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Tariffe ciclismo HSC

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Vorrei sapere con quale frequenza le cellule staminali ematopoietiche umane entrano in ciclo nella nicchia del midollo osseo (con un riferimento cartaceo). Ho sentito che vanno in bicicletta 1-2 volte all'anno, ma qualcuno l'ha misurato in modo affidabile?


Cellule staminali ematopoietiche: concetti, definizioni e la nuova realtà

La ricerca sulle cellule staminali ematopoietiche (HSC) ha preso piede negli anni '50 con la dimostrazione che le cellule del midollo osseo iniettate per via endovenosa possono salvare i topi irradiati dalla letalità ristabilendo la produzione di cellule del sangue. I tentativi di quantificare le cellule responsabili hanno portato alla scoperta di colonie trapiantate in serie, derivate da donatori, macroscopiche e multilineage rilevabili sulla superficie della milza da 1 a 2 settimane dopo il trapianto. È nato il concetto di HSC multipotenti auto-rinnovanti, ma accompagnato da prove sconcertanti di una grande variabilità nei risultati delle divisioni di auto-rinnovamento delle HSC. I successivi 60 anni hanno visto un'esplosione nello sviluppo e nell'uso di strumenti più raffinati per valutare il comportamento di sottoinsiemi di cellule ematopoietiche purificati in modo prospettico con capacità di produzione di cellule del sangue. Questi sviluppi hanno portato alla formulazione di modelli gerarchici sempre più complessi di emopoiesi e un elenco crescente di elementi intrinseci ed estrinseci che regolano lo stato del ciclo HSC, la vitalità, l'auto-rinnovamento e gli output del lignaggio. Esami più recenti di queste proprietà in HSC individuali altamente purificate e analisi della loro perpetuazione in HSC di progenie generate clonalmente hanno ora fornito prove definitive dell'eterogeneità trasmessa linearmente negli stati di HSC. Questi risultati anticipano la necessità e l'uso di nuove tecnologie emergenti per stabilire modelli in grado di accogliere tali caratteristiche pluralistiche delle HSC e dei loro meccanismi di controllo.


Traduzione di biologia di nicchia HSC per applicazioni cliniche

Negli ultimi 3 decenni del ventesimo secolo, l'avvento e l'evoluzione del trapianto di cellule staminali ematopoietiche (HSCT) per curare neoplasie refrattarie e gravi malattie non maligne hanno creato la necessità di comprendere meglio i meccanismi scientifici di base alla base del mantenimento e della migrazione delle cellule staminali ematopoietiche (HSC). Negli ultimi 20 anni, i ricercatori hanno scoperto complesse nicchie di HSC del midollo osseo (BM) sovrapposte che utilizzano una serie di vie di segnalazione per regolare strettamente la fisiologia delle HSC. Qui, esaminiamo i recenti sforzi per definire i mediatori critici della funzione di nicchia delle HSC nella salute e nella malattia e come queste scoperte stanno ora consentendo lo sviluppo della prossima generazione di terapie cellulari per il cancro e gravi malattie non maligne.

Risultati recenti

Recentemente sono state identificate una serie di interazioni cellulari e percorsi molecolari critici per la mobilizzazione delle HSC, l'attecchimento di HSC del donatore dopo l'HSCT e il recupero di cellule HSC/progenitrici dopo la chemioterapia. Ulteriori studi hanno definito i meccanismi attraverso i quali il cancro e gli stati di insufficienza del midollo osseo interrompono la normale funzione di questi percorsi. I ricercatori traslazionali stanno ora sfruttando queste scoperte per sviluppare strategie precliniche e cliniche per colpire la nicchia della terapia rigenerativa e del cancro.

Riepilogo

La ricerca in corso per definire gli aspetti fondamentali della biologia di nicchia delle HSC porterà a ulteriori perfezionamenti e approcci di precisione per migliorare la sicurezza e l'efficacia della terapia cellulare clinica.


Biologia HSC Syllabus – Maharashtra HSC Board

La scuola secondaria superiore è la fase più cruciale dell'istruzione perché in questo frangente vengono introdotte discipline scientifiche specializzate. Il presente programma rafforza i concetti introdotti nelle classi inferiori. Recentemente, la scienza della biologia ha subito un cambiamento di paradigma che l'ha trasformata da una raccolta di fatti vagamente correlati in una moderna scienza applicata.

Gli organismi viventi mostrano un sistema funzionale estremamente complesso. Gli organismi si presentano raramente come individui isolati. Sono organizzati in popolazioni e comunità biologiche. Organismi, comunità, ecosistemi e ambiente costituiscono un insieme unico di risorse naturali di grande importanza. La conoscenza della biologia ci aiuta a comprendere un filo conduttore che tiene insieme tutte queste componenti. La comprensione della biologia aiuterà nello sviluppo sostenibile dell'ambiente e assicurerà anche l'esistenza della terra con tutta la sua incredibile diversità.

Questo programma è progettato per preparare gli studenti a vari esami condotti a livello statale e nazionale. Quindi è stato preparato in conformità con le linee guida mostrate nella versione finale dei programmi di base comuni di COBSE, Delhi. Di conseguenza sono stati eliminati alcuni argomenti aggiuntivi dal programma del Consiglio di Stato mentre sono stati aggiunti gli argomenti mancanti. L'intera unità "Ecologia e Ambiente" è stata ora aggiunta nelle sezioni Botanica e Zoologia.

  • Il programma prescritto dovrebbe
  • Promuovere l'abilità intrinseca di osservazione.
  • Aiutare a comprendere i principi alla base delle scienze biologiche e quindi sviluppare un atteggiamento scientifico nei confronti dei fenomeni biologici.
  • Aiutare gli studenti a comprendere il funzionamento degli organismi.
  • Rendere gli studenti consapevoli di questioni di importanza globale.
  • Guida gli studenti a eseguire semplici esperimenti per una migliore comprensione dei principi biologici e per sviluppare le abilità sperimentali richieste nel lavoro pratico.
  • Creare consapevolezza sul contributo della biologia al benessere umano

Sezione I – BOTANICA

Unità 1: Genetica ed Evoluzione:

Capitolo 1 – Base genetica dell'ereditarietà:

Eredità mendeliana. Deviazioni dal rapporto mendeliano (interazione genica-dominanza incompleta, codominanza, alleli multipli ed ereditarietà dei gruppi sanguigni), Pleiotropia, Idea elementare di eredità poligenica.

Capitolo 2 – Gene: la sua natura, espressione e regolazione:

Concetto moderno di gene in breve-cistron, muton e ricognizione.

DNA come materiale genetico, struttura del DNA come data dal modello di Watson e Crick, DNA.

Packaging, replicazione semiconservativa del DNA eucariotico

RNA: Tipi e funzioni generali della struttura.

Dogma centrale di sintesi proteica, traduzione di trascrizione-codice genetico, espressione genica e regolazione genica (l'operone Lac come modello tipico di regolazione genica).

Unità 2: Biotecnologia e sua applicazione:

Capitolo 3 – Biotecnologia: processo e applicazione:

Ingegneria genetica (tecnologia del DNA ricombinante):

Trasposoni, plasmidi, batteriofagi

Produzione di frammenti di restrizione, preparazione e clonazione di una libreria di DNA,

Amplificazione genica (PCR). Applicazione delle biotecnologie in agricoltura – Questioni di biosicurezza delle colture BT (biopirateria e brevetti)

Unità 3: Biologia e benessere umano:

Capitolo 4 – Miglioramento nella produzione alimentare

Coltura di tessuti per la riproduzione delle piante: concetto di cellulare

Totipotenza, Requisiti della coltura tissutale (in breve),

Cultura del callo, cultura della sospensione.

Proteina unicellulare. Biofortificazione.

Capitolo 5 – Microbi nel benessere umano:

Microbi nella lavorazione degli alimenti domestici.

Microbi nella produzione industriale.

Microbi nel trattamento delle acque reflue.

Microbi nella produzione di biogas (energia).

Microbi come agenti di biocontrollo Microbi come biofertilizzanti.

Unità 4: Fisiologia vegetale:

Capitolo 6 – Fotosintesi

Nutrizione autotrofica Sito di fotosintesi Pigmenti fotosintetici e loro ruolo.

Reazioni dipendenti dalla luce (fotofosforilazione ciclica e non ciclica)

Reazioni indipendenti dalla luce (vie C3 e C4) Ipotesi chemiosmotica, fotorespirazione, fattori che influenzano la fotosintesi. Legge dei fattori limitanti.

Capitolo 7 – Respirazione

ATP come valuta del meccanismo energetico dell'aerobica (glicole, ciclo TCA e sistema di trasporto degli elettroni) e della respirazione anaerobica. Fermentazione Scambio di gas. Via anfibolica. Quoziente respiratorio di nutrienti. Significato della respirazione.

Unità 5: Riproduzione negli organismi:

Capitolo 8 – Riproduzione nelle piante

Modi di riproduzione (asessuale e sessuale).

Riproduzione asessuale modalità uniparentali propagazione vegetativa, micropropagazione Riproduzione sessuale: struttura del fiore Sviluppo del gametofito maschile, Struttura dell'ovulo anatropo. Sviluppo del gametofito femminile. Impollinazione: tipi e agenzie. Interazione polline-pistillo dei dispositivi di outbreeding. Doppia fertilizzazione: processo e significato. Cambiamenti post-fecondazione (sviluppo dell'endosperma e dell'embrione, sviluppo del seme e formazione del frutto) Modi speciali-apomissi, partenocarpia, poliembrione. Significato della formazione di semi e frutti.

Unità 6: Ecologia e Ambiente

Capitolo 9: Organismi e ambiente -I : Habitat e nicchia

Ecosistemi: modelli, componenti, produttività e decomposizione, piramidi numeriche del flusso energetico, biomassa, ciclo dei nutrienti energetici (carbonio e fosforo). Successione ecologica, servizi ecologici fissazione del carbonio, impollinazione, rilascio di ossigeno. Questioni ambientali: prodotti agrochimici e loro effetti, gestione dei rifiuti solidi, effetto serra e riscaldamento globale, riduzione dell'ozono, deforestazione, casi di studio (due qualsiasi).

Classe 12° Biologia

Sezione II – ZOOLOGIA

Unità 1: Genetica ed Evoluzione:

Capitolo 10 – L'origine e l'evoluzione della vita:

Origine della vita: Terra primitiva, Spontaneo, assemblaggio di composti organici, Evoluzione: contributo di Darwin, Teoria sintetica moderna dell'evoluzione, Evidenze biologiche, Meccanismo di evoluzione Flusso genico e deriva genetica Principio di Hardy Weinberg Radiazione adattativa. Origine ed evoluzione dell'essere umano.

Capitolo 11 – Base cromosomica dell'ereditarietà

La teoria cromosomica. Cromosomi. Collegamento e attraversamento. Eredità legata al sesso (emofilia e daltonismo). Determinazione del sesso nell'essere umano, negli uccelli, nelle api. Disturbi mendeliani nell'uomo-talassemia. Disturbi cromosomici nell'uomo: sindrome di Down, sindrome di Turner e sindrome di Klinfelter.

Unità 2: Biotecnologia e sua applicazione:

Capitolo 12- Ingegneria genetica e genomica

DNA impronte digitali. Progetto Genomica e Genoma Umano. Applicazioni biotecnologiche in salute: insulina umana e produzione di vaccini, terapia genica. Animali transgenici.

Unità 3: Biologia e benessere umano

Capitolo 13- Salute umana e malattie

Concetti di immunologia: tipi di immunità,

Struttura dell'anticorpo, complesso antigene-anticorpo, antigeni sulle cellule del sangue. Patogeni e Parassiti (Amebiasi, Malaria, Filariosi, Ascariasi, Tifo, Polmonite, Raffreddore e tigna). Adolescenza, abuso di droghe e alcol. Cancro e AIDS.

Capitolo 14- Allevamento di animali

Gestione di allevamenti e animali da fattoria.

Unità 4: Fisiologia umana:

Capitolo 15- Circolazione

Composizione e coagulazione del sangue, Gruppi sanguigni.

Struttura e azione pompante del Cuore. Vasi sanguigni.

Circolazione polmonare e sistemica.

Battito cardiaco e pulsazioni. Ritmicità del battito cardiaco. Gittata cardiaca, Regolazione dell'attività cardiaca.

Disturbi del sangue: ipertensione, malattia coronarica, angina pectoris e insufficienza cardiaca. ECG, Sistema Linfatico (Breve idea): Composizione della linfa e sue funzioni.

Capitolo 16- Escrezione e osmoregolazione

Modi di escrezione-Ammonotelismo, ureotelismo, uricotelismo. Apparato escretore. Composizione e formazione dell'urina. Ruolo del rene nell'osmoregolazione.

Regolazione della funzione renale: reninangiotensina, fattore natriuretico atriale, ADH e diabete inspidus, ruolo di altri organi nell'escrezione.

Patologie Insufficienza renale, Dialisi, Calcoli renali (calcoli renali). Trapianto. Uremia, nefrite.

Capitolo 17- Controllo e coordinamento

Sistema nervoso Struttura e funzioni del cervello e del midollo spinale, cenni su SNP e SNA. Trasmissione dell'impulso nervoso. Azione riflessa. Recettori sensoriali (occhio e orecchio), Percezione sensoriale, idea generale degli altri organi di senso.

Ormoni e loro funzioni

Meccanismo di azione degli ormoni.

Ormoni come messaggeri e regolatori.

Squilibrio ormonale e malattie:

Disturbi comuni (nanismo, acromegalia, cretinismo, gozzo, gozzo esoftalmico, diabete mellito, morbo di Addison)

Unità 5: Riproduzione negli organismi:

Capitolo 18- Riproduzione umana

Apparato riproduttivo maschile e femminile.

Istologia del testicolo e dell'ovaio.

Produzione di gameti, fecondazione, impianto.

Sviluppo dell'embrione fino a tre strati germinali.

Gravidanza, placenta, parto e allattamento (idea elementare).

Salute riproduttiva-controllo delle nascite,

Contraccezione e malattie sessualmente trasmissibili.

MTP, Amniocentesi Infertilità e fecondazione assistita Tecnologie FIV, ZIFT, GIFT (idea elementare per la consapevolezza generale).

Unità 6: Ecologia e Ambiente:

Capitolo 19-Organismi e ambiente-II:

Popolazione e adattamenti ecologici:

Interazioni di popolazione-mutualismo, competizione, predazione, parassitismo, attributi della popolazione-crescita, tasso di natalità e tasso di mortalità, distribuzione per età.

Biodiversità e sua conservazione Biodiversità: concetto, modelli, importanza, perdita.

Minacce e necessità per la conservazione della biodiversità, hotspot, organismi in via di estinzione, estinzione, libro dati rosso, riserve della biosfera, parchi nazionali e santuari.

Questioni ambientali: inquinamento dell'aria e suo controllo, inquinamento delle acque e suo controllo e gestione dei rifiuti radioattivi. (Casi di studio qualsiasi due)

(Aggiornato) Biologia Pratiche esperimenti

  1. Seziona il fiore dato e mostra diverse spirali. Sezionare l'antera e l'ovaio per mostrare il numero di camere.
  2. Studia la germinazione del polline su un vetrino.
  3. Raccogliere e studiare il suolo da almeno due siti diversi e studiarli per consistenza, contenuto di umidità, pH e capacità di ritenzione idrica del suolo. Correlate con i tipi di piante che vi si trovano.
  4. Studio della densità e della frequenza della popolazione vegetale con il metodo del quadrato.
  5. Preparare un supporto temporaneo di punta di radice di cipolla per studiare la mitosi.
  6. Separazione di pigmenti vegetali mediante cromatografia su carta.
  7. UN) Studiare la velocità di respirazione nei boccioli di fiori/tessuto fogliare e nei semi in germinazione.
  8. B) Dimostrazione della respirazione anaerobica.
  9. Studiare la presenza di particolato sospeso nell'aria in due siti molto diversi.
  10. Raccogli l'acqua da due diversi corpi idrici intorno a te e studiali per il pH, la chiarezza e la presenza di eventuali organismi viventi.
  11. Per testare la presenza di urea e zucchero nelle urine.
  12. Per testare la presenza di albumina e sali biliari nelle urine.

Studio/osservazione di quanto segue (Spotting):

  1. Studio di fiori adattati all'impollinazione da parte di diverse agenzie (vento, insetti)
  2. Studio della germinazione pollinica su stigma attraverso un vetrino permanente.
  3. Studiare l'ereditarietà mendeliana usando semi di diverso colore/dimensione di qualsiasi pianta.
  4. Esercizio sull'impollinazione controllata – Evirazione, etichettatura e insaccamento.
  5. Studiare la meiosi nella cellula gemma della cipolla o nel testicolo della tramoggia di erba attraverso diapositive permanenti.
  6. Studio di piante presenti in condizioni xerofite e acquatiche rispetto ai loro adattamenti morfologici.(Due piante ciascuna)
  7. Studiare e identificare le fasi di sviluppo dei gameti, ovvero T.S. di testicolo e T.S. ovaio attraverso diapositive permanenti (da qualsiasi mammifero).
  8. Studio di V.S. di blastula attraverso scorrimento permanente.
  9. Per studiare i grafici genealogici preparati di tratti genetici come il rotolamento della lingua, i gruppi sanguigni, il picco della vedova, il daltonismo.
  10. Per identificare gli organismi che causano malattie comuni come Plasmodium, Entamoeba, Ascaris e tigna attraverso vetrini o campioni permanenti. Commenta i sintomi delle malattie che causano.
  11. Studio di animali trovati in condizioni xeriche (desertiche) e acquatiche rispetto ai loro adattamenti morfologici. (Due animali ciascuno)

Nota: non rivendichiamo l'accuratezza e l'affidabilità delle informazioni. Per informazioni corrette/attuali si prega di contattare le autorità interessate.


Modulo 5 / Domanda di indagine 1

Prima di salire sul treno materialista e inizia a scavare nel contenuto, per favore dammi un minuto per guidarti attraverso cosa tu dovrebbe tieni a mente come la punti salienti principali per il materiale di questa settimana.

Il inchiesta (generale) domanda per questa settimana si occupa della riproduzione e del suo rapporto con l'evoluzione, alias. la continuità delle specie.

Sotto il concetto di riproduzione, siamo particolarmente preoccupati per il meccanismi riproduttivi (come funzionano) che si verificano in animali, piante, funghi, batteri e protisti.

Dobbiamo classificare i processi riproduttivi come sessuali o asessuali oltre a come i loro meccanismi che consentono ai genitori di produrre e trasmettere materiale genetico ai propri figli.

Tra tutti i tipi di specie, NESA vuole che ci tuffiamo nel terra di mammiferi (ad esempio renne e umani) ed esplorare come funzionano i loro sistemi di riproduzione.

Dobbiamo capire il processo di fecondazione, impianto e controllo ormonale durante la riproduzione. Queste fasi della riproduzione aiutano a trasmettere il materiale genetico dai genitori alla prole.

Non sono sicuro che tu ne sia consapevole, ma dell'umanità la conoscenza scientifica è avanzata molto nel secolo scorso.

Quindi, nell'ultima parte del materiale di questa settimana, ci occuperemo di alcuni esempi di applicazioni nella vita reale di applicazioni umane conoscenza scientifica in genetica e riproduzione per crea fantastiche variazioni in piante e animali!

Obiettivo di apprendimento: Spiegare i meccanismi di riproduzione che assicurano la continuità di una specie, analizzando i metodi di riproduzione sessuale e asessuale in una varietà di organismi.

Non conoscere o scrivere una definizione per la parola chiave principale può costarti un punto nelle domande HSC?

Iniziamo definire la riproduzione!

La riproduzione è il processo di creazione di un nuovo individuo o prole dai loro genitori.

Riproduzione significa riprodurre = nuova prole. POSSONO o NON POSSONO essere cloni del genitore.

La riproduzione può essere effettuata tramite mezzi naturali o artificiali. Da qui i termini riproduzione naturale e artificiale.

Esistono due vie riproduttive: sessuale e asessuale. Alcuni organismi possono fare entrambe le cose!

Cosa sono la riproduzione sessuata e asessuata e come funzionano?

Riproduzione sessuale: Il processo di formazione di un nuovo organismo dalla fusione dei gameti (maschio + femmina) dei genitori della prole. I gameti sono cellule sessuali come spermatozoi e cellule uovo per l'uomo. La prole che si forma dalla riproduzione sessuale ha il materiale genetico che deriva dai suoi genitori. Tuttavia, in quasi* tutti i casi il materiale genetico della prole è NON IDENTICO ai loro genitori (è misto). Nell'uomo e in molti altri mammiferi come le mucche questo processo di produzione dei gameti è chiamato meiosi .

*Nota che l'autoimpollinazione coinvolge una pianta (genitore) ed è un tipo di riproduzione sessuale. Questo perché la pianta può produrre sia polline che ovuli (gameti vegetali maschili e femminili). Questi gameti possono combinarsi per produrre una prole geneticamente identica o una prole geneticamente diversa.Se la prole è geneticamente identica o diversa, dipenderà dal fatto che la singola pianta madre sia omozigote o eterozigote per quei geni. Impareremo questi due termini quando imparerai a conoscere Punnett Square nelle note della settimana 4.

Riproduzione asessuata: La riproduzione asessuata è il processo di formazione di una prole (di solito una cellula) da solo UNO genitore attraverso la divisione cellulare. A seconda del processo di divisione cellulare, potrebbero esserci molti nomi. Ad esempio, nell'uomo e in molti altri mammiferi, questo processo di divisione cellulare è chiamato mitosi . Quindi, la prole ha materiale genetico che è IDENTICO a quella del suo unico genitore - la prole è un CLONE del genitore.

Il più importante fattore di distinzione tra riproduzione sessuata e asessuata è se si è verificata o meno la fusione dei gameti. Per la riproduzione sessuale, deve esserci una fusione di gameti mentre, nella riproduzione asessuata, non c'è fusione di gameti.

In che modo i processi di riproduzione sessuale e asessuata consentono di trasmettere le informazioni genetiche dei genitori alla prole, garantendo così la continuità della specie?

Durante la riproduzione, il le informazioni genetiche dei genitori (DNA) vengono copiate e passato alla prole. Il materiale genetico della prole è immagazzinato nel nucleo delle loro cellule.

Esistono due tipi di cellule: cellule somatiche e non somatiche (sessuali). Poiché gli esseri umani e molti altri mammiferi non possono produrre prole per via asessuata, tutti i figli prodotti provengono da cellule non somatiche. Quindi, solo il materiale genetico dei genitori nelle cellule non somatiche (o nelle cellule sessuali) viene trasmesso alla prole.

Le informazioni genetiche vengono trasmesse alla generazione successiva (prole). Così, garantire la continuità della specie.

Nelle note della settimana 3, vedrai il importanza di creare variazione nelle informazioni genetiche della prole (nuove combinazioni di alleli, aumento della variazione negli alleli che i gameti possono ereditare e variazione nei gameti che vengono fecondati durante la fecondazione). Non preoccuparti se non sai cosa sono i geni e gli alleli, esamineremo le loro definizioni e il loro ruolo nella genetica nella settimana 2. In sostanza, il punto è che vedrai come l'aumento della variazione nel genotipo della prole migliorerà il possibilità di sopravvivenza della popolazione di una specie e quindi sostenere la continuità della specie. Nelle note della settimana 4, vedrai come la mutazione (a parte la riproduzione sessuale e asessuata) può anche creare variazioni genetiche.

Un terzo punto è che la riproduzione aumenterebbe il numero totale di figli in una popolazione, aumentando effettivamente la dimensione della popolazione. Così, sostenendo la continuità delle specie.

Che cos'è l'evoluzione?

L'evoluzione è il cambiamento delle informazioni genetiche, delle caratteristiche favorevoli e dei fenotipi dell'organismo vivente (aspetto o tratti fisici) per molte generazioni.

Per ora, sappi solo che l'informazione genetica contribuisce al fenotipo di un organismo. In termini di come funziona, questo sarà ampiamente trattato nelle prossime settimane.

Ma ciò che guida l'evoluzione aka. il cambiamento nelle informazioni genetiche, ad esempio, come una popolazione di unicorni arcobaleno può trasformarsi lentamente in un branco di unicorni verdi, nel tempo?

Come e dove si inserisce la riproduzione nella teoria dell'evoluzione per selezione naturale di Darwin?

La teoria dell'evoluzione di Darwin per selezione naturale è una teoria moderna dell'evoluzione popolare e ampiamente accettata.

Spiega il driver e conseguenze dell'evoluzione in misura ragionevole.

Tuttavia, non tiene conto delle origini della vita sulla Terra o di qualsiasi luogo nel nostro universo dall'inizio alla fine.

Esistono altri modelli che si occupano dell'origine della vita e come l'ipotesi del mondo a RNA ma non sono completi.

Tieni presente che queste sono tutte teorie! Sì, ci sono prove per sostenerli. Tuttavia, le prove esistenti non sono complete per trasformare queste teorie in leggi universali!

In ordine, ecco i Fasi della teoria dell'evoluzione di Darwin per Selezione Naturale:

1. C'è variazione genetica nella popolazione, che ne influenza il fenotipo (tratti fisici). La variazione genetica deriva da una serie di fattori, dai processi biologici interni ai fattori ambientali esterni. Questi fattori saranno ampiamente trattati nelle settimane successive.

2. La maggior parte della popolazione esistente avrebbe i tratti favorevoli che gli consentono di sopravvivere nelle condizioni ambientali (temperatura, approvvigionamento alimentare, predatori, ecc.) a cui è esposta.

3. C'è un IMPROVVISO cambiamento delle condizioni ambientali (ad es. nuovo predatore introdotto per uccidere gli unicorni, improvviso forte calo della temperatura, un virus, ecc.)

4. Quelli gli organismi con caratteristiche favorevoli, derivati ​​da geni favorevoli trasmessi dai genitori, sopravviveranno e quelli con caratteristiche meno o senza caratteristiche diminuiranno di numero.

5. Quelli organismi con caratteristiche favorevoli volere riprodurre con più successo e trasmettere le loro informazioni genetiche favorevoli alla loro prole. LA RIPRODUZIONE SI ADATTA QUI!

6. Nel tempo, il la nuova popolazione sarà costituita prevalentemente da organismi con caratteristiche favorevoli che consentono loro di tollerare le nuove condizioni ambientali.

Il agente ambientale si riferisce al cambiamento ambientale. Potrebbe trattarsi di una specie esotica introdotta nell'habitat (ad es. dalla migrazione) che è in competizione per la stessa risorsa alimentare della popolazione esistente, un nuovo predatore, l'introduzione di sostanze chimiche nell'ambiente - ad es. rifiuti tossici gettati nel fiume, che ospita migliaia di pesci..

Si chiama Teoria dell'evoluzione per selezione naturale di Darwin perché c'è un cambiamento improvviso dovuto a cambiamenti ambientali (della natura).

Quali sono le caratteristiche favorevoli nella teoria dell'evoluzione di Darwin?

Come possono gli organismi acquisire queste straordinarie caratteristiche?

Le caratteristiche favorevoli che consentono agli organismi di sopravvivere nel loro ambiente possono assumere tre forme:

Fisico, fisiologico e comportamentale.

'Favorevole' significa che queste caratteristiche consentono all'organismo di specificamente o affrontare meglio l'ambiente circostante.

Come questi le caratteristiche sono derivate da materiale genetico EREDITATO da generazioni, loro sono indicato anche come adattamenti.

Per scopi HSC, an organismo NON PUÒ adattarsi al suo ambiente durante la sua vita.

Gli adattamenti sono ereditati.

Esempio: un serpente non può imparare a cercare l'ombra per evitare di surriscaldarsi durante la sua vita se non ha ereditato tali caratteristiche comportamentali dai suoi genitori.

Tuttavia, imparerai più avanti nel Modulo 6 che a mutazione può anche dar luogo ad adattamento.

Le seguenti caratteristiche o adattamenti si sono evoluti attraverso molte generazioni:

Caratteristiche fisiche (FENOTIPO): Grandi orecchie per facilitare il raffreddamento. Questo è favorevole per gli organismi che vivono in ambienti caldi.

Caratteristiche fisiologiche: Canguri che si leccano le zampe per favorire l'evaporazione e il raffreddamento. Favorevole in ambienti caldi.

Caratteristiche comportamentali: Serpenti che si nascondono sotto le rocce per evitare il sole. Favorevole in ambienti caldi o durante le ore centrali della giornata.

In Fase 1 della teoria dell'evoluzione di Darwin da Natural Selection, è stato detto che c'è variazione genetica nella popolazione. Il principali fonti di variazione sono:

Mutazione del DNA a causa di fattori ambientali

Errore di replicazione del DNA durante la meiosi

Assortimento indipendente e segregazione casuale durante la meiosi

Entreremo nei dettagli di queste fonti di variazione nelle settimane successive.

Per ora, capisci solo dove si collocano questi fattori all'interno delle aree di evoluzione e riproduzione che abbiamo trattato finora.

NOTA: È importante notare che la riproduzione asessuata non introduce variazioni genetiche nella prole mentre la riproduzione sessuale sì. Nonostante ciò, il genitore della prole ha caratteristiche favorevoli (adattamenti) per consentire al genitore di tollerare le pressioni selettive dell'ambiente ambientale, la riproduzione asessuata consente al genitore di produrre prole con informazioni genetiche IDENTICHE (nessuna variazione genetica) che codificano per la stessa caratteristiche favorevoli (es. orecchie lunghe o corte a seconda della temperatura ambiente). La prole avrà ora le stesse caratteristiche favorevoli del genitore a causa dell'ereditarietà di informazioni genetiche identiche e quindi avrà lo stesso tasso di sopravvivenza del genitore se è esposta allo stesso ambiente con le stesse risorse.

RIASSUNTO su ciò che abbiamo trattato finora,

Due categorie di riproduzione che possono aver luogo (sessuale e asessuale)

La riproduzione consente di trasmettere le informazioni genetiche alla prole attraverso l'ereditarietà, garantendo la continuità della specie

La riproduzione aumenta la dimensione della popolazione, sostenendo così la continuità delle specie

La variazione genetica aiuta ad aumentare il tasso di sopravvivenza globale della popolazione e quindi a sostenere la continuità delle specie.

La riproduzione sessuata e asessuata sono entrambe utili nel sostenere la continuità delle specie nonostante la riproduzione asessuata non introduca variazioni genetiche nella prole e, quindi, nella popolazione.

La riproduzione gioca un ruolo importante durante la teoria dell'evoluzione di Darwin attraverso la selezione naturale

Esploreremo ora il TIPI SPECIFICI DELLA RIPRODUZIONE nelle categorie di riproduzione sessuale e asessuale!

Questo è molto eccitante! Capisci la battuta? Scusa, avevo bisogno di farlo.

Analizzare se i tipi di metodi di riproduzione sono sessuali o asessuali?

Come funzionano?

Fecondazione interna vs Fecondazione esterna

La fecondazione interna comporta la fusione di gameti maschili e femminili all'interno del corpo di un genitore. La fecondazione interna tende a verificarsi tra animali terrestri.

La fecondazione esterna comporta la fusione di gameti maschili e femminili al di fuori del corpo di un genitore. La fecondazione esterna tende a verificarsi tra animali acquatici.

Partenogenesi negli animali

La partenogenesi è il processo per cui un uovo non fecondato si sviluppa in una progenie funzionale. Questa è una forma di riproduzione asessuata negli animali, ad es. api. Per le api, le api regine possono produrre cellule uovo (gameti) tramite meiosi. Queste cellule uovo possono subire partenogenesi per produrre api drone aploidi (maschio). Le cellule aploidi sono cellule che hanno la metà della quantità di cromosomi come genitore. I cromosomi contengono DNA che esplorerai nelle note della settimana 2. Di solito la partenogenesi si verifica a causa delle difficoltà dell'organismo nell'avere accesso ai partner di accoppiamento. Questo è comune per gli organismi che risiedono in ambienti difficili o estremi. Per la maggior parte, la cellula aploide si sviluppa come farebbe con una cellula diploide. Quindi, in sostanza, il gamete subisce la mitosi per svilupparsi in un'ape drone che avrà un numero di cromosomi diploide.

Le piante possono anche subire una partenogenesi chiamata apomissia.

Meccanismi di impollinazione incrociata vs autoimpollinazione

Attraverso l'impollinazione prevede il trasferimento del polline, prodotto dall'antera (che fa parte dello stame della pianta), allo stigma del un altro pianta. Ciò significa che l'impollinazione incrociata coinvolge due piante. Il granello di polline contiene essenzialmente i gameti maschili della pianta. Le api, il vento e l'acqua possono essere metodi di trasporto del grano pollinico allo stigma di un'altra pianta per l'impollinazione incrociata. L'impollinazione si riferisce al processo in cui il polline viene trasferito con successo allo stigma di un'altra pianta.

Una volta che il polline è sullo stigma, può crescere un tubo pollinico che scorre lungo lo stilo della pianta e infine nell'ovaio della pianta che produce gli ovuli che contengono i gameti femminili (ovuli o ovuli) della pianta. La fecondazione avviene all'interno dell'ovulo dove il polline può fecondare l'ovulo dove i gameti maschili si combinano con l'ovulo all'interno dell'ovulo formando uno zigote. Lo zigote è diploide, cioè ha il doppio dei cromosomi di ciascuno dei gameti maschili e femminili che sono entrambi aploidi. Discuteremo di più su diploide e aploide quando esploreremo la mitosi e la meiosi la prossima settimana.

Nota che la maggior parte dei grani di polline contiene due gameti maschili. Uno fertilizza l'ovulo all'interno dell'ovulo e l'altro gamete maschile fertilizza due nuclei polari (nucleo diploide) all'interno dell'ovulo che si sviluppa in un endosperma che è un tessuto che fornisce nutrienti allo zigote (seme) quando cresce.

Fatto divertente: ciò significa che il nucleo dell'endosperma è un triploide (contiene tre serie di cromosomi omologhi o tre copie di ciascun cromosoma). Gli esseri umani sono diploidi (conteniamo due serie di cromosomi, cioè due copie di ciascun cromosoma).

Si noti che i cromosomi negli insiemi omologhi non sono necessariamente copie identiche poiché i cromosomi possono contenere alleli diversi per lo stesso gene. Esploreremo di più sugli alleli la prossima settimana.

Questo ovulo fecondato è chiamato seme che contiene lo zigote e si svilupperà in un embrione. In alcune piante, lo spazio circostante l'ovulo si svilupperà in un frutto. Altre piante come i girasoli non formano frutti, quello che succede è che il seme cadrà dal girasole originale che si svilupperà in un altro girasole quando il seme germoglierà in condizioni favorevoli. Il seme germinerà (crescerà) in una pianta tramite mitosi. In qualche altra flora, l'ovaio diventerà un frutto. Tuttavia, questo non è per i girasoli in quanto non producono frutti XD.

È importante notare che la maggior parte delle piante ha il proprio stigma e stame. L'autoimpollinazione è simile all'impollinazione incrociata. La differenza tra l'autoimpollinazione e l'impollinazione incrociata è che l'autoimpollinazione NON coinvolge un agente esterno come le api, l'acqua e il vento come accennato in precedenza. Invece, lo stigma può rimodellare se stesso per racchiudere lo stame. Ciò significa che il polline può essere facilmente trasferito sullo stigma.

È importante notare che autoimpollinazione fa sì che la progenie del fiore risultante (dopo la germinazione dei semi) abbia lontano meno variazione genetica rispetto ai loro genitori nella maggior parte dei casi rispetto all'impollinazione incrociata. Questo perché il fiore risultante è prodotto solo da soltanto uno pianta madre piuttosto che due nell'impollinazione incrociata. Se il genitore in autoimpollinazione è eterozigote per alcuni geni, il fiore risultante può avere probabilità di essere geneticamente diverso dai genitori per quei geni. Esamineremo perché questo è il caso quando eseguiamo Punnett Squares nella settimana 4, dove impariamo a conoscere alleli omozigoti ed eterozigoti per geni diversi.

L'impollinazione incrociata si tradurrà in una prole di girasole che geneticamente diverso ai suoi genitori. Implica il trasferimento di polline da una pianta allo stigma di a diverso pianta.

Propagazione Vegetativa

Potresti aver sentito parlare di propagazione vegetativa a scuola. Come si inserisce la propagazione vegetativa in tutto questo?

Bene, la propagazione vegetativa è un tipo di riproduzione asessuata che si verifica nelle piante. Il risultato è che il genitore produce una pianta geneticamente identica. Corridori, bulbi, frammentazione sono alcuni esempi di propagazione vegetativa. Diamo un'occhiata a loro ora.

Frammentazione

La frammentazione è quando l'organismo originale separa una piccola parte di se stesso. Ciò si verifica nelle stelle marine in cui una parte del loro corpo può essere separata dal genitore e la sezione separata può svilupparsi in una nuova stella marina che è geneticamente identica alla stella marina madre tramite divisione cellulare.

La frammentazione può verificarsi anche nei muschi quando si divide un muschio in due. Il muschio crescerà attraverso la divisione cellulare quando entra in contatto con la materia come l'umidità nell'aria.

Corridori

Le piante di fragola possono sviluppare corridori che sono steli che si estendono dalla pianta e lungo il terreno. In alcuni punti lungo i corridori possono svilupparsi dei nodi che si estendono al suolo, determinando la formazione di nuove radici di piante in un'altra zona del terreno dove può crescere una nuova pianta di fragola. Il corridore unisce la nuova (e geneticamente identica) pianta di fragola alla pianta madre.

Lampadine

I bulbi sono cellule gemma che si trovano sottoterra. Questi germogli possono svilupparsi in nuove piante come le cipolle. Quando si forma una nuova pianta, il bulbo sotterraneo fornisce nutrienti alla pianta per la sua sopravvivenza.

Germogliare nei funghi

Il germogliamento in funghi come il lievito coinvolge la cellula madre che sviluppa una cellula gemma, un nucleo figlia. Questo di solito si verifica quando le condizioni ambientali sono favorevoli per i funghi. Nel corso del tempo, questo germoglio subisce la divisione cellulare mentre è ancora attaccato al genitore che può provocare una catena di cellule gemma a causa della divisione cellulare. Durante la divisione cellulare, ma prima della separazione del germoglio sporgente dal lievito genitore (funghi), il DNA del nucleo del genitore si replica e il nucleo si divide in modo uguale, ma il citoplasma si divide in modo diseguale (quindi il germoglio è più piccolo del genitore). Una copia del DNA si sposta nella cellula gemma che si traduce nel trasferimento riuscito del DNA del genitore nella cellula figlia (gemma). La gemma si separa dal suo fungo genitore quando raggiunge una dimensione sufficiente per potersi sostenere autonomamente. Questa gemma ora separata subisce un'ulteriore divisione cellulare per produrre più cellule gemma. Il risultato è un lievito geneticamente identico al genitore.

Il germogliamento si trova anche in un altro tipo di organismo chiamato Idra e il processo di germogliamento è simile a quello dei funghi.

Produzione di spore asessuate nei funghi

Le spore sono unità riproduttive microscopiche (cellule) che possono formarsi per mitosi o meiosi.

Spore diverse dai gameti in quanto NON hanno bisogno di combinarsi o essere fecondate da un'altra spora per formare una prole.

Il micelio fa parte di un fungo che si ramifica in una struttura a rete di sottili "fili" chiamati ife (plurale di ifa). Ogni ifa ha estremità che sono in grado di produrre spore chiamate sporangi (plurale di sporangio). Questi sporangi (e quindi spore) vengono prodotti quando le condizioni ambientali sono favorevoli alla sopravvivenza dei funghi. Il fungo è un tipo di funghi in cui il cappello del fungo è sopra le ife sparse lungo il gambo e il cappello del fungo. Il cappello del fungo ha quindi basida, che sono esempi di sporangi, che produce spore.

Queste spore asessuate vengono solitamente prodotte quando le condizioni ambientali dell'ambiente sono favorevoli tramite la mitosi. Queste spore sono solitamente trasportate dal vento in quanto sono leggere. Queste spore poi germinano per formare funghi geneticamente identici quando le condizioni ambientali sono favorevoli. Ciò comporta in genere che le spore assorbano l'umidità e la materia organica in decomposizione dal suo ambiente, consentendo al citoplasma di espandersi e al fungo che si sviluppa in un micelio mentre possono essere prodotte nuove spore.

Produzione di spore sessuali in Fungi

Le spore sessuali si sviluppano quando le ife di genere opposto vengono combinate insieme per sviluppare una struttura che produce spore nota come zigospore. Lo zigospore è diploide poiché ciascuna delle ife è aploide. In condizioni favorevoli, la zigospora diploide subisce la meiosi per produrre spore sessuali aploidi che vengono disperse nell'ambiente.Queste spore che sono geneticamente diverse dai loro genitori.

In condizioni favorevoli, queste spore germineranno e si formerà un fungo geneticamente diverso dai suoi genitori. Questi funghi sono aploidi come la maggior parte dei funghi trascorre la vita come organismi aploidi fino al momento della riproduzione sessuale in cui le ife si combinano per formare uno zigospore diploide per produrre spore sessuali aploidi.

In alcuni funghi, il micelio contiene ife di due generi (maschio e femmina). Ciò significa che questi funghi possono produrre spore tramite la meiosi e disperderle nell'ambiente.

Il termine "plasmogamia" si riferisce all'evento in cui il nucleo di una ife entra nel citoplasma di un'altra ife.

Il termine "cariogamia" si riferisce all'evento in cui i due nuclei sono combinati in uno.

Fissione binaria nei batteri

La fissione binaria è più comunemente eseguita da organismi unicellulari come i batteri, sebbene alcuni organismi multicellulari possano riprodursi asessualmente anche tramite fissione binaria. Il processo inizia con la copia del materiale genetico (sotto forma di cromosomi batterici) della cellula madre. Ogni cromosoma si sposta su ciascun lato della cellula. Questo è seguito dall'allungamento della cellula e dalla citochinesi che è la scissione della membrana cellulare e del citoplasma della cellula in due cellule figlie. Poiché non c'è nucleo cellulare nei batteri, non ci sarà la scissione del nucleo cellulare. È importante notare che la cellula madre non esisterà alla fine perché ora fa parte delle due cellule figlie. Le due cellule figlie sono geneticamente identiche tra loro e identiche al genitore da cui hanno ottenuto le informazioni genetiche.

NOTA: Esistono organismi pluricellulari che si riproducono asessualmente tramite fissione binaria. Tuttavia, sono rari. Un esempio di questo è l'organismo chiamato Trichoplax.

In erba nei protisti

Il germogliamento nei protisti è un tipo di riproduzione asessuata. In breve, il germogliamento nei protisti inizia con il protozoo genitore che produce un germoglio che è un nucleo figlio creato sulla base della replicazione del DNA del nucleo, seguito da una divisione del nucleo uguale ma una separazione ineguale del citoplasma del protozoo genitore. Ciò significa che il bocciolo è più piccolo del genitore. Nel tempo, questo nucleo figlia subisce un'ulteriore divisione cellulare tramite mitosi per crescere e maturare, risultando in un protista che è geneticamente ideale per il genitore.

Fissione binaria nei protisti

Il meccanismo della fissione binaria nei protisti è simile a quello del processo di fissione binaria dei batteri. Tuttavia, poiché il DNA è immagazzinato nel nucleo (mentre nessun nucleo nei batteri), il cromosoma si sposterà su ciascun lato del nucleo prima della scissione del nucleo e infine della scissione della membrana cellulare e del citoplasma in due cellule figlie. La scissione della cellula madre in due cellule figlie è chiamata citochinesi.

NOTA: Fissione binaria in protista vs batteri e in erba in protista vs fungo sono simili. Quindi, è importante determinare le caratteristiche uniche di funghi e protisti.

I protisti sono per lo più unicellulari mentre i funghi sono per lo più multicellulari.

I protisti sono microscopici mentre i funghi sono macroscopici.

I protisti sono eucarioti mentre i batteri sono procarioti.

Vantaggi e svantaggi della fecondazione interna ed esterna

Fecondazione interna

• La fecondazione interna avviene all'interno del corpo della femmina, il che significa che lo zigote è protetto dall'ambiente esterno del genitore. Ciò significa che ci sono meno fattori ambientali che influenzano lo zigote nella fecondazione interna rispetto alla fecondazione esterna. Ciò aumenta la sopravvivenza dello zigote.

• La fertilizzazione interna NON è limitata agli ambienti terrestri a differenza della fertilizzazione esterna che è limitata ai soli ambienti acquatici.

• La fecondazione interna ha un tasso di successo della fecondazione più elevato per gamete rispetto alla fecondazione esterna. Questo perché lo sperma non ha bisogno di viaggiare per caso per fecondare un uovo. La fecondazione interna fornisce allo sperma un percorso diretto verso la cellula uovo all'interno del corpo della femmina. Durante tale viaggio, lo spermatozoo è soggetto a fattori ambientali meno variabili e/o viola come forti correnti o predatori.

Svantaggi:

• La fecondazione interna ha in genere meno opzioni di partner di accoppiamento rispetto alla fecondazione esterna. Ciò può portare a una variazione genetica inferiore nella popolazione delle specie poiché il processo di accoppiamento è più selettivo della fecondazione esterna

• La fecondazione interna richiede generalmente più energia nella ricerca di un partner di accoppiamento e nell'esecuzione del processo di accoppiamento che non è necessario nella fecondazione esterna.

• Meno gameti vengono prodotti tramite fecondazione interna rispetto alla fecondazione esterna. Questo porta ad una minore quantità complessiva di figli prodotti. Probabilmente, ciò significa che la fecondazione interna può ridurre la possibilità di continuità di una specie (se assumiamo che la variazione genetica sia controllata sia per la fecondazione interna che per quella esterna, cioè la variazione genetica è la stessa sia per la fecondazione esterna che per quella interna).

Fecondazione Esterna

• La fecondazione esterna produce una maggiore quantità di gameti rispetto alla fecondazione interna. Questo porta ad una maggiore quantità complessiva di figli prodotti. Probabilmente, questo potrebbe supportare la continuità delle specie più della fecondazione interna.

• La fecondazione esterna può dare origine a più opzioni di partner di accoppiamento rispetto alla fecondazione interna. Ciò può portare a una maggiore variazione genetica nella popolazione delle specie poiché il processo di accoppiamento è meno selettivo della fecondazione interna.

Svantaggi:

• Dopo la fecondazione, lo zigote è esposto all'ambiente piuttosto che protetto all'interno del corpo della madre per la fecondazione interna. A causa delle limitate capacità di difesa dello zigote (ad esempio contro i predatori), è più suscettibile alla morte rispetto agli zigoti trovati tramite fecondazione interna. La maggior parte dei gameti viene attaccata dai predatori o non viene fecondata. Lo zigote ha quindi minori possibilità di sopravvivenza tramite fecondazione esterna.

La fertilizzazione esterna è limitata agli ambienti acquatici. La componente flagello dello spermatozoo gli consente di muoversi attraverso l'acqua che altrimenti non sarebbe possibile sulla terraferma. Se eseguito a terra, l'uovo si asciugherà.

La fecondazione esterna ha un tasso di successo della fecondazione inferiore rispetto alla fecondazione interna. Questo perché lo sperma e gli ovociti sono soggetti a una maggiore quantità di fattori nella fecondazione esterna rispetto alla fecondazione interna. Ad esempio, i fattori più ambientali come i predatori (vita marina) e le dure condizioni dell'ambiente acquatico (ad esempio le forti correnti).

Esempio di un caso di fertilizzazione esterna (Riccio di mare):

I ricci di mare maschi e femmine producono gameti che vengono dispersi nell'oceano.

Il salmone maschio produce gameti (sperma) per fertilizzare un nido di uova prodotto da salmone femmina da qualche parte nell'oceano.

Note extra sulla riproduzione sessuata e asessuata

Ora che abbiamo esplorato la riproduzione asessuale e sessuale con esempi, vediamo cosa comportano oltre alle differenze tra il numero di genitori coinvolti e la variazione genetica nella prole che abbiamo menzionato all'inizio di queste note.

Ecco alcune note extra tra riproduzione sessuata e asessuata:

Riproduzione sessuale richiede più energia rispetto alla riproduzione asessuata.

Però, riproduzione asessuata tende a verificarsi in a tasso più veloce rispetto alla riproduzione sessuale.

La variazione genetica è creata nella riproduzione sessuale e NON nella riproduzione asessuata.

Variazione genetica aumenta la probabilità della continuità e dell'evoluzione della specie – in relazione alla domanda di indagine.

Riproduzione asessuata sarebbe anche un problema se i geni genitori codificassero an tratto sfavorevole Perché c'è nessun'altra fonte di geni da un altro genitore per ignorarlo.

Questo problema è ridotto in riproduzione sessuale poiché il genoma della prole è un mix di entrambi i genitori (piuttosto che un genitore single) e il tratto sfavorevole potrebbe essere ignorato.

Maggiori dettagli sulla sostituzione dei geni nelle prossime settimane. Si basa sui concetti di geni dominanti e recessivi.

Riproduzione asessuata in genere si svolge SOLO perché l'ambiente condizioni ambientali sono favorevole poiché la riproduzione asessuata non aumenta la variabilità nei materiali genetici.

Un figlio asessuale è un clone del suo genitore. Se un clone è colpito, l'intera popolazione clonata ha lo stesso rischio di estinzione.

Molto bene! abbiamo ampiamente trattato i processi di riproduzione per una vasta gamma di organismi. Esamineremo ora specificamente la riproduzione per i mammiferi!

Obiettivo di apprendimento: analizzare le caratteristiche della fecondazione, dell'impianto e del controllo ormonale della gravidanza e del parto nei mammiferi

Fecondazione

Richiede gameti (spermatozoo e uovo) si incontrano e si combinano per formare uno zigote

Gametogenesi è il nome del processo di formazione dei gameti.

La gametogenesi può essere suddivisa in spermatogenesi (produzione di sperma) e oogenesi (formazione di cellule uovo mature)

Il ormone testosterone è prodotto nelle cellule nell'organo dei testicoli del maschio come parte della spermatogenesi poiché svolge un ruolo nella produzione di spermatozoi.

Il ormone estrogeno nei maschi aiutano con la maturazione degli spermatozoi nei maschi.

Il processo di fecondazione e fusione dei gameti si verifica nel tube di Falloppio del corpo femminile

Il zigote si svilupperà in un organismo vivente che ha informazioni genetiche miste dai genitori.

Lo zigote è la continuità di una specie (relativo alla domanda di richiesta)

Fecondazione coinvolta più fasi che DEVE essere soddisfatto per fecondazione di successo e formazione dello zigote e quindi producendo una nuova prole.

Tre fasi necessarie per una fecondazione di successo sono:

Formazione e maturazione dei gameti

Gli spermatozoi devono viaggiare nell'ovidotto

Gli spermatozoi devono entrare in contatto e fondersi con le cellule uovo.

I gameti si fondono con uno scopo: formare a zigote, cellula singola con 46 cromosomi

Durante fusione, il la testa dello spermatozoo si stacca dalla coda (flagellum) e la specie spermatozoo viaggia lungo l'utero della femmina.

Inoltre, durante la fusione, lo spermatozoo attiva la cellula uovo con conseguente divisione cellulare della cellula uovo crescita/sviluppo. Il prodotto risultante è chiamato a blastocisti.

Una volta che lo sperma si è fuso con l'uovo, gli altri spermatozoi non saranno più in grado di fondersi con lo stesso uovo

La maggior parte della nostra conoscenza contemporanea della fecondazione nei mammiferi deriva da test di laboratorio con gameti di topo.

Il i gameti devono essere della stessa specie in altri per fecondazione di successo.

Impianto

L'impianto è il processo di adesione dell'uovo fecondato per aderire alle pareti del tratto riproduttivo, fornendo l'ambiente più adatto per lo sviluppo dello zigote.

È cruciale fase per una gravidanza di successo.

Il la blastocisti viene impiantata sulle pareti del tratto riproduttivo (parete uterina).

Un impianto riuscito significa gravidanza.

Questo processo di impianto sulle pareti stabilisce la blastocisti accesso ai nutrienti per svilupparsi in un embrione (i vasi sanguigni che circondano la blastocisti trasportano il sangue che ha disciolto i nutrienti)

Embyro si sviluppa in un feto (circa 5-11 settimane)

L'embrione diventa un nuovo organismo dopo il rilascio dal corpo della femmina.

L'immagine in basso a sinistra è un diagramma che mostra le fasi della fecondazione e dell'impianto:

L'idea del diagramma è solo per permetterti di avere un'idea approssimativa di dove avviene la fecondazione e l'impianto nel corpo della femmina. I passaggi nel diagramma non sono così importanti.

Nota, in fase di ovulazione, la cellula uovo matura viene rilasciata dal follicolo e viaggia su e lungo il tube di Falloppio (il tubo a forma di C come mostrato nello schema sotto) che collega l'ovaio all'utero. È nell'utero dove l'embrione viene impiantato sulla parete dell'utero (endometrio) durante la fase di impianto.

Il successo dell'impianto dell'embrione significa una gravidanza di successo.

Nota che: quando lo sperma entra nella vagina, fino all'utero, lungo e giù per la tuba di Falloppio dove può combinare e fecondare l'uovo maturo. Ciò significa che l'uovo maturo e lo sperma si incontrano frontalmente mentre l'uovo si muove nella direzione dall'ovaio all'utero e lo sperma si muove nella direzione dell'utero all'ovaio.

Ciò significa che è probabile che si incontrino nella tuba di Falloppio, che è il luogo in cui avviene più comunemente la fecondazione dell'uovo maturo nella realtà.

Nel diagramma sottostante, vediamo che lo zigote (uovo fecondato) si forma nella tuba di Falloppio dove lo sperma si incontra e feconda l'uovo.


Regolazione del ciclo cellulare nelle cellule staminali ematopoietiche

E.M. Pietras e M.R. Warr hanno contribuito in egual modo a questo articolo.

Eric M. Pietras, Matthew R. Warr, Emmanuelle Passegué Regolazione del ciclo cellulare nelle cellule staminali ematopoietiche. J Cell Biol 28 novembre 2011 195 (5): 709–720. doi: https://doi.org/10.1083/jcb.201102131

Le cellule staminali ematopoietiche (HSC) danno origine a tutte le linee di cellule del sangue. Poiché le HSC devono persistere per tutta la vita, l'equilibrio tra la loro proliferazione e la loro quiescenza è attentamente regolato per garantire l'omeostasi del sangue limitando il danno cellulare. La regolazione del ciclo cellulare svolge quindi un ruolo fondamentale nel controllo della funzione delle CSE sia durante la vita fetale che nell'adulto. L'attività del ciclo cellulare delle HSC è attentamente modulata da una complessa interazione tra meccanismi intrinseci cellulari e fattori estrinseci cellulari prodotti dal microambiente. Questa rete regolatoria finemente sintonizzata può essere alterata con l'età, portando a una regolazione aberrante del ciclo cellulare dell'HSC, a una funzione dell'HSC degradata e a tumori maligni ematologici.

Introduzione

L'emopoiesi è il processo permanente mediante il quale tutte le cellule del sistema sanguigno sono prodotte in modo gerarchico da una piccola popolazione di cellule staminali ematopoietiche (CSE), che risiedono nella cavità del midollo osseo (BM) nei mammiferi adulti (Orkin e Zon 2008 ). Le HSC danno origine a cellule progenitrici che diventano sempre più limitate nel lignaggio e alla fine si differenziano in tutti i lignaggi di cellule del sangue mature. Poiché le HSC reintegrano continuamente le cellule perse o capovolte, devono auto-rinnovarsi per mantenersi durante la vita dell'organismo. L'auto-rinnovamento delle HSC è definito sperimentalmente come la capacità di ricostituzione a lungo termine di tutte le linee di sangue dopo il trapianto in un ricevente (Ema et al., 2006). Tuttavia, la capacità di autorinnovarsi è di per sé insufficiente per il mantenimento per tutta la vita di un compartimento HSC funzionale, poiché l'accumulo di danni in tali cellule a vita lunga può provocare un'emopoiesi disfunzionale tra cui insufficienza BM o trasformazione leucemica (Lane e Gilliland 2010). Le HSC adulte risiedono in microambienti specializzati, noti collettivamente come nicchia BM (Schofield 1978 Wilson e Trumpp 2006), dove sono mantenuti in uno stato quiescente o dormiente. Si ritiene che la quiescenza contribuisca alla longevità e alla funzione delle HSC, forse in parte riducendo al minimo gli stress dovuti alla respirazione cellulare e alla replicazione del genoma (Eliasson e Jönsson 2010).

In questa recensione, ci concentreremo sull'emopoiesi del topo ed esploreremo l'equilibrio tra quiescenza e proliferazione delle HSC e come questi due processi sono regolati da fattori intrinseci ed estrinseci. Affronteremo anche gli effetti dell'invecchiamento sui meccanismi di proliferazione e quiescenza delle CSE e le conseguenze dell'invecchiamento sulla funzione delle CSE e sulla trasformazione leucemica.

Origine dello sviluppo delle HSC

Sebbene le HSC risiedano nel midollo osseo negli adulti, questo è semplicemente il punto finale di un viaggio altrimenti nomade durante l'embriogenesi. Inoltre, lo stato di quiescenza delle HSC nel BM adulto viene raggiunto solo dopo un periodo di ciclo cellulare attivo e proliferazione per generare il sistema sanguigno durante la vita fetale (Bowie et al., 2006). Si ritiene che l'emopoiesi nell'embrione avvenga in ondate successive, con l'onda "primitiva" iniziale orientata alla produzione rapida di globuli rossi per il trasporto dell'ossigeno ma con scarsa attività dell'HSC la seconda, o onda "definitiva", è caratterizzata dalla generazione di tutte le linee di cellule del sangue e la produzione delle prime cellule staminali emopoietiche. L'ematopoiesi primitiva si verifica già dal giorno E7.5 nelle isole di sangue del sacco vitellino (Palis et al., 1999 Medvinsky et al., 2011). L'ondata definitiva di emopoiesi, invece, si verifica in parallelo in più tessuti per un periodo di tempo più lungo. Le HSC definitive si trovano nella regione aorta-gonade-mesonefro (AGM) e nella placenta da E8.5 ed E10, rispettivamente, così come nel sacco vitellino (Medvinsky e Dzierzak 1996 Gekas et al., 2005 Samokhvalov et al., 2007). Successivamente, le HSC da uno o più di questi siti si espandono nel fegato fetale durante il resto della vita embrionale, mentre la loro produzione da parte dell'AGM e della placenta si estingue (Medvinsky et al., 2011).

Entro E17.5 e durante le prime due settimane di vita postnatale, le HSC lasciano il fegato per colonizzare le ossa attraverso un meccanismo di reclutamento attivo che coinvolge il recettore delle chemochine CXCL12/SDF-1 CXCR4 (Ma et al., 1998), che regola l'homing delle HSC e attecchimento nell'ambiente nascente BM attivando il fattore di scambio di nucleotidi guanina Vav1, che a sua volta regola le GTPasi Rac e Cdc42 (Cancelas et al., 2005 Sanchez-Aguilera et al., 2011). Altri fattori contribuiscono anche alla localizzazione delle HSC nel midollo osseo sia in combinazione con CXCR4, come la prostaglandina E2 (PGE2) e la proteina di guida neuronale Robo4 (Hoggatt et al., 2009 Smith-Berdan et al., 2011), sia indipendentemente da CXCR4 come c-Kit, il recettore sensibile al calcio (CaR) e il fattore di trascrizione Egr1 (Christensen et al., 2004 Adams et al., 2006 Min et al., 2008). Successivamente, le HSC rimangono ancorate nella nicchia del BM da complessi meccanismi dipendenti dall'integrina (Scott et al., 2003 Forsberg e Smith-Berdan 2009), sebbene un piccolo numero di HSC migrerà periodicamente dal BM nella circolazione e ritorno per brevi periodi di tempo in condizioni omeostatiche, forse come una forma di immunosorveglianza (Massberg et al., 2007 Bhattacharya et al., 2009). Presi insieme, questi dati sottolineano la natura dinamica dello sviluppo ematopoietico dall'embriogenesi fino all'età adulta.

Attività distinte del ciclo cellulare nelle HSC fetali e adulte

L'attività del ciclo cellulare delle HSC nel corso della vita di un organismo è ugualmente dinamica e riflette le esigenze dell'organismo nelle diverse fasi di sviluppo. Durante la vita fetale, la funzione centrale delle HSC è quella di generare rapidamente livelli omeostatici di cellule del sangue per il trasporto di ossigeno e lo sviluppo del sistema immunitario nell'organismo in crescita. In linea con questo ruolo, tra il 95 e il 100% delle HSC stanno attivamente ciclando nel fegato fetale di topo con un tempo di transito del ciclo cellulare compreso tra 10 e 14 ore (Fig. 1 Bowie et al., 2006 Nygren et al., 2006).

Sebbene la residenza delle HSC nel BM durante l'età adulta sia spesso associata alla quiescenza, le HSC non sembrano diventare quiescenti immediatamente dopo aver seminato il BM, poiché tutta l'attività delle HSC rimane confinata alla frazione di cellule BM lignaggio-negative (Lin - ) in ciclo attivo in 3 topi svezzati di una settimana (Bowie et al., 2006). Sorprendentemente, la popolazione di HSC BM passa rapidamente a uno stato di quiescenza entro le 4 settimane di età, con solo ∼5% delle HSC totali attivamente nel ciclo cellulare (definito come S, G2, o fasi M) successivamente attraverso la vita adulta (Cheshier et al., 1999 Bowie et al., 2006 Kiel et al., 2007) (Fig. 1). Questo brusco cambiamento nell'attività di proliferazione delle CSE suggerisce che la quiescenza delle CSE non è solo legata alla loro localizzazione nella cavità del midollo osseo, ma può riflettere i meccanismi di feedback che informano le CSE che la formazione delle cellule del sangue ha raggiunto livelli omeostatici o che lo sviluppo della nicchia del midollo osseo è stato completato . La transizione dal ciclo cellulare attivo nelle HSC fetali alla quiescenza nelle HSC adulte è anche associata a cambiamenti nei programmi di espressione genica, inclusa una marcata riduzione dell'espressione di Sox17, un fattore di trascrizione necessario per il mantenimento dell'ematopoiesi fetale ma non adulta (Kim et al., 2007).

È interessante notare che le HSC adulte non sono uniformemente dormienti. Esperimenti in vivo che valutano l'attività del ciclo cellulare (misurando la ritenzione di BrdU o impulsi di espressione dell'istone 2B (H2B)-GFP) nelle HSC mature suggeriscono una notevole eterogeneità nel grado in cui le HSC sono quiescenti (Wilson et al., 2008 Foudi et al. , 2009). Questi studi propongono il sottofrazionamento del compartimento HSC in fenotipi "dormienti" e "attivati" con tassi distinti di ingresso nel ciclo cellulare, comprendenti rispettivamente ∼5-10% e 90-95% del pool di HSC (Fig. 1). Si calcola che le HSC dormienti si dividano solo una volta ogni 145 giorni o più e sembrano essere arricchite per il potenziale di ricostituzione a lungo termine. Questa piccola popolazione di cellule può rappresentare un serbatoio di attività HSC tenuto da parte nel BM adulto per essere chiamato solo da gravi lesioni ematopoietiche, garantendo così il mantenimento dell'omeostasi del sangue. Tuttavia, lavori recenti sulle cellule del sangue umane indicano che le HSC umane entrano nel ciclo cellulare in media una volta ogni 40 settimane (Catlin et al., 2011). Sebbene questa scoperta sottolinei la notevole differenza fisiologica tra umani e roditori che deve essere tenuta presente quando si interpretano gli studi eseguiti sul topo, sembra anche supportare l'ipotesi che limitare l'attività del ciclo cellulare sia fondamentale per il mantenimento delle HSC per tutta la vita.

Nonostante la grande differenza nella frequenza con cui le HSC fetali e adulte si dividono, una volta nel ciclo cellulare, vi transitano con le stesse lentezza rispetto alle loro cellule progenitrici più differenziate a causa di un passaggio prolungato attraverso il G1 fase del ciclo cellulare (Nygren et al., 2006). Pertanto, la decisione relativa all'ingresso delle HSC nel ciclo cellulare, rispetto a come progrediscono attraverso di esso, sembra essere una delle differenze essenziali tra l'emopoiesi fetale e quella adulta. Inoltre, l'interruzione della quiescenza delle CSE porta a difetti nell'auto-rinnovamento delle CSE e spesso si traduce in esaurimento delle CSE (Orford e Scadden 2008), sottolineando così l'importanza critica di un livello costitutivamente basso di attività del ciclo cellulare per il corretto funzionamento del sistema sanguigno durante l'adulto. vita.

Insieme, questi risultati sottolineano la necessità di una complessa rete di meccanismi regolatori per rafforzare l'equilibrio tra quiescenza e proliferazione delle HSC e il corretto mantenimento dell'omeostasi del sangue nell'organismo adulto. Nelle sezioni seguenti, discuteremo l'attuale comprensione di tali meccanismi regolatori intrinseci ed estrinseci nelle HSC adulte ed evidenzieremo i modelli genetici di topo rilevanti che hanno contribuito a questa comprensione (Tabella I).

Meccanismi intrinseci cellulari che regolano la quiescenza delle HSC

Numerosi fattori regolano lo stato del ciclo cellulare all'interno di una cellula, tuttavia, possono essere in gran parte ridotti alle azioni concorrenti dei Cdk, che guidano la progressione del ciclo cellulare, e degli inibitori Cdk (CKI), che smussano la progressione attraverso il ciclo cellulare (Morgan 1997). Un ampio corpus di studi ha iniziato a svelare il cablaggio molecolare all'interno delle HSC adulte che mediano il loro mantenimento continuo in un ambiente quiescente, o G0, dichiarano, pur consentendo il loro rapido ingresso nel ciclo cellulare per rispondere alla domanda ematopoietica (Fig. 2).

Famiglia Rb.

La famiglia dei repressori trascrizionali del retinoblastoma (Rb), comprese le proteine ​​pRb, p107 e p130, limita l'ingresso nel ciclo cellulare reprimendo la trascrizione del gene E2F dei regolatori del ciclo cellulare positivi, che includono le cicline di tipo E. Nel loro stato ipofosforilato, i membri della famiglia Rb limitano l'ingresso attraverso G1 fase. Tuttavia, dopo la fosforilazione da parte del complesso ciclina D-Cdk4/6, i membri della famiglia Rb sono parzialmente inattivati ​​e consentono la progressione del ciclo cellulare attraverso G1. La successiva fosforilazione da parte della ciclina E–Cdk2 inattiva ulteriormente l'inibizione mediata da Rb di E2F, con conseguente G1 uscita ed entrata in fase S. Un ruolo decisivo per i membri della famiglia Rb nel controllo della quiescenza delle CSE non è stato stabilito fino a poco tempo fa, poiché esiste una notevole ridondanza funzionale all'interno di questa famiglia e poiché tutti i membri sono espressi, anche se a livelli diversi, nelle CSE (Passegué et al., 2005). Ad esempio, nessun fenotipo ematopoietico è stato osservato in p130-topi carenti (Cobrinik et al., 1996), e p107 la delezione ha provocato solo una lieve iperplasia mieloide (LeCouter et al., 1998). Rimozione di pRb non ha avuto alcun effetto sull'auto-rinnovamento delle CSE come valutato dal trapianto seriale (Walkley e Orkin 2006), e sebbene pRb-topi carenti hanno mostrato espansione mieloide, questo è stato dimostrato essere un effetto autonomo non cellulare (Walkley e Orkin 2006 Walkley et al., 2007). Sorprendentemente, tuttavia, la delezione condizionale di tutti e tre i membri della famiglia Rb nei topi adulti ha determinato un robusto fenotipo di mieloproliferazione cellulare intrinseca che porta alla morte degli animali entro 1-3 mesi dopo l'inattivazione del gene (Viatour et al., 2008). Ciò è stato accompagnato da un aumento sia della proliferazione delle HSC che del numero assoluto di cellule e da gravi difetti nell'auto-rinnovamento delle HSC come BM da topi carenti in tutte e tre le Rb i geni della famiglia avevano gravemente alterato la ricostituzione dopo il trapianto (Viatour et al., 2008). Presi insieme, questi risultati indicano che i membri della famiglia Rb svolgono ruoli critici, sebbene sovrapposti, nella regolazione della quiescenza delle HSC e nella continua attività di auto-rinnovamento.

D-cicline e Cdk4/6.

Le cicline e le Cdk agiscono a monte dei membri della famiglia Rb per mediare l'ingresso e la progressione del ciclo cellulare. Poiché la regolazione della quiescenza delle HSC implica fondamentalmente il controllo se le HSC entrano nel G1 fase del ciclo cellulare o rimanere in G0, l'attività del complesso ciclina D–Cdk4/6, che controlla la progressione attraverso G1 in risposta ai segnali mitogeni, è probabilmente un determinante centrale dell'attività del ciclo cellulare delle HSC. La famiglia delle D-cicline comprende la ciclina D1 (Ccnd1), ciclina D2 (Ccnd2), e la ciclina D3 (Ccnd3), che sono tutti espressi, seppur a livelli diversi, nelle CSE (Passegué et al., 2005). Simile alla famiglia del gene Rb, i topi deficienti per una singola D-ciclina, o solo per uno dei due Cdk associati, hanno minimi difetti ematopoietici, illustrando quindi la notevole ridondanza funzionale che protegge questo complesso (Fantl et al., 1995 Malumbres et al ., 2004). Tuttavia, i topi carenti di tutte e tre le D-cicline muoiono durante la tarda embriogenesi a causa di difetti cardiaci e insufficienza ematopoietica con una significativa riduzione del numero di globuli rossi periferici (Kozar et al., 2004). Per di più, D1/2/3-cicline −/− i topi hanno un numero inferiore di HSC e popolazioni progenitrici nel fegato fetale, con una frequenza ridotta di HSC in S e G2-M stadi del ciclo cellulare. Cellule epatiche fetali derivate da D1/2/3-cicline −/− anche i topi non sono in grado di fornire la ricostituzione a breve termine dei topi riceventi irradiati (Kozar et al., 2004). Cdk4/6 −/− topi mostrano anche letalità embrionale tardiva accompagnata da un difetto nell'emopoiesi fetale molto simile ai fenotipi osservati in D1/2/3-cicline −/− topi, compreso un numero gravemente ridotto di progenitori eritroidi proliferanti nel fegato fetale e di globuli rossi circolanti nel sangue periferico (Malumbres et al., 2004). Questi risultati sottolineano ulteriormente il requisito essenziale per la proliferazione attiva delle CSE durante lo sviluppo del sangue fetale e sottolineano l'importanza del complesso ciclina D-Cdk4/6 nella progressione del ciclo cellulare delle CSE fetali. Tuttavia, è ancora da stabilire se esiste un requisito diverso per il complesso ciclina D-Cdk4/6 nel mantenere la proliferazione e la funzionalità delle HSC adulte.

Famiglia Ink4.

La famiglia Ink4 include i CKI p15 Ink4b , p16 Ink4a , p18 Ink4c e p19 Ink4d e una proteina funzionalmente distinta, p19 ARF che è codificata da un frame di lettura alternativo all'interno del Ink4a locus, che codifica anche p16 Ink4a (Sherr 2001). Le proteine ​​Ink4 funzionano tutte come antagoniste del complesso ciclina D–Cdk4/6, bloccando così la fosforilazione dei membri della famiglia Rb e il successivo ingresso nella fase S. p19 ARF , d'altra parte, non è un CKI e regola invece positivamente p53 (vedi CIP/KIP family section Sherr 2001). Eliminazione di entrambi p16 Ink4a e p19 ARF attraverso la distruzione dell'intero Ink4a locus ha conseguenze minime per l'attività delle CSE, coerentemente con l'espressione bassa o assente riportata di questi fattori nelle CSE (Passegué et al., 2005). La loro espressione limitata è probabilmente il risultato della repressione trascrizionale di Bmi1, un membro della famiglia del gruppo polycomb e rimodellatore della cromatina che è espresso preferenzialmente nelle HSC e reprime attivamente il locus Ink4a (Lessard e Sauvageau 2003 Park et al., 2003). Bmi1 la carenza è letale nei topi adulti a causa dell'insufficienza ematopoietica causata da una progressiva deplezione delle HSC (Lessard e Sauvageau 2003 Park et al., 2003). Questo risultato implica che l'aumento risultante di p16 Ink4a e p19 ARF espressione causata da Bmi1 la rimozione può inibire completamente l'infrequente ingresso nel ciclo cellulare delle CSE adulte, che è essenziale per l'auto-rinnovamento delle CSE e il mantenimento dell'omeostasi del sangue. Il fatto che l'eliminazione combinata di p16 Ink4a e p19 ARF salva la maggior parte dei fenotipi ematopoietici in Bmi1-topi carenti supporta questa nozione e indica un ruolo critico per Bmi1 nel contenimento p16 Ink4a e p19 ARF espressione nelle HSC adulte (Oguro et al., 2006). Al contrario, la cancellazione di p18 Ink4c si traduce direttamente in un aumento del numero di HSC in ciclo attivo senza compromissione dell'attività di auto-rinnovamento delle HSC, come p18 Ink4c -cellule carenti conferiscono una ricostituzione potenziata ai riceventi irradiati letalmente (Yuan et al., 2004). In particolare, p18 Ink4c l'espressione è più alta nelle HSC quiescenti ed è significativamente ridotta nelle HSC fetali in ciclo attivo rispetto alle HSC adulte, coerentemente con il suo ruolo di freno per la proliferazione delle HSC (Passegué et al., 2005 Bowie et al., 2007). Questo risultato può anche fornire alcune basi molecolari per la differenza nell'attività del ciclo cellulare tra le HSC fetali e quelle adulte. Collettivamente, questi dati indicano che molti membri della famiglia Ink4 sono regolati in modo differenziale nelle HSC adulte per mantenere il corretto equilibrio tra quiescenza e proliferazione, con p18 Ink4c che agisce direttamente per limitare l'ingresso nel ciclo cellulare e Bmi1 che impedisce l'espressione di p16 Ink4a e p19 ARF .

Famiglia CIP/KIP.

La famiglia CIP/KIP comprende i CKI p21 Cip , p27 Kip1 e p57 Kip2 , che limitano anche l'ingresso nella fase S inibendo l'attività del complesso ciclina E-Cdk2. p21 Cip è espresso a livelli leggermente maggiori nelle CSE adulte rispetto alla loro progenie differenziata o alle CSE fetali (Passegué et al., 2005 Bowie et al., 2007). Sebbene fosse stato inizialmente suggerito un ruolo per p21 Cip nella regolazione della quiescenza delle HSC (Cheng et al., 2000a), rapporti più recenti che utilizzano diversi background e/o metodologie di topi suggeriscono che la funzione di p21 Cip nella regolazione dell'attività del ciclo cellulare delle HSC potrebbe essere limitata a periodi di stress piuttosto che durante l'omeostasi (Cheng et al., 2000a van Os et al., 2007 Foudi et al., 2009). A parte p21 Cip , analisi di p27 Kip1 -topi carenti suggeriscono che il deficit di p27 Kip1 da solo ha un impatto limitato sulla funzione delle HSC e sembra invece influenzare l'attività del ciclo cellulare di popolazioni di progenitori più impegnati (Cheng et al., 2000b). È interessante notare che, sebbene studi precedenti non abbiano rilevato difetti ematopoietici evidenti in p57 Kip2 -topi carenti (Yan et al., 1997 Zhang et al., 1997), lavori più recenti che utilizzano la delezione ematopoietica specifica di p57 Kip2 nei topi adulti suggerisce che p57 Kip2 è in effetti fondamentale per mantenere la quiescenza delle HSC (Matsumoto et al., 2011). Inoltre, il fenotipo di quiescenza difettoso di p57 Kip2 -CSE carenti è esacerbato dalla concomitante delezione di entrambi p21 Cip o p27 Kip1 , e p27 Kip1 la sovraespressione è in grado di compensare la perdita di p57 Kip2 (Matsumoto et al., 2011 Zou et al., 2011). Presi insieme, questi studi rivelano p57 Kip2 come un regolatore critico della quiescenza delle HSC nei topi adulti e suggeriscono un certo grado di ridondanza funzionale tra la famiglia di CKI CIP/KIP. È interessante notare che i segnali repressivi della crescita come il TGF-β prendono di mira direttamente il p21 Cip e p57 Kip2 geni, suggerendo un ruolo per la nicchia BM nella regolazione dell'espressione di queste CKI nelle HSC (Scandura et al., 2004). È interessante notare che p53, un regolatore trascrizionale principale che induce la trascrizione di p21 CIP oltre a una pletora di altri geni dopo l'insulto cellulare, regola anche la quiescenza delle HSC (Asai et al., 2011). p53 −/− Le HSC hanno aumentato l'incorporazione di BrdU e diminuito la frequenza di G0 cellule (Liu et al., 2009). Sebbene p53 la delezione aumenta il numero di HSC fenotipiche, gli esperimenti di trapianto dimostrano che p53 −/− Le CSE in realtà hanno una funzionalità ridotta, suggerendo che p53 regola positivamente l'auto-rinnovamento, forse limitando l'attività delle CSE (TeKippe et al., 2003 J. Chen et al., 2008). Tuttavia, questo sembra essere indipendente da p21 Cip , e potrebbe invece essere dovuto alla trascrizione di altri bersagli di p53 che regolano negativamente la proliferazione delle HSC, in particolare Necdin e Gfi-1 (Liu et al., 2009).

Via di segnalazione PI3K.

La via di segnalazione della fosfatidilinositolo-3 chinasi (PI3K) integra numerosi segnali a monte dai recettori delle citochine attivati ​​e altri stimoli mitogeni per guidare la proliferazione cellulare, la crescita e la sopravvivenza. I bersagli a valle della via PI3K includono la treonina/serina chinasi Akt, che può sia portare all'attivazione del bersaglio della rapamicina nei mammiferi (mTOR) sia alla soppressione della famiglia dei fattori di trascrizione forkhead box O (FoxO). Questo percorso è limitato attraverso l'azione della fosfatasi oncosoppressore e dell'omologo della tensione (PTEN). In particolare, la segnalazione PI3K può accelerare la proliferazione cellulare stabilizzando le cicline di tipo D e inibendo la trascrizione dipendente da FoxO di p21 Cip e p27 Kip1 (Massague 2004). L'attenuazione della segnalazione attraverso la via PI3K è essenziale per preservare la quiescenza delle HSC e l'auto-rinnovamento a lungo termine (Warr et al., 2011). Cancellazione condizionale di Pten nel sistema ematopoietico si traduce in una neoplasia mieloproliferativa precoce aggressiva e mortale (MPN), che è accompagnata da un aumento di tre volte della frequenza delle CSE cicliche (Yilmaz et al., 2006 Zhang et al., 2006). Pten −/− Le HSC mostrano anche un'attività di auto-rinnovamento difettosa in quanto non sono in grado di fornire un attecchimento a lungo termine nei topi trapiantati, il che si traduce nell'esaurimento del pool di HSC in Pten-topi carenti (Yilmaz et al., 2006 Zhang et al., 2006). In un miristoilato si osservano anche un aumento del ciclo delle HSC e un'attività di auto-rinnovamento difettosa Akti modello di trapianto retrovirale, che ha un'attività Akt costitutiva (Kharas e Gritsman 2010), e nei topi privi del soppressore tumorale Tsc1, che ha attività mTOR non controllata (C. Chen et al., 2008). Inoltre, la rapamicina, un inibitore farmacologico di mTOR, è in grado di invertire molti dei fenotipi associati a Pten carenza, inclusa l'aumentata proliferazione di HSCs (Yilmaz et al., 2006). Questi risultati suggeriscono che PTEN normalmente limita l'ingresso di HSC nell'ingresso del ciclo cellulare, almeno in parte, attraverso l'inibizione della segnalazione mTOR a valle. Tuttavia, come discusso in precedenza, i livelli costitutivi di Akt reprimono anche l'attività dei membri della famiglia FoxO. interessante, FoxO3 −/− e VolpeO1/3/4 −/− i topi mostrano un aumento dell'attività del ciclo cellulare HSC accompagnato da un aumento dei livelli di specie reattive dell'ossigeno (ROS), che possono essere invertiti dopo la somministrazione del ROS scavenger n-acetilcisteina (NAC Miyamoto et al., 2007 Tothova et al., 2007). Al contrario, la perdita della segnalazione PI3K causata dalla cancellazione di Akt1/2 si traduce in un aumento della proporzione di HSC in G0/G1 fase e diminuzione della proliferazione di HSC, che può essere salvata in vitro aumentando farmacologicamente i livelli di ROS cellulari (Juntilla et al., 2010). Sebbene si pensi che i livelli di ossigeno cellulare e la proliferazione delle CSE siano direttamente associati (Ito et al., 2006 Eliasson e Jönsson 2010 Takubo et al., 2010), una dimostrazione diretta della funzione dei ROS nel controllo del ciclo cellulare delle CSE in vivo resta da fornito. Collettivamente, questi studi suggeriscono che la quiescenza delle HSC è preservata almeno in parte limitando l'attivazione della via di segnalazione PI3K, che può mantenere alti livelli di espressione FoxO-dipendente di CKI e minimizzare la produzione di ROS, bloccando così la progressione del ciclo cellulare delle HSC.

Meccanismi estrinseci cellulari che regolano la quiescenza delle HSC

Sebbene la quiescenza sia essenziale per l'auto-rinnovamento delle CSE adulte, devono comunque mantenere la capacità di proliferare rapidamente, anche se transitoriamente, in risposta a segnali estrinseci che segnalano lesioni o infezioni. L'evidenza che i segnali estrinseci cellulari regolano i meccanismi intrinseci che regolano la quiescenza delle CSE può essere dedotta dall'osservazione che le CSE entrano nel ciclo cellulare dopo la mobilizzazione farmacologica in vivo o in coltura ex vivo (Passegué et al., 2005), e da prove sperimentali che indicano che gli osteoblasti e altri componenti cellulari della nicchia BM influenzano lo stato del ciclo cellulare delle HSC (Wilson et al., 2007).

Parte di questo meccanismo procede attraverso una serie di vie di sviluppo conservate, tra cui TGF-β, Wnts, ligandi di Notch e la via di Hedgehog (Hh), che sono tutte essenziali per lo sviluppo embrionale e l'emopoiesi fetale. Eliminazione di TGF-β1 o riccio indiano (Ihh) portano a difetti nell'eritropoiesi fetale con conseguente letalità embrionale (Dickson et al., 1995 Cridland et al., 2009), mentre Wnt3a-topi carenti mostrano un numero ridotto di HSC nel fegato fetale (Luis et al., 2009).Tuttavia, è stato difficile generare prove conclusive in vivo per il loro ruolo nella regolazione del ciclo cellulare delle HSC adulte, poiché Mx-Cre– la delezione condizionale guidata dei componenti di segnalazione Notch, Wnt e Hh nei topi adulti non rivela evidenti difetti ematopoietici o alterazioni nell'attività del ciclo cellulare delle HSC (Koch et al., 2008 Maillard et al., 2008 Gao et al., 2009). Ciò suggerisce che o non sono assolutamente critici nel contesto dell'emopoiesi adulta, o che esiste una significativa ridondanza funzionale tra questi e altri segnali di nicchia. Sarà necessario ulteriore lavoro per districare i complessi effetti diretti e indiretti di questi percorsi di sviluppo sulle HSC adulte in vivo, così come le relative interazioni recettore-ligando su entrambe le HSC e/o le cellule di nicchia BM che le mediano. Inoltre, va sottolineato che queste vie possono anche agire come regolatori critici dell'attività del ciclo cellulare delle HSC in specifici contesti ematologici che non sono stati ancora ben studiati, come lo stress o la malattia (Zhao et al., 2007, 2009).

Un'ampia gamma di fattori ambientali, tra cui citochine, fattori di crescita e altri mediatori prodotti dalle cellule immunitarie circolanti e dalle cellule che compongono la nicchia BM, modulano anche la quiescenza delle HSC. In contrasto con i percorsi di sviluppo precedentemente discussi, questi fattori ambientali, che includono la chemochina CXCL12/SDF-1, il fattore delle cellule staminali (SCF), l'angiopoietina-1 (Ang-1) e la trombopoietina (TPO), sono superflui per l'emopoiesi fetale , ma sono essenziali per regolare la quiescenza delle CSE negli organismi adulti (Wilson et al., 2009). Topi carenti di Cxcr4 (recettore SDF-1), Tpo, pareggio-2 (recettore Ang-1) o portatore di un allele ipomorfo di Kit (recettore SCF), tutti mostrano una normale emopoiesi fetale seguita da un aumento dell'attività del ciclo cellulare e dalla progressiva perdita del compartimento HSC durante la vita adulta (Nagasawa et al., 1996 Puri e Bernstein 2003 Arai et al., 2004 Qian et al., 2007 Nie et al., 2008 Thorén et al., 2008). Collettivamente, questi risultati evidenziano l'importanza dei meccanismi estrinseci cellulari nella regolazione della funzione delle HSC e sottolineano ulteriormente l'importanza della quiescenza per il mantenimento del compartimento delle HSC durante l'età adulta.

Un corpo di prove suggerisce che la regolazione del raggruppamento della zattera lipidica sulla superficie delle HSC può essere un determinante critico della quiescenza delle HSC dettando il livello di attivazione di Akt indotta dai recettori delle citochine. Le HSC quiescenti mostrano quantità minime di clustering della zattera lipidica, mentre le cellule progenitrici ematopoietiche a proliferazione attiva hanno alti livelli di clustering e attivazione della via Akt (Yamazaki et al., 2006, 2007). Inoltre, la stimolazione SCF o TPO delle HSC in condizioni di coltura in vitro porta al raggruppamento della zattera lipidica, alla rapida fosforilazione di Akt e all'esclusione di FoxO3a dal nucleo, con conseguente diminuzione dell'espressione di p21 Cip e p57 Kip2 e rientro delle HSC nel ciclo cellulare (Yamazaki et al., 2006, 2007). È interessante notare che la segnalazione TGF-β sopprime il clustering della zattera lipidica nelle HSC, limitando quindi l'attivazione di Akt indotta dalla stimolazione di SCF o TPO a un livello che probabilmente promuove la sopravvivenza delle HSC ma non la proliferazione (Yamazaki et al., 2009). Il TGF-β induce anche direttamente l'espressione di p57 Kip2 , e previene il sequestro della ciclina D1 (Yamazaki et al., 2009 Scandura et al., 2004). Presi insieme, questi risultati spiegano un meccanismo mediante il quale il TGF-β può imporre la quiescenza dell'HSC, sebbene la relazione tra la quiescenza del TGF-β e l'HSC non sia stata affrontata direttamente in vivo a causa dell'effetto confondente di una condizione autoimmune presente nei topi privi di TGF- β componenti di segnalazione (Larsson et al., 2003). Questi dati possono anche aiutare a spiegare perché SCF e TPO sono associati alla quiescenza delle HSC e non alla proliferazione in vivo, poiché fattori come il TGF-β che sono presenti nella nicchia BM possono impedire l'attivazione di Akt da parte di queste citochine. Inoltre, TGF-β collabora anche con ligandi Notch per indurre l'espressione di p21 Cip attraverso un meccanismo che coinvolge i fattori di trascrizione junB e Hes1 (Yu et al., 2006 Santaguida et al., 2009). Topi carenti del fattore di trascrizione Smad4, che interagisce con Smad2/3 attivato da TGF-βR, esprimono livelli inferiori di Notch1 ma l'effetto di Smad4 la carenza sull'attività del ciclo cellulare delle HSC non è stata ancora studiata direttamente (Karlsson et al., 2007). Questi risultati suggeriscono che TGF-β e Notch possono funzionare in modo interdipendente per regolare l'attività del ciclo cellulare dell'HSC. Inoltre, l'induzione di p21 Cip e p57 Kip2 l'espressione è anche regolata da una serie di altri fattori associati alla nicchia BM, tra cui TPO, Wnt e SDF-1 (Qian et al., 2007 Fleming et al., 2008 Nie et al., 2008). Collettivamente, questi dati indicano che più meccanismi di segnalazione attivati ​​da percorsi di sviluppo e fattori ambientali possono convergere sulla regolazione dell'espressione di CKI, che a sua volta potrebbe contribuire al passaggio prolungato delle HSC attraverso il G1 fase del ciclo cellulare.

La regolazione dell'espressione della ciclina costituisce un altro punto di convergenza attraverso il quale i segnali estrinseci regolano il meccanismo interno che governa la quiescenza nelle HSC adulte. Topi carenti di Cxcr4 hanno livelli aumentati di ciclina D1, il che suggerisce che il percorso CXCR4-SDF-1 influisce sull'attività del complesso ciclina D-Cdk4/6 e G1 progressione di fase nelle HSC (Nie et al., 2008). In particolare, i ligandi TGF-β e Notch up-regolano CXCR4, e questo può spiegare parte della loro attività di rinforzo della quiescenza (Franitza et al., 2002). D'altra parte, l'attivazione delle vie Wnt e Hh è associata ad una maggiore espressione della ciclina D1 nelle HSC, sebbene la segnalazione di Wnt sia tipicamente associata al mantenimento della quiescenza delle HSC e all'attività di autorinnovamento (Fleming et al., 2008 Merchant et al. , 2010). Può essere che la segnalazione attraverso queste vie aiuti a mantenere l'espressione basale della ciclina D1 nelle HSC quiescenti (Passegué et al., 2005). Tale attento bilanciamento dei fattori pro- e anti-proliferativi nella nicchia BM potrebbe spiegare il loro ruolo nel rafforzare un livello omeostatico di quiescenza delle HSC, lasciando le HSC sufficientemente preparate per la proliferazione in risposta alla domanda ematopoietica. Lavori recenti suggeriscono che gli interferoni, una famiglia di citochine infiammatorie, inducono rapidamente l'ingresso nel ciclo cellulare delle HSC, e questo può verificarsi almeno in parte tramite l'attivazione della via Akt (Essers et al., 2009 Baldridge et al., 2010). Questi risultati confermano che lo stato di quiescenza delle HSC è effettivamente rapidamente reversibile, il che è probabilmente fondamentale per un controllo efficace delle condizioni di stress come l'infezione o la perdita di sangue.

Presi insieme, questi studi dimostrano che la quiescenza è una condizione dinamica orchestrata da un attento equilibrio tra segnali estrinseci collaborativi e opposti che agiscono su vari componenti del meccanismo intrinseco del ciclo cellulare, che controllano direttamente la proliferazione delle cellule staminali mesenchimali e l'attività di autorinnovamento (Fig. 2 ). Ulteriori studi sui meccanismi mediante i quali questi fattori estrinseci regolano la proliferazione delle CSE fetali rispetto a quelle adulte saranno preziosi per comprendere la regolazione del meccanismo del ciclo cellulare nelle CSE e in altre cellule staminali man mano che gli organismi raggiungono la maturità. Un'attenta analisi di come questi fattori estrinseci possono contribuire all'eterogeneità osservata nell'attività ciclistica delle sottopopolazioni di HSC dovrebbe anche rivelarsi altamente istruttiva (Challen et al., 2010).

Invecchiamento e controllo dell'attività del ciclo cellulare delle HSC

Il sistema ematopoietico diminuisce con l'età, determinando una ridotta produzione di cellule immunitarie adattative, chiamata immunosenescenza, e un'aumentata incidenza di anemia e neoplasie mieloidi (Fig. 1 Beerman et al., 2010b). Sebbene i topi anziani abbiano un numero maggiore di HSC fenotipiche, la capacità funzionale di queste cellule è in realtà compromessa, come evidenziato dalla diminuzione del potenziale di ricostituzione multilineage a lungo termine di vecchie HSC purificate trapiantate in giovani topi riceventi (Rossi et al., 2005). Tuttavia, è attualmente dibattuto se questo sia il risultato di un vero cambiamento nell'auto-rinnovamento rispetto a un cambiamento clonale nella composizione del compartimento HSC (Cho et al., 2008 Waterstrat e Van Zant 2009 Beerman et al., 2010a).

Durante l'invecchiamento, gli effetti additivi di ripetuti insulti cellulari e genomici possono diventare evidenti, potenzialmente danneggiando l'integrità del pool di HSC (Blanpain et al., 2011). Infatti, i topi carenti di componenti chiave della via di riparazione del DNA mostrano un diminuito autorinnovamento delle HSC con l'età e un precoce esaurimento funzionale (Nijnik et al., 2007 Rossi et al., 2007). In effetti, le HSC quiescenti di lunga durata possono essere particolarmente suscettibili all'accumulo di danni al DNA nel tempo, poiché il loro stato del ciclo cellulare le costringe a riparare il danno al DNA utilizzando il meccanismo di giunzione non omologa (NHEJ) soggetto a errori e mutageno (Mohrin et al. ., 2010). Inoltre, le HSC di topi anziani mostrano un aumento della colorazione phosphor-H2AX fosforilata, che indica un aumento della presenza di rotture del doppio filamento del DNA e suggerisce che l'invecchiamento può contribuire alla perdita della funzione delle HSC in parte a causa dell'instabilità genomica (Rossi et al., 2007 ). Oltre al danno al DNA, il cortocircuito o il sovraccarico dei meccanismi di controllo epigenetico che regolano l'auto-rinnovamento delle CSE può anche contribuire alla patogenesi delle neoplasie ematologiche, in particolare nel lignaggio mieloide, più avanti nella vita (Rossi et al., 2008). Infatti, la delezione di Ten-Eleven-Translocation-2 (Tet2), un fattore pensato per regolare il silenziamento genico tramite metilazione e che è comunemente mutato negli individui con MPN, porta all'attivazione aberrante dei programmi genici di differenziazione mieloide nelle HSC e alla successiva comparsa di MPN in topi (Ko et al., 2011, Li et al., 2011, Moran-Crusio et al., 2011, Quivoron et al., 2011). Pertanto, il controllo appropriato dell'attività del ciclo cellulare delle HSC può quindi diventare particolarmente importante in un organismo che invecchia come mezzo per prevenire la crescita di cloni danneggiati attraverso l'induzione dell'arresto del ciclo cellulare o della senescenza cellulare.

Gli studi sui topi anziani mostrano una diminuzione complessiva dell'attività del ciclo cellulare delle HSC, con le vecchie HSC che subiscono meno divisioni cellulari rispetto alle giovani HSC come valutato da BrdU e nincorporazione di -idrossisuccinimidil biotina (NHS-biotina) (Janzen et al., 2006 Nygren e Bryder 2008). Questi risultati suggeriscono che Cdk e altri attivatori del ciclo cellulare possono subire un declino funzionale o che l'attività di alcuni meccanismi di checkpoint del ciclo cellulare come i CKI può aumentare con l'età, ritardando quindi l'ingresso delle HSC nel ciclo cellulare. Quest'ultima ipotesi è supportata dalle osservazioni di aumento p16 INK4a livelli nelle vecchie HSC e di migliore capacità di attecchimento e aumento dell'attività del ciclo cellulare nelle vecchie p16 INK4a−/− CSE confrontate con vecchie CSE wild-type (Janzen et al., 2006). Come maggiore espressione di p16 Ink4a è associato all'invecchiamento in numerosi tessuti e la sua espressione è correlata alla senescenza cellulare (Sharpless e DePinho 2007), è interessante suggerire che p16 Ink4a l'espressione nelle CSE invecchiate può provocare la senescenza cellulare di almeno una sottopopolazione di CSE vecchie. Tuttavia, un altro gruppo non dimostra alcuna correlazione tra p16 Ink4a livelli di espressione e invecchiamento delle HSC (Attema et al., 2009). Tali discrepanze possono essere in parte dovute all'eterogeneità tra le coorti di topi anziani o alla sensibilità dei diversi metodi utilizzati per rilevare p16 Ink4a espressione. È interessante notare che Bondar e Medzhitov (2010) hanno elegantemente dimostrato che la competizione cellulare esiste nel compartimento HSC e dipende dai relativi livelli di espressione di p53 e da un equilibrio tra le risposte di proliferazione e senescenza. Questo lavoro mostra che le cellule con livelli inferiori di p53 superano le cellule con livelli di p53 più elevati per l'attecchimento del midollo osseo, con conseguente arresto della crescita e l'induzione di un programma di espressione genica correlato alla senescenza nelle cellule outcompetenti, che include p16 Ink4a espressione. Inoltre, le HSC del passato p53 +/m topi, che portano un allele ipermorfo di p53, mostrano una ridotta capacità di proliferazione e di autorinnovamento rispetto al vecchio p53 +/- controlli, mentre vecchio p53 +/- HSC, che hanno un solo funzionale p53 allele, mostrano una maggiore funzione rispetto ai controlli (Dumble et al., 2007). In particolare, tali differenze non si osservano nelle HSC di topi giovani, indipendentemente da p53 stato. Collettivamente, questi dati suggeriscono che i meccanismi di checkpoint dipendenti da p53, forse includendo ma non limitandosi all'induzione di p16 Ink4a , può in parte essere alla base del declino funzionale e della diminuzione dell'attività del ciclo cellulare delle CSE invecchiate. Ciò potrebbe essere dovuto a una combinazione di senescenza cellulare in alcune HSC in mezzo a un'espansione di altri cloni di HSC funzionalmente compromessi in cui sono stati compromessi i checkpoint del ciclo cellulare. Un tale modello può aiutare a spiegare l'apparente mancanza di HSC senescenti osservata nel compartimento HSC espanso, ma funzionalmente compromesso, di vecchi topi, mentre allo stesso tempo tiene conto della funzione migliorata del pool di HSC negli anziani p16 INK4a−/− topi, dove popolazioni di HSC altrimenti svantaggiate dal punto di vista competitivo possono ancora contribuire alla produzione di sangue.

Come descritto in precedenza, i modelli murini che portano a livelli incontrollati di attività mTOR determinano un compartimento HSC deregolato e l'esaurimento delle cellule staminali (Yilmaz et al., 2006 Zhang et al., 2006 C. Chen et al., 2008). Lavori recenti indicano anche che l'attività di mTOR è aumentata nelle HSC anziane (Chen et al., 2009). È interessante notare che il pretrattamento di topi anziani con rapamicina, che inibisce l'attività di mTOR, salva molti dei difetti funzionali osservati nelle vecchie HSC, inclusa la loro ridotta attività del ciclo cellulare e il ridotto attecchimento (Chen et al., 2009). Al momento è piuttosto impegnativo integrare questa osservazione con il suddetto aumento di p16 Ink4a espressione esibita dalle vecchie HSC perché l'aumento dell'attività di mTOR si traduce in un aumento del ciclo delle HSC, almeno nei giovani Pten −/− e Tsc1 −/− HSC (Yilmaz et al., 2006 C. Chen et al., 2008). Tuttavia, è plausibile che nei topi anziani i livelli di mTOR non raggiungano una soglia simile a quella osservata in queste cellule mutanti, o che la segnalazione di mTOR eserciti effetti differenziali nelle vecchie HSC disfunzionali.

Conclusioni e prospettive future

L'emopoiesi è un processo dinamico che si è evoluto per generare e mantenere i livelli omeostatici delle cellule del sangue per tutta la vita dell'organismo. La persistenza per tutta la vita delle CSE è probabilmente dovuta alla loro acquisizione di un fenotipo quiescente alla maturità dell'ospite, così come alla loro localizzazione in nicchie specializzate nella cavità del midollo osseo in cui gli stimoli estrinseci regolano la loro attività del ciclo cellulare. Entrambe queste caratteristiche possono essere immaginate come strategie per limitare la frequenza e la gravità degli stress replicativi potenzialmente dannosi. L'invecchiamento del sistema ematopoietico funge da modello convincente in cui esaminare i limiti di queste strategie protettive. Il lavoro qui esaminato suggerisce che un vecchio sistema ematopoietico, in cui le HSC possono aver acquisito danni, deve affrontare i requisiti contrastanti di sopprimere la crescita di cloni danneggiati e/o trasformati, mentre allo stesso tempo produce abbastanza cellule del sangue per mantenere l'omeostasi. La risposta biologica a questo problema sembra peccare per eccesso di cautela, come evidenziato dal diminuito potenziale di auto-rinnovamento e dal ridotto ingresso nel ciclo cellulare osservato nel pool espanso di vecchie HSC. Sebbene sarebbe allettante spiegare queste risposte come un programma di senescenza cellulare guidato da p53 e/o p16 Ink4a che potrebbe essere alla base di alcune delle insufficienze ematologiche osservate negli anziani, sono ancora necessarie prove sperimentali per confermare questa ipotesi. L'elevata incidenza di neoplasie ematologiche osservata con l'età suggerisce che la capacità di arrestare le CSE danneggiate non è probabilmente priva di limitazioni fondamentali, supportando quindi l'idea che l'espansione di cloni di CSE funzionalmente carenti che ospitano punti di controllo del ciclo cellulare difettosi contribuisca all'invecchiamento del sistema sanguigno (Kastan e Bartek 2004 Bondar e Medzhitov 2010).

Resta ancora molto lavoro da fare per comprendere appieno come i componenti delle reti regolatorie che controllano l'attività del ciclo cellulare nelle HSC giovani adulte possano alterarsi con l'età. Ad esempio, c'è un cambiamento globale nei livelli di espressione dei regolatori del ciclo cellulare master nelle vecchie HSC? Sebbene siano state eseguite analisi di microarray, non rivelano particolari cambiamenti nel macchinario del ciclo cellulare o geni regolatori a monte nelle vecchie HSC, sebbene si osservino alterazioni nell'espressione di geni coinvolti nella differenziazione mieloide e linfoide e nella regolazione epigenetica (Rossi et al., 2005 Chambers et al., 2007). Questi risultati suggeriscono che l'attività, piuttosto che il livello di espressione, dei regolatori del ciclo cellulare è alterata nelle vecchie HSC, il che è coerente con il lavoro che mostra una maggiore attività di mTOR nelle vecchie HSC (Chen et al., 2009). Inoltre, poiché il livello di attivazione del meccanismo del ciclo cellulare è in parte regolato da segnali estrinseci cellulari, sarà fondamentale comprendere fino a che punto l'ambiente extracellulare in cui risiedono le HSC, sia nella nicchia che a livello sistemico, viene alterato con l'età e contribuisce al declino funzionale del sistema ematopoietico.

Presi insieme, questi risultati sottolineano le sfide inerenti alla comprensione della regolazione del ciclo cellulare di un sistema complesso e dinamico come l'invecchiamento del sistema ematopoietico, poiché l'invecchiamento stesso sembra alterare il contesto cellulare in cui operano questi meccanismi regolatori. Si può ipotizzare che il declino funzionale del sistema sanguigno potrebbe essere in parte dovuto a un'espansione clonale di popolazioni di HSC danneggiate che superano le HSC con checkpoint del ciclo cellulare intatto. Pertanto, gli approcci sperimentali che scoprono la misura in cui le distinte sottopopolazioni di HSC e il loro output cambiano nel tempo saranno probabilmente cruciali per la nostra comprensione di come sorgono le caratteristiche fenotipiche dell'ematopoiesi invecchiata. Comprendere come l'invecchiamento influisce sulla biologia delle CSE fornirà anche una visione critica della patogenesi delle neoplasie ematologiche che derivano da una tale crescita di CSE danneggiate. A sua volta, lo sviluppo di terapie mirate che modulano l'attività dei punti di controllo del ciclo cellulare nelle CSE può rivelarsi efficace nell'eliminare i cloni di CSE danneggiati o nel ridurne la produzione. Tali terapie possono ristabilire condizioni favorevoli per l'attivazione di CSE non danneggiate e il ripristino di un'emopoiesi efficace in individui anziani o pazienti con neoplasie ematologiche. Inoltre, i risultati degli studi che utilizzano le HSC come sistema modello di sviluppo possono essere ampiamente applicabili ad altri tessuti in cui le cellule staminali non sono altrettanto ben caratterizzate o altrettanto facilmente isolate. Pertanto, la continua delucidazione dei meccanismi che controllano l'attività del ciclo cellulare nelle CSE fetali, adulte e vecchie avrà un impatto significativo nell'intersezione tra cancro e biologia delle cellule staminali, sia al banco che in clinica.


Introduzione

L'immunità dell'ospite richiede un costante rinnovamento dei globuli rossi e dei leucociti per tutta la vita, poiché queste cellule hanno una durata di vita limitata. Il turnover delle cellule ematopoietiche è potenziato in seguito a situazioni di stress acuto, come infezioni o irradiazione, dalla proliferazione di cellule staminali ematopoietiche (HSC) e cellule progenitrici (HPC), che rispondono a queste condizioni. Le cellule staminali e progenitrici ematopoietiche (HSPC) sono una piccola popolazione di cellule indifferenziate che risiedono nel midollo osseo (BM). Le HSC sono definite dalla loro capacità di autorinnovamento e capacità di differenziarsi in tutte le linee cellulari del sangue. Un'altra caratteristica distintiva di queste cellule è la loro capacità di migrare dal BM al sangue periferico. Questo processo è potenziato sotto stress come parte dei meccanismi di difesa e riparazione dell'ospite. Inoltre, le HSC iniettate nel flusso sanguigno, come avviene nel trapianto di BM, possono ospitare il BM e ristabilire il pool di HSC come serbatoio permanente di nuovo sangue e cellule immunitarie [1].

Il BM è il sito principale dell'emopoiesi adulta e la maggior parte degli HSPC rimane confinata nel microambiente del BM in uno stato di quiescenza non mobile mantenuto tramite interazioni adesive [2-4]. In condizioni di stress, le cellule progenitrici indifferenziate possono essere stimolate dal loro microambiente a subire una maggiore proliferazione e differenziazione, per rispondere alla richiesta dei sistemi immunitario ed ematopoietico di nuovi leucociti e cellule del sangue.

Le cellule nel microambiente BM mantengono un pool funzionante di cellule precursori regolate da citochine, chemochine e effettori lipidici aggiuntivi. La chemochina CXCL12 e il suo recettore primario CXCR4 sono essenziali per l'adesione e la ritenzione di HSPC nel topo BM [5,6]. Durante l'omeostasi allo stato stazionario, CXCR4 è espresso dalle cellule ematopoietiche oltre che dalle cellule stromali, che sono la principale fonte di CXCL12 nel BM. CXCR4 + HSPC aderiscono strettamente alle cellule stromali del midollo osseo, che esprimono CXCL12 funzionale legato alla membrana [6]. La via CXCL12/CXCR4 è coinvolta nella regolazione della migrazione, della sopravvivenza e dello sviluppo delle cellule ematopoietiche umane. L'aumento dei livelli di espressione di CXCL12 e CXCR4 inducono la proliferazione dei progenitori ematopoietici e il reclutamento di osteoclasti, osteoblasti, neutrofili e altre cellule mieloidi che riassorbono l'osso, portando alla mobilizzazione dei leucociti [7]. Inoltre, livelli di espressione ridotti di CXCR4 potrebbero risultare in una risposta di mobilizzazione amplificata e proliferazione cellulare nel midollo osseo [8].

L'mRNA del CD74 è espresso negli HSPC [9-11] tuttavia, il ruolo di questo recettore negli HSPC non è mai stato analizzato. CD74 è una proteina integrale di membrana di tipo II che è espressa in molti tipi di cellule. La catena CD74 è stata inizialmente descritta per funzionare principalmente a livello intracellulare come chaperone MHC di classe II [12]. Una piccola percentuale di CD74 viene modificata dall'aggiunta di condroitin solfato (CD74-CS), e questa forma di CD74 è espressa sulla superficie cellulare. È stato precedentemente dimostrato che il fattore inibitorio della migrazione dei macrofagi (MIF) si lega al dominio extracellulare CD74, un processo che determina l'inizio di una via di segnalazione [13].

MIF è anche un ligando non affine dei CXCR, CXCR2 e CXCR4, e l'evidenza biochimica suggerisce che questi recettori per le chemochine potrebbero agire come ulteriori corecettori CD74 trasduttori di segnale dopo stimolazione MIF [14,15]. È importante sottolineare che sono state proposte interazioni strutturali e funzionali tra CD74 e il recettore per le chemochine MIF, CXCR4 [14,16].

I nostri studi precedenti hanno dimostrato che il CD74 espresso su cellule B sane e maligne è direttamente coinvolto nella regolazione della sopravvivenza delle cellule B mature murine [17-20] attraverso un percorso che porta all'attivazione della trascrizione mediata dall'omodimero NF-κB p65/RelA e dal suo coattivatore, TAFII105 [21]. L'attivazione di NF-κB è mediata dalla regione citosolica di CD74 (CD74-ICD), che viene liberata dalla membrana e trasloca nel nucleo [22]. Inoltre, abbiamo dimostrato che la stimolazione di CD74 da parte di MIF consente un'espressione aumentata di proteine ​​antiapoptotiche in modo CD44-dipendente. Inoltre, abbiamo recentemente caratterizzato l'attività trascrizionale di CD74-ICD. Abbiamo dimostrato che in seguito all'attivazione di CD74, CD74-ICD interagisce con i fattori di trascrizione RUNX e NF-κB e si lega a siti regolatori prossimali e distali arricchiti per geni coinvolti nell'apoptosi, nella risposta immunitaria e nella migrazione cellulare. Questo porta alla regolazione dell'espressione di questi geni.

Nel presente studio, è stato seguito il ruolo dell'asse MIF/CD74 negli HSPC. Mostriamo che CD74 svolge un ruolo cruciale nella manutenzione di HSPC. La carenza di CD74 e MIF porta a una maggiore sopravvivenza e all'accumulo di HSPC nel midollo. Il pool allargato di HSC dà origine a un numero maggiore di HSPC e ai vari lignaggi di cellule immunitarie. Le cellule prive di CD74 hanno dimostrato un vantaggio nel ripopolare l'ambiente ospite, come si vede dai livelli significativamente più alti di quelle cellule rispetto alle cellule wild-type (WT) nella chimera mista. Pertanto, il nostro studio potrebbe portare a una migliore comprensione clinica dei fattori che regolano l'efficacia dei protocolli di trapianto di midollo osseo, nonché delle malattie associate all'insufficienza ematopoietica.


Perché ci sono discrepanze nella frequenza cardiaca nel ciclismo rispetto alla corsa?

"C'è un'apparente differenza tra la frequenza cardiaca in bicicletta e la corsa", scrive Monty. "Ti accorgi che quando esci per un'ora corri all'85% del tuo massimo, è solo una bella corsa faticosa, ma quando provi a correre all'85% riesci a durare per circa 10 minuti? Ai vecchi tempi noi tutti pensavano che fosse così, quindi cosa hai intenzione di fare?

"Ma Gary Hooker sì, il costruttore di biciclette aeronautiche ha fatto molte ricerche su questo genere di cose, e mentre ci riflettevo, ho trovato qualcosa di molto interessante. Quando Kenny Souza correva e correva in una gara, il suo tasso sarebbe "non varia ma un paio di battiti in ogni disciplina. Dato che all'epoca era il migliore al mondo in questi due sport, ho pensato che stesse facendo qualcosa che il resto di noi non stavamo facendo. Si scopre che non è il cuore che è il fattore limitante nel ciclismo.Dopo più test su ciclisti di livello mondiale diventati triatleti, si scopre che hanno anche frequenze cardiache comparabili in entrambe le discipline.

"Gary ha capito che era solo una funzione del rapporto forza-peso. La maggior parte di noi all'epoca erano nuotatori e corridori, quindi non avevamo mai sviluppato la forza necessaria per spingere i nostri cuori sulla bici come potremmo fare correndo e nuotando. Quindi siamo stati in grado di modificare il nostro allenamento per includere più pesi e lunghe e dure salite in collina, e alla fine siamo stati in grado di avvicinare le frequenze cardiache del ciclismo a quelle della corsa. La differenza non è stata scolpita nella pietra come pensavamo. "

Monty è, dal punto di vista di un laico, corretto in tutto ciò che dice, con la mia esigente eccezione per quanto riguarda la causalità. Non credo che il rapporto forza-peso sia la logica precisa. Ma è del tutto vero che in generale, i ciclisti possono aumentare la frequenza cardiaca durante il ciclismo molto meglio di quanto possano fare i triatleti quando vanno in bicicletta.

In effetti ho guardato una dozzina di studi questo è stato studiato fino al wazoo e in ogni caso i ciclisti puri avevano frequenze cardiache abbastanza comparabili che guidavano l'ergometro e correndo su un tapis roulant, mentre i corridori andavano bene sul tapis roulant ma non riuscivano a ottenere il loro cuori in alto mentre sei in bici. (Rendi conto che in ogni caso l'atleta è stato in grado di raggiungere una frequenza cardiaca più elevata mentre svolgeva il lavoro nella sua specifica specialità.)

Il ciclismo su strada è uno di quegli sport strani, come il pattinaggio di velocità e le gare di sci nordico, in cui la capacità aerobica è ovviamente molto necessaria, ma la potenza muscolare è quasi altrettanto importante. Può o meno essere forza-peso, come ha detto Monty, ma la potenza specifica per il ciclismo a qualsiasi peso sembra essere necessaria.

Ma non è la potenza ai massimi livelli che conta. Un fisiologo molto intelligente con cui corrispondo mi ha ricordato che Chris Boardman ha stabilito un record mondiale dell'ora senza essere in grado di generare oltre 1.000 watt in uno sprint e non era in grado di accovacciarsi nemmeno con una quantità moderata di peso. Ma poteva generare 440 watt per un'ora intera. Quel tipo di potere non si ottiene necessariamente attraverso muscoli più grandi, ma soprattutto attraverso cambiamenti fisiologici a livello cellulare.

Guardate in questo modo. Il nuoto è un'attività di resistenza proprio come la corsa, ma i nuotatori sono in grado di tirare molta più acqua di un corridore trasformato in triatleta. Sì, il ciclismo e la corsa sono molto più simili tra loro di quanto non lo siano il nuoto. Il punto è che i ciclisti sviluppano i loro muscoli in un modo specifico per lo sport che consente loro di generare molta più potenza nel ciclismo di quanto non sia in grado di fare un corridore trasformato in triatleta.

Ci sono diverse cose che puoi fare. Monty ha menzionato il più ovvio, e cioè aumentare la forza delle gambe. Sì, i pesi della parte inferiore del corpo sono una strada da percorrere. Mi piace piuttosto la sua altra opzione, che è la corsa in collina. Siamo benedetti nella mia zona (contea di San Diego nell'entroterra settentrionale) a causa della nostra vicinanza a molte, lunghe e ripide pendenze. Puoi scegliere il tuo veleno qui: 20% di voti o 4.000 piedi di gradi. L'unica cosa che San Diego non ha, dove guido, è un la mancanza di gradi.

Perché è importante andare in collina? Perché costringe un atleta a pedalare a un livello di sforzo molto elevato per un periodo di tempo prolungato. Ammettiamolo, se ti aggiri per la città in pianura con i tuoi amici, il tuo battito cardiaco non aumenterà così tanto, e nemmeno la tua potenza sostenuta. Ma cosa succede quando stai salendo un grado del 7% per diverse miglia?

Quello che spero di comunicare è che non è scolpito nella pietra che le tue frequenze cardiache devono essere inferiori di 10 o 15 battiti mentre sei in bicicletta rispetto alla corsa. Se non riesci ad aumentare la frequenza cardiaca mentre vai in bicicletta è semplicemente perché sei un corridore migliore di un ciclista. L'idea non è quella di tentare di aumentare la frequenza cardiaca per il gusto di farlo, ma di aumentare il livello delle tue capacità ciclistiche in modo che il tuo sistema cardiovascolare ben allenato possa scendere dalla panchina e entrare in gioco.

Un modo per raggiungere questo obiettivo è certamente sollevare i pesi della parte inferiore del corpo, come è stato notato sopra. Ma preferisco modi più specifici per lo sport, perché è per questo che i ciclisti sono in grado di generare una potenza ciclistica che i triatleti non possono sperare di eguagliare.

Preferirei eseguire allenamenti di potenza mentre sono in bici. I ciclisti spesso corrono per questo, ma ci sono impedimenti logistici a guidare uno scooter a motore. Si potrebbe ricorrere ad allenamenti con trainer, come quello che descrivo in un altro articolo su deriva del consumo di ossigeno. Un altro modo è quello di percorrere molte colline e gli allenamenti specifici in collina possono essere trovati sui siti di allenamento in bicicletta in tutto il Web.

Ci sono altre due cose che menzionerò, entrambe controverse e per le quali non ho prove scientifiche da offrire. Non si elevano nemmeno al livello delle ipotesi, e potrebbe essere meglio chiamarle "nozioni". Entrambi si basano sul presupposto che i migliori triatleti tendono alla fisiologia della resistenza, cioè sono meno muscolosi, hanno fibre muscolari prevalentemente a contrazione lenta e sono orientati alla resistenza. Inoltre, si allenano in modo da favorire la fisiologia della resistenza.

L'arte del ciclismo agonistico premia chi possiede una curiosa commistione di abilità. Immagina una corsa a piedi di 10 miglia che si svolge principalmente con una corsa costante, ma con uno sprint a tutto campo occasionale su una collina o lungo un tratto di un quarto di miglio. Immagina che solo coloro che stanno al passo durante questi sforzi balistici possano continuare la gara. È evidente che la potenza è fondamentale per il ciclismo di alto livello.

Alla luce di ciò, è forse più facile immaginare perché la potenza delle gambe di un ciclista sia così ben sviluppata che quando va in bicicletta può generare le stesse frequenze cardiache e livelli di consumo di ossigeno di quando corre.

Cosa si può fare per il povero triatleta a contrazione lenta allenato alla corsa? Oltre a fare tutto il possibile per aumentare la sua potenza ciclistica, ci sono alcuni "rimedi". Uno di questi, a mio avviso, è che un triatleta guidi con un angolo di seduta più ripido in combinazione con tutto il resto che notiamo nei nostri articoli su vestibilità tri-bike.

A mio avviso, questo non solo preserva un angolo dell'anca più ampio e biomeccanicamente più efficiente durante la guida in posizione aerodinamica, ma gli consente anche di distribuire il lavoro della pedalata ad altri gruppi che compongono la muscolatura dell'anca.

In altre parole, la tua potenza di picco durante la pedalata potrebbe essere inferiore a quella di un ciclista, ma la tua applicazione di potenza durante la pedalata potrebbe essere la stessa. I triatleti potrebbero non sviluppare mai gli enormi muscoli del vasto mediale evidenti su quasi tutti i ciclisti professionisti, ma i suoi muscoli posteriori della coscia potrebbero essere in grado di assorbire gran parte del gioco, e la guida con un angolo di seduta più ripido rende questo più facile.

Anche la cadenza è fondamentale per la potenza di un triatleta, e questo non è solo un problema per i triatleti. È ironico che i ciclisti capiscano la cadenza e lavorino a questo a un livello che i triatleti non capiscono.

In entrambi gli esempi sopra, i triatleti si troveranno meglio in grado di lavorare fino alla loro capacità di resistenza e di guidare con frequenze cardiache più elevate senza sperimentare l'esaurimento muscolare. Attraverso un migliore utilizzo della cadenza e delle "leve" possono barattare la potenza di picco che comunque faticano a generare per un'applicazione di potenza più costante, ed è l'applicazione per più cicli in un determinato periodo di tempo.

Nella nostra discussione sulla componente lenta del VO2 [vedi link sopra] un potenziale aggravante è il reclutamento di fibre muscolari a contrazione rapida quando le fibre a contrazione lenta sono più appropriate per il lavoro. Sospetto che ciò sia esacerbato dall'applicazione di una potenza di picco più elevata al posto di una potenza sostenuta, ad es.

Ciò potrebbe portare a fenomeni di gara come crampi alle gambe anche durante il segmento di corsa che un triatleta potrebbe attribuire allo squilibrio elettrolitico quando dovrebbe limitarsi a guardare oltre il suo allenamento e la sua tecnica ciclistica.


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© 2021 Università del Texas settentrionale
Centro di scienze della salute a Fort Worth


Materiali e metodi

Tutti i topi sono stati reincrociati con lo sfondo C57Bl/6 e sono stati alloggiati in una struttura per animali priva di agenti patogeni specifici, accreditata AALAC, presso il Baylor College of Medicine (Houston, TX).

Analisi ematopoietiche

Per l'analisi del sangue periferico, i topi riceventi il ​​trapianto (n = 8/genotipo) sono stati dissanguati a 4, 8,12 e 16 settimane dopo il trapianto. I globuli rossi sono stati lisati e i campioni sono stati colorati con CD45.1-APC, CD45.2-FITC, CD4-pacific blue, CD8-pacific blue, B220-pacific blue, B220-PE-cy7, Mac1-PE-cy7 e Gr -1-PE-cy-7 anticorpi (BD Pharmingen, eBiosciences). I citometri a flusso FacsARIA, LSRII e FACS-Scan sono stati utilizzati per l'analisi e lo smistamento cellulare. I progenitori ematopoietici impegnati sono stati analizzati in base all'espressione di marcatori di superficie cellulare che possono essere identificati utilizzando la citometria a flusso come descritto [37]. Per l'emocromo completo, il sangue periferico è stato raccolto dal plesso retroorbitale in provette contenenti potassio EDTA (Sarstedt, Nümbrecht, Germania) da 8-10 settimane di età e Atxn1L −/− topi (n = 10 topi/genotipo) e analizzati con un analizzatore Hemavet (Drew Scientific, TX, USA). LT-HSC definiti nel testo e nelle legende. ST-HSC: Sca-1 + , c-kit + , CD34 + , Flt3 − MPP: Sca-1 + , c-kit + , CD34 + , Flt3 + CLP: Lineage − , IL7rα + , Sca-1 + , c -kit + CMP: Discendenza − , IL7rα − , Sca-1 − , c-kit + , CD34 + , CD16/32 − GMP: Discendenza − , IL7rα − , Sca-1 − , c-kit + , CD34 + , CD16 /32 + MEP: : Lignaggio − , IL7rα − , Sca-1 − , c-kit + , CD34 − , CD16/32 − .

Trapianto di midollo osseo

I saggi di trapianto competitivo di midollo osseo sono stati eseguiti mediante iniezione endovenosa di cellule di midollo osseo intero di donatore CD45.2 mescolate con midollo osseo di competitore CD45.1. I topi riceventi C57Bl/6 erano stati irradiati in modo letale con una dose divisa di 10,5 Gy, a distanza di 3 ore. Topi C57Bl/6 abbinati per sesso ed età sono stati usati come concorrenti per ogni esperimento. Otto topi riceventi sono stati utilizzati in ciascun esperimento (n = 8 topi/genotipo) e ogni esperimento è stato ripetuto almeno due volte. La dose di cellule concorrenti è stata mantenuta costante a 250.000 cellule in tutti i trapianti.

Per i saggi di diluizione limite per determinare le unità di ripopolamento, abbiamo usato 1.0×10 3 , 3.0×10 4 e 1.0×10 5 WT o Atxn1L −/− cellule del midollo osseo intero raccolte da (n = 3/genotipo) topi CD45.2 abbinati per sesso ed età (per il numero di animali riceventi in ciascun gruppo di diluizione, vedere la Figura 2), mescolate con 250.000 cellule CD45.1. L'attecchimento positivo è stato valutato in base al ripopolamento multilineare superiore allo 0,1%. La percentuale di non-responder è stata calcolata utilizzando il software L-Calc (StemCell Technologies).

I trapianti di HSC sono stati eseguiti come descritto sopra, ma invece di cellule donatrici di midollo osseo intero, sono state trapiantate HSC purificate. Se non diversamente specificato, le HSC sono state isolate utilizzando il metodo della popolazione laterale (SP) per l'efflusso del colorante Hoechst [38], seguito da KSL (c-Kit + , Sca1 + , lignaggio - ) e colorazione CD150 +. I topi riceventi (n = 8/genotipo) hanno ricevuto 20 HSC ordinate e 250.000 cellule concorrenti WT. La colorazione e l'isolamento delle HSC sono stati effettuati come precedentemente descritto [37].

Per i trapianti secondari, i topi riceventi primari sono stati sacrificati 16 settimane dopo il trapianto e le HSC derivate da donatori CD45.2 sono state isolate come descritto sopra. Cinquanta HSC sono state trapiantate in riceventi CD45.1 secondari, insieme a 250.000 CD45.1 di midollo osseo intero competitore.

Saggio di riferimento

L'efficienza di homing delle cellule del donatore nel midollo osseo del ricevente è stata caratterizzata in due modi.In primo luogo, 30.000 celle KSL dal pool di WT e Atxn1L −/− topi (CD45.2) sono stati isolati e trapiantati in topi riceventi CD45.1 irradiati in modo letale (n = 5/genotipo). Diciotto ore dopo il trapianto, i topi riceventi sono stati sacrificati e il loro midollo osseo è stato analizzato per la presenza di cellule CD45.2 positive mediante citometria a flusso. Una frazione dell'intero midollo osseo è stata anche piastrata su terreno di metilcellulosa in piastre da 32 mm (n = 5 piastre/genotipo). I controlli includevano topi riceventi irradiati che non ricevevano midollo CD45.2. Le colonie risultanti sono derivate dalle cellule del donatore CD45.2 che sono state ospitate nel midollo osseo dei topi riceventi. Pertanto, 12 giorni dopo la piastratura, le colonie sono state contate in ciascun pozzetto per valutare l'efficienza di homing delle cellule del donatore.

Colture di metilcellulosa

Le HSC sono state identificate utilizzando il metodo di efflusso del colorante Hoechst insieme alla colorazione positiva per c-kit, Sca-1, CD150 ed escludendo le cellule positive del lignaggio. Le singole HSC sono state ordinate in piastre da 96 pozzetti contenenti terreno di metilcellulosa (StemCell Technologies). Il numero di colonie è stato contato ai giorni 4, 7 e 14 e valutato in base alla morfologia il giorno 10.

Per il in vitro test di proliferazione delle colonie, le HSC sono state smistate e piastrate in piastre da 6 pozzetti contenenti metilcellulosa, 100 HSC per pozzetto. Sette giorni dopo, singole colonie sono state raccolte e risospese in un terreno HBSS contenente FBS (Gibco). La sospensione cellulare è stata lavata due volte, colorata con PI in citrato di sodio e analizzata mediante citometria a flusso.

Trasduzione retrovirale

I vettori MSCV-Atxn1L-IRES-GFP e MSCV-IRES-GFP sono stati confezionati utilizzando cellule HEK293T mediante co-trasfezione con pCL-Eco [39]. I topi sono stati trattati con 5-fluorouracile (150 mg/Kg di peso corporeo, American Pharmaceutical Partners) 6 giorni prima del prelievo dell'intero midollo osseo. Il midollo osseo è stato arricchito per le cellule che esprimono Sca-1 mediante selezione magnetica (AutoMACS, Miltenyi), trasdotto con il retrovirus come descritto in precedenza [7] e cresciuto in coltura. Dopo 48 ore, le cellule sono state raccolte, colorate per Sca-1, c-kit e marcatori di lignaggio e le cellule GFP+ KSL sono state smistate e piastrate in piastre da 6 pozzetti contenenti terreno di metilcellulosa. Dieci giorni dopo, è stato contato il numero di colonie in ciascun pozzetto.

Saggi di proliferazione

Midollo osseo intero da WT e Atxn1L −/− topi (n = 5/genotipo) sono stati isolati e colorati per diverse popolazioni di progenitori ematopoietici. Le cellule sono state quindi fissate e colorate per BrdU o Ki-67 secondo il protocollo di colorazione BrdU fornito dal produttore (BD-Pharmingen).

Esperimenti 5-fluorouracile

Per determinare come WT e Atxn1L −/− i topi rispondono allo stress, i topi sono stati trattati con il farmaco chemioterapico, 5-FU. Per determinare il tasso di sopravvivenza, i topi (n = 5/genotipo) hanno ricevuto un'iniezione di 5-FU (150 mg/Kg di peso corporeo) e sono stati analizzati per proliferazione o apoptosi 3, 5 e 7 giorni dopo mediante citometria a flusso.

Al fine di valutare il recupero ematopoietico dopo stress, WT e Atxn1L −/− topi (n = 10/genotipo) sono stati trattati una volta con 5-FU e la loro conta ematica periferica è stata monitorata ogni tre giorni per 28 giorni utilizzando l'analizzatore Hemavet (Drew Scientific, TX, USA).

Saggi di annessina-V

La colorazione dell'Annessina-V è stata utilizzata per valutare la morte cellulare e l'apoptosi. In breve, le cellule sono state raccolte e colorate con i marcatori di interesse secondo il protocollo di colorazione sopra descritto. Le cellule sono state lavate due volte con PBS freddo e incubate a temperatura ambiente in tampone di legame 1× (10 mM HEPES, 140 mM NaCl, 2,5 mM CaCl2) contenente Annexin V-APC (BD-Pharmingen). Le cellule sono state analizzate mediante citometria a flusso entro un'ora dalla colorazione.

Analisi di microarray

Le HSC sono state purificate come descritto sopra. Le cellule sono state purificate da topi di 8 settimane. Circa 30.000 HSC da WT e Atxn1L −/− i topi sono stati purificati per l'isolamento dell'RNA. L'RNA è stato isolato utilizzando il kit RNAqueous (Ambion, Austin, TX, USA) e trattato con DNasi I. L'RNA è stato amplificato linearmente utilizzando due cicli di T-7 a base in vitro trascrizione utilizzando il kit MessageAmp (Ambion). L'RNA è stato successivamente marcato con UTP e CTP coniugati con biotina (Enzo Biotech). L'RNA amplificato è stato ibridato ai chip MOE430.2 secondo il protocollo standard al core BCM Microarray (Houston, TX). I dati sono stati analizzati da GCRMA con correzione per false scoperte [40]. I dati possono essere trovati in GEO, con numero di adesione: GSE44285.

Analisi bioinformatica

In tutti i casi di analisi di sovrapposizione tra set di geni, è stato eseguito un test esatto di Fisher per determinare i valori di p e la significatività statistica. Abbiamo anche generato Z-score per misurare la deviazione tra la sovrapposizione osservata (numero di geni in comune tra due set) e cosa ci si aspetterebbe se un set fosse fisso e fosse generato un set casuale per sovrapporsi (es. sovrapposizione di array con P-sig, Q-sig e l'impronta digitale HSC). La dimensione prevista della sovrapposizione è stata determinata come il prodotto tra la frequenza del set fisso e la dimensione del set di confronto. La frequenza è stata determinata come il numero di geni nell'insieme fisso diviso per il numero di tutti i geni che possono essere campionati la dimensione dell'insieme di comparatori è stata limitata alla dimensione del comparatore sovrapposto all'universo campione (cioè quando si esegue un confronto tra piattaforme , la dimensione del comparatore era limitata al sottoinsieme del comparatore rappresentato nell'universo dell'insieme fisso.Per generare la rete in Figura 6D, abbiamo usato l'omologene per mappare i simboli del gene del topo agli ortologhi umani.Abbiamo quindi identificato tutte le interazioni nell'interattoma dove uno dei partner è stato espresso in HSC secondo il set di dati delle impronte digitali HSC [7]. Abbiamo usato Cytoscape per generare l'immagine di rete. Abbiamo identificato i prodotti genici che sono stati inoltre identificati come geni di impronte digitali HSC colorandoli di rosso. I geni espressi HSC sono colorato di rosa.

Per i dati di microarray abbiamo utilizzato il pacchetto R Bioconductor GCRMA per elaborare i dati di intensità di basso livello. Abbiamo utilizzato il pacchetto limma per generare statistiche T e valori p moderati. Abbiamo utilizzato il pacchetto Bioconductor mouse4302 v2.2 per determinare i simboli dei geni per i set di sonde sull'array e abbiamo utilizzato la stessa versione per confrontare sia gli elenchi di geni HSC precedentemente pubblicati che i nostri nuovi risultati dell'array.

Dichiarazione etica

Tutto il lavoro sugli animali è stato condotto secondo le linee guida nazionali e internazionali. Il comitato istituzionale per la cura e l'uso degli animali (IACUC) del Baylor College of Medicine ha approvato i protocolli sugli animali per il lavoro qui descritto. Per questo lavoro non sono stati utilizzati campioni umani o di primati (solo data mining).


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