Robbins e Cotran. Le basi patologiche delle malattie. Patologia generale (Vol. 1) [1, 9 ed.] 8821447480, 9788821447488, 9788821444715

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.VOLUME 1

elna

V. Kumar A.K. Abbas ,. J.C. Aster

ROBBINS E COTRAN

Le basi patologiche dellemalattie Patologia generale A cura di

Vincenzo Eusebi Con la collaborazione di

Gaetano De Rosa Gavino Faa Vito Franco FeliceGiangaspero Massimo Locati Gaetano Magro FabrizioMainiero Antonino Maiorana EugenioMaiorano DanielaMassi Rodolfo Montironi

Mauro Papotti Annalisa Pession Giuseppe Poli Antonio D. Procopio Angela Santoni Giorgio Santoni Anna Sapino Fausto Sessa GiovanniTallini Gaetano Thiene Gian Franco Zannoni

ga EDIZIONE

Titolo originale dell'opera Robbins & Cotran Pathologic Basis of Disease, 9th edition Copyright © 2015 by Saunders, an imprint of Elsevier lnc. AII rights reserved This edition of Robbins & Cotran Pathologic Basis of Disease, 9th edition by Vinay Kumar, Abul K. Abbas, and Jon C. Aster is published by arrangement with Elsevier lnc. ISBN 978-1-4557-2613-4

Traduzione dalla lingua inglese a cura di: Marco Barberi, Teresa Cipriani, Diana Ferrara, Metella Paterlini, Susanna Terzano, Adria Tissoni, Simona Vio Responsabile Editoriale Libri: Costanza Smeraldi Responsabile Redazione Libri: Paola Sammaritano Responsabile Produzione Libri: Michele Ribatti Coordinamento redazionale: Ornella Ceresa (Seredit) Redazione e impaginazione: F.lliSala snc, Seregno (MB) Copertina: Paolo Ballerini

© Edra S.p.A.• - Tutti i diritti riservati 2006 - VII edizione - Elsevier Italia Sri 2006 - Ristampa (ottobre) - Elsevier Italia Sri 2007 - Ristampa - Elsevier Masson Sri 2008 - Ristampa - Elsevier Masson Sri 2009 - Ristampa - (ElsevierSri) 201 O - VIII edizione - (Elsevier Sri) 2011 - Ristampa - (Elsevier SrQ 2012 - Ristampa - (Elsevier Sri) 2014 - Ristampa - (Edra LSWR S.p.A.) 2015 - IX edizione 2017 - Ristampa I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica, di riproduzione e adattamento totale o parziale, con qualsiasi mezzo (compresi i microfilm e le copie fotostatiche), sono riservati per tutti i Paesi. Le fotocopie per uso personale del lettore possono essere effettuate nei limiti del 15% di ciascun volume dietro pagamento alla SIAE del compenso previsto dall'art. 68, commi 4 e 5, della legge 22 aprile 1941 n. 633. Le fotocopie effettuate per finalità di carattere professionale, economico o commerciale o comunque per uso diverso da quello personale possono essere effettuate a seguito di specifica autorizzazione rilasciata da CLEARedi, Centro Ucenze e Autorizzazioni per le Riproduzioni Editoriali, Corso di Porta Romana 108, 20122 Milano, e-mail, [email protected] sito web www.clearedi.org. La medicina è una scienza in continua evoluzione. La ricerca e l'esperienza clinica ampliano costantemente le nostre conoscenze, soprattutto in relazione alle modalità terapeutiche e alla farmacologia. Qualora il testo faccia riferimento al dosaggio o alla posologia di farmaci, il lettore può essere certo che autori, curatori ed editore hanno fatto il possibile per garantire che tali riferimenti siano conformi allo stato delle conoscenze al momento della pubblicazione del libro. Tuttavia, si consiglia il lettore di leggere attentamente i foglietti illustrativi dei farmaci per verificare personalmente se i dosaggi raccomandati o le controindicazioni specificate differiscano da quanto indicato nel testo. Ciò è particolarmente importante nel caso di farmaci usati raramente o immessi di recente sul mercato.

Edra S.p.A. Via G. Spadolini 7, 20141 Milano Tel. 02 881841 www.edizioniedra.it

Printed in ltaly Finito di stampare nel mese di gennaio 2017 presso "L.E.G.O." S.p.A., stabilimento di Lavis (TN)

(i Edra S.p.A. fa parte di LSWRGR~UP

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Presentazionedell'edizioneitaliana

Sono trascorsi più di cinquant'anni da quando il Prof. Stanley Robbins ha pubblicato la prima edizione di quest'opera straordinaria. La nona edizione vanta tre Editor, ventisette Autori e un Clinica} Editor. Analogamente alle precedenti edizioni, il volume sembra essere stato riscritto da un unico Autore, fornisce le più recenti e aggiornate informazioni utili e necessarie alla comprensione dei singoli argomenti e, nonostante l'aumento esponenziale delle informazioni mediche negli ultimi anni, le dimensioni dell'opera sono rimaste invariate a seguito di una meticolosa cernita delle conoscenze con l'eliminazione di quelle non più attuali. Oltre ai numerosi pregi già presenti nella precedente edizione, l'opera si è ora arricchita di un nuovo capitolo iniziale, "La cellula in quanto unità di salute e malattia", che nell'intendimento degli Autori prepara il lettore alla discussione delle malattie specifiche illustrate nei capitoli successivi e di un sito web dedicato con la traduzione italiana dei test di autovalutazione e dei casi clinici, le immagini del libro e i video. Tutte queste "facilities" rappresentano un ausilio didattico che non ha pari. Lo studente di Medicina e Chirurgia (ma anche di Odontoiatria - e Protesi dentaria e di Biotecnologie) trarrà sicuro giovamento dallo studio della nona edizione di Le basi patologiche delle malattie.

I tre Editor affermano: "We look to the future of Pathology as a discipline" consegnandoci un testo "useful to readers in the twenty-first century". Il giovamento

derivante dallo studio di quest'opera accompagnerà i giovani (e i meno giovani) lungo la loro professione medica per molto tempo. Infine, parte meritoria e per nulla scontata, da questa nona edizione si evince il futuro sviluppo dell'Anatomia Patologica, fonte di tante discussioni e ansie. Il mio Maestro Antonio Maria Mancini, che ha curato tutte le edizioni italiane fino alla sesta e, dopo di lui, il sottoscritto abbiamo sempre considerato un grande onore poter curare le traduzioni in lingua italiana del "Robbins", come viene chiamato dagli studenti. Quest'opera è anche dimostrazione di impegno didattico da parte di tutti gli amici e i colleghi che hanno collaborato alla revisione della traduzione. Questa volta, oltre all'onore personale per avere avuto un'ulteriore possibilità di coordinare la traduzione, sono stato colpito, alla prima consultazione di questo testo, dallo stesso turbamento emotivo che si prova guardando opere d'arte eccelse (sindrome di Stendhal). In quest'opera, a mio avviso, si è chiuso il gap esistente fra opera d'arte e scienza. Nel ringraziare tutti i Collaboratori, è impossibile dimenticare l'efficienza, la professionalità e la passione di tutto lo staff della Casa Editrice Edra che ci ha assistito nella traduzione. Vincenzo Eusebi, MD, FRCPath Università degli Studi di Bologna Sezione di Anatomia, Istologia e Citologia Patologica "Marcello Malpighi", Ospedale Bellaria

Ringraziamenti

In primo luogo desideriamo esprimere il nostro rispetto e la nostra profonda gratitudine allo scomparso dottor Nelson Fausto per essere stato Coeditor delle due ultime edizioni di questo volume. Molte delle sue parole si trovano anche in questa edizione e continueranno a giovare ai futuri lettori. Sentiremo moltissimo la sua mancanza. Tutti e tre esprimiamo la nostra gratitudine agli Autori che hanno partecipato al volume per l'impegno profuso. Molti sono veterani di precedenti edizioni, altri sono nuovi di questa nona edizione. Tutti sono riportati nel sommario. I loro nomi conferiscono autorità all'opera e per questo siamo loro grati. Come nelle precedenti edizioni, noi tre abbiamo deciso di non apporre i nostri nomi ai capitoli che abbiamo scritto, in parte o in toto. Molti colleghi hanno migliorato il testo leggendo vari capitoli e fornendo utili revisioni critiche nella loro area di competenza. Questi comprendono i dottori Seungmin Hwang, Kay McLeod, Megan McNemey, Ivan Moskovitz, JeremySegal, HumairaSyed, Helen TeeShu-YuanXiao (University of Chicago); Marcus Peter (Northwestem University, Chicago); il dottor Meenakshi Jolly (Rush University, Chicago); i dottori Kimberley Evason, Kuang-Yu Jen, Richard Jordan, Marta Margeta e Zoltan Laszik (University of California, San Francisco); il dottor Antony Rosen (Johns Hopkins University); il dottor Lundy Braun (Brown University); il dottor Peter Byers (University ofWashington); i dottori Frank Bunn, Glenn Dranoff e John Luckey (Harvard Medical School); il dottor Richard H. Aster (Milwaukee • Blood Center and Medical College of Wisconsin); e il dottor Richard C. Aster (Colorado State University). Un ringraziamento particolare è dovuto alla dottoressa Raminder Kumar per l'aggiornamento delle informazioni cliniche e per la scrupolosa correzione di numerosi capitoli, oltre che per il suo ruolo di consulente come redattrice clinica per diversi capitoli. Molti colleghi hanno fornito preziose fotografie dalle loro raccolte, per le quali sono individualmente citati nel testo.

Il nostro personale amministrativo merita sicuramente di essere menzionato per avere mantenuto l'ordine nelle caotiche vite degli Autori e averli prontamente pungolati, quando necessario, per rispettare i molteplici impegni relativi al testo: Nhu Trinh e Garda Wilson (University of Chicago), Ana Narvaez (University of California, San Francisco) e Muriel Goutas (Brigham and Women' s Hospital). La grafica del volume è stata curata interamente da James Perkins, Professor of Medicai Illustration presso il Rochester Institute of Technology. La sua abilità nel convertire concetti complessi in immagini semplici ed esteticamente pregevoli ha considerevolmente migliorato il volume. Molte persone associate al nostro Editore, Elsevier (sotto il marchio W.B. Saunders), meritano un particolare ringraziamento. Spicca tra queste Jennifer Nemee, Project Manager, che ha supervisionato la produzione del testo. La sua conoscenza delle esigenze degli Autori, la rapidità delle sue risposte alle richieste (ragionevoli o meno) e il suo carattere allegro hanno contribuito grandemente a ridurre il nostro stress e a renderci la vita meno complicata. William (Bill) Schmitt, Publishing Director of Medicai Textbooks, è sempre stato il nostro sostenitore e ora anche un caro amico. I nostri ringraziamenti vanno inoltre al Managing Editor Rebecca Gruliow e al Design Manager Lou Forgione di Elsevier. Indubbiamente vi sono molti altri che potrebbero essere stati involontariamente dimenticati; a loro diciamo "grazie" e ci scusiamo per non averli ringraziati singolarmente. Impegni di simile mole si ripercuotono inevitabilmente sulle famiglie degli Autori. Desideriamo pertanto ringraziare le nostre consorti, Raminder Kumar, Ann Abbas e Erin Malone per la loro pazienza, il loro amore e il loro sostegno in questa avventura e per la tolleranza mostrata verso le nostre assenze. Vinay Kumar Abul K. Abbas Jon C. Aster

Hanno collaborato all'edizioneitaliana Gaetano De Rosa Università degli Studi di Napoli Federico II, Dipartimento di Scienze Biomediche Avanzate, Sezione di Anatomia Patologica Malattie infettive

Vincenzo Eusebi Università degli Studi di Bologna, Sezione di Anatomia, Istologia e Citologia Patologica "Marcello Malpighi", Ospedale Bellaria La mammella

Gavino Faa Università degli Studi di Cagliari, Istituto di Anatomia Patologica Fegatoe colecisti

Vito Franco Università degli Studi di Palermo, Dipartimento di Scienze per la promozione della salute e materno-infantile "G. D'Alessandro" Malattiedei globuli rossied emorragiche

Felice Giangaspero Sapienza Università di Roma, Dipartimento di Scienze Radiologiche, Oncologiche e Anatomo-Patologiche Nervi perifericie muscolischeletrici

Claudia Lattes Già Istituto Addarii, Policlinico S. Orsola-Malpighi, Bologna Malattie neoplastiche

Massimo Locati Università degli Studi di Milano, Dipartimento di Biotecnologie Mediche e Medicina Traslazionale Infiammazionee riparazionetissutale

Gaetano Magro Università degli Studi di Catania, Dipartimento di Scienze Mediche, Chirurgiche e Tecnologie Avanzate "G.F. Ingrassia", Sezione di Anatomia Patologica Ossa,articolazionie tumori dei tessuti molli

Fabrizio Mainiero Sapienza Università di Roma, Dipartimento di Medicina Sperimentale Infiammazionee riparazionetissutale

Antonino Maiorana Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia, Dipartimento di Medicina Diagnostica, Clinica e di Sanità Pubblica n pancreas

EugenioMaiorano Università degli Studi di Bari Aldo Moro, Scuola di Medicina, Dipartimento dell'Emergenza e dei Trapianti d'Organo Malattie dell'infanziae dell'adolescenza; Testa e collo

Gianluca Marucci Università degli Studi di Bologna, Sezione di Anatomia, Istologia e Citologia Patologica "Marcello Malpighi", Ospedale Bellaria n sistemanervosocentrale

Daniela Massi Università degli Studi di Firenze, Dipartimento di Chirurgia e Medicina Traslazionale, Sezione di Anatomia Patologica La cute

Rodolfo Montironi Università Politecnica delle Marche, Ancona, Sezione di Anatomia Patologica n rene;Vie urinarieinferiorie apparatogenitalemaschile

Luca Morandi Università degli Studi di Bologna, Sezione di Anatomia, Istologia e Citologia Patologica ''Marcello Malpighi", Ospedale Bellaria Malattiegenetiche

Mauro Papotti Università degli Studi di Torino, Dipartimento di Oncologia TIpolmone;n sistemaendocrino

AnnalisaPession Università degli Studi di Bologna, Sezione di Anatomia, Istologia e Citologia Patologica "Marcello Malpighi", Ospedale Bellaria Malattiedel sistemaimmunitario

Giuseppe Poli Università degli Studi di Torino, Dipartimento di Scienze Cliniche e Biologiche Alterazioniemodinamiche,malattiatromboembolica e shock

Antonio D. Procopio Università Politecnica delle Marche, Dipartimento di Scienze Cliniche e Molecolari - INRCA-IRCCS Ancona, Centro di Patologia Clinica e Terapia Innovativa Patologieambientalie nutrizionali

Moira Ragazzi Arcispedale Santa Maria Nuova-lRCCS, Dipartimento Oncologico e Tecnologie Avanzate, Struttura Complessa di Anatomia Patologica L'occhio

Angela Santoni

Sapienza Università di R◊ma, Dipartimento di Medicina Molecolare La cellulacomeunità di salute e malattia

Giorgio Santoni Università degli Studi di Camerino, Scuola del farmaco e dei prodotti per la salute, Sezione di Medicina Sperimentale Rispostecellulariallostresse agli insulti tossici:adattamento,lesione e morte

Anna Sapino Università degli Studi di Torino, Dipartimento di Scienze Mediche Trattogastrointestinale

FaustoSessa Università degli Studi dell'Insubria, Dipartimento di Scienze Chirurgiche e Morfologiche Vasi sanguigni

GiovanniTallini Università degli Studi di Bologna, Sezione di Anatomia, Istologia e Citologia Patologica "Marcello Malpighi", Ospedale Bellaria Malattiedei globulibianchi,dei linfonodi,dellamilza e del timo

Gaetano Thiene Università degli Studi di Padova, Dipartimento di Scienze Cardiologiche, Toraciche e Vascolari, Unità Operativa Complessa di Patologia Cardiovascolare Il cuore

Gian Franco Zannoni Università Cattolica del Sacro Cuore, Roma, Policlinico A. Gemelli Apparatogenitalefemminile

--

Hanno collaborato all'edizione americana Charles E.Alpers,MD Professor and Vice-Chair Department of Pathology University of Washington School of Medicine Pathologist University of Washington Medicai Center Seattle, Washington Il rene

DouglasC. Anthony,MD, PhD Professor Pathology and Laboratory Medicine Warren Alpert Medica! School of Brown University Chief of Pathology Lifespan Acadernic Medicai Center Providence, Rhode Island Il sistemanervosocentrale;Nervi periferici e muscolischeletrici

Anthony Chang,MD Associate Professor of Pathology Director of Renai Pathology Department of Pathology The University of Chicago Chicago, Illinois n rene

_ Umberto De Girolami,MD Professor of Pathology Harvard Medicai School Director of Neuropathology Brigham and Women' s Hospital Boston, Massachusetts Il sistemanervosocentrale

Lora Hedrick Ellenson,MD Professor and Director of Gynecologic Pathology Department of Pathology and Laboratory Medicine New York Presbyterian Hospital-Weill Cornell Medica! College Attending Pathologist New York Presbyterian Hospital New York, New York Apparatogenitalefemminile

JonathanI. Epstein,MD Professor of Pathology, Urology, and Oncology The Reinhard Professor of Urologie Pathology The Johns Hopkins University School of Medicine Director of Surgical Pathology The Johns Hopkins Hospital Baltimore, Maryland Vie urinarieinferiorie apparatogenitalemaschile

Robert Folberg,MD Founding Dean and Professor of Biomedica! Sciences, Pathology, and Ophthalmology Oakland University William Beaumont School of Medicine Rochester, Michigan Chief Acadernic Officer Beaumont Hospitals Royal Oak, Michigan L'occhio

Matthew P.Frosch,MD, PhD Lawrence J. Henderson Associate Professor of Pathology and Health Sciences and Technology Harvard Medica! School Director Neuropathology Core Massachusetts Generai Hospital Boston, Massachusetts Il sistemanervosocentrale

Andrew Horvai, MD, PhD Professor Department of Pathology Associate Director of Surgical Pathology University of California San Francisco San Francisco, California Ossa,articolazionie tumori dei tessuti molli

RalphH. Hruban,MD Professor of Pathology and Oncology Director of the Sol Goldman Pancreatic Cancer Research Center The Johns Hopkins University School of Medicine Baltimore, Maryland Il pancreas

Aliya N. Husain,MBBS Professor Department of Pathology, Director of Pulmonary, Pediatrie and Cardiac Pathology Pritzker School of Medicine The University of Chicago Chicago, Illinois Il polmone

ChristineA lacobuzio-Donahue,MD, PhD Attending Physician Department of Pathology Associate Director for Translational Research Center for Pancreatic Cancer Research Memoria! Sloan Kettering Cancer Center New York, New York Il pancreas

AlexanderJ.F.Lazar,MD, PhD Associate Professor Departments of Pathology and Dermatology Sarcoma Research Center University of Texas M.D. Anderson Cancer Center Houston, Texas La cute

SusanC. Lester,MD, PhD Assistant Professor of Pathology Harvard Medicai School Chief, Breast Pathology Brigham and Women' s Hospital Boston, Massachusetts La mammella

Mark W. Lingen,DDS, PhD,PRCPath Professor Department of Pathology, Director of Oral Pathology Pritzker School of Medicine The University of Chicago Chicago, Illinois Testae collo

xii

Hanno collaborato all'edizione americana

TamaraL.Lotan,MD Associate Professor of Pathology and Oncology The Johns Hopkins Hospital Baltimore, Maryland Vie urinarieinferiorie apparatogenitalemaschile

Anirban Maitra, MBBS Professor of Pathology and Translational Molecular Pathology University of Texas M.D. Anderson Cancer Center Houston, Texas Malattie del/'infanziae del/'adolescenza; Il sistemaendocrino

AlexanderJ.McAdam,MD, PhD

Vice Chair Department of Laboratory Medicine Medicai Director Infectious Diseases Diagnostic Laboratory Boston Children' s Hospital Associate Professor of Pathology Harvard Medicai School Boston, Massachusetts Malattieinfettive

DannyA. Milner,MD, MSc,FCAP Assistant Professor of Pathology Assistant Medicai Director, Microbiology Harvard Medical School Boston, Massachusetts Malattieinfettive

RichardN. Mitchell,MD, PhD Lawrence J. Henderson Professor of Pathology and Health Sciences and Technology Department of Pathology Harvard Medical School Staff Pathologist Brigham and Women' s Hospital Boston, Massachusetts La cellulacomeunità di salute e malattia;Vasi sanguigni; Il cuore

George F.Murphy,MD

EdytaC. Pirog,MD Associate Professor of Clinica} Pathology and Laboratory Medicine New York Presbyterian Hospital-Weil Medicai College of Cornell University Associate Attending Pathologist New York Presbyterian Hospital New York, New York Apparatogenitalefemminile

Peter Pytel,MD Associate Professor, Director of Neuropathology Department of Patholog,y The University of Chicago Medicine Chicago, Illinois Nervi perifericie muscolischeletrici

FrederickJ.Schoen,MD, PhD Professor of Pathology and Health Sciences and Technology Harvard Medical School Director, Cardiac Pathology Executive Vice Chairman Department of Pathology Brigham and Women' s Hospital Boston, Massachusetts Il cuore

Arlene H. Sharpe,MD, PhD Professor of Pathology Co-Director of Harvard Institute of Translational Immunology Harvard Medicai School Department of Pathology Brigham and Women's Hospital Boston, Massachusetts Malattieinfettive

Neil Theise,MD Professor, Pathology and Medicine Division of Digestive Diseases Beth Israel Medicai Center -Albert Einstein College of Medicine New York, New York Fegatoe colecisti

JerroldR.Turner,M~ .PhD Sara and Harold Lincoln Thompson Professor Associate Chair Department of Pathology Pritzker School of Medicine The University of Chicago Chicago, Illinois Trattogastrointestinale

Professor of Pathology Harvard Medical School Director of Dermatopathology Brigham and Women' s Hospital Boston, Massachusetts La cute

RaminderKumar,MBBS,MD Chicago, Illinois Clinica[Editorper le malattiedi cuore,polmone,trattogastrointestinale, fegato e reni

...

Indice* Volume

I - Patologia generale

CAPITOLO I

La cellula come unità di salute e malattia

Richard N. Mitchell CAPITOLO 2

Risposte cellulari allo stress e agli insulti tossici: adattamento, lesione e morte

31

CAPITOLO 3

Infiammazione e riparazione tissutale

69

CAPITOLO 4

Alterazioni emodinamiche, malattia tromboembolica e shock

III

CAPITOLO 5

Malattie genetiche

135

CAPITOLO 6

Malattie del sistema immunitario

181

CAPITOLO 7

Malattie neoplastiche

257

CAPITOLO 8

Malattie infettive

329

Alexander

J.McAdam

• Danny A. Milner • Arlene H. Sharpe

CAPITOLO 9

Patologie ambientali e nutrizionali

389

CAPITOLO 10

Malattie dell'infanzia e dell'adolescenza

435

Anirban Maitra

Volume 2 - Malattie CAPITOLO I I

degli organi e degli apparati

Vasi sanguigni

--~~------------------------

465

R i chard N. Mitchell

CAPITOLO 12

Il cuore

---------------------------Frederi ck

J.Schoen

505

• Richard N. Mitchell

CAPITOLO 13

Malattie dei globuli bianchi, dei linfonodi, della milza e del timo

561

CAPITOLO 14

Malattie dei globuli rossi ed emorragiche

611

Il polmone

649

CAPITOLO 15

~--------------------------Al iy a N. Husain

*

Dove non altrimentiindicato,i capitolisono stati redattidagli Editor.

xiv

Indice

CAPITOLO 16

Testa e collo

705

Mark W. Lingen CAPITOLO 17

Tratto gastrointestinale

727

JerroldR. Turner CAPITOLO 18

Fegato e colecisti

795

N eil D. Theise CAPITOLO 19

Il pancreas

855

Ralph H. Hruban • ChristineA. Iacobuzio-Donahue CAPITOLO 20

Il rene

869

CharlesE. Alpers • Anthony Chang CAPITOLO 21

Vie urinarie inferiori e apparato genitale maschile

927

JonathanI. Epstein • TamaraL. Lotan CAPITOLO 22

Apparato genitale femminile

959

LoraHedrick Ellenson • Edyta C. Pirog CAPITOLO 23

La mammella

1009

Susan C. Lester CAPITOLO 24

Il sistema endocrino

1039

Anirban Maitra CAPITOLO 25

La cute

\·

1103

Alexander J.F. Lazar • GeorgeF. Murphy CAPITOLO 26

Ossa, articolazioni e tumori dei tessuti molli

1141

Andrew Horvai CAPITOLO 27

Nervi periferici e muscoli scheletrici

1189

Peter Pytel • Douglas C. Anthony CAPITOLO 28

Il sistema nervoso centrale

1213

Matthew P. Frosch• Douglas C. Anthony • UmbertoDe Girolami CAPITOLO 29

L'occhio

1279

Robert Folberg Indice analitico

I-XXXVII

.... CAPITOLO

La cellulacome unità di salute e malattia Richard N. Mitchell CONTENU Il genoma I Il DNA non codificante Organizzazione degli istoni 3 MicroRNA e RNA lunghi non codificanti 4 MicroRNA 4 RNA lunghi non codificanti 5

Funzioni della cellula 5 Membrana plasmatica:protezione e acquisizione di sostanze nutritive 6

fl DFL CAPITOLO

Citoscheletro e interazioni cellula-cellula I O Apparato biosintetico: reticolo endoplasmatico e apparato del Golgi 12 Eliminazione dei rifiuti: lisosomi e proteasomi I 2

Metabolismo cellulare e funzione mitocondriale 14 Attivazione cellulare I 5 Segnalazionecellulare 15

11

Il termine "patologia significa letteralmente lo studio della sofferenza (dal greco pathos = sofferenza, logos =studio); più comunemente, si usa per esprimere lo studio della malattia. Virchow coniò l'espressione patologia cellulare, che ben si adatta a questo primo capitolo, per sottolineare il principio fondamentale che tutte le malattie hanno origine a livello cellulare. Da questo punto di vista; la patologia moderna è essenzialmente lo studio delle alterazioni cellulari, perciò le malattie e i loro meccanismi sottostanti si possono meglio comprendere nel contesto della normale struttura e funzione cellulare. Sarebbe improponibile (e persino inesatto) condensare il vasto e affascinante campo della biologia cellulare in un solo capitolo. Per di più, gli studenti di biologia hanno probabilmente abbastanza familiarità con i diversi concetti generali riguardanti la struttura e la funzione della cellula. Più che tentare una revisione completa, quindi, il nostro obiettivo è quello di esaminare alcuni principi di base e sottolineare alcuni progressi scientifici recenti dando un certo rilievo allo studio delle basi patologiche della malattia, che è centrale in questo testo. La nostra speranza è che questo capitolo sia utile per riconsiderare alcuni degli argomenti fondamentali nella normale biologia cellulare al fine di comprendere meglio quelli della patologia trattati dal secondo capitolo in poi.

Il genoma Il sequenziamento del genoma umano è stato un risultato epocale della scienza biomedica. Pubblicata in bozza nel 2001 e con maggiori particolari nel 2003, questa scoperta ha già condotto a importanti progressi nella scienza e nella medicina. Da allora si è assistito a una riduzione esponenziale del costo del sequenziamento del DNA, cosi come a un esponenziale incremento

Vie di trasduzione del segnale 17 Fattori di crescita e recettori 18 Interazioni con la matrice extracellulare 20 Mantenimento delle popolazioni cellulari 22 Proliferazione e ciclo cellulare 22 Cellule staminali 24 Medicina rigenerativa 28

nell'acquisizione di dati; il sequenziamento del genoma umano, oggi ormai perfettamente delineato, promette di rivoluzionare la nostra comprensione dei concetti di salute e malattia. L'intera mole di dati, tuttavia, è eccezionale, e cominciamo a renderci conto che abbiamo solo iniziato a scalfire la superficie della loro complessità; la possibilità di scoprirne le implicazioni nella conoscenza e nel trattamento delle malattie mediante nuove terapie è una sfida ancora in grado di stimolare e ispirare nello stesso modo scienziati e persone comuni.

Il DNA non codificante Il genoma umano contiene circa 3,2 bilioni di coppie di basi di DNA. Nel genoma vi sono circa 20.000 geni che codificano per proteine, ma costituiscono solo circa 1'1,5%del genoma stesso. Tali proteine hanno varie funzioni: possono essere enzimi, componenti strutturali e molecole segnale e sono utilizzate per tenere unite e preservare tutte le cellule del corpo. Sebbene 20.000 sia un valore approssimativo, probabilmente inferiore al numero di proteine codificate nel genoma umano (poiché la maggior parte dei geni produce molteplici trascrizioni di RNA che a loro volta codificano per differenti isoforme proteiche), è tuttavia sorprendente osservare che vermi composti da meno di 1.000 cellule (con genomi solo di circa 0,1 bilioni di coppie di basi di DNA) contengono ugualmente circa 20.000 geni per produrre proteine. Ancor più straordinario è il fatto che la maggior parte di tali proteine siano chiaramente omologhe di molecole che si trovano negli esseri umani. Pertanto, che cosa distingue gli esseri umani dai vermi? La risposta non è ancora completa, ma le conoscenze attuali suggeriscono che gran parte della differenza risieda nel 98,5% del genoma umano che non codifica per proteine. Sappiamo da qualche tempo che i geni che codificano per le proteine negli

La cellula come unità di salute e malattia Eterocromatina

Nucleolo

Eterocromatina (densa, inattiva)

Eucromatina (dispersa, attiva)

,

Nucleosoma

Trascrizione

Pre- Promotore Esone

Esone

mRNA ~----~

I

• (U)

Enhancer

~ (U) ln~ne

Esone

p

lntrone Splicing lntrone

♦

mRNA

~=~==~~;~~-~~~;~~;::~□~□

5'UTR'----------'3'UTR

Quadro di lettura aperto

I

Centromero

Cromosoma

Traduzione

~ Proteina~

Figura1.1 L'organizzazionedel DNA nucleare.A livellodi microscopicoottico, il materialegeneticonucleareè organizzatoin eucromatinadispersae trascrizionalmente attiva, o in eterocromatinadensamentecompatta e trascrizionalmenteinattiva;la cromatinapuò essereanche meccanicamenteconnessaallamembrana nucleare;una perturbazionedella membrananuclearepuò quindi influiresulla trascrizione.I cromosomi (come mostrato in figura)possono esserevisualizzati medianteil microscopioottico solo durantela divisionecellulare.Nel corso dellamitosi,sono organizzatiin coppie di cromatidiconnessiai centromeri;i centromeri sono la sede della formazionedel cinetocore, un complessoproteico che regolala segregazionecromosomicadurante la metafase.I te/omerisono sequenze di nucleotidiripetitivepresentinelle terminazionidei cromatidie consentono una replicazioneripetutadei cromosomisenzaperditadi DNA nelleterminazionidei cromosomistessi. I cromatidisono organizzatiin bracci brevi"P" ("petite")e lunghi"O" ("comela letterache seguela 'p' nell'alfabeto").Il patterncaratteristicodei cromatidiè stato attribuitoal contenuto relativodi GC (lebandecontengonomeno GC rispettoalleinterbande),e i genitendonoa situarsinelleregionitra le bande. Singolefibre di cromatina sono formate da una serie di nucleosomi(DNAawolto intorno a nucleidi istoni ottamerici)connessitra loro mediantelinkerdi DNA I promotori sono regioni non codificantidi DNA che danno inizioalla trascrizionegenica; si trovano sul medesimofilamentoe a monte del gene corrispondente. Gli enhancersono elementiregolatoriche possono modularel'espressionegenica a distanzaanche di 100 kB e più, awolgendosi sui promoter e favorendoil reclutamentodi ulteriorifattori che sono necessariad attivarel'espressionedei pre-mRNA.Le sequenzeintronichesono successivamentetagliate("splicedout") dal pre-mRNAper generare!'RNAmessaggerodefinitivoche verràtradotto in proteina,senzala regione3' -5' non tradotta (UTR).Oltreagli enhancer,ai promotori e alle sequenzeLJTR,in tutto il genoma sono stati riscontratialtri elementinon codificantiquali brevisequenzeripetute, regioniche leganofattori di regolazione, RNA regolatorinon codificanti e trasposoni.

organismi complessi sono separati da lunghe sequenze di DNA la cui funzione è rimasta ignota per diversi anni: a volte sono state indicate come "materia oscura" del genoma. Questo punto di vista è stato successivamente elucidato grazie al progetto internazionale ENCODE (Encyclopedia of DNA Elements), avviato nel 2007 per individuare tutte le regioni del genoma cui è possibile ascrivere qualche funzione. La straordinaria conclusione è stata che almeno 1'80%del genoma umano assembla proteine, il che significa che è coinvolto nel regolare l'espressione genica o che gli può essere attribuita qualche attività funzionale, soprattutto legata alla regolazione dell'espressione genica, spesso in un modo specifico per il tipo di cellula. Ne consegue che se da un lato le proteine forniscono gli elementi costitutivi fondamentali e i meccanismi necessari per assemblare cellule, tessuti e organismi, le regioni non codificanti del genoma provvedono al complesso "progetto architettonico". In pratica, la differenza tra i vermi e gli esseri umani risiede apparentemente più nei "progetti" che nei materiali da costruzione. Le principali categorie di sequenze funzionali non codificanti per proteine riscontrate nel genoma umano sono le seguenti (Fig.1.1):

• Regioni promotered enhancerche forniscono siti di legame per elementi di trascrizione. • Siti di legame per elementi che organizzano e conservano le strutture di cromatinadi ordine superiore. • RNA regolatori. non codificanti.Più del 60% del genoma è trascritto in catene di RNA che non vengono mai trasformate in proteine, ma che possono, tuttavia, regolare l' espressione genica mediante diversi meccanismi. Le due varietà più

studiate (microRN~ e lunghi RNA non codificanti) sono descritte più avanti in questo capitolo. • Elementigeneticimobili(per esempio, trasposoni).Bisogna notare che oltre un terzo del genoma umano è composto da tali elementi che possono muoversi nel genoma, con un' estrema variabilità in riferimento al numero e al posizionamento perfino tra le specie più affini (come gli esseri umani e altri primati). Partecipano alla regolazione dei geni e all' organizzazione della cromatina, anche se la loro esatta funzione non è ancora stata scoperta. • Particolari regioni strutturali di DNA, in particolare telomeri (terminazioni cromosomiche) e centromeri.("costrizioni primarie" del cromosoma). Uno dei motivi per cui queste scoperte hanno suscitato cosi tanto interesse è che molte, forse anche la maggior parte, delle variazioni genetiche (polimorfismi)associate a malattie sono localizzate in regioni non codificanti del genoma. Di conseguenza, una variazione nella regolazione dei geni potrebbe dimostrarsi più rilevante, nel provocare malattie, di quanto non lo siano i cambiamenti strutturali di proteine specifiche. Un'altra sorprendente rivelazione degli studi recenti sul genoma è che, in media, due individui condividono più del 99,5% delle loro sequenze di DNA. Ciò è forse più straordinario del fatto che il nostro patrimonio genetico è per il 99% identico a quello degli scimpanzè! Pertanto le variazioni tra un individuo e un altro, tra cui la differente predisposizione alle malattie e la varietà di risposta ai fattori ambientali e ai farmaci, sono codificate in meno dello 0,5% del nostro DNA. Sebbene sia una percentuale minima rispetto alla totalità delle

...

Il genoma sequenze nucleotidiche, questo 0,5% rappresenta circa 15 milioni di coppie di basi. Le due forme più comuni di variazioni del DNA nel genoma umano sono i polimorfismi a singolo nucleotide e le variazioni del numero di copie. I polimorfismi a singolo nucleotide (single-nucleotide polymorphisms, SNP) sono varianti nelle posizioni di un singolo nucleotide e sono quasi sempre biallelici (vale a dire che a livello di un determinato sito esistono solo due scelte nella popolazione, come A o T). Sono stati effettuati molti studi per eseguire una mappatura dei più comuni SNP negli esseri umani. Sono stati identificati oltre 6 milioni di SNP umani, molti dei quali presentano ampie variazioni di frequenza nelle diverse popolazioni. Nel genoma gli SNP possono essere presenti negli esoni, negli introni, nelle regioni intergeniche e nelle regioni codificanti. Nel complesso, circa l'l % degli SNP si osserva nelle regioni codificanti, che è ciò che ci si aspetta da una distribuzione casuale, dal momento che le regioni codificanti costituiscono circa 1'1,5%del genoma. Gli SNP situati in regioni non codificanti possono finire in elementi di regolazione nel genoma, alterando cosi l'espressione dei geni; in tali circostanze l'SNP può avere un'influenza diretta sulla propensione a contrarre malattie. In altre circostanze, l'SNP può essere una variante "neutra'' che non ha alcun effetto sulla funzione dei geni o sul fenotipo del portatore. Tuttavia, anche gli SNP "neutri" possono essere marcatori utili quando ereditati insieme, perché spazialmente vicini a un gene associato a una malattia. In altri termini, l'SNP e il gene suddetto si trovano in associazione gametica preferenziale. Si auspica che gruppi di SNP possano fungere da marcatori di rischio per complesse malattie multigeniche come il diabete di tipo 2 e l'ipertensione. Tuttavia, l'effetto della maggior parte degli SNP sulla predisposizione verso una malattia è poco rilevante e resta da verificare se l'identificazione di tali variabili, da sole o in combinazione, possa essere utilizzata per elaborare efficaci strategie per la prevenzione delle malattie. Le variazioni del numero di copie (copy number variations, CNV) sono state identificate più di recente come modalità di variazione genetica consistente in varie quantità di ampi frammenti contigui di DNA, che vanno da 1.000 fino a milioni di coppie di basi. In alcune circostanze questi loci genici sono, come negli SNP, biallelici e semplicemente duplicati o eliminati in un sottogruppo della popolazione. In altri casi si verificano riarrangiamenti complessi del materiale genomico, con alleli multipli nella popolazione umana. Si ritiene attualmente che le CNV siano responsabili di 5-24 milioni di coppie di basi di differenti sequenze tra due individui. Circa il 50% delle CNV contiene sequenze di codificazione genetica; pertanto, le CNV possono essere responsabili di un'ampia percentuale delle diversità dei fenotipi umani. Attualmente conosciamo molto meno le CNV rispetto agli SNP, e quindi la loro influenza sulla predisposizione a contrarre certe malattie è meno nota. Occorre comunque sottolineare che nonostante tutti questi progressi nella comprensione della variazione genetica umana, è chiaro che variazioni nella sequenza del DNA non possono spiegare da sole la varietà dei fenotipi negli esseri umani, così come la genetica classica non riesce a spiegare perché gemelli monozigoti possano avere fenotipi differenti. La risposta può trovarsi nell'epigenetica, che è definita come la serie di modificazioni ereditabili nell'espressione genica non causate da variazioni della sequenza del DNA. La base molecolare dei cambiamenti epigenetici sarà discussa più avanti in questo capitolo.

Organizzazione degli istoni Sebbene di fatto tutte le cellule dell'organismo contengano il medesimo materiale genetico, per effetto del differenziamento cellulare esse presentano strutture e funzioni distinte. Ovviamente, i diversi tipi di cellule si distinguono in base a programmi di

3

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espressione genica specifici per un dato stipite ("lineage") cellulare. Tali differenze nella trascrizione e traduzione del DNA, specifiche per ogni tipo di cellula, dipendono da fattori epigenetici (letteralmente, fattori che stanno "sopra la genetica") che possono essere definiti nel modo seguente (Fig. 1.2): • Istoni e fattori che modificano gli istoni. I nucleosomi sono costituiti da 147 coppie di basi di lunghi segmenti di DNA avvolti intorno a una struttura centrale di nucleoproteine ben conservate, caratterizzate da un basso peso molecolare, chiamate istoni. Il complesso DNA-istone che ne risulta ricorda una serie di biglie unite da brevi sequenze di DNA ed è in genere chiamato cromatina. Il semplice DNA di una cellula umana è lungo circa 1,8 metri, ma è avvolto intorno a istoni come una bobina; il DNA può essere raccolto in un nucleo piccolo, finanche con un diametro di 7-8 micrometri, cioè le dimensioni di un linfocita non attivato. Nella maggior parte dei casi, il DNA non è avvolto in maniera uniforme e compatta. Così, a livello di microscopia ottica, la cromatina nucleare esiste in due forme fondamentali: (1) come eterocromatina, chimicamente densa e trascrizionalmente inattiva; (2) come eucromatina, chimicamente dispersa e trascrizionalrnente attiva (si veda Fig.1.1). Inoltre, la porzione di cromatina nucleare che è "srotolata" regola l'espressione genica, fissando cosi l'identità e l'attività cellulare. Gli istoni non sono strutture statiche, ma notevolmente dinamiche e regolate da una lunga serie di proteine nucleari e modifiche chimiche. Di conseguenza, i complessi di rimodellamento della cromatina possono riposizionare i nucleosomi sul DNA, mediante esposizione (o mascheramento) di elementi di regolazione genetica come i promotori. I complessi "writer" della cromatina, d'altro canto, contengono più di 70 modificazioni differenti dell'istone definite in genere marcatori ("marks"). Tali alterazioni covalenti comprendono la metilazione, l'acetilazione o la fosforilazione di specifici residui arnrninoacidici sugli istoni. I geni attivamente trascritti nell' eucromatina sono associati a marcatori dell'istone che rendono il DNA accessibile alle RNA polimerasi. Al contrario, i geni inattivi possiedono marcatori dell'istone che determinano la condensazione del DNA in eterocromatina. I marcatori dell'istone sono reversibili mediante l'attività degli"erasers della cromatina". Altre proteine, tuttavia, fungono da "readers della cromatina", legandosi agli istoni caratterizzati da particolari marcatori e regolando cosi l'espressione genica. • Metilazione degli istoni. Le lisine e le arginine possono essere metilate da specifici enzimi writers; in particolare, negli istoni la metilazione dei residui di lisina può essere associata sia con l'attivazione sia con la repressione trascrizionale, in base al residuo di istone che è ''marcato". • Acetilazione dell'istone. I residui di lisina sono acetilati a opera di istone acetiltransferasi (histone acetyl transferases, HAT), le cui modifiche tendono ad attivare la cromatina e ad aumentare la trascrizione. A loro volta, tali modificazioni possono essere annullate grazie ali' azione di istone deacetilasi (histone deacetylases, HDAC) che determinano la condensazione della cromatina. • Fosforilazione degli istoni. I residui di serina possono essere modificati mediante fosforilazione; in base al residuo specifico, il DNA può essere attivato per la trascrizione o essere condensato e diventare inattivo. • Metilazione del DNA. La presenza di alti livelli di metilazione del DNA negli elementi regolatori dei geni generalmente determina un silenziamento trascrizionale. Come accade per le modificazioni degli istoni, la metilazione del DNA è altamente regolata da metiltransferasi, da enzimi demetilanti e da proteine che legano il DNA metilato.

CAPITOLO

La cellula come unità di salute e malattia

A DNA del nucleo (1,8 giri, circa 150 coppie di basi)

ca

E

5l 2

Nucleo proteico dell'istone

u:, z

l.l'.L--

DNA linker

Istone H1 linker

B

Eterocromatlna (inattiva)

Eucromatina (attiva)

•Metilazione O-Acetilazione

Figura1.2 Organizzazionedegli istoni. A. I nucleosomisono formati da ottameri di proteine istoniche(due per ogni subunitàistonica H2A, H2B, H3 e H4) circondati da 1,8 anellidi 147 coppie di basi di DNA; l'istone H1 è situato sul DNA linkerdi 20-80 nucleotidipresentetra i nucleosomie contribuiscea stabilizzare la struttura generaledella cromatina.Le subunità istoniche hanno carica positiva,quindi consentono l'impacchettamentodi DNA a carica negativa.B. Il corrispondente stato di srotolamentodel DNA (e il conseguenteaccesso dei fattori di trascrizione)è regolatodalle modificazionidell'istone,per esempio,mediante acetilazione,metilazionee/o fosforilazione(i cosiddetti "marks").I marks sono scritti e cancellatiin manieradinàmica.Alcuni marks come l'acetilazioneistonica aprono la strutturadella cromatina,mentrealtri, come la metilazionedi particolariresiduiistonici,tendono a condensareil DNA causandoil silenziamentogenico. Il DNA stesso può anche esseresottoposto a metilazione,un cambiamentoassociatoa inibizionetrascrizionale.

• Fattori che organizzanola cromatina. Queste proteine sono molto meno conosciute: si ritiene che leghino regioni non codificanti e controllino il loopingdel DNA a lungo raggio, un elemento importante nel regolare la relazione spaziale tra gli enhancere i promotori che controllano l'espressione del gene. Decifrare i meccanismi che consentono a fattori epigenetici di controllare l'organizzazione genomica e l'espressione genica specifica per ogni tipo di cellula è un progetto straordinariamente complesso. Nonostante le difficoltà insite in tale progetto, esistono già molteplici evidenze a sostegno del fatto che un' alterazione dell' "epigenoma" eserciti un ruolo centrale sulla trasformazione maligna cellulare (Cap. 7), oltre a un numero crescente di dati secondo i quali molte altre patologie sono associate ad alterazioni epigenetiche ereditarie o acquisite. Ulteriore motivo di interesse è dato dal fatto che, a differenza dei cambiamenti genetici, molte alterazioni epigenetiche (come l'acetilazione degli istoni e la metilazione del DNA) sono reversibili e quindi potenzialmente suscettibili di interventi terapeutici. In effetti, gli inibitori delle istone deacetilasi e gli inibitori della metilazione del DNA sono già stati sperimentati nel trattamento di diverse forme di cancro.

MicroRNA e RNA lunghi non codificanti Un altro meccanismo di regolazione genica dipende dalle funzioni degli RNAnon codificanti. Come il loro stesso nome suggerisce, essi sono codificati da geni trascritti, ma non tradotti. Benché vi siano molte diverse famiglie di RNA non codificanti, in questa sede prenderemo in esame solo due esempi: le piccole molecole di RNA denominate microRNA, e i lunghi RNA non codificantidi lunghezza superiore a 200 nucleotidi.

MicroRNA I microRNA (miRNA) non codificano per proteine: la loro funzione principale consiste nel regolare la traduzione di mRNA "target" nelle proteine corrispondenti. Il silenziamento posttrascrizionale dell'espressione genica da parte dei miRNA è un meccanismo fondamentale di regolazione genica, ben conservato e presente in tutti gli eucarioti (piante e animali). Persino i microrganismi possiedono una versione più primitiva dello stesso meccanismo, che utilizzano per proteggersi da DNA estranei (come batteriofagi e virus). Per la profonda influenza che i miRNA esercitano sulla regolazione genica,

·questi RNA relativamente corti (in media 22 nucleotidi) hanno assunto un'importanza fondamentale per comprendere sia processi evolutivi normali sia condizioni patologiche come il cancro. Infatti, il Nobel per la Fisiologia e la Medicina del 2006 fu assegnato proprio per la scoperta dei miRNA. Secondo le stime attuali, il genoma umano codifica circa 1.000 geni miRNA, una quantità circa venti volte inferiore al numero di geni che codificano per le proteine. Alcuni singoli miRNA tuttavia, possono reg0lare molteplici geni che codificano per proteine, consentendo a ogni miRNA di co-regolare interi programmi di espressione genica. La trascrizione dei geni che codificano i miRNA dà luogo a un miRNA primario, che è progressivamente processato attraverso varie fasi, tra cui "il taglio" da parte dell'enzima DICER.Ciò genera miRNA maturi a singolo filamento di 21-30 nucleotidi che sono associati a un complesso multiproteico denominato "RNA-induced silencing complex" (RISC);(Fig. 1.3). Il successivo accoppiamento di basi tra il filamento di miRNA e il suo mRNA target stimola il RISC a indurre la degradazione dell' mRNA o a inibirne la traduzione. Ogni mRNA contiene una cosiddetta sequenza seed nella sua regione 3' non tradotta (UTR), che determina la specificità del legame del miRNA e del silenziamento genico. In tal modo, l'mRNA target viene silenziato a livello post-trascrizionale. I piccoli RNA interferenti (small interfering RNA, siRNA) sono brevi sequenze di RNA che si possono inserire sperimentalmente nelle cellule. Essi fungono da substrati per il DICER interagendo con il complesso RISC in modo analogo ai miRNA endogeni. I siRNA sintetici che agiscono su specifiche sequenze di mRN A sono divenuti utili strumenti di laboratorio per studiare la funzione dei geni (la cosiddetta tecnologia del knock-down); essi vengono anche sviluppati quali possibili agenti terapeutici per silenziare geni patologici, come gli oncogeni implicati nella _ trasformazione neoplastica.

Funzionidella cellula

GenemiRNA

~

~ pri-miRNA

Gene bersaglio

~ ~~

~

~

Proteina pre-miRNA frammentatrice (DICER) ~

s~ ~

~

,ffL -~

A

~

~Complesso~ ~ RISC

RNA lunghi non codificanti Alcuni studi recenti hanno ulteriormente scoperto un universo inesplorato di RNA lunghi non codificanti (long noncoding RNA, lncRNA): si stima che il numero di lncRNA possa superare quello degli mRNA codificanti di 10-20 volte. Gli lncRNA modulano l'espressione genica con diverse modalità (Fig. 1.4); per esempio, possono legare regioni di cromatina, limitando l'accesso della RNA polimerasi ai geni codificanti. L'esempio più noto della loro funzione repressiva riguarda il gene XIST, che è trascritto dal cromosoma X e svolge un ruolo essenziale nella disattivazione fisiologica del cromosoma X. Lo stesso XIST si sottrae alla disattivazione del cromosoma X, ma forma una sorta di "compartimento repressivo" su questo cromosoma, dando luogo al silenziamento del gene. Al contrario, si è osservato di recente che molti enhancer sono sede di sintesi di lncRNA e sembra che tali lncRNA aumentino spesso la trascrizione indotta dai promotori genici mediante svariati meccanismi (si veda Fig. 1.4). Alcune ricerche emergenti stanno esplorando le implicazioni degli lncRNA in diverse patologie umane, dall' arterosclerosi al cancro.

Funzioni della cellula La vitalità e la normale attività delle cellule dipendono da una serie di funzioni fondamentali che tutte le cellule differenziate devono svolgere: protezione dall'ambiente, acquisizione di sostanze nutritive, comunicazione, movimento, rinnovamento di molecole senescenti, catabolismo molecolare e produzione di energia.

Molte funzioni fisiologiche si svolgono in compartimenti della cellula e in particolare negli organuli intracellulari legati alle membrane (Fig. 1.5). Segregando alcune funzioni cellulari in compartimenti distinti, funzionalmente importanti, enzimi --+---.. Microfilamenti di actina Desmosoma_..,.._~~ a cintura Desmosoma-t--_.:;_~ Giunzioni gap

Filamenti intermedi

Membrana basale

Integrine

Figura1.8 Componentidel citoscheletroe interazionicellula-cellula.L'adesione interepitelialecoinvolgediverseinterazionitra proteinedellasuperficiecellulare, tra cui attraversole giunzionioccludentie i desmosomi;l'adesionealla matrice extracellularecoinvolgele integrinecellulari(e le proteine associate)all'interno degli emidesmosomi.Si veda il testo per maggioridettagli.

specificità di tessuto e possono essere utili per attribuire l'origine cellulare di tumori scarsamente differenziati. • Lamina A, B e C: lamina nucleare di tutte le cellule. • Vimentina: cellule mesenchimali (fibroblasti, endotelio). • Desmina: cellule muscolari (formano il substrato sul quale si contraggono l'actina e la rrùosina). • Neurofilamenti: assoni di neuroni (dispensano forza e rigidità). • Proteina gliale fibrillare acida: cellule gliali (circondano i neuroni). • Citocheratine: almeno 30 varietà distinte, suddivise in acide (tipo I) e neutre/basiche (tipo II); tipi differenti sono presenti in cellule differenti, e quindi possono essere utilizzate come marcatori cellulari. Le fibrille di filamenti intermedi si trovano soprattutto in forma polimerizzata ali' interno delle cellule e di solito non si riorganizzano attivamente come l'actina e i rrùcrotubuli. Conferiscono alle cellule una certa forza duttile consentendo loro di sopportare le sollecitazioni meccaniche. Le lamine della membrana nucleare sono importanti non solo per conservare la morfologia del nucleo, ma anche per regolare la normale trascrizione nucleare. L'importanza delle lamine diviene evidente in alcune patologie rare, provocate da mutazioni delle lamine stesse, come alcune forme di distrofia muscolare o la progeria, una malattia che deterrrùna l'invecchiamento prematuro. I filamenti intermedi costituiscono anche le principali proteine strutturali della cute e dei capelli. • I microtubuli sono fibrille di 25 nm di spessore composte da dimeri, polimerizzati in modo non covalente, di a- e ~-tubulina disposti in strutture cave in costante allungamento o contrazione, di polarità definita: le terminazioni possono essere "+" o "-". La terminazione "-" è tipicamente incorporata in un centro di organizzazione dei microtubuli (MTOC o centrosoma) vicino al nucleo, dove

Interazioni cellula-cellula. Le cellule interagiscono e comunicano mutualmente formando giunzioni che forniscono connessioni meccaniche e consentono ai recettori di superficie di riconoscere i loro ligandi espressi su altre cellule. Le giunzioni cellulari sono organizzate in tre tipologie principali (si veda Fig. 1.8): • Le giunzioni occludenti (serrate) sigillano insieme le cellule adiacenti per creare una barriera continua che limita il movimento paracellulare (tra cellule) di ioni e altre molecole. Qualora se ne osservi la superficie, si nota che le giunzioni occludenti formano una fitta rete di contatti macromolecolari tra cellule confinanti. I complessi che fungono da mediatori nelle interazioni cellula-cellula sono composti da molteplici proteine transmembrana, quali le occludine, le claudine, le zonuline e le catenine. Oltre a costituire una barriera resistente al movimento dei soluti, le giunzioni occludenti rappresentano anche il confine che consente la separazione del dominio apicale dal dominio basolaterale della cellula, contribuendo cosi a mantenere la polarità cellulare. Tali giunzioni, tuttavia (così come i desmosorrù descritti di seguito) sono strutture dinamiche che si possono dissociare e riformare a seconda delle esigenze funzionali dei tessuti, per favorire la proliferazione delle cellule epiteliali o la rrùgrazione delle cellule infiammatorie. • Le giunzioni ancoranti o aderenti (desmosomi) uniscono meccanicamente le cellule (e i loro citoscheletri intracellulari) ad altre cellule o alla matrice extracellulare (extracellular matrix, ECM). Quando il punto centrale dell'adesione è tra cellule ed è simile a un chiodo di piccole dimensioni, viene definito come desmosoma a borchia o macula adherens. Quando il punto centrale dell'adesione congiunge la cellula alla ECM, è chiamato emidesmosoma. Domini di adesione simili possono presentarsi anche come ampie fasce tra cellule e sono denorrùnati desmosomi a cintura. Le giunzioni desmosorrùali cellula-cellula sono formate da un'associazione omotipica di glicoproteine transmembrana chiamate caderine. Nei desmosorrù a borchia le caderine sono chiamate desmogleine e desmocolline; sono collegate a filamenti intermedi intracellulari e consentono la trasrrùssione (e la dissipazione) di forze meccaniche extracellulari. Nei desmosomi a cintura le molecole adesive transmembrana sono chiamate E-caderine e sono associate a rrùcrofilamenti intracellulari di actina, mediante i quali possono influire sulla forma della cellula e/ o sulla sua mobilità. Negli errùdesmosorrù le proteine transmembrana di connessione sono chiamate integrine e, come le caderine, si uniscono ai filamenti intermedi intracellulari, collegando in maniera funzionale il citoscheletro alla matrice extracellulare. I complessi di adesione focale sono grandi complessi macromolecolari (>100 proteine) che possono trovarsi negli errùdesmosorrù e contenere proteine che generano segnali intracellulari quando le cellule sono sottoposte a forti sollecitazioni meccaniche, come

II

CAPITOLO

I

La cellula come unità di salute e malattia

l'endotelio nel flusso sanguigno o i miociti cardiaci in un cuore infartuato. • Le giunzioni comunicanti (giunzioni gap o nexus) fungono da strutture che mediano il passaggio di segnali chimici o elettrici da una cellula a un'altra. La giunzione consiste in una densa formazione planare di pori da 1,5-2 nm (chiamati connessoni)formati da esameri di proteine transmembrana chiamate connessine.Questi pori consentono il passaggio di ioni, nucleotidi, zuccheri, amminoacidi, vitamine e altre molecole di piccole dimensioni; la permeabilità delle giunzioni è rapidamente ridotta da un abbassamento del pH intracellulare o da un aumento del calcio intracellulare. Le giunzioni gap svolgono una funzione fondamentale nella comunicazione cellula-cellula. Nei cardiomiociti, per esempio, i flussi di calcio da una cellula a un'altra attraverso le giunzioni gap consentono al miocardio di agire come un sincizio funzionale, capace di produrre onde coordinate di contrazione: il battito cardiaco.

Apparato biosintetico: reticolo endoplasmatico e apparato del Golgi

-

Le proteine strutturali e gli enzimi delle cellule sono rinnovati costantemente da continui processi di sintesi perfettamente equilibrati con quelli di degradazione intracellulare. Il reticolo endoplasmatico (RE)è il compartimento preposto alla sintesi di tutte le proteine transmembrana e dei lipidi che costituiscono la mem~rana plasmatica e gli organuli cellulari, compreso il RE stesso. E anche il sito iniziale per la sintesi di tutte le molecole destinate a essere secrete ali' esterno della cellula. Il RE è organizzato in un dedalo interconnesso di condotti ramificati simile a una rete e in lamelle appiattite che formano un foglio ininterrotto intorno a un singolo lume, che topograficamente equivale all'ambiente extracellulare. Il RE è formato da domini contigui, ma separati, contraddistinti dalla presenza (RE rugoso o RER) o dall'assenza (RE liscio o REL) di ribosomi (si veda Fig. 1.5). I ribosomi legati alla membrana sulla superficie citosolica del RER traducono l'mRNA in proteine che sono rilasciate nel lume del RE o si integrano nelle membrane del RE. Taleprocesso è guidato da sequenzesegnalespecifiche presenti sul dominio N-terminale delle proteine nascenti. Per quanto riguarda le proteine prive di sequenze di segnale, la traduzione avviene sui ribosomi liberi nel citosol. Di norma, tali trascritti sono letti simultaneamente da ribosomi multipli (poliribosomi)e la maggior parte di dette proteine resta nel citoplasma. Le proteine inserite nel reticolo endoplasmatico si ripiegano e possono formare polipeptidi complessi (oligomerizzazione); si formano, inoltre, legami disolfurici e sono aggiunti oligosaccaridi N-linked(frazioni di zucchero collegate a residui di asparagina). Le molecolechaperonetrattengono le proteine nel RE finché tali modificazioni non siano complete e non venga raggiunta la corretta conformazione della proteina. Se una proteina non si ripiega o non oligomerizza correttamente, è trattenuta nel RE e va incontro a degradazione. La mutazione patologica più comune a carico della proteina CFTR, un trasportatore di membrana che è difettoso nella fibrosi cistica (Cap. 5), chiarisce l'importanza di questo meccanismo di controllo qualitativo. Tale mutazione comporta l'assenza di un singolo amminoacido (la fenilalanina 508), che determina il misfolding,la ritenzione nel RE e la degradazione della proteina CFTR. Inoltre, un eccessivo accumulo di proteine mal ripiegate (che avviene quando si supera la capacità del RE di assemblarle e degradarle), porta alla risposta di stressdel RE (denominata anche unfoldedproteinresponseo UPR - rispostaa proteine non ripiegate)che innesca la morte cellulare mediante apoptosi(Cap. 2). Dal RER, le proteine e i lipidi destinati ad altri organuli o a essere secreti fuori dalla cellula, sono trasportati nell'apparato

del Golgi. Questo organulo è formato da cisterne impilate che modificano progressivamente e costantemente le proteine da cis (vicino al RE) a trans (presso la membrana plasmatica); le macromolecole sono trasportate tra le varie cisterne nelle vescicole legate alla membrana. Quando le molecole passano da cis a trans, gli oligosaccaridi N-linked, inizialmenti coniugati alle proteine nel RE, sono scissi e mQdificati attraverso un processo a fasi successive; si aggiungono anche gli oligosaccaridiO-linked (frazioni di zucchero legate a serina o a treonina). Parte di questi processi di glicosilazione sono importanti nel dirigere molecole verso i lisosomi (attraverso il recettoredel mannosio-6-fosfato;Cap. 5). Altri addotti della glicosilazione possono essere importanti per le interazioni cellula-cellula o cellula-matrice, oppure per eliminare le cellule senescenti (per esempio, piastrine e globuli rossi). Oltre alla glicosilazione di lipidi e proteine, il reticolocis è in grado di far riciclare le proteine nel RE. Il reticolotrans smista le proteine e i lipidi e li veicola verso altri organuli (compresa la membrana plasmatica) o verso vescicole di secrezione preposte al rilascio extracellulare. Il complesso del Golgi è particolarmente rilevante per la funzione secretoria di cellule specializzate, comprese le cellule caliciformi dell'intestino e dell'epitelio bronchiale (che secernono grandi quantità di mucopolisaccaridi) e le plasmacellule (che secernono grandi quantità di anticorpi). Il RELè, nella maggior parte delle cellule, relativamente rado e costituisce soprattutto una zona di passaggio dal RER alle vescicole di trasporto verso l'apparato del Golgi. Tuttavia, nelle cellule che sintetizzano ormoni steroidei (per esempio, nelle gonadi o nelle surrenali), o in quelle che catabolizzano molecole liposolubili (come avviene nel fegato), il REL può essere particolarmente sviluppato. Infatti, un'esposizione ripetuta ai composti metabolizzati dal REL (per esempio, catabolismo del fenobarbital mediante il sistema del citocromo P-450) può condurre a un'iperplasia reattiva del REL stesso. Il REL è anche il responsabile del sequestro del calcio intracellulare: il successivo rilascio dal RELnel citosol può influenzare numerose risposte a segnali extracellulari (compresa la morte cellulare apoptotica). Nelle cellule muscolari, inoltre, un RELspecializzato, denominato reticolosarcoplasmatico,è responsabile del rilascio ciclico e del sequestro di ioni 'calcio che regolano rispettivamente la contrazione e il rilassamento del muscolo.

Eliminazione dei rifiuti: lisosomi e proteasomi Come abbiamo già brevemente ricordato, l'eliminazione dei prodotti catabolici cellulari dipende dall'attività di lisosomi e proteasomi (Fig. 1.9). • I lisosomi sono organuli legati alla membrana, contenenti approssimativamente 40 diverse idrolasi acide (enzimi che funzionano a pH acido, ~ 5); queste idrolasi comprendono proteasi, nucleasi, lipasi, glicosidasi, fosfatasi e solfatasi. Gli enzimi lisosomiali sono originalmente sintetizzati nel lume del RE e successivamente un residuo di mannosio-6-fosfato (M6P) viene legato ali' interno dell'apparato del Golgi. Tali proteine M6P-modificate sono poi rilasciate nei lisosomi mediante vescicole trans-Golgi che esprimono i recettori per M6P. Le altre macromolecole destinate al catabolismo nei lisosomi giungono in queste vescicole utilizzando una delle tre vie elencate di seguito (si veda Fig. 1.9): • Il materiale internalizzato mediante pinocitosiin fasefluida o endocitosi mediatada recettoripassa dalla membrana plasmatica all' endosoma precoce e quindi ali' endosoma tardivo, e infine nel lisosoma. L'endosoma precoce è il primo compartimento acido, mentre gli enzimi proteolitici cominciano la vera e propria digestione solo nell' endosoma tardivo; gli endosomi tardivi maturano in lisosomi. Durante il processo di maturazione, gli endosomi diventano progressivamente più acidi.

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Funzioni della cellula

A. DEGRADAZIONE LISOSOMIALE Reticolo endoplasmatic Endosoma

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Proteasoma

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Frammenti di peptide

Ubiquitina libera Alterazioni metaboliche (per es., pH) Mutazioni genetiche Infezioni virali

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Eccesso di proteine mal ripiegate

"Stress del RE" (risposta alle ----• proteine mal ripiegate)

APOPTOSI

♦ Sintesi delle proteine

t Sintesi delle proteine

Figura1.9 Catabolismointracellulare.A. Degradazionelisosomiale.Nell'eterofagia(adestra),i lisosomisi fondono con gli endosomio con i fagosomiper favorire la degradazionedel loro contenuto internalizzato(siveda la Fig. 1.7). I prodotti finali,possonoessereliberatinel citosol per nutrirela cellulao essereriversatinello spazioextracellulare(esocitosi).Nell'autofagia(a sinistra),gli organulisenescentio le proteinedenaturatesono indirizzatialladegradazionelisosomialedopo essere stati awolti da una membranadoppia che derivadal reticoloendoplasmaticoe caratterizzatada proteineLC3 (1N1 B catena leggera3 della proteinaassociataai microtubuli).Anchealcuni stimoliche induconostress cellulare,come il deficit di sostanzenutritiveo alcune infezioniintracellulari,possono attivarela via autofagocitica. B. Degradazioneproteasomica.Le proteinecitosolichedestinateal ricambio(comei fattori di trascrizioneo le proteineregolatrici),le proteinesenescenti o le proteinedenaturateda stimolimeccanicio chimici esternipossonoesserelegateda più di una molecoladi ubiquitina(mediantel'attività dell'ubiquitinaligasi E,, E2 ed E3 ). Questo evento marca le proteineper la degradazionea opera dei proteasomi,complessicostituiti da multi-subunitàcitosolicheche degradanole proteinein piccoliframmentipeptidici. Elevateconcentrazionidi proteinemal ripiegateall'internodel reticoloendoplasmatico(RE)attivanouna rispostaprotettiva (unfoldedprotein response)che determinauna notevoleriduzionedellasintesiproteica,ma anche un aumentospecificodi proteine"chaperone"che favoriscono il ripiegamentodelle proteine.Se tale strategiasi rivelainefficaceper far fronte ai livellidi proteinemal ripiegate,viene indotta l'apoptosi.

• Gli organuli senescenti e i grandi complessi di proteine denaturate sono trasportati nei lisosomi mediante un processo chiamato autofagia.Mediante meccanismi non ancora completamente delucidati, gli organuli obsoleti sono avvolti da una doppia membrana proveniente dal reticolo endoplasmatico; la membrana si espande progressivamente per avvolgere una serie di strutture

e forma un autofagosomache in seguito si fonde con i lisosomi, e il contenuto viene catabolizzato.Oltre a facilitare la sostituzione delle strutture invecchiate o morte, l'autofagia è utilizzata anche per preservare la vitalità della cellula durante la deplezione di sostanze nutritive. L'autofagia verrà trattata in maniera più esaustiva nel Capitolo 2.

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l:.i\ e A P I T o Lo 1

La cellula come unità di salute e malattia

• La fagocitosi di microrganismi o di grossi frammenti di matrice extracellulare o di detriti avviene principalmente nei fagociti "professionisti" (macrofagi o neutrofili). Il materiale viene fagocitato a formare un fagosoma che si fonde successivamente con i lisosomi. • I proteasomi svolgono una funzione importante nella degradazione di proteine citosoliche (si veda Fig. 1.9); queste includono proteine denaturate o mal ripiegate (in maniera simile a quanto accade nel RE), cosi come qualsiasi altra macromolecola la cui attività funzionale deve essere regolata (per esempio, i fattori di trascrizione). Molte proteine destinate a essere degradate sono identificate grazie al legame covalente con una piccola proteina di 76 aminoacidi chiamata ubiquitina. Le molecole poli-ubiquitinate si distendono e vengono introdotte nel complesso polimerico del proteasoma, una struttura cilindrica contenente attività proteasiche differenti. I proteasomi digeriscono le proteine in piccoli frammenti (da 6 a 12 amminoacidi) che possono essere successivamente degradati nei rispettivi componenti amminoacidici e riciclati.

metionina e sono sensibili agli antibiotici. Inoltre, dal momento che l'ovulo contribuisce alla maggior parte degli organuli citoplasmatici dello zigote fertilizzato, il DNA mitocondriale si eredita quasi completamente per via materna. Tuttavia, poiché i componenti proteici dei mitocondri derivano dalla trascrizione genica che avviene sia nel nucleo sia nel mitocondrio, le disfunzioni mitocondriali possono essere legate al cromosoma X, autosomiche o ereditate per via materna. I mitocondri forniscono i meccanismi enzimatici per effettuare la fosforilazione ossidativa (e quindi un'efficiente produzione di energia a partire dal glucosio e dagli acidi grassi). Svolgono anche un'importante funzione nel metabolismo anabolico e sono importanti nella regolazione della morte cellulare programmata, la cosiddetta apoptosi(Fig. 1.10).

Produzione di energia. Ogni mitocondrio possiede due membrane distinte e specializzate. La membrana interna contiene gli enzimi della catena respiratoria racchiusi nelle creste. Essa racchiude una matrice centrale che contiene alcuni enzimi metabolici, come quelli del ciclo dell'acido citrico. All'esterno della membrana interna si trova lo spazio intermembrana,dove avviene la sintesi d.i ATP e che, a sua volta, è circoscritto dalla membranaesterna costellata di porine, proteine che costituiscono canali acquosi permeabili a molecole di piccole dimensioni (