soltanto quando si lega al suo recettore e lo attiva. Ma è il recettore attivato a trasdurre l’informazione alla cellula ricevente. Senza recettore il ligando servirebbe a poco, mentre il recettore molto spesso può essere attivato ugualmente anche da ligandi diversi, generalmente esogeni, chiamati agonisti. La morale è: non è importante tanto il ligando, quanto il recettore al quale il ligando si lega. Lo stesso ligando genera infatti risposte diverse legandosi a recettori diversi. Inoltre in alcuni tumori sono stati scoperti diversi recettori mutati attivi anche senza il proprio ligando.
E quando il recettore si attiva cosa succede? Qui si entra in un capitolo estremamente complesso quanto importante che è la trasduzione del segnale. Come dice il nome, è quel processo che porta e decodifica il segnale generato dal recettore attivato all’interno della cellula la quale verrà influenzata da questo segnale tanto più questo sarà forte e prolungato. L’obiettivo finale solitamente è l’attivazione di numerosi fattori di trascrizione e la variazione dell’espressione genica (ma potrebbe anche essere la morte stessa della cellula se il recettore attivato è un recettore di morte, vedere l’articolo sull’apoptosi “La signora della Morte”).
La trasduzione del segnale è quanto di più complicato e affascinante ci possa essere. Quando la studio mi sembra di vedere in azione i singoli elementi. Decine, centinaia, migliaia di attori entrano in scena modificandosi a vicenda, attivandosi, inibendosi. Non posso entrare nel dettaglio e non posso soffermarmi a lungo su questo capitolo, anche se me ne dispiace, perché altrimenti verrebbe fuori un discorso troppo lungo. Quello che mi interessa dire è che:
1) L’attivazione di un recettore nella maggioranza dei casi consiste in un cambiamento della sua conformazione, ovvero nel modo in cui i singoli residui amminoacidici che compongono la/e catena/e proteica/he sono disposti nello spazio tridimensionale
2) Il recettore attivato generalmente attiva un secondo messaggero (perchè il primo è il ligando), AMP ciclico, DiacilGlicerolo e Inositolo-3-fosfato sono i più importanti, o attiva altre proteine, in genere chinasi (enzimi che trasferiscono sui loro bersagli gruppi fosfato). I secondi messaggeri a loro volta attivano o inibiscono numerose altre proteine, amplificando così il segnale (l’AMP ciclico attiva ad esempio la proteina PKA, che è una chinasi che a sua volta potrà attivare od inibire altre proteine, il Diacilglicerolo attiva ad esempio la PKC, un’altra chinasi, e l’inositolo-3-fosfato attiva delle proteine canale che fanno aumentare la concentrazione dello Ione calcio, anch’esso un importante messaggero interno..ecc..).
3) Il segnale in questo modo viene amplificato, perché un singolo recettore potrà generare moltissime molecole di secondo messaggero, le quali a loro volta attiveranno/inibiranno tantissime altre proteine e continuando così si generano delle cascate di reazioni.
4) cascate di segnale diverse possono integrarsi più o meno precocemente sinergizzandosi o antagonizzandosi.
5) Quasi sempre il termine ultimo è l’attivazione o l’inibizione della trascrizione genica.
6) Quello che può apparire confusionario e disordinato ai nostri occhi è in realtà un processo ordinato e orchestrato elegantemente in modo che ogni elemento sia al posto giusto nel momento giusto e nella giusta concentrazione.

In questo modo la cellula “sente e risponde” ai segnali provenienti dell’esterno e si adatta. Fenomenale, no?
Ma ritorniamo al complesso Ligando-Recettore. Voglio pararvi un po’ più a fondo di questa fortunata coppia.
Prendiamo Il classico modello di recettore, quello esposto in membrana. E’ una proteina, che può essere multimerica (ovvero composta da diverse subunità) o monomerica ma non è detto. Ha almeno un sito di legame per il suo ligando specifico, ma può avere anche altri siti di legame per cosiddetti modulatori allosterici, ovvero molecole che si legano in siti diversi da quello del ligando (quindi non competono con esso, dopo vediamo cosa significa competere) ma influenzano comunque l’attività del recettore.
Molto spesso esiste una relazione tra concentrazione del ligando ed effetto (dove per effetto si intende una variazione funzionale rispetto all’assenza di ligando). Questa relazione in molti casi può essere spiegata dall’equazione:

Dove E è l’effetto, Emax è l’effetto massimo ottenibile, [L] è la concentrazione di ligando e Kd è la concentrazione di ligando alla quale si ha E=50% (per i più esperti è l’equivalente della costante di Michaelis-Menten nella cinetica enzimatica, ma la stessa equazione è equivalente a quella usata per determinare la velocità degli enzimi).
Se proviamo a mettere sugli assi cartesiani la curva ottenuta da quest’equazione mettendo nelle ascisse il log[L] e nelle ordinate E otteniamo una curva come la seguente:

All’inizio, anche con variazioni alte di [L] si ha uno scarso aumento di E, poi per piccoli aumenti di [L] si ha un esponenziale aumento di E, infine si ritorna in una situazione simile a quella di partenza. Emax è l’effetto ottenuto con tutti i siti del recettore saturati. Per cui non importa se aggiungiamo altro ligando, l’effetto non aumenta.
Vi starete domandando perché ci sono tre curve. Questo sarà chiaro ora. Se oltre al nostro ligando proviamo ad aggiungere concentrazioni crescenti di una molecola che, pur legandosi al recettore nello stesso sito di legame del ligando, non lo attiva (lo chiamiamo antagonista) otteniamo, per concentrazioni maggiori di antagonista, uno shift verso destra della curva concentrazione/effetto; La spiegazione è che essendo l’antagonista un competitore del nostro ligando (compete con esso per legarsi nello stesso sito di legame) ci vorranno concentrazioni maggiori di ligando per ottenere lo stesso effetto. Aumenta quindi sia [L] sia la KD, ma non si hanno variazioni dell’Emax, che rimane sempre 100.

Ci sarebbero tante altre considerazioni da fare (ad esempio cosa succede alla curva in caso di un antagonista non competitivo, in questo caso otteniamo sempre uno shift verso destra della curva, ma otteniamo un abbassamento dell’Emax), ma credo di aver già messo tanta carne al fuoco.
Come sempre, se avete domande, se ci sono errori, se siete curiosi e volete approfondire un argomento, scrivete nei commenti!!

Un ringraziamento va ad Alice per il grafico :)

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Epilessia.. una breve review

21 giugno 2010 in lente di barlow by Manuel | 2 comments

[…]Poi, improvvisamente, una voragine si aprì sotto i suoi piedi e una straordinaria luce interiore gli illuminò l’anima.Quell’abbaglio non durò più di mezzo secondo;ma il Principe, in seguito, si ricordò chiaramente dell’urlo spaventoso e incontenibile che gli uscì dal petto.Poi la sua coscienza si spense e tutto si fece tenebra.

‘L’idiota’ F. M. Dostoevskij

Con questa straordinaria citazione apro un articolo riguardante l’epilessia. L’epilessia è un disturbo del sistema nervoso centrale. Oggigiorno colpisce più di cinquanta milioni di persone nel mondo (stime della WHO), anche se credo che come sempre siano stime al ribasso.
Quando uno o più gruppi di neuroni, solitamente della corteccia, ma possono essere anche più profondi, presentano un’eccessiva e sincronizzata attività elettrica si profila il rischio di sviluppare un attacco epilettico, caratterizzato dalla presenza di convulsioni e da eventuale perdita di coscienza.
Le convulsioni sono contrazioni involontarie dei muscoli scheletrici, possono essere localizzate (riguardare cioè gruppi di muscoli separatamente) o generalizzate (riguardare tutti i muscoli del corpo). Normalmente non sono pericolose per la vita, anche se si possono avere difficoltà respiratorie.Le convulsioni non sono necessariamente manifestazione di un attacco epilettico, perché possono generarsi anche per altri motivi: traumi cerebrali, ictus, tumori al cervello, intossicazioni ecc..
Non mi interessa, in questo post, parlare di tutti i tipi di convulsioni esistenti e di tutti i tipi di epilessia esistenti, sappiate che sono innumerevoli e se volete saperne di più la voce di wikipedia al riguardo è molto ben fatta (quella inglese). Mi interessava parlare delle cause. Non che il discorso sia più semplice, anzi!
L’epilessia, nei termini più generali, è una malattia complessa e multifattoriale. Non si conoscono ancora tutti i meccanismi che la provocano, quello che si è scoperto e che le ricerche confermano sempre di più è che in molti casi ha una forte base genetica.
Per capire meglio i meccanismi d’insorgenza della patologia, vorrei fare un piccolo excursus, ma proprio piccolo, sulle sinapsi e sui neurotrasmettitori.

Come molti di voi sanno, il sistema nervoso (centrale e periferico) funziona attraverso la generazione e la propagazione di impulsi elettrici, vere e proprie scariche di corrente che decorrono lungo tutto l’assone. La terminazione dell’assone forma una sinapsi, ovvero un contatto molto stretto, con un altro neurone o con una cellula effettrice (fibra muscolare, recettore sensoriale ecc..). A livello della sinapsi possiamo distinguere una membrana presinaptica, uno spazio intersinaptico di circa 20nm e una membrana postsinaptica. Questo sistema serve a propagare da una cellula alla successiva l’impulso elettrico, nonostante ci sia un’interruzione.
In un encefalo umano si stima possa esserci un numero di sinapsi dell’ordine di grandezza di 1014. A tenere stabili le sinapsi ci sono numerose molecole di adesione che tengono adesi i due lembi di membrana cellulare.
Solitamente per sinapsi si intende una sinapsi chimica, che funziona cioè con un neurotrasmettitore (NT). Queste sono quelle più diffuse, ma esistono anche delle sinapsi elettriche, dove non c’è nessun neurotrasmettitore. Di queste non ci occupiamo.
Il neurotrasmettitore è la molecola responsabile della propagazione dell’informazione da un neurone alla cellula successiva mediante impulso elettrico. Rilasciato dal terminale presinaptico all’arrivo dell’impulso, si diffonde nello spazio tra le due membrane e si lega a dei specifici recettori posti sulla membrana postsinaptica. L’attivazione del recettore determina l’effetto sulla cellula postsinaptica.
So che queste cose sono note e risapute, ma portate ancora un po’ di pazienza e arrivo al dunque.
Ci sono tantissimi NT, alcuni di essi sono in grado di indurre nella cellula postsinaptica un altro impulso elettrico, altri invece sono in grado di inibirlo. Parliamo quindi di NT eccitatori (come glutammato, acetilcolina) e inibitori (come GABA e Glicina).

E’ ormai noto che difetti nel signaling del neurotrasmettitore GABA sono associati all’epilessia. In molti pazienti si sono riscontrati deficit nella biosintesi e nella trasmissione di questo NT, che è il più importante NT inibitorio del Sistema Nervoso Centrale.
Il GABA, acido gamma-ammino-butirrico, è ottenuto dall’acido glutammico (o glutammato, che oltre ad essere un neurotrasmettitore è più comunemente un amminoacido) mediante l’enzima Acido Glutammico Decarbossilasi (GAD). Viene immagazzinato in vescicole nel terminale presinaptico e una volta rilasciato si può legare a diversi recettori (GABARs): GABAAR, GABABR e GABACR. l’A e il C sono due canali specifici per il Cl-, quando vengono attivati quindi lasciano passare all’interno del neurone postsinaptico grandi quantità di ioni cloro (nel SNC a completo sviluppo [Cl-]e>[Cl-]i ovvero la concentrazione di cloro extracellulare è maggiore di quella intracellulare, mentre durante lo sviluppo è esattamente l’incontrario, questo fa sì che il GABA durante lo sviluppo embrionale sia un NT eccitatorio). L’entrata di cloro nella cellula rende più negativo il potenziale di membrana (attenzione, non centra nulla il fatto che il cloro abbia una carica negativa con questo), e poiché per generare un impulso elettrico il potenziale di membrana deve shiftare verso valori più vicini allo zero, capite bene come il GABA inibisca tutto ciò.
Il Recettore GABAB non è una proteina canale, bensì un recettore accoppiato a proteine G e la sua attività è sempre inibitoria.
E’ curioso notare come sia il recettore A che il C sono sensibili a numerose molecole, quali l’alcol (etanolo) il quale aumenta l’attività del GABA (ubriacarsi ha quindi un effetto inibitorio sul SNC), barbiturici e benzodiazepine (idem come per l’alcol).

Bene, ora che ho fatto questa panoramica sulle sinapsi e sui NT, in particolare il GABA, credo risulti abbastanza chiaro come una mancata inibizione da parte delle sinapsi GABAergiche possa portare ad un’eccessiva attività alcuni gruppi di neuroni (è come se questi neuroni perdessero un freno). Questo può portare a sviluppare movimenti incontrollati dei muscoli. Il discorso, se vogliamo, è simile a quello che si potrebbe fare per il morbo di Parkinson, caratterizzato da un tremolio involontario della muscolatura e da ipocinesia. In questo caso si ha una degenerazione di un gruppo di neuroni nel nostro encefalo che formano un nucleo chiamato Substantia nigra (perché è di un colore nerastro); questi neuroni sono dopaminergici (funzionano rilasciando Dopamina) e la loro perdita causa un’inibizione dei segnali motori.
Ma torniamo all’epilessia, che è già abbastanza complicata di per sè, senza che ci infiliamo di mezzo anche il Parkinson. Sono state osservate numerose mutazioni a carico dei geni che codificano per le varie subunità che costituiscono i vari recettori del GABA. Queste mutazioni diminuiscono l’efficienza della trasmissione GABAergica aumentando il rischio di sviluppare epilessia.
Ci sono mutazioni implicate in tale patologia che colpiscono numerose altre proteine, però.. non dobbiamo pensare che solo i recettori del GABA siano responsabili. Ad esempio, alcuni canali (non recettoriali, questa volta) per il sodio implicati nell’eccitazione neuronale. Quando questi canali si attivano, il sodio entra nella cellula, il potenziale di membrana si sposta verso lo zero, e questo determina la generazione dell’impulso nervoso. Mutazioni che aumentano l’attività di questi canali, o ne rallentino la chiusura sono correlate all’epilessia.

Una piccola digressione sulle terapie farmacologiche. Ora si tendono a prescrivere farmaci anticonvulsivanti, diretti soprattutto a potenziare l’azione del recettore GABA, in particolare le benzodiazepine.
E’ anche in corso di sperimentazione una terapia non farmacologica, che si basa sulla modificazione della dieta dei soggetti epilettici, in particolare bambini. Questa dieta, chiamata Ketogenic Diet, o dieta chetogenica in italiano, prevede una dieta ricca di grassi, intervallata a periodi di digiuno. Questo farebbe innescare un metabolismo chetogenico; i chetoni sono dei composti chimici che si formano quando assumiamo eccessive quantità di grassi (portandone a saturazione il metabolismo).
I chetoni avrebbero un effetto anticonvulsivante. Ci sono effetti collaterali, come disturbi gastrointestinali e, nei casi più gravi, disturbi nella crescita e problemi al sistema immunitario. Non vi so dire se potrà un giorno rappresentare una valida alternativa ai farmaci, si vedrà.

Ok, ora ho davvero finito. Spero che sia stato un discorso interessante. Se avete domande fatele! se avete dubbi o critiche, non tiratevi indietro… Alla prossima.

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La signora della morte

9 maggio 2010 in dendrite, lente di barlow by Manuel | 8 comments

Immaginate di vivere in un mondo in cui la morte sia un evento programmato alla perfezione e soprattutto è un qualcosa che tu stesso metti in atto e non perchè improvvisamente ti sia venuto un attacco di depressione, ma lo fai per il bene della collettività; può anche capitare che ci sia qualcuno che ti dica “ucciditi” e tu gli ubbidisca come se nulla fosse.
Spero vivamente di non sbagliarmi quando dico che sembra una situazione uscita da qualche libro di fantascienza. Però la fantascienza diventa realtà quando parliamo di cellule.
Ebbene sì, forse qualcuno di voi lo saprà già, forse ne avrete solo sentito parlare, ma in un organismo pluricellulare, dal più semplice al più complesso, la morte cellulare programmata è un evento fisiologico imprenscindibile. Il motivo per cui si sia evoluto un meccanismo automatico e irreversibile di morte cellualre mi sembra abbastanza chiaro. Sia come mezzo di difesa, ad esempio quando le cellule vengono infettate da virus, sia come mezzo di controllo numerico delle cellule, sia come mezzo di selezione negativa.
Nel primo caso, quando una cellula viene infettata da un virus, il nostro sistema immunitario ha evoluto un meccanismo per riconoscere tali cellule e indurle a morire, per evitare di diffondere ulteriormente l’infezione; questo compito spetta ad una popolazione cellulare particolare: i Linfociti T citotossici, che devono il nome proprio alla funzione che svolgono (non sono gli unici in realtà ad esserne capaci, ma sono senza dubbio i più importanti, o come spesso accade in biologia soltanto i più studiati).
Nel secondo caso in qualsiasi tessuto sano, tranne in condizioni particolari, il numero di cellule è pressappoco costante, per un perfetto bilanciamento tra proliferazione e morte cellulare. Una mancata proliferazione od un’eccessiva morte cellulare porta ad ipoplasia, viceversa c’è iperplasia. I motivi per l’uno e l’altro scompenso possono avvenire sono diversi.
Nel terzo caso potremmo fare l’esempio dei neuroni; durante lo sviluppo del sistema nervoso, le cellule che si formano sono molte di più di quelle che poi effettivamente permangono. Sopravvivono soltanto quei neuroni che riescono a contattare con i loro assoni ed a essere contattati correttamente da altri neuroni/organi bersaglio (axon pathfinding). Gli altri vanno incontro a morte cellulare perchè non ricevono i segnali di sopravvivenza. Come spiegherò più approfonditamente dopo, i segnali di sopravvivenza sono fondamentali per una cellula. Questi segnali solitamente provengono dall’esterno della cellula stessa e la mantengono in vita. Se asportiamo la cellula dal suo contesto e non le diamo i fattori di crescita, la cellula muore. Le cellule tumorali sono in grado di iperstimolarsi e spesso, in condizioni di assenza di fattori di crescita, riescono comunque a sopravvivere.
Normalmente, il processo di morte cellulare programmata viene chiamato apoptosi, termine creato ad hoc dal 1972 da John Kerr (articolo originale). Il modello studiato era il nematode C elegans.
L’apoptosi è un processo irreversibile e preciso. L’evento cruciale è l’attivazione della “cascata delle caspasi”. Per cascata in biologia molecolare si intende una serie di attivazioni enzimatiche successive, solitamente partendo dall’attivazione di un recettore, che portano ad una risposta finale. Esistono numerosi esempi di queste cascate, le più studiate sono la cascata delle Ras-MAP chinasi e la cascata delle caspasi. Le caspasi sono una famiglia di proteasi (enzimi che idrolizzano il legame peptidico tra un amminoacido e il suo contiguo), che una volta attivate in cascata, tagliano e attivano tutta una serie di bersagli che portano alla degrazione ordinata del DNA, alla perdita dei legami con le cellule circostanti e alla frammentazione della cellula stessa in corpi apoptotici, che vengono successivamente fagocitati dai macrofagi.
Come potete vedere è un processo che non lascia nemmeno traccia.
L’attivazione delle caspasi può avvenire principalmente in tra modi: attraverso un cosiddetto recettore di morte, come il TNFR (recettore per il TNF) e FAS. Questi recettori sono espressi su praticamente tutti i tipi celluari, e una volta attivati dai loro rispettivi ligandi, innescano le caspasi (direttamente o indirettamente) e la cellula va incontro a morte.
Oppure attraverso un danno intracelluare irreversibile, durante il quale si attivano numerose proteine pro-apoptotiche, come Bad o Bax, che portano tra le altre cose al danneggiamento dei mitocondri, i quali vengono distrutti. La distruzione dei mitocondri porta alla liberazione nel citoplasma della proteina citocromo c, che assieme a apaf-1 e ad una caspasi (la caspasi 9) iniziano e attivano la cascata.
Il terzo modo con cui le caspasi possono essere attivate inizia con i Linfociti T citotossici che introducono nella cellula bersaglio un enzima (chiamato Granzima) che attiva a sua volta le caspasi. Il linfocita può anche agire attivando il recettore FAS espresso sulla cellula.
Gli stessi linfociti possono andare in contro a morte attraverso lo stesso meccanismo. Nel nostro organismo ci sono i cosiddetti siti immunologicamente protetti, che sono delle zone anatomiche, come cornee, testicoli e il feto (anche se non è una zona anatomica), che non vengono raggiunti dal nostro sistema immunitario per evitare possibili danni (soprattutto al feto, che verrebbe riconosciuto come un qualcosa di estraneo dall’organismo materno). Questo isolamento viene attuato attraverso l’uccisione attraverso il recettore FAS dei linfociti.

Se volete farvi un’idea di quanto sia complesso il meccanismo dell’apoptosi, e come lui molti altri meccanismi, date un’occhiata a questo schema:

www.cellsignal.com

L’apoptosi è senza dubbio un argomento affascinante. Numerosi tumori si sviluppano inibendo l’apoptosi con mutazioni nei geni oncosoppressori pro-apoptotici (per vedere cos’è un oncosoppressore potete rileggervi il mio vecchio post sui tumori).
Voglio ora approfondire l’argomento parlandovi di uno studio (Lum et al., Growth Factor Regulation of Autophagy and Cell Survival in the Absence of Apoptosis. Cell 2005) condotto su cellule in coltura private dei geni proapoptotici Bax e Bak. Queste cellule incapaci di attivare l’apoptosi sono state messe in coltura senza il loro principale fattore di crescita (interleuchina 3). Normalmente le cellule private dei loro fattori di crescita vanno in contro ad apoptosi entro 48 ore. Queste cellule però non possono attivare l’apoptosi e pertanto sopravvivono. Smettono di replicarsi e le loro dimensioni diminuiscono progressivamente. Il loro metabolismo si arresta quasi completamente  (la glicolisi si arresta, i mitocondri si arrestano), sulla membrana diminuiscono i recettori ed i trasportatori di nutrienti (l’unica proteina che non ha un declino è il recettore per l’interleuchina 3). Dopo circa 24 settimane il 95% delle cellule muore comunque, probabilmente si sfaldano e si distruggono completamente, ma non tramite apoptosi.
Cosa succede in queste 24 settimane? Come ultimo e disperato tentativo di sopravvivenza forzata, le cellule cominciano ad autodigerirsi per ricavare energia. Questo processo si chiama autofagocitosi, durante il quale organuli, proteine e altre componenti cellulari vengono digeriti. Questo spiega la diminuzione delle dimesioni delle cellule.
I ricercatori hanno provato ad inibire anche l’autofagocitosi, inattivando i geni chiave del processo, e le cellule in questo modo sono tutte morte dopo circa 96 ore.
Come ho già detto, non è l’apoptosi in questo caso ad entrare in azione, ma un altra via, sicuramente meno pulita e più pericolosa (qualora questa si verificasse in un organismo), che è chiama necrosi (con l’accento sulla e).

Spero di non essere stato noioso. Se avete domande, chiarimenti, critiche come sempre dico, fatele! Se volete avere notizie aggiuntive chiedete (e sperate che vi sappia rispondere). Ciò detto, vi saluto! Alla prossima

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