I parassiti
I parassitiLe infezioni parassitarie sono causate da un gran numero di organismi lacui trasmissione può richiedere la pres...
Principali infezioni da parassiti
Diverse forme di parassitismoI parassiti hanno sviluppato diverse vie che sono facilitate da condizioni igienicheprecarie ...
Diverse forme di parassitismoLe parassitosi sono malattie prevalentemente presenti nei paesi tropicali e in via disviluppo...
ParassitiFotografia al microscopio elettronico a scansione diGiardia intestinalis adesa all ’ epitelio intestinale     Asc...
Le malattie parassitarieI parassiti hanno infettato l’uomo da millenni ed è stata dimostrata la loro presenza negli schele...
Apicoplasti
Idrogenosomi - acidocalcisomiMembri del genere della Trichomonas (protisti flagellati anaerobi) contengono unaltro organel...
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Plasmodium   La malaria è la più importante malattia parassitaria causata da protozoi.I plasmodi sono gli agenti della mal...
La malariaLa malaria, il cui termine deriva da mal’aria, aria cattiva, infetta, viene trasmessa da una zanzara tra i9 e 17...
La malariaLa malaria può essere trasmessa da diverse specie del genere Anopheles che differiscono nelcomportamento e nelle...
Epidemiologia della malariaDopo la seconda guerra mondiale sono stati messi in atto a livello mondiale una serie diprogram...
Distribuzione geografica e rischio di contrarre            la malaria nel mondo
I plasmodiLa malaria è la più importante malattia parassitaria causata da protozoi.• La specie di plasmodi che infettano l...
I plasmodi•   Plasmodium vivax Questo plasmodio è la specie che colpisce maggiormente    l’uomo ed è quello più diffuso a ...
I plasmodi•   Plasmodium malariae Questo plasmodio infetta solo eritrociti maturi, e non    determina una deformazione dei...
Plasmodium                   Il ciclo vitale del Plasmodium è simile in tutte le specie che infettano l’uomo.  ipnozoiti  ...
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La patogenesi della malariaNei casi gravi di malaria, e in particolare nella malaria cerebrale, diversi organi etessuti de...
La patogenesi della malariaDopo la puntura della zanzara gli sporozoiti raggiungono il fegato dovetransitano in diversi ep...
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La patogenesi della malariaStrutture a rosetta degli eritrociti (rosetting) Gli eritrociti possono formare delleaggregazio...
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Le famiglie geniche della variazioneantigenica e loro organizzazione genomica
Famiglie geniche che codificano per proteine   variabili di superficie di P. falciparum
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Posizione fisica dei geni var nel nucleo di P. falciparum            nello stadio di anello (trofozoita)                  ...
Posizione fisica dei geni var nel nucleo di P. falciparum                        nello stadio di anello (trofozoita)Una de...
L’anemia falciforme e la malariaL’anemia falciforme (sickle-cell anaemia) è una malattia genetica autosomale recessiva che...
L’ anemia falciforme                                                       L ’ anemia falciforme è dovuta a una           ...
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Trade off                      malaria/anemia falciformeIn un portatore della mutazione HbS i globuli rossi tendono a lisa...
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LeishmaniaLe leishmanie sono protozoi emoflagellati del genere dei tripanosomatidi cheinfettano il sangue dell’uomo e i su...
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Il ciclo vitale della Leishmania
Il ciclo vitale della LeishmaniaGli amastigoti che vengono succhiati dall ’ insetto, non si trovanonormalmente nel sangue ...
Il ciclo vitale della LeishmaniaIl flagello, posto nella regione anteriore del parassita, oltre ad avere un ruolo dilocomo...
Promastigoti di Leishmania
Il ciclo vitale e virulenza della LeishmaniaPer la trasmissione della Leishmania via insetto da un individuo a un altro èe...
Minicircoli e maxicircoli in un chinetoplasto di             Leishmania terentolae                             Leishmania ...
Genomica ed espressione genica degli amastigotiIl genoma della Leishmania contiene 36 cromosomi ognuno organizzato ingrupp...
Genomica ed espressione genica degli amastigotiIl profilo della trascrizione dei geni totale di Leishmania è simile a quel...
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Leishmaniosi Cutanea
Leishmaniosi CutaneaLe ulcere tendono adessere poco pofonde ecirculari
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Le leishmaniosi    L. tropica
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Parassiti

  1. 1. I parassiti
  2. 2. I parassitiLe infezioni parassitarie sono causate da un gran numero di organismi lacui trasmissione può richiedere la presenza di un insetto vettore o unospite intermedio.La maggior parte causano malattie croniche e debilitanti altre presentanoforme acute e letali che sono diffuse in tutto il mondo.Molte parassitosi croniche possono causare un malattia solo in un numerolimitato di individui. I parassiti non sono solo importanti in quanto causanomalattie gravi e letali ma essendo basate sull’interazione fra lorganismopatogeno e l’uomo e con ospiti intermedi o insetti vettori, la loro biologia èestremamente complessa e presenta notevoli difficoltà per poteridentificare target specifici per lo sviluppo di molecole antiparassitarie.I parassiti hanno sviluppato, nel corso della loro co-evoluzione con glianimali che infettano, diverse strategie che hanno permesso loro di entrarein contatto con particolari microambienti presenti in un ospite.Tutti i parassiti, come altri organismi patogeni, si sono evoluti da forme chevivevano libere nell’ambiente. 2
  3. 3. Principali infezioni da parassiti
  4. 4. Diverse forme di parassitismoI parassiti hanno sviluppato diverse vie che sono facilitate da condizioni igienicheprecarie tramite le quali penetrano in un individuo utilizzando uno stato larvale ouova che possono essere ingerite con cibi contaminati o accidentalmente.Altri tipi di larve sono in grado di perforare la cute o di infettare il feto passandoattraverso la placenta. In altri casi, un insetto vettore punge la cute o rilascia con lefeci in una ferita o nelle mucose una forma infettiva di un parassita.Altri parassiti sono in grado di passare da un individuo a un altro tramite rapportisessuali. Una volta compiuto il proprio ciclo vitale all’interno di un individuo, unparassita rilascia le proprie uova o larve nelle feci o nell’urina e lascia il corpodell’individuo infetto. 4
  5. 5. Diverse forme di parassitismoLe parassitosi sono malattie prevalentemente presenti nei paesi tropicali e in via disviluppo, anche se sempre più frequentemente vengono identificati nei paesisviluppati, anche a causa di viaggi in paesi tropicali o dove una certa malattia èendemica. Le parassitosi sono malattie estremamente frequenti di tipo cronico mameno fatali delle infezioni dovute a virus o a batteri che possono essere acute eletali.I parassiti sono organismi molto più complessi rispetto ad altri patogeni come ibatteri o i funghi in quanto hanno cicli vitali molto elaborati (che comprendonodiverse forme distinte in un singolo o più ospiti) basati su tropismi di specie e ditessuto nell’ospite, nei vettori e nellambiente esterno.Tali forme sono morfologicamente distinte e sono il risultato di una complessaregolazione dellespressione genica che permette loro di adattarsi non solobiochimicamente (come i batteri) ma anche di occupare diversi tessuti dell’ospitee del vettore e di migrare da un distretto a un altro del corpo umano (o di animali).Questa sofisticata abilità a cambiare di forma a seconda dello stadio vitale fa sìche anche la risposta immunitaria da parte dell’ospite sia fortemente ostacolata. 5
  6. 6. ParassitiFotografia al microscopio elettronico a scansione diGiardia intestinalis adesa all ’ epitelio intestinale Ascaris lumbricoides di circa 20 cm.Lemediante un disco adesivo di cui e`provvista. femmine raggiungono dimensioni di 35 cm.
  7. 7. Le malattie parassitarieI parassiti hanno infettato l’uomo da millenni ed è stata dimostrata la loro presenza negli scheletri diindividui vissuti nel passato. Per esempio, nell’intestino del corpo mummificato di Ötzi, “l’uomo venuto dalghiaccio” vissuto circa 3.200 anni fa il cui corpo fu trovato sulle Alpi italiane nel 1991, sono state identificatele uova del parassita Trichuria trichiura. Inoltre, antichi papiri egizi e gli scritti del medico greco Ippocritodescrivono le infezioni malariche che sono causate dal Plasmodium.L’analisi molecolare della regolazione dell’espressione genica dei parassiti ha già permesso di scopriremeccanismi fondamentali prima sconosciuti nelle cellule eucariotiche. Per esempio, nei tripanosomi sonostati identificati il meccanismo della variazione antigenica e il processo di trans-splicing di mRNA codificatida geni diversi e poi riuniti per produrre un mRNA maturo.Inoltre, nei parassiti sono stati identificati organellicome gli apicoplasti che non sono presenti in altri organismi e che permettono loro di sopravvivere inparticolari ambienti dell’ospite.Gli apicoplasti organelli di 0,15 - 1,5 μm di diametro che contengono un DNA circolare di circa 35 kbcircondato da 4 membrane. I geni degli apicoplasti derivano dai geni di plastidi di alghe e quindi questiorganelli si sono formati molto probabilmente per endosimbiosi.Tali organelli, situati in prossimità del nucleo, sono fondamentali per la sopravvivenza del parassita. Benchénon siano ancora chiare quali siano le funzioni di tale organello, la sua presenza è indispensabile. Infatti, selapicoplasto viene eliminato tramite plasmid curing (eliminazione di un plasmide tramite trattamento congiallo di acridina) il parassita muore, anche se non immediatamente. Il parassita infatti muore solo dopoaver invaso un nuovo individuo in quanto non è in grado di infettarlo, il che suggerisce che l’apicoplastocodifica per funzioni essenziali per l’invasione dell’ospite.Poiché l’apicoplasto codifica per vie metaboliche, quali quelle per alcuni acidi grassi, radicalmente diverseda quelle codificate dal DNA nucleare, esso presenta caratteristiche fondamentali per lo sviluppo di farmaciantimalarici specifici.Inoltre, poiché lapicoplasto si è originato dai plastidi codifica per proteine coinvolte nella replicazione7 delproprio DNA, per la trascrizione di geni apicoplasto-specifici e per la traduzione di mRNA che sono di
  8. 8. Apicoplasti
  9. 9. Idrogenosomi - acidocalcisomiMembri del genere della Trichomonas (protisti flagellati anaerobi) contengono unaltro organello chiamato idrogenosoma che non contiene DNA, citocromi oenzimi del ciclo dell’acido citrico e produce ATP utilizzando piruvato con enzimitipici dei batteri anaerobi.Invece, nei tripanosomi, in Toxoplasma e nei plasmodi sono presenti gliacidocalcisomi, organelli di circa 100 - 200 nm coinvolti nell’omeostasi del Ca+2.Questi organelli posseggono pompe proteiche responsabili del trasporto attivo dimolecole e di antiporti (trasportatori secondari, Ca2+/H+ e Na+/H+). 9
  10. 10. 10
  11. 11. Plasmodium La malaria è la più importante malattia parassitaria causata da protozoi.I plasmodi sono gli agenti della malaria, una delle malattie parassitarie piùdiffuse causando 200 - 300 milioni di nuovi casi al mondo ogni anno.Questa malattia è presente nelle regioni tropicali e sub-tropicali di tutti icontinenti in particolare in Africa.La malaria si trasmette tramite la puntura di una zanzara del genere Anophelesportatrice del parassita.I plasmodi sono sporozoi che infettano i globuli rossi del sangue e richiedonodue ospiti per il loro ciclo vitale,la zanzara in cui avviene lo stadio sessuale dell’organismo, el’uomo (o altri primati) pin cui avviene il ciclo asessuato.
  12. 12. La malariaLa malaria, il cui termine deriva da mal’aria, aria cattiva, infetta, viene trasmessa da una zanzara tra i9 e 17 giorni dopo che ha ingerito il sangue da un individuo che aveva nel sangue i plasmodi, e che asua volta sviluppa la malattia tra gli 8 e i 30 giorni dopo la puntura.Molti casi di malaria avvengono anche in paesi dove non è presente l’infezione, sia perché lacontraggono durante viaggi in aree endemiche sia perché zanzare che contengono il plasmodiopossono raggiungere paesi distanti entrando in un aereo che le trasporta a distanza e quindi infettaindividui generalmente nell’ambito dell’aeroporto di destinazione (airport malaria). La malaria puòessere contratta anche tramite trasfusioni di sangue infetto o tra utilizzatori di droghe per viaendovenosa. I plasmodi risiedono prevalentemente nel sangue e nel fegato, ma infettano anche la milza e altri organi (per esempio i reni) dell’uomo. Generalmente, a un periodo di febbri segue una fase di remissione che dura da alcune settimane a diversi mesi, a cui fa seguito un nuovo attacco malarico. Le crisi parossistiche (febbri alte, brividi e sudorazione) tipiche della malaria sono coincidenti con la liberazione dei merozoiti nel circolo ematico a seguito della lisi simultanea dei globuli rossi infettati. Nei periodi tra una crisi e la successiva le condizioni del paziente sono normali. Con il protrarsi della malattia, la malaria può causare anemia e spleno- Anopheles gambiae ed epatomegalia.
  13. 13. La malariaLa malaria può essere trasmessa da diverse specie del genere Anopheles che differiscono nelcomportamento e nelle proprietà fisiologiche (ma è sempre la femmina che trasmette l’infezione, mentreil maschio non si nutre di sangue ma di polline di fiori). Questa diversità di specie fa si che i patternepidemiologici della malattia nel mondo siano diversi. Per esempio, il P. vivax si sviluppa in zanzare chevivono a temperature inferiori della specie che sono il vettore del P. falciparum. Di conseguenza, ladistribuzione geografica della malaria vivax è più diffusa di quella falcipara.La malaria viene diagnosticata osservando al microscopio ottico la presenza dei parassiti nei globuli rossiin strisci di sangue tramite la colorazione di Giemsa o di Wright. Oggi sono utilizzati anche metodi basatisulla ricerca di antigeni nel sangue dei pazienti o di frammenti specifici di DNA con la tecnica della PCR,anche se quest’ultima è scarsamente utilizzata nelle regioni endemiche per l’alto costo e per lamancanza delle necessarie attrezzature.
  14. 14. Epidemiologia della malariaDopo la seconda guerra mondiale sono stati messi in atto a livello mondiale una serie diprogrammi mirati a eradicare la malaria dalle regioni endemiche. Mentre in diverse zonetale sforzo è stato coronato da successo, in molte regioni dell’Africa tropicale e dell’Asiaè fallito.Ciò è dovuto in parte alla scarsa efficacia da parte degli operatori sanitari locali, in parteper la comparsa di ceppi di zanzare resistenti al trattamento con pesticidi.Inoltre, per poter mettere in opera dei programmi efficaci e degli obiettivi raggiungibilidipende anche da attendibili dati epidemiologici. I dati più accurati indicano in circa 1-2milioni i morti causati direttamente dalla malaria (circa 3 - 6 000 al giorno), di cui lamaggior parte sono bambini africani.•Diversi fattori influenzano la distribuzione della malaria che contribuiscono a rendere piùdifficile il suo controllo:Instabilità climatica: siccità e alluvioni possono aumentare latrasmissione della malattia in diverse circostanze epidemiologiche.Global warming:l’aumento della temperatura a livello mondiale sta determinando un incremento dellatrasmissione della malaria in alcune aree prima prive dell’infezione, anche se difficilmenteesso può contribuire a un aumento globale della malaria.Agitazioni politiche e guerre civilideterminano il collasso dei programmi di trattamento e i rifugiati localizzati in campi diaiuto umanitario possono causare l’insorgere di epidemie per la presenza di portatoriprovenienti da aree endemiche.Diffusione dell ’ HIV: i pazienti con AIDS sono piùsuscettibili alla malaria e riduce il numero del personale medico disponibile per il 14trattamento della malaria, eMutazioni che conferiscono resistenza ai pesticidi adoperati
  15. 15. Distribuzione geografica e rischio di contrarre la malaria nel mondo
  16. 16. I plasmodiLa malaria è la più importante malattia parassitaria causata da protozoi.• La specie di plasmodi che infettano l’uomo e hanno diversi gradi di virulenzasono:Plasmodium vivax (malaria benigna terziaria);P. ovale(malaria benigna terziaria o malaria ovale);P. malariae (malariaquartana) eP. falciparum (malaria maligna terziaria). 16
  17. 17. I plasmodi• Plasmodium vivax Questo plasmodio è la specie che colpisce maggiormente l’uomo ed è quello più diffuso a livello mondiale per la capacità del vettore di crescere sia in aere tropicali che sub-tropicali e temperate.• Il P. vivax invade selettivamente gli eritrociti giovani e immaturi. Una vota penetrato nel globulo rosso questo si ingrandisce e acquisisce una forma irregolare. Tali cambiamenti di morfologia sono utilizzati per l’identificazione del P. vivax. Un individuo sviluppa i sintomi della malaria tra i 10 e i 15 giorni dopo la puntura della zanzara. I sintomi non sono molto diversi da quelli di un’influenza. Solo dopo un certo periodo e diverse lisi dei globuli rossi il paziente mostra i tipici sintomi della malaria. I cicli febbrili si susseguono ogni 48 ore con la lisi dei globuli rossi (malaria benigna terziaria).Plasmodium ovale (malaria benigna terziaria o malaria ovale); questo plasmodio è simile al vivax anche per la sua preferenza a invadere eritrociti giovani e immaturi, ma dopo linvasione del globulo rosso questo prende una forma appunto ovale. Il P. ovale è diffuso prevalentemente in Africa dov’è presente più del vivax, ma è causa della malaria anche in Asia e in Sud America. IP. ovale determina una malattia simile a quella del vivax, cioè la malaria benigna terziaria o malaria ovale. A differenza del vivax che può causare una malaria che perdura per diversi anni, la malaria causata dall’ovale dura in genere circa un anno. 17
  18. 18. I plasmodi• Plasmodium malariae Questo plasmodio infetta solo eritrociti maturi, e non determina una deformazione dei globuli rossi. Mentre gli ipnozoiti del P. vivax e del P. ovale sono normalmente identificati nel fegato, nella malaria causata dal P. malariae sono assenti.Il periodo di incubazione è il più lungo dei plasmodi umani (tra i 18 e i 40 giorni, ma a volte anche dopo qualche anno dopo la puntura). I cicli febbrili hanno una frequenza di 72 ore (malaria quartana) e può persistere nell’uomo anche diversi anni. Il P. malariae è presente nelle stesse regioni tropicali e sub-tropicali degli altri plasmodi ma è meno frequente.• Plasmodium falciparum È questo il plasmodio più virulento e di gran lunga la causa di morte della maggior parte dei casi di malaria. Una delle ragioni è che il P. falciparum non ha selettività di eritrociti, infettando infatti tutti gli stadi di eritrociti.Inoltre, fino a 4 plasmodi possono penetrare nei globuli rossi. Poiché la gran parte dei trofozoiti e degli schizonti si localizzano nel fegato e nella milza, raramente vengono osservati negli strisci di sangue. Ricadute (relapse) sono raramente osservate anche se una recrudescenza della patologia può avvenire e sono quasi sempre fatali. Il periodo di incubazione è di soli 7 - 10 giorni a cui seguono i classici sintomi della malaria. Il falciparum causa una malaria maligna terziaria con attacchi febbrili ogni 36 - 48 ore. 18
  19. 19. Plasmodium Il ciclo vitale del Plasmodium è simile in tutte le specie che infettano l’uomo. ipnozoiti schizontiIl Plasmodium è presente nell’uomo prevalentemente nei globuli rossi del sangue e nelle cellule del fegato,mentre nella zanzara Anopheles gambiae, mostrata in si localizza nelle ghiandole salivari e nell’intestino.Il ciclo inizia con la puntura di una zanzara che introduce gli sporozoiti del Plasmodium presenti nella sua salivanel sistema circolatorio dell’uomo. Gli sporozoiti raggiungono le cellule parenchimali del fegato dove avviene lariproduzione asessuata (schizogonia). Questa fase di crescita (ciclo esoeritrocitico) dura tra gli 8 e i 24 giorni asecondo della specie di Plasmodium. Quando gli sporozoiti smettono di dividersi nel fegato si trasformano inuna forma latente (ipnozoiti, prevalentemente nel P. vivax e P. ovale) che possono causare la malaria anchemolti anni dopo l’infezione iniziale. Quando gli epatociti lisano i plasmodi maturi si sono trasformati in merozoitiche entrano nel circolo sanguigno e attaccano i globuli rossi dando vita al ciclo eritrocitico (parassitemia).Durante questo ciclo i merozoiti si trasformano in forme ad anello (ring form) i trofozoiti mononucleati chegenerano gli schizonti dotati tra 6 e 24 nuclei. Gli schizonti generano nuovamente i merozoiti che lisano ilglobulo rosso e invadono altri globuli rossi ripetendo il ciclo. La fase eritrocitaria ciclica si ripete ogni 48 - 72 hr
  20. 20. Plasmodium Il ciclo vitale del Plasmodium è simile in tutte le specie che infettano l’uomo. ipnozoiti schizontiIl ciclo si interrompe quando i merozoiti formano in gametociti maschili e femminili.Una zanzara pungendo un individuo infetto ingerisce (blood meal) i gametociti chegiungono nell’intestino dell’insetto dove lisano e si fondono generando uno zigotediploide (oocinete).Lo zigote migra verso la parete dell’intestino dove forma gli oocisti. All’internodell’oocisti avviene la meiosi che forma cellule aploidi, gli sporozoiti (sporogonia) chemigrano nelle ghiandole salivari della zanzara completando il ciclo del plasmodio.La zanzara pungendo un nuovo individuo trasferisce il parassita da vita a un nuovo
  21. 21. La patogenesi della malariaNei casi gravi di malaria, e in particolare nella malaria cerebrale, diversi organi etessuti del corpo umano sono coinvolti oltre i globuli rossi.Una delle caratteristiche principali del P. falciparum è quella di indurre i globulirossi infetti ad aderire alle pareti dei capillari sanguigni determinandoun’occlusione degli stessi e una limitazione della perfusione dei tessuti.La lisi dei globuli rossi compromette ulteriormente il quadro clinico causandoanemia e la riduzione della diffusione dell’02.Nonostante la gran mole di studi condotti sulla malaria, non è ancora emersa unacomprensione complessiva dei meccanismi della patogenicità di questoparassita. Oggi si ritiene che la malattia sia determinata da una serie diconcause, come la lisi massiva dei globuli rossi (sia infettati che non),l ’ occlusione dei capillari e i processi infiammatori a essi associati, checauserebbero nell’insieme la riduzione della perfusione dei tessuti che a lorovolta genererebbero ulteriori danni aggravando il quadro clinico fino alla morte delpaziente. 21
  22. 22. La patogenesi della malariaDopo la puntura della zanzara gli sporozoiti raggiungono il fegato dovetransitano in diversi epatociti prima di trasformarsi in merozoiti. Lapenetrazione nelle cellule del fegato viene mediata da un recettore deglisporozoiti che lega specificamente gli epatociti. Ogni sporozoita è in gradogenerare diverse decine di migliaia di merozoiti ognuno dei qualisuccessivamente attacca un globulo rosso, e moltiplicandosi al suo interno, dainizio alla malattia.Una volta penetrato in un globulo rosso (tramite dei recettori ancora pococonosciuti), il plasmodio induce la formazione di un vacuolo utilizzando lamembrana plasmatica del globulo rosso stesso e penetra così al suo interno. Adifferenza di P. vivax che invade i reticolociti (globuli rossi immaturi), P.falciparum è in grado di invadere globuli rossi di diverso grado di maturazione. 22
  23. 23. La patogenesi della malariaP. vivax invade solo globuli rossi che presentano sulla membrana l’antigeneDuffy (una proteina glicosilata di membrana) che è espresso preferenzialmentenei reticolociti e non nei globuli rossi maturi.Questo selettività per questo antigene ha fatto sì che nelle popolazioni umanedell’Africa occidentale che non esprimono tale antigene nei reticolociti sonoimmuni dalla malaria vivax che è assente in questa regione.Inoltre, il P. vivax possiede un solo gene per riconoscere l’antigene Duffy, mentreP. falciparum ne possiede diversi oltre Duffy che utilizza come recettori perpenetrare nei globuli rossi di diverso grado di maturazione.L’adesione e la penetrazione del plasmodio all’interno di un globulo rosso sonoprocessi molto complessi e che comprendono diversi stadi. Inizialmente ilmerozoita si colloca frontalmente alla membrana di un globulo rosso.Successivamente si forma una giunzione tra l’ospite e il parassita che vienemediata dalle proteine di superficie dell ’ eritrocita e da proteine integrali dimembrana del plasmodio.A questo segue la formazione del vacuolo e il passaggio del merozoita all’internodel vacuolo è mediato da un motore molecolare composto da un filamento diactina e da un complesso di miosina.L ’ invasione del globulo rosso è completa quando l ’ invaginazione della 23
  24. 24. La patogenesi della malariaStrutture a rosetta degli eritrociti (rosetting) Gli eritrociti possono formare delleaggregazioni quando intorno a un globulo rosso si forma una struttura detta “arosetta”, che ricorda la forma di un fiore. Tale fenomeno è presente anche nellamalaria, nella quale un plasmodio funge da cellula centrale attorno al quale silegano i globuli rossi formando la rosetta. Tale formazione è dovutaall’interazione tra un epitopo della membrana del protozoo e dei recettori suiglobuli rossi. Questa struttura permette al plasmodio di rimanere sequestrato edevitare di essere distrutto (per esempio, nel fegato e nella milza). La formazionedi rosette è molto importante nella progressione della malaria in quanto si è vistoche c’è una stretta correlazione fra la sua formazione e la forma cerebrale Tossine malariche La malaria(letale) della malattia. coinvolge complesse risposte infiammatorie e anche la produzione di tossine. In generale, tali tossine, prodotte e rilasciate dai trofozoiti e dagli schizonti, inducono le cellule umane a sovra-produrre fattori che si legano al siero. La gran parte delle tossine malariche sono resistenti al trattamento con proteasi e la loro attività dipende dalla presenza 24 di
  25. 25. Variazione antigenicaIl processo della variazione antigenica è il meccanismo tramite il quale unpatogeno (plasmodi, tripanosomi, Leishmania, Salmonella) altera l’espressionedi proteine di membrana per evadere il sistema immunitario.Il P. falciparum esporta sulla membrana dell ’ eritrocita diverse proteine chedeterminano profonde alterazioni sia nelle proprietà antigeniche sia adesive dellacellula infettata.La sua persistenza durante la proliferazione nello stadio eritrocitario dipendedall’espressione successiva di molecole varianti sulla superficie degli eritrocitiinfetti.Questo processo avviene tramite il controllo trascrizionale di circa 60 geni (genivar) che codificano per una famiglia di proteine di superficie, chiamate PfEMP1(P. falciparum erythrocyte membrane protein 1, proteina di membrana di P.falciparum specifica per gli eritrociti), che sono utilizzate per interagire con glieritrociti.Ogni parassita esprime un solo gene var alla volta mentre gli altri sonotrascrizionalmente repressi, e ognuna delle proteine PfEMP1 permette alplasmodio di aderire ai capillari sanguigni determinando la forma grave dellamalattia. 25
  26. 26. Le famiglie geniche della variazione antigenica e loro organizzazione genomicaL’analisi del genoma di P. falciparum ha permesso di determinare che esistesolo un numero ridotto di geni var (circa 60) per genoma aploide (un numeromolto basso rispetto ai circa 1.500 geni coinvolti nella variazione antigenica deitripanosomi).È stata scoperta una seconda famiglia chiamata rif (repetitive interspersedfamily, famiglia interspersa ripetitiva).Le proteine codificate da questa famiglia genica, le RIFIN, sono antigeni di 30 -45 kDa che hanno 2 regioni trans-membrana (2TM) che espongono circa 170amminoacidi sulla membrana dell’eritrocita. Si ritiene che le RIFIN come altreproteine 2TM siano fondamentali per il parassita per determinare l’infezionedegli eritrociti.Inoltre, sono state identificate altre 2 famiglie geniche 2TM che codificano perproteine coinvolte nella variazione antigenica e sono le STEVOR, simili alleRIFIN che sono espresse in uno stadio tardivo degli eritrociti, e le PfEMP1.Entrambe i membri di queste famiglie hanno una frequenza di cambiamento diespressione simile a quella dei geni var.Infine, un’ultima classe di proteine antigeniche identificata sono le proteineSURFIN codificate dai geni surf (surface associated interspersed genes, geniinterspersi codificanti per proteine di superficie). 26
  27. 27. Le famiglie geniche della variazioneantigenica e loro organizzazione genomica
  28. 28. Famiglie geniche che codificano per proteine variabili di superficie di P. falciparum
  29. 29. Le famiglie geniche della variazione antigenica e loro organizzazione genomicaCirca il 60 % dei geni var è localizzato in prossimità di una regione sub-telomericacomposta da un mosaico di elementi ripetuti non codificanti (TARE 1 - 6, telomereassociated repeats, sequenze ripetute associate ai telomeri) orientati in differentidirezioni.L’organizzazione complessiva delle regioni sub-telomeriche dei geni var (comprese leregioni codificanti e non-codificanti) è conservata nei 28 telomeri dei 14 cromosomi delP. falciparum. L’alta frequenza di ricombinazione che genera le nuove forme varavviene per conversione genica. 29
  30. 30. Posizione fisica dei geni var nel nucleo di P. falciparum nello stadio di anello (trofozoita) Risultato schematizzato di esperimenti tramite FISH (fluorescent in situ hybridization) in cui i cromosomi di P. falciparum occupano siti specifici nel nucleo del parassita. Infatti, i geni var telomerici si localizzano alla periferia del nucleo e formano complessi comprendenti da 4 a 7 cromosomi. Una singola regione non codificante localizzata a monte di un gene var (per esempio, upsB o upsC di circa 2 kb) viene rimossa dal gene originale e ciò è sufficiente a iniziare il meccanismo di conteggio (counting mechanism). L ’ attivazione trascrizionale avviene alla periferia del nucleo, e silenzia tutti gli altri geni var endogeni ed è ereditata nella
  31. 31. Posizione fisica dei geni var nel nucleo di P. falciparum nello stadio di anello (trofozoita)Una delle funzioni dei telomeri oltre ad assicurare la stabilita genomica euna corretta divisione cellulare è quella di reclutare proteine specifiche pergenerare un ’ appropriata organizzazione della cromatina che reprimelespressione genica in maniera dipendente dalla distanza da essi (effettoposizionale dei telomeri, telomere position effect, TPE).I geni var associati ai telomeri distano da questi tra le 20 e le 35 kb epossono essere derepressi per inattivazione da parte della proteina chelega i telomeri PfSir2 (corrispondente alla proteina ortologa di S.cerevisiae, Sir2) che si associa con i promotori dei geni var silenziati.
  32. 32. L’anemia falciforme e la malariaL’anemia falciforme (sickle-cell anaemia) è una malattia genetica autosomale recessiva che siesprime nei globuli rossi che assumono una forma anormale, rigida simile a una falce.Questa malattia genetica è stata descritta la prima volta nel 1910 dal medico statunitense JamesB. Herrick identificando nel sangue di un paziente proveniente dalle Indie Occidentali eritrocitidalla forma a falce.Nel 1949 Linus Pauling dimostrò che l’emoglobina purificata da individui normali e da pazienti conla malattia avevano una mobilità elettroforetica diversa. Successivamente, nel 1957 tramitepeptide fingerprinting, fu dimostrato che solo uno dei frammenti peptidici ottenuto per digestionedell’emoglobina mutata aveva una diversa mobilità elettroforetica. Il cDNA codificante per la β-globina umana fu clonato nel 1978.
  33. 33. L’ anemia falciforme L ’ anemia falciforme è dovuta a una mutazione nel gene che codifica per l’emoglobina, che è localizzato sul braccio corto del cromosoma umano 11, genera una proteina alterata (HbS). La malattia è più diffusa nellAfrica centro- orientale, nel Sud dellArabia, in India e tra le popolazioni del mediterraneo si presenta in alcune zone dell ’ Italia, Spagna e Grecia. Analisi di genetica ha permesso di stabilire che tali mutazioni sono comparse indipendentemente nelle diverse popolazioniNegli individui eterozigoti per HbS non vi è danno significativo per i portatori in quanto l’allele nonmutato (HbA) produce il 50% di emoglobina normale. Negli individui omozigoti per HbS la valina che èun amminoacido idrofobico (mentre l’acido glutammico è un amminoacido polare acido) causa ilcollasso dell’emoglobina. Questa mutazione non determina effetti significativi nella struttura terziariae quaternaria della proteina in condizioni in concentrazione di ossigeno normali. A bassa tensione diossigeno però l’emoglobina espone il frammento composto dai primi sei amminoacidi tra i frammentiE e F della proteina. La valina in queste condizioni si associa con la regione idrofobica causandol’aggregazione della stessa emoglobina che forma un precipitato. La proteina mutata collassa edistorce la forma del globulo rosso da una forma rotondeggiante liscia a forma di ciambella auna di falce rugosa e con protuberanze rendendo l’eritrocita fragile e suscettibile a lisi neicapillari. Gli individui portatori di questa mutazione mostrano i sintomi della malattia solo in condizioni
  34. 34. 34
  35. 35. Trade off malaria/anemia falciformeIn un portatore della mutazione HbS i globuli rossi tendono a lisareprecocemente cosa che impedisce al plasmodio di riprodursi. Inoltre, ilplasmodio non è in grado di metabolizzare l’HbS precipitata.Nelle regioni tropicali dell ’ Africa, tra il Gambia e il Mozambico, lafrequenza di mutazione HbS del gene dell’emoglobina supera il 20%nelle popolazioni locali.Dettagliate analisi genetiche e antropologiche hanno dimostrato che igenotipi HbA/HbS hanno chiaramente un vantaggio riproduttivo sia suigenotipi HbA/HbA sia HbS/HbS in un ambiente dove la malaria èendemica. 35
  36. 36. The malaria hypothesis: l’agricoltura, la linguistica e l’evoluzione biologica e socioculturaleL’ipotesi della malaria, fu proposta nel 1957 da Frank B. Livingston il quale suggerì che le differenzenella frequenza della mutazione S nel gene dell’emoglobina (Hb) tra le popolazioni umane fosserodovute alla selezione genetica determinata dalla diffusione della malaria.Nelle regioni dove la malaria è endemica, questa mutazione conferisce un vantaggio selettivo(aumenta la fitness dell’individuo che è portatore del gene HbS in eterozigosi) rispetto agli individuiche non la posseggono, in quanto riduce in questi la possibilità di sviluppare la malaria.I plasmodi, e in particolare P. falciparum, possono infatti determinare significative differenzeriproduttive tra genotipi sensibili (alleli normali HbA) e resistenti (allele mutato HbS) alla malaria.Se infatti l’allele S conferisce una misura della resistenza alla malattia negli eterozigoti, allora questedifferenze riproduttive possono aumentare la frequenza di questo allele nella popolazione umanacome confermato dalle analisi epidemiologiche.Studi della correlazione fra distribuzione della malaria falcipara e la frequenza dell’allele S hannoconfermato tale ipotesi genetica. Un’ulteriore importante evidenza è venuta dagli studi basati sullacosiddetta correlazione agricola e sull’osservazione che Anopheles gambiae, il principale vettore delP. falciparum, richiede per la sua riproduzione acque calde stagnanti e soleggiate. Livingston notò chetali condizioni sono raramente presenti nelle foreste tropicali che sono costituite da un’intensa e fittavegetazione.È solo nelle aree dove l’uomo ha modificato l’ambiente, tagliando le foreste, che si sono formate lecondizioni ideali per la diffusione della zanzara. Quindi dove le foreste sono state sostituite con terreniaperti e irrigati adatti per l’agricoltura è stato possibile, insieme con il conseguente aumento dellapresenza dei plasmodi, la diffusione del vantaggio selettivo del gene HbS dell’emoglobina. 36
  37. 37. The malaria hypothesis: l’agricoltura, la linguistica e l’evoluzione biologica e socioculturaleLivingston predisse l ’ esistenza di una forte correlazione tra evoluzionegenetica e culturale delle popolazioni umane e indicò come causa scatenantedella diffusione della malaria, l’espansione dell’agricoltura che determinò ilcambiamento nella frequenza genica dell’allele Hbs nelle popolazioni umane inAfrica.In particolare, dimostrò che nell ’ Africa occidentale c ’ è un gradiente didiffusione dell’allele S che si sovrappone alla coltivazione della patata dolcenel Sud e del riso a Est. Lo studio di Livingston è ora definito “un classico dellagenetica delle popolazioni umane e il primo e chiaro dettagliato esempio di unastretta associazione tra biologia, cultura e l ’ instaurarsi di una malattia(molecolare)” ed è oggi considerato il primo esempio di antropologia evolutiva.Negli anni successivi, le analisi epidemiologiche a livello mondiale hannodimostrato che l’ipotesi della malaria era corretta. 37
  38. 38. The malaria hypothesis: l’agricoltura, la linguistica e l’evoluzione biologica e socioculturaleNel 1970 nel laboratorio di Lucio Luzzatto, allora presso il Dip. di Ematologiapresso l’Università di Ibadan, Nigeria, fu dimostrato che i globuli rossi deglieterozigoti HbA/HbS non assumono la forma falciforme in condizioni normali,ma hanno questo fenotipo quando sono infettati dal plasmodio.Inoltre, lo sviluppo della forma falciforme del globulo rosso determina la perditadi micronutrienti come il K+ che causa la morte del parassita.Ciò dimostra una relazione diretta tra la mutazione S e l ’ aumento dellafrequenza di questo allele nella popolazione in quanto gli eritrociti normali nonformano strutture falciformi.Livingston propose anche che dovessero essere condotti studi sulla frequenzagenica dell’allele HbS in particolare nelle popolazioni dell’Africa occidentalesulla base dei diversi gruppi linguistici e delle diverse ondate migratorieavvenute in quelle regioni nel corso dei millenni. 38
  39. 39. The malaria hypothesis: l’agricoltura, la linguistica e l’evoluzione biologica e socioculturaleLivingston propose anche che dovessero essere condotti studi sulla frequenzagenica dell’allele HbS in particolare nelle popolazioni dell’Africa occidentalesulla base dei diversi gruppi linguistici e delle diverse ondate migratorieavvenute in quelle regioni nel corso dei millenni.Lo studio fu effettuato da William H. Durham negli anni ’80 proprio nell’Africaoccidentale in quanto le popolazioni locali presentano una grande diversitàetnolinguistica. Queste popolazioni sono divise in tre gruppi linguistici principali,a loro volta suddivisi in famiglie e sottofamiglie. Inoltre, la produzione agricoladell’Africa occidentale è chiaramente divisa in tre regioni, comprese tra il 5° eil 17° parallelo Nord, con zone climatiche ed ecologiche ben distinte in cuivengono coltivati separatamente la patata dolce, il riso e il sorgo insieme con ilmiglio. Analisi esaustive sia della genetica dei diversi gruppi etnolinguisitici chedei dati sul tipo di agricoltura praticata hanno permesso di dimostrare chel’allele S è stato introdotto in queste regioni dal Sud-Centro della Nigeria versol’Ovest dell’Africa occidentale da un’ondata di migrazioni verso queste regionioltre 2 000 anni fa. Inoltre, nelle regioni del gruppo linguistico Kwa la diffusionedell’allele S coincideva con l’introduzione della coltivazione del riso avvenutaintorno a 3 500 anni fa nella regione da loro occupata, mentre nelle aree dovegli abitanti sino rimasti cacciatori/raccoglitori la frequenza era molto bassa. 39
  40. 40. LeishmaniaLe leishmanie sono protozoi emoflagellati del genere dei tripanosomatidi cheinfettano il sangue dell’uomo e i suoi tessuti determinando diverse forme dellamalattia denominata leishmaniosi. La Leishmania viene diffusa da ditteriematofagi (pappataci) del genere Phlebotomus nel Vecchio Mondo, e delgenere Lutzomyia nel Nuovo Mondo. Ogni anno muoiono circa 60 000 dei 12 milioni di individui infetti. Oltre l’uomo, la Leishmania infetta i canidi e i roditori e in genere i vertebrati. Phlebotomus
  41. 41. Il ciclo vitale della LeishmaniaLa leishmaniosi è trasmessa dalla puntura di almeno una trentina di specie diverse di pappataci che sono ivettori naturali del parassita. Le femmine dei pappataci (come le femmine della zanzara Anopheles, vettoredella malaria) hanno bisogno di nutrirsi di sangue per la maturazione delle uova.I pappataci pungono lospite verso sera e si nutrono del sangue che esce dalla puntura. Nelle zone tropicalila trasmissione avviene tutto lanno mentre nelle regioni temperate la trasmissione avviene prevalentementein estate. Il parassita ha due stadi vitali: uno extracellulare, nell’insetto vettore, e uno intracellulare,nell’ospite. L’insetto vettore inietta durante la puntura lo stadio infettivo della Leishmania, i promastigotimetaciclici (cellule allungate dotate di un flagello) che nel circolo sanguigno si ricoprono di proteine delcomplemento e sono fagocitati dai macrofagi e da altre cellule fagocitiche mononucleari. In queste cellule ipromastigoti si trasformano in amastigoti che si dividono per scissione binaria e infettano altre cellulefagocitiche mononucleari. Gli amastigoti vengono poi ingeriti da un altro Phlebotomus nel quale sitrasformano di nuovo in promastigoti nell’intestino medio dove si moltiplicano e migrano nelle ghiandolesalivari (promastigoti metaciclici).
  42. 42. Il ciclo vitale della Leishmania
  43. 43. Il ciclo vitale della LeishmaniaGli amastigoti che vengono succhiati dall ’ insetto, non si trovanonormalmente nel sangue periferico dell’individuo infetto e quelli presenti inorgani quali fegato e milza non sono accessibili.Il pappatacio inserendo la proboscide (che ha una forma di sega) eagitandola nella ferita induce l’ingresso di sangue dai capillari superficiali incui sono presenti i macrofagi che contengono gli amastigoti.L’ingestione del sangue dopo la puntura (circa 10 ore) da parte delPhlebotomus induce la sintesi di diversi enzimi digestivi (tripsina,chimotripsina aminopeptidasi, carbossipeptidasi, e α-glucosidasi).L ’ attacco proteolitico sembra essere efficace solo contro specie diLeishmania che non sono compatibili con l’insetto mentre nelle speciecompatibili la resistenza agli enzimi digestivi sembra sia dovuta a un ritardodi alcune ore a trasformarsi nella forma suscettibile.
  44. 44. Il ciclo vitale della LeishmaniaIl flagello, posto nella regione anteriore del parassita, oltre ad avere un ruolo dilocomozione è coinvolto nei meccanismi di adesione all’intestino del pappatacio.I promastigoti rispondono a stimoli chimici nuotando verso basse concentrazionidi zuccheri o elevate di sali.Il flagello ha delle strutture che interagiscono con un recettore dell’intestinochiamato galectina, che permette l ’ adesione che utilizza per ancorarsi aimicrovilli dell ’ epitelio dell ’ intestino. La formazione el ’ assemblaggio/disassemblaggio del flagello richiedono un sofisticatomeccanismo molecolare e di controllo.La lunghezza è regolata dalla polimerizzazione della tubulina che avviene nellaporzione terminale del flagello che è regolata da KIN13-2, una proteina dellafamiglia delle kinesine.La Leishmania ha un numero elevato di queste proteine che si legano aimicrotubuli e sono coinvolte nella regolazione della lunghezza del flagello. Lafunzionalità e lunghezza del flagello è quindi fondamentale per la sopravvivenzadei promastigoti per poter muoversi all’interno dell’intestino del pappatacio eper raggiungere la parte anteriore dell‘intestino stesso in una posizione adattaper la trasmissione attraverso una puntura.I promastigoti si trasformano quindi in promastigoti metaciclici e si localizzanonelle ghiandole salivari dell’insetto. La regolazione del passaggio alla forma
  45. 45. Promastigoti di Leishmania
  46. 46. Il ciclo vitale e virulenza della LeishmaniaPer la trasmissione della Leishmania via insetto da un individuo a un altro èessenziale che il parassita sia nella forma di promastigote metaciclico. Ingenere, non tutti i promastigoti si trasformano nella forma metaciclica, ma solocirca il 50 % di essi.Inoltre, deve essere assicurato il passaggio dal vettore a un altro individuo.Infatti, è cruciale che nel momento in cui l’insetto punge un nuovo individuo, iparassiti presenti nelle ghiandole salivari siano nella fase di promastigotemetaciclico, altrimenti se i promastigoti si trovano in una fase precoce otardiva di questo processo ciò ne impedisce la disseminazione.I promastigoti internalizzati dai macrofagi vengono circondati dal fagolisosomanel quale si trasformano in una forma piccola e ovale senza flagello.La Leishmania è in grado non solo di sopravvivere ma anche di proliferareallinterno dei macrofagi. Periodicamente, gli amastigoti fuoriescono dalmacrofago e infettano altre cellule fagocitiche e alcune non fagocitiche come ifibroblasti. Gli amastigoti sono responsabili di tutte le forme di leishmaniosi, da quelle autolimitante, alla forma sfigurante mucocutanea, a quella viscerale letale, sino alle forme croniche 46
  47. 47. Minicircoli e maxicircoli in un chinetoplasto di Leishmania terentolae Leishmania (come i tripanosomi) contiene dei mitocondri atipici chiamati chinetoplasti che contengono due tipi di DNA circolare: da 25 a 50 maxicircoli di 20 - 40 Kb che codificano per geni mitocondriali, e circa 10 000 minicircoli di 1 - 3 Kb che sono coinvolti nel processamento dei geni mitocondriali. Si è visto che mRNA codificati dal genoma mitocondriale possono mancare di alcuni nucleotidi che ne impediscono la corretta traduzione. Tali mRNA vengono trascritti da geni incompleti (criptogeni) e poi modificati (mRNA editing) con l’aggiunta di sequenze di RNA (RNA guida) che vengono sintetizzati dai minicircoli.
  48. 48. Genomica ed espressione genica degli amastigotiIl genoma della Leishmania contiene 36 cromosomi ognuno organizzato ingruppi di un centinaio di geni localizzati sullo stessa elica di DNA.Dalla sequenza dei genomi delle 3 specie di Leishmania specifiche perl’uomo si è visto che essi codificano per circa 8 300 proteine e per 900geni che codificano per RNA non tradotti.Circa 6.200 geni presenti nei genomi delle tre leishmanie sono simili acorrispondenti geni di Trypanosoma brucei e T. cruzi, mentre circa 1.000geni sono specifici per la Leishmania che sono distribuiti in manieracasuale nel genoma. 48
  49. 49. Genomica ed espressione genica degli amastigotiIl profilo della trascrizione dei geni totale di Leishmania è simile a quello deitripanosomi in quanto la maggior parte delle sequenze geniche nei diversistadi di crescita di L. major, L. mexicana e L. donovani sono trascrittecostitutivamente, e meno del 5 % variano di almeno due volte quando siparagonano mRMA di promastigoti con quelli di amastigoti.Questi dati sono molto in contrasto con altri organismi unicellulari comeSaccharomyces in cui più del 25 % della trascrizione genica varia durantele fasi di crescita (come per esempio, dalla logaritmica a quellastazionaria).Tra i geni che sono regolati trascrizionalmente la maggior parte sonosequenze che codificano per proteine di membrana, mentre quellecodificanti per proteine del metabolismo rimangono pressoché costanti. 49
  50. 50. • Old world: • Phlebotomus sp.• New world: • Lutzomyia sp. 2-4 mm, femmine ematofaghe (non obbligato). Ghiandole salivari rilasciano fattori vasodilatatori. Diffuse nei tropicici, sub-tropicali, anche in S. Europa Notturna
  51. 51. Leishmaniosi Cutanea
  52. 52. Leishmaniosi CutaneaLe ulcere tendono adessere poco pofonde ecirculari
  53. 53. Leishmaniosi Viscerale
  54. 54. Le leishmaniosi L. tropica

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