L'apoptosi è quel processo enzimatico che porta alla morte programmata delle cellule. Coinvolge sia cellule sane che cellule malate ed è essenziale per il corretto sviluppo dell'organismo e per la sua stessa sopravvivenza. Come detto, l'apoptosi è un fenomeno necessario per far sì che l'organismo si sviluppi correttamente e possa sopravvivere. In questo senso, si può parlare di "suicidio altruistico" poiché la cellula si sacrifica "intenzionalmente" per il benessere dell'intero organismo.
Fenomeni apoptotici avvengono durante lo sviluppo embrionale, allorquando le cellule si differenziano in distinti tipi cellulari e si determina la necessità di modellare il feto attraverso l'eliminazione delle cellule appartenenti a tipi cellulari differenti da quelli che occupano attualmente una determinata regione del feto. Alcune strutture anatomiche, inoltre, regrediscono durante lo sviluppo per permettere la formazione di strutture complesse: è il caso della membrana interdigitale delle dita, che si dissolve durante la formazione della mano di molti vertebrati compreso l'uomo.
L'apoptosi ha inoltre un ruolo decisivo nella difesa dell'organismo, in quanto interviene nella distruzione di cellule danneggiate o infette, prevenendo lo sviluppo di malattie all'interno dell'organismo.
Il Processo Apoptotico
L'apoptosi è un processo che segue uno schema di funzionamento ben preciso, che si sviluppa attraverso una serie di reazioni e di processi in sequenza attivati da meccanismi intrinsechi o estrinsechi alla cellula.
- La dimensione generale della cellula si riduce per effetto della proteolisi dei filamenti di actina e della perdita di acqua dal citoplasma.
- Il DNA e le proteine nucleari vengono degradate ed il nucleo stesso si riduce in dimensioni compattandosi.
- La membrana cellulare si modifica in modo da favorire l'attacco dei macrofagi e quindi l'eliminazione della cellula stessa.
- Il corpo cellulare si divide in frammenti di piccole dimensioni, i "corpi apoptotici".
Le Caspasi: Enzimi Chiave dell'Apoptosi
Le Caspasi sono cisteina-proteasi responsabili delle modificazioni strutturali e morfologiche caratteristiche dell'apoptosi ed agiscono attraverso un meccanismo a cascata in cui alcune di esse hanno anche il ruolo di amplificatori della cascata stessa. Normalmente nell'ambiente cellulare sono presenti i precursori molecolari delle Caspasi, che in seguito all'avvio del processo apoptotico vengono metabolizzati in modo da divenire Caspasi mature. Le molecole di maggior rilievo nel processo sono le Caspasi 3 e 6, responsabili della degradazione di proteine cellulari fondamentali.
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In particolare la Caspasi 3 agisce causando, tra l'altro, la lisi di molecole come PARP e topoisomerasi che hanno la capacità di riparare e partecipare alla sintesi di nuovo DNA, inibendo quindi la capacità della cellula di rimediare alla degradazione del DNA operata dalle altre molecole coinvolte nel processo.
Vie Intrinseche ed Estrinseche dell'Apoptosi
Nella via intrinseca il processo inizia con l'attivazione di molecole sensibili ai danneggiamenti cellulari (Bad e Bax) le quali interferiscono con il funzionamento di altre molecole (Bcl-2 e Bcl-xl) la cui funzione è quella di impedire l'apoptosi. Nella via estrinseca, specifiche citochine (FAS e TNF-α) prodotte a livello dei testicoli o dell'apparato oculare, legano recettori cellulari transmembrana la cui struttura tridimensionale si modifica, trimerizzandosi.
La modifica strutturale delle proteine recettrici consente, nell'ambiente cellulare, il reclutamento e l'attivazione della Caspasi 8 (con intervento di molecole FADD nei recettori per il FAS e di FADD, TRADD e TRAF-2 nei recettori per il TNF-α).
Il Ruolo Indispensabile delle Caspasi
Le caspasi sono molecole coinvolte nel processo di morte cellulare, indispensabili per il nostro organismo. Tendenzialmente quando si parla di «morte» il primo aggettivo che viene in mente per descriverla non è di certo «indispensabile», al contrario molti di noi la definirebbero «sgradita», «fastidiosa», «superflua»; grandi menti come quella di Ray Kurtzweil vorrebbero addirittura sconfiggerla.
Tuttavia, la morte di cui parliamo oggi non va vista con lo stesso sguardo critico. Le cellule del nostro corpo periodicamente hanno bisogno di essere eliminate per poi essere rinnovate, o per altri motivi, dunque quello di morte cellulare è un processo che non può mancare nel nostro organismo (e non solo). Durante il ciclo cellulare, la cellula può decidere di morire per il bene dell’organismo. Parliamo di morte cellulare programmata, o apoptosi (apo = «da»; ptosi = «caduta»; caduta da), un termine greco che da l’idea di «sottrazione da qualcosa», nel nostro caso «sottrazione della cellula dall’intera comunità cellulare».
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Differisce dalla necrosi dal momento che la necrosi implica rottura della membrana e fuoriuscita del contenuto cellulare; è un segnale di danno e pericolo, può causare grande infiammazione ed insufficienza renale acuta per rilascio massivo di proteine dalle cellule rotte. L’apoptosi avviene invece per collasso controllato, senza rottura della membrana, dunque senza infiammazione. Di conseguenza la cellula si frammenta in modo tale che venga mangiata rapidamente dai fagociti presenti nei tessuti.
La digestione è rapida, se non lo fosse, si arriverebbe allo stesso stato di infiammazione della necrosi perché prima o poi la cellula finirebbe per rilasciare il proprio contenuto anche in caso di apoptosi. DNA e organelli vengono fatti a pezzi, l’unica cosa che rimane intatta per poco tempo è la membrana.
Prendiamo d’esempio l’evoluzione cerebrale dal bambino all’adulto. Durante lo sviluppo, nel sistema nervoso centrale, la maggior parte delle cellule viene digerita in seguito ad apoptosi. Si parla di pruning, ovvero quel processo che ci consente di «sfoltire» le nostre sinapsi per affinare sempre di più abilità e competenze. Tutti i tessuti vengono prima sovra-formati, poi «scolpiti». Un ulteriore esempio è quello delle mani: in stato embrionale produciamo tessuto interdigitale (le mani palmate per intenderci) che viene poi eliminato con il tempo. Questi processi di «scolpitura» sono resi possibili dal meccanismo apoptotico, quindi dalle caspasi senza le quali l’apoptosi non si innescherebbe.
Mitocondri e Citocromo c
I mitocondri sono il macchinario apoptotico per eccellenza. Dettano morte per rilascio di sostanze, soprattutto citocromo c (un classico esempio di ectopia, ovvero un elemento che quando si trova in un posto diverso, svolge una funzione diversa: il citocromo c nel citoplasma innesca l’apoptosi, nello spazio intermembrana assolve la funzione respiratoria). La membrana plasmatica è asimmetrica (i due versanti non presentano la stessa composizione chimica), difatti la fosfatidil serina è mantenuta solo sul layer interno. La membrana esterna non viene discontinuata come nella necrosi, ma vi è comunque una relativa permabilizzazione. Iniziano ad entrare sostanze che normalmente non entrerebbero.
La prima osservazione dettagliata di morte cellulare programmata risale al 1965, ma il termine apoptosi nasce solo nel 1972. Le prime intuizioni relative al meccanismo cellulare risalgono al 1988 con la scoperta di Bcl-2, un oncogene (l sta per linfoma) che codifica per una proteina anti-apoptotica, mentre le caspasi, gli enzimi protagonisti della cascata apoptotica, vengono osservate per la prima volta poco tempo dopo, negli anni Novanta.
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Meccanismo delle Caspasi
Come dicevamo nei paragrafi precedenti, sono gli enzimi proteolitici responsabili della frammentazione interna della cellula; intervengono sui residui di acido aspartico delle molecole e frantumano tutto, il DNA (per attivazione a cascata delle endonucleasi), gli organelli, le altre proteine… Sono attivate per rimozione di una porzione inibitoria da parte di altre caspasi, e a loro volta possono andare ad attivare altre caspasi (o endonucleasi). Vengono ovviamente attivate solo quando è necessario, se fossero sempre attive collasseremmo su noi stessi.
Vi sono caspasi iniziatrici che vengono innescate dalla cascata apoptotica (apicali, come le caspasi 9 e 8) e caspasi effettrici che agiscono per «uccidere» attivamente la cellula (come la caspasi 3). Nello specifico, l’apoptosi caspasi-dipendente estrinseca (o da ligando) è attivata dalla caspasi 8, quella intinseca dalla 9. L’ordine numerico di queste interessanti molecole lascia intendere che esse svolgono una funzione sequenziale, ad esempio viene spontaneo pensare che a valle del processo vi sia la caspasi 1, che a sua volta innesca la caspasi 2, e così via… In verità la caspasi 1 non c’entra nulla con l’apoptosi ma è una di quelle molecole grazie alle quali manifestiamo sintomi infiammatori come la febbre per attivazione del pirogeno endogeno interleuchina-1-β.
Per completare il quadro generale, si fa presente che vi sono alcune molecole proteiche (dette IAP) in grado di inibire il processo apoptotico. Vanno ad agire proprio sulle caspasi già attivate, oppure prevengono la loro attivazione se ancora non è stata innescata. La loro funzione inibitoria rivolta direttamente alle caspasi, fa intuire la grande importanza di queste ultime.
Funzioni dell'Apoptosi
L’apoptosi, oltre che per la morfogenesi (di cui abbiamo parlato prima) e per l’istogenesi (omeostasi tissutale e mantenimento della forma), è fondamentale per limitare la risposta immunitaria. Non possiamo tenere in circolo tutte le cellule immunitarie che vengono prodotte in seguito ad infezione. Il sistema immunitario e quello nervoso centrale sono gli unici due sistemi corporei in grado di avere memoria degli eventi.
Per questo ci vacciniamo, per settare in memoria la presenza di un patogeno, in modo tale che vengano prodotte cellula anticorpali in prevenzione. Se per errore facciamo troppa apoptosi delle cellule immunitarie, non abbiamo più memoria di un antigene e perdiamo la protezione a lungo termine.
Vie Apoptotiche: Estrinseca e Intrinseca
Ricapitolando, abbiamo due vie apoptotiche principali: la via estrinseca (o da ligando) e la via intinseca o (stress-induced) che può essere innescata sia da elementi esterni che interni alla cellula. Nella forma estrinseca vi è una molecola esterna (ligando) che innesca immediatamente la caspasi, il mitocondrio non viene coinvolto. Il ligando-di-morte nella via estrinseca raggiunge il cosiddetto death receptor (presente su tutte le cellule) che «trimerizza» non appena riceve la molecola. A questo punto all’interno della cellula si associano le proteine Death Domain (DD) a formare un complesso detto DISC che va ad attivare la caspasi 8. Nell’apoptosi da stress, Bcl-2 trasduce il segnale apoptotico al mitocondrio che di conseguenza rilascia il citocromo c che a sua volta va ad attivare la caspasi 9.
La Famiglia Molecolare di Bcl-2
La famiglia molecolare di Bcl-2 include un gruppo di proteine anti-apoptotiche (pro survival) e due gruppi di proteine pro-apoptotiche. Bcl2 vero e proprio, il capostipite della famiglia, identifica le proteine pro survival. Altre come BH3-only (chiamate così perché presentano solo il dominio BH3) e Bax rientrano invece nel gruppo delle pro-apoptotiche. Sono molecole effettrici che vanno ad aprire pori nella membrana esterna mitocondriale per favorire la fuoriuscita del citocromo c (si parla di MOMP: Mitochondrial Outher Membrane Permeabilization). Il citocromo nel citoplasma va a legarsi con la caspasi 9 a formare l’apoptosoma che a sua volta va ad attivare altre caspasi e massimizza la risposta apoptotica. Tutto parte con la ricezione dello stimolo da parte di Bim o altre proteine della famiglia di BH3-only che di conseguenza vanno a stimolare Bcl-2 sulla membrana mitocondriale.
È bene sottolineare che i due pathways apoptotici non sono isolati, bensì in comunicazione. La caspasi 8 (estrinseca) può attivare la caspasi 9 (intrinseca) tramite la molecola Bid della famiglia BH3-only. In pratica, se la risposta estrinseca non è sufficiente, viene coinvolto anche il mitocondrio.
Inibitori dell'Apoptosi (IAP)
Il processo apoptotico, una volta innescato, difficilmente può retrocedere, però può quantomeno arrestarsi. Come si anticipava precedentemente, la famiglia IAP (Inhibitors of APoptosis) include un gruppo di molecole in grado di arrestare il processo apoptotico. La stessa cosa viene spesso fatta dai tumori, che «soggiogano» più o meno direttamente le caspasi e prendono il controllo dei meccanismi apoptotici per rendere la cellula immortale. Nel contempo la mitosi prosegue, le altre cellule non muoiono, nel loro insieme si ammassano e il tumore cresce a dismisura.
Spesso, in caso di tumori, è possibile osservare di frequente anche la mutazione di P53, il «guardiano del genoma». Questo normalmente comunicherebbe alla cellula un danno genico e la porterebbe ad apoptosi per evitare di replicare il difetto. Andrebbe ad innescare l’espressione di PUMA e NOXA, ovvero PH3-only particolarmente potenti che generalmente innalzano di molto la soglia apoptotica. Difatti ogni cellula cerca sempre di gestire i segnali apoptotici con riparazione di danni e correzioni, ma quando questi sono troppo gravi, l’apoptosi viene per forza innescata. Nelle cellule preziose come le staminali, il meccanismo apoptotico innescato da P53 viene bloccato, la stessa cosa accade, ahimè, in caso di tumore.
Necrosi Regolata e Piroptosi
La distinzione netta tra apoptosi e necrosi è stata recentemente rivisitata. Esistono forme di necrosi regolate, ad esempio la piroptosi. L’infiammazione è processo extracellulare, ma anche intracellulare. Se c’è un batterio nella cellula ad esempio, il segnale infiammatorio parte dalla cellula stessa. La caspasi 1 va ad attivare il cosiddetto l’inflammasoma che di conseguenza prende contatti con l’interleuchina-1-β (IL-1β). La membrana viene volutamente tagliata al fine di far uscire IL-1β per un tipo di secrezione non convenzionale. In pratica la segnalazione infiammatoria intracellulare porta all’assemblaggio dell’inflammasoma, un complesso che guida l’attivazione della caspasi-non-apoptotica (caspasi 1) per elaborare e rilasciare la citochina infiammatoria prototipica, IL-1β.
Sotto stimoli infiammatori moderati, IL-1β viene rilasciata senza danni alla membrana, quindi senza necrosi. Alla sua massima attività (ad esempio, per rispondere ai patogeni intracellulari), l’inflammasoma attiva proteoliticamente GSDMD (gasdermin D), la proteina effettrice che va a formare grandi pori nella membrana plasmatica senza i quali non sarebbe possibile il rilascio massiccio di IL-1β.
Il Ruolo Attivo dei Mitocondri
Le caspasi non sono le uniche ad avere un ruolo centrale nell’apoptosi. Fino ad ora abbiamo visto il mitocondrio come un effettore passivo che riceve un ordine e lo attua, adesso lo vediamo in altri panni. Generalmente il mitocondrio alterna uno stato di fusione ad uno di fissione, e viceversa, non solo quando è danneggiato, ma anche in mitosi o per altri motivi, ad esempio a scopo energetico. Pare che in apoptosi prevalga uno stato di frammentazione, non solo perché durante la morte programmata è necessario smontare tutti gli elementi intracellulari.
Il solo lavoro delle caspasi non è sufficiente per portare la cellula ad apoptosi. Pur avendo indotto MOMP e la foratura della superficie di membrana da parte di Bax, il citocromo c non esce se il mitocondrio non frammenta. Da questi risultati sembra che il mitocondrio svolga una funzione attiva nell’apoptosi, non è solamente un effettore passivo. Dobbiamo vedere la cellula come un bellissimo orologio in cui ogni ingranaggio svolge la sua parte ed è centrale per il funzionamento degli altri. È sufficiente che una piccola rotella sia fuori posto per scombinare il funzionamento dell’intero sistema.
Tabella Riepilogativa delle Vie Apoptotiche
| Via Apoptotica | Innesco | Molecole Chiave | Coinvolgimento Mitocondriale |
|---|---|---|---|
| Estrinseca (o da ligando) | Ligando esterno che si lega al death receptor | Caspasi 8, Death Domain (DD), DISC | No |
| Intrinseca (o stress-induced) | Stress cellulare, danni al DNA | Bcl-2, Bax, Bad, Citocromo c, Caspasi 9 | Sì |
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