Un'introduzione alla morte cellulare

Paradossalmente, la morte cellulare aiuta a modellare la vita di un organismo. Proprio come qualsiasi intero organismo, le cellule possono morire a causa dell'invecchiamento, a causa di lesioni accidentali o a seguito di un'infiltrazione di agenti patogeni una cellula può sacrificarsi per prevenire la diffusione dell'infezione. In queste circostanze, le cellule possono seguire diversi percorsi di morte come l'apoptosi, l'autofagia o la necrosi. Tutti questi tipi mongono caratteristiche morfologiche specifiche. L'apoptosi o la morte cellulare programmata porta al "blebbing" della membrana e alla frammentazione nucleare. L'autofagia, che è anche regolata, porta alla formazione di grandi vacuoli che racchiudono componenti cellulari. Infine, la necrosi, che è "non pianificata" o accidentale, termina nella lisi cellulare.

Questo video discuterà importanti scoperte che hanno portato all'identificazione di questi percorsi, esplorerà le domande che i ricercatori stanno ancora ponendo sulla morte cellulare, discuterà gli strumenti che usano per rispondere e, infine, esaminerà alcuni esperimenti di esempio.

Per prima cosa, esaminiamo alcuni ricercatori chiave che hanno contribuito a decifrare diversi percorsi di morte cellulare.

I termini moderni usati per descrivere questi percorsi possono essere fatti risalire a Ippocrate, un medico nell'antica Grecia. Ha usato il termine apoptosi, che significa "caduta", per descrivere la "triturazione" ossea osservata a seguito di una frattura. Venendo all'era moderna, la prima menzione evidente di "necrosi" avvenne nel 1859, quando Rudolf Virchow – nella sua compilation chiamata Patologia cellulare– usò questo termine per descrivere "rottura avanzata dei tessuti".

Con i progressi della microscopia e dell'istologia nel decennio successivo, nel 1877 Carl Weigert e Julius Cohnheim furono in grado di studiare la necrosi a livello cellulare. Hanno fornito informazioni sulle caratteristiche morfologiche associate a questo tipo di morte, come la perdita di nuclei.

Quasi 70 anni dopo, Christian de Duve scoprì l'"autofagia", un processo in cui i componenti cellulari vengono inghiottiti e scomposti da organelli legati alla membrana chiamati autofagosomi, che si fondono con un altro tipo di organelli - lisosomi - per distruggere ulteriormente il loro contenuto. Ora sappiamo che l'autofagia svolge effettivamente un duplice ruolo nella cellula, facilitando la sopravvivenza o inducendo la morte.

Nel 1972, John Kerr, A. R. Currie e Andrew Wyllie osservarono un altro tipo di morte cellulare con morfologia peculiare. Poiché questo processo comportava la "caduta" di pezzi di cellule morte, gli diedero l'antico nome greco apoptosi. Più tardi, l'apoptosi fu riconosciuta come una forma di "morte cellulare programmata" nel 1977, quando H. R. Horvitz e John Sulston stavano studiando lo sviluppo di C. elegans. Hanno notato che cellule specifiche sarebbero sottoposte ad apoptosi allo stesso tempo in diversi vermi.

Poiché ciò stava accadendo all'inizio dello sviluppo, ha suggerito che i geni possono guidare l'apoptosi. Questa ipotesi è stata confermata dal gruppo di Horvitz nel 1980, quando hanno osservato che le cellule con mutazioni in alcuni geni ced o"C. elegans death" non sono morte durante lo sviluppo di questi vermi. Più tardi, Horvitz ha dimostrato che il gene ced-3 codifica per un enzima che degrada le proteine chiamato caspasi. Ora, sappiamo che ci sono diverse caspasi e svolgono un ruolo importante nella morte cellulare.

Questi progressi nel campo della morte cellulare hanno aperto nuove strade da esplorare per i ricercatori. Diamo un'occhiata ad alcuni di loro.

C'è sempre stato interesse a scoprire quali fattori innescano la morte cellulare. Per identificarli, i ricercatori stanno attualmente esponendo le cellule a radiazioni, sostanze chimiche e molecole di segnalazione, e quindi alla ricerca di cambiamenti nel grado o nel tipo di morte.

Altri scienziati sono interessati a chiarire i percorsi biochimici coinvolti in ciascun meccanismo di morte cellulare. Attualmente, sappiamo che l'apoptosi segue un percorso in cui le caspasi sono gli enzimi chiave, mentre l'autofagia coinvolge proteine necessarie per la formazione di autofagosomi. Tuttavia, ci sono componenti in questi percorsi che sono sconosciuti e i ricercatori stanno cercando di capire come spiegarli. Inoltre, i ricercatori stanno anche studiando se si verifica una "diafonia" tra i percorsi di morte cellulare. Se la diafonia è presente, lo stesso segnale può influire sull'apoptosi e sull'autofagia.

Infine, un'area popolare di ricerca si occupa di capire perché alcune cellule, come le cellule tumorali, diventano immortali. Gli scienziati sono costantemente alla ricerca di mutazioni nelle cellule tumorali e valutano se qualcuno di essi influenza i geni che codificano i fattori coinvolti nei percorsi di morte.

Queste sono tutte domande complicate, ma per fortuna i ricercatori hanno una varietà di strumenti a loro disposizione per rispondere.

Il test del tripano blu è uno strumento di screening comunemente usato per valutare l'effetto di un composto sulla morte cellulare. Il test si basa su una macchia che non può entrare nelle cellule vive, in quanto possiedono "membrane selettive", ma possono facilmente entrare nelle cellule morte poiché le loro membrane sono "rotti". Questo test identifica la morte cellulare, ma non riesce a individuare il percorso specifico di morte cellulare.

Pertanto, gli scienziati hanno progettato tecniche come i saggi di attività della caspasi. Poiché le caspasi vengono attivate durante l'apoptosi, gli scienziati possono aggiungere substrati per questi enzimi che fluoresce quando vengono attivati dalle caspasi. Questo aiuta nell'identificazione delle cellule apoptotiche.

Allo stesso modo, la frammentazione del DNA che si verifica durante l'apoptosi può essere facilmente identificata utilizzando il test TUNEL, che si basa su reagenti che etichettano le estremità "nicked" del DNA danneggiato. Poiché questo metodo è relativamente facile da eseguire, è un test comunemente impiegato sul campo.

Quando gli scienziati vogliono determinare il meccanismo di morte cellulare che si verifica nella loro popolazione, possono accoppiare le macchie di annessina V e ioduro di propidio (PI) con l'analisi della citometria a flusso. L'annessina V si lega ai residui di fosfatidilserina nella membrana, mentre la PI entra attraverso le membrane danneggiate per associarsi al DNA. Studiando i dati risultanti, gli scienziati possono separare le cellule sottoposte a diversi percorsi di morte.

Infine, gli scienziati possono utilizzare l'imaging delle cellule vive per visualizzare il processo di morte cellulare in tempo reale. Questa è una tecnica onnicomprensiva che può essere utilizzata per identificare cellule autofagiche, necrotiche o apoptotiche basate su caratteristiche morfologiche uniche.

Come hai visto, ci sono diversi metodi per rilevare la morte cellulare, alcuni dei quali non sono specifici, altri che possono aiutare a identificare le cellule apoptotiche e alcuni che distinguono tra diversi percorsi.

Ora, vediamo come gli scienziati stanno usando queste tecniche per studiare di più sulla morte cellulare.

La dieta svolge un ruolo importante nella salute e può influenzare la morte cellulare in diversi tessuti. In questo test in vitro, i ricercatori hanno esposto i neuroni del topo all'acido palmitico, un acido grasso saturo presente sia nei latticini che nella carne, e quindi hanno utilizzato un test della caspasi per valutare l'apoptosi. Hanno scoperto che le cellule trattate con acido palmitico hanno dimostrato un aumento dell'attività della caspasi e della morte cellulare.

Altri ricercatori stanno usando questi test per determinare come i farmaci inducono diversi meccanismi di morte. Qui, topi transgenici con cellule tumorali marcate fluorescentemente sono stati iniettati con doxorubicina, un farmaco anti-cancro. Gli scienziati hanno quindi ripreso le cellule negli animali vivi e, cercando cambiamenti nella morfologia delle cellule tumorali, hanno determinato che il trattamento farmacologico ha innescato sia l'apoptosi che la necrosi.

Infine, alcuni scienziati stanno studiando se la morte cellulare può essere invertita. In questo esperimento, i ricercatori hanno esposto le cellule tumorali umane all'etanolo e hanno confermato attraverso una varietà di test che questo trattamento ha causato loro di intraprendere il percorso di apoptosi. Dopo aver lavato via l'etanolo, le cellule colpite sono state in grado di riprendersi dall'apoptosi attraverso un processo chiamato "anastasis". Ciò ha fornito informazioni su come i tumori possono tornare dopo il trattamento farmacologico.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE ai percorsi di morte cellulare. Questo video ha esaminato la ricca storia della ricerca sulla morte cellulare, dai tempi antichi al 20 ° secolo, e poi ha discusso alcune domande attuali. Abbiamo anche spiegato i metodi popolari per saggiare la morte cellulare e dimostrato come queste tecniche vengono utilizzate per comprendere meglio la connessione tra ambiente, malattia e morte cellulare. Come sempre, grazie per aver guardato!