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Regolazione della Pluripotenza nelle Cellule Staminali

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Regolazione della Pluripotenza nelle Cellule Staminali

Il mantenimento del delicato equilibrio tra auto-rinnovamento e inibizione del differenziamento nelle cellule staminali embrionali (ES) è regolato dall’integrazione di segnali intrinseci ed estrinseci.

Segnali Intrinseci

I segnali intrinseci comprendono i fattori di trascrizione nucleari e specifici marcatori di superficie cellulare espressi dalle cellule staminali.

Rete dei Fattori di Trascrizione (Oct-4, Nanog, Sox2)

Tre fattori di trascrizione nucleari costituiscono un circuito regolatorio a feedback positivo essenziale per mantenere lo stato indifferenziato:

NOTE

Oct-4 e Sox2 costituiscono inoltre la metà dei quattro Fattori di Yamanaka utilizzati sperimentalmente per indurre la riprogrammazione a pluripotenza di cellule somatiche adulte.

  1. Oct-4 (POU5f1):

    • Appartiene alla famiglia delle proteine con dominio POU (Pit-Oct-Unc).
    • La sua espressione è direttamente correlata al mantenimento dello stato indifferenziato. Regola geni coinvolti nel ciclo cellulare, nel metabolismo e nei pathway di staminalità.
    • Modello knockout: Nei topi, l’inattivazione di Oct-4 impedisce la transizione dallo stadio di morula a quello di blastocisti.

  2. Nanog:

    • Proteina contenente un omeodominio. Il nome deriva dalla parola celtica indicante la “terra dell’eterno giovane”.
    • Agisce in stretta cooperazione con Oct-4 e Sox2 per reprimere i geni del differenziamento e favorire i geni dell’auto-rinnovamento.
    • Modello knockout: Nei topi, la mancanza di Nanog impedisce la corretta transizione dallo stadio di blastocisti a quello di gastrula.
    • Over-espressione: L’over-espressione sperimentale di Nanog permette alle cellule ES di mantenere lo stato pluripotente e il self-renewal anche in assenza di stimoli esterni (come la citochina LIF).

  3. Sox2:

    • Proteina contenente un dominio HMG box (SRY-related).
    • Interagisce fisicamente con Oct-4 e Nanog, co-regolando i rispettivi geni target e stabilizzando la rete di pluripotenza attraverso un circuito di feedback positivo.

Marcatori di Membrana e Enzimi

Le cellule staminali embrionali esprimono sulla membrana plasmatica antigeni specifici e alti livelli di telomerasi:

  • Cellule murine (mES): Esprimono l’antigene SSEA-1 (Stage-Specific Embryonic Antigen-1).
  • Cellule umane (hES): Esprimono SSEA-3 e SSEA-4.
  • Marcatori comuni (mES e hES): Espressione di TRA-1-60, TRA-1-81 e dell’enzima fosfatasi alcalina (indicativa di un’elevata attività metabolica associata allo stato indifferenziato).
  • Telomerasi: Le cellule ES esprimono alti livelli di telomerasi per prevenire l’accorciamento dei telomeri, permettendo la replicazione infinita necessaria all’auto-rinnovamento.

Segnali Estrinseci

I segnali estrinseci provengono dal microambiente di coltura (es. molecole secrete dalle feeder cells). I pathway differiscono tra cellule murine ed umane.

Pathway di LIF/JAK/STAT3 nelle Cellule Murine (mES)

Le cellule ES di topo dipendono strettamente dal LIF (Leukemia Inhibitory Factor), una citochina idrofilica che agisce legandosi a un recettore eterodimerico composto dalle subunità LIFR e gp130 (glicoproteina da 130 kDa).

La cascata di trasduzione del segnale si articola nelle seguenti fasi:

  1. Legame del LIF: Il legame del ligando induce l’autofosforilazione e la fosforilazione incrociata delle subunità recettoriali.
  2. Attivazione delle Chinasi JAK: Le chinasi associate al recettore si attivano e fosforilano il fattore di trascrizione citoplasmatico STAT3.
  3. Dimerizzazione e Traslocazione di STAT3: STAT3 fosforilato dimerizza, trasloca nel nucleo e si lega a promotori specifici attivando la trascrizione dei geni deputati alla pluripotenza. In assenza di LIF, la cascata si spegne, arrestando l’espressione dei geni della pluripotenza e forzando il differenziamento spontaneo.

Pathway WNT nelle Cellule Umane (hES)

Le cellule ES umane sono LIF-indipendenti (non utilizzano la via LIF/JAK/STAT3 per preservare la staminalità). Il mantenimento della loro pluripotenza e dell’auto-rinnovamento dipende principalmente dall’attivazione del pathway mediato dal ligando WNT, che promuove la trascrizione dei fattori nucleari della pluripotenza.

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