Che cosa è il ciclo cellulare?

E’ il processo con il quale le cellule si dividono e si moltiplicano, duplicando le informazioni genetiche racchiuse nel loro nucleo. E’ così che dall’uovo fecondato hanno origine circa i 100mila miliardi di cellule presenti in un organismo adulto.

Dalle amebe all’uomo, il ciclo cellulare avviene nello stesso modo in tutte le cellule eucariotiche. Le uniche differenze riguardano i tempi.

CICLO CELLULARE

Tutte le cellule di un individuo pluricellulare, ad eccezione dei gameti, cioè le cellule somatiche e le cellule germinali immature, contengono lo stesso numero di cromosomi (diploide). Il processo di divisione per MITOSI assicura che il numero diploide di cromosomi, caratteristico della specie, sia mantenuto costante durante tutte le successive divisioni delle cellule, dallo zigote all’individuo adulto.

I gameti (cellula uovo e spermatozoo) hanno un numero aploide di cromosomi. Il processo mediante il quale il numero diploide di cromosomi delle cellule somatiche si riduce alla metà nelle cellule germinali è un tipo di divisione speciale, detta MEIOSI.

La modalità di divisione cellulare che prevede la replicazione del DNA seguita dalla mitosi è responsabile:

dell’accrescimento e del mantenimento della massa corporea degli organismi pluricellulari

della sopravvivenza di popolazioni di organismi unicellulari

Una seconda modalità di divisione cellulare, la replicazione seguita da meiosi, si riscontra esclusivamente negli eucarioti a riproduzione sessuata.

La divisione cellulare per mitosi ha luogo mediante una successione continua di stadi che nel complesso vengono chiamati ciclo cellulare.

LABILI: cellule epiteliali, cellule ciclanti (cellule ematopoietiche, spermatogoni). La durata di G1 è di poche ore. Si dividono continuamente passando da un ciclo al successivo.

STABILI: osteoblasti, cellule epatiche, linfociti. Il periodo G1 si prolunga per giorni, anche anni. Dopo un certo numero di mitosi entrano in una fase quiescente, di transitoria fuoriuscita dal ciclo (G0).

PERENNI: fibre muscolari, neuroni, granulociti. Cellule che hanno un elevato grado di differenziazione, non si dividono più ed escono irreversibilmente dal ciclo, arrestandosi permanentemente in fase pre-sintetica (G2?).

Il periodo intercinetico può essere suddiviso in:

G1 (Gap, intervallo) o periodo pre-sintetico. Trascrizione dell’RNA, sintesi proteica.

S (Sintesi). Duplicazione del DNA; sintesi di istoni e di una gran parte delle proteine acide.

G2, periodo post-sintetico. Sintesi di gran parte dei componenti dell’apparato mitotico, dei componenti di membrana che verranno utilizzati per le due cellule figlie, degli induttori della divisione.

L’interfase occupa oltre il 90% dell’intero ciclo cellulare. La sua durata e quindi la frequenza della mitosi è piuttosto costante in cellule dello stesso tipo ma diversa nei vari tipi cellulari.

Nelle cellule dei mammiferi la durata del periodo intercinetico dipende dalla durata di G1 in quanto la durata dei periodi S e G2 è relativamente costante.

G1: 12-24h

S: 6-7h

G2: 4-6h

M: 1-2h

FASI DELLA MITOSI

Durante il primo stadio della mitosi:

graduale riduzione della trascrizione degli RNA fino al completo arresto al termine della profase, scomparsa del nucleolo;

sintesi proteica a livelli minimi;

rallentamento o arresto del traffico vescicolare;

blocco dell’esocitosi e dell’endocitosi;

disgregazione della m. nucleare;

assemblamento del fuso.

APPARATO MITOTICO

Centrioli

Astrosfera

Fuso mitotico

Il FUSO MITOTICO è responsabile dei movimenti cromosomici durante la mitosi

I cinetocori nel lievito sono piccoli e ciascuno è legato a un solo MT, mentre nelle cellule di mammifero i cinetocori sono molto più grandi e ognuno è attaccato a 30-40 MT del fuso.

LE COESINE

Gruppo di proteine, localizzate al centro del centromero, funzionano come colla che tiene insieme i cromatidi prima dell’inizio dell’anafase e sono degradate all’inizio dell’anafase, consentendo così la separazione dei cromatidi fratelli.

I MT polari prendono contatto con i MT provenienti dal centrosoma opposto. Quando le due estremità positive di due MT di polarità opposta iniziano a sovrapporsi, intervengono delle proteine che le legano insieme formando dei legami crociati. Come il legame tra cinetocore e i MT del cinetocore, questi legami crociati stabilizzano i MT polari.

Possiamo immaginare che i MT durante la profase e la prometafase escono rapidamente a raggiera dai due centrosomi, quelli che riescono a incontrare un cinetocore o un MT di polarità opposta si stabilizzano; gli altri si disassemblano e si ritirano.

allineamento e separazione dei cromosomi

La combinazione di forze che tirano e spingono i cromosomi li fa disporre sulla piastra metafasica, la loro localizzazione più stabile, dove si allineano in ordine casuale.

All’inizio dell’anafase, la regione centromerica di ciascun cromosoma si divide in due, consentendo ai due cromatidi fratelli appaiati di separarsi e di muoversi verso i poli opposti del fuso. La topoisomerasi II è uno degli enzimi coinvolti.

proteine motrici e movimenti cromosomici

Le proteine motrici hanno almeno tre distinti ruoli nel movimento dei cromosomi anafasici

Anafase A

Le proteine motrici del cinetocore generano la forza motrice, l’accorciamento dei MT è un evento secondario.

Anafase B

Le proteine motrici associate ai MT polari rappresentano la forza primaria che fa allungare il fuso, mentre l’allungamento dei MT polari è secondario.

CITOCINESI o CITODIERESI: divisione della cellula

CARIOCINESI: divisione del nucleo

La posizione del fuso determina il punto in cui si dividerà il citoplasma.

Anello contrattile: fibre di actina

La polimerizzazione dei monomeri di actina in microfilamenti avviene subito prima dell’invaginamento che dà inizio alla formazione del solco di clivaggio e lo smantellamento dell’intera struttura avviene poco dopo il completamento della citocinesi.

La CITOCINESI nelle nelle cellule vegetali avviene per assemblaggio di una membrana plasmatica e di una parete cellulare tra i due nuclei figli.

Appena i nuclei figli riprendono la loro struttura caratteristica:

riparte la trascrizione dell’RNA, riappare il nucleolo;

la sintesi proteica riprende a velocità normale, così come il traffico vescicolare, l’endocitosi e l’esocitosi.

G1: 12-24h

S: 6-7h

G2: 4-6h

M: 1-2h

La variabilità del ciclo cellulare (lunghezza relativa delle varie fasi e la vicinanza temporale tra mitosi e citocinesi) indica l’esistenza di meccanismi di regolazione che si adattano alla necessità di un particolare tipo cellulare o specie.

Il sistema di controllo che regola la progressione del ciclo cellulare deve:

1) Garantire che tutti i processi associati con le diverse fasi siano portati a termine al tempo dovuto e nella sequenza corretta;

2) Assicurare che ogni fase del ciclo sia stata completata correttamente prima che inizi la successiva;

3) Essere in grado di rispondere alle condizioni esterne che segnalano alla cellula di crescere e di dividersi.

L’importanza relativa dei punti di controllo di G1 e G2 nella regolazione del tasso di divisione cellulare varia da cellula a cellula e nei diversi organismi.

Fondendo cellule in fase S con cellule in fase G2 le cellule in G2 non duplicano il DNA.

Questi esperimenti suggerivano che nel citoplasma dovessero esistere “molecole segnale” responsabili del passaggio oltre i punti di controllo G1 e G2, cioè gli induttori della sintesi del DNA (fase S) e della mitosi fossero delle molecole specifiche presenti nel citoplasma (MPF).

Sebbene i fattori in grado di modificare la progressione delle cellule attraverso il ciclo di divisione cellulare siano numerosi, i meccanismi di base che controllano la divisione cellulare sono genetici.

H. Hartwell (USA) Saccaromyces cerevisiae cdc28

P.M. Nurse (UK) Saccaromyces pombe cdc2 cdk1

R.T. Hunt (UK) stelle marine e ricci di mare cicline

Nobel per la medicina, 2001

cdc2 è un gene la cui attività è essenziale per l’entrata in mitosi (cioè oltrepassa il punto di controllo G2)

I risultati delle ricerche sui lieviti si unirono a quelli sulla rana e si arrivò a stabilire che:

cdc2 codifica una delle due proteine che fanno parte di MPF

La proteina codificata dal gene cdc2 del lievito funziona come una proteina chinasi, cioè un enzima che catalizza il trasferimento di un gruppo fosfato dall’ATP a determinate proteine bersaglio.

Questa proteina funziona solo quando è legata a un membro di un’altra famiglia di proteine, le cicline, e dunque è una chinasi ciclina-dipendente (cdk).

Le cicline sono proteine che, attraverso oscillazioni della loro concentrazione intracellulare, controllano l’attività delle varie molecole cdk ai diversi stadi del ciclo. Un secondo tipo di regolazione per le cdk è basato sulla fosforilazione delle stesse molecole cdk.

I complessi cdk-cicline hanno in comune:

la loro attività è regolata da reazioni di fosforilazione e defosforilazione catalizzate da proteine chinasi e proteine fosfatasi;

le cicline sono sintetizzate e degradate durante le diverse fasi del ciclo.

PUNTO DI CONTROLLO G2

MPF attivo:

fosforila le lamìne della lamina nucleare interna. Ciò determina la depolarizzazione delle lamine che porta alla disgregazione della lamina nucleare (destabilizzazione dell’involucro nucleare).

fosforila alcune proteine cromosomiche, tra cui l’istone H1 ed il complesso multiproteico (complesso della condensina) favorendo la condensazione cromosomica.

fosforila proteine associate ai microtubuli per la formazione del fuso

controlla i meccanismi che assicurano che il DNA sia stato completamente replicato prima di consentire alla cellula di oltrepassare il punto di controllo G2 ed entrare in mitosi.

Anche gli altri punti di controllo del ciclo cellulare sono regolati da complessi Cdk-cicline. Anche se nei diversi organismi le componenti sono un po’ diverse, tutti gli eucarioti possiedono una gamma di molecole Cdk e di cicline che interagiscono in combinazioni diverse ai vari stadi del ciclo cellulare.

I complessi cdk-cicline hanno in comune:

la loro attività è regolata da reazioni di fosforilazione e defosforilazione catalizzate da proteine chinasi e proteine fosfatasi;

le cicline sono sintetizzate e degradate durante le diverse fasi del ciclo.

PUNTO DI CONTROLLO G1

I diversi segnali (dimensione cellulare etc……) segnalano alla cellula che è arrivato il momento di dividersi. Questi segnali funzionano attivando complessi Cdk-ciclina che inducono l’entrata in S fosforilando diverse proteine bersaglio.

START

PUNTO DI RESTRIZIONE

Tra metafase e anafase

PUNTO DI CONTROLLO DELL’ASSEMBLAGGIO DEL FUSO

MPF consente il superamento del punto di controllo dell’assemblaggio del fuso catalizzando una o più reazioni di fosforilazione di proteine che portano all’attivazione di un grosso complesso proteico, il complesso che promuove l’anafase (APC). Questo complesso degrada, legandoli all’ubiquitina, gli inibitori dell’anafase e la ciclina mitotica.

I punti di controllo del ciclo cellulare sono regolati da complessi Cdk-cicline. Anche se nei diversi organismi le componenti sono un po’ diverse, tutti gli eucarioti possiedono una gamma di molecole Cdk e di cicline che interagiscono in combinazioni diverse ai vari stadi del ciclo cellulare.

I complessi cdk-cicline hanno in comune:

la loro attività è regolata da reazioni di fosforilazione e defosforilazione catalizzate da proteine chinasi e proteine fosfatasi;

le cicline sono sintetizzate e degradate durante le diverse fasi del ciclo.

Il volume citoplasmatico è il fattore più critico per la regolazione del ciclo cellulare negli organismi unicellulari e svolge anche un ruolo fondamentale nel controllo della divisione cellulare nelle forme pluricellulari.

Le componenti fondamentali di questo meccanismo di regolazione che promuove o inibisce la crescita cellulare sono delle molecole segnale presenti all’esterno della cellula.

Fattori che promuovono la moltiplicazione:

fattori di crescita (ormoni, NGF….)

sostanze nutrienti (aa, vitamine…..)

Fattori che inibiscono la moltiplicazione:

differenziamento

inibizione da contatto

aumento della temperatura

veleni mitotici

agenti chimici e fisici

Schema 1

Il cancro è associato ad alterazioni dei meccanismi di controllo del ciclo cellulare

Tumori benigni

Tumori maligni

Mutazioni di uno o più geni deputati al controllo del ciclo cellulare rappresentano la maggiore causa dei tumori.

Le mutazioni che inducono il cancro sono a carico di tre classi di geni: protoncogeni, geni oncosoppressori, geni del riparo del DNA.

Caratteristiche peculiari delle cellule neoplastiche:

riprodursi indefinitamente nel tempo

perdita di adesività al substrato (metatasi)

perdita di inibizione da contatto

Oncogeni – proto-oncogeni

geni che codificano prodotti coinvolti nell’induzione della proliferazione cellulare

Oncosoppressori

geni che si oppongono alla proliferazione indefinita e promuovono l’arresto della crescita cellulare e possono favorire l’apoptosi (es. p53)

Un oncogene è un gene la cui presenza può indurre lo sviluppo di un tumore. Alcuni oncogeni derivano da mutazioni di normali geni cellulari (protoncogeni) mentre altri sono introdotti nelle cellule da virus oncogeni (che inducono i tumori). In entrambi i casi gli oncogeni codificano per proteine che stimolano in modo eccessivo la proliferazione cellulare.

Alcuni oncogeni codificano per forme alterate e iperfunzionanti della proteina, mentre altri inducono la iperproduzione della forma normale della proteina. In entrambi i casi il risultato finale è una iperstimolazione della via del segnale mediato dai fattori di crescita e quindi una eccessiva proliferazione cellulare.

Quali tipi di mutazioni possono trasformare un gene normale (proto-oncogene) in un gene che induce lo sviluppo di un tumore, e cioè un oncogene?

Alcune mutazioni che inducono il cancro sono provocate da agenti chimici che danneggiano il DNA e dalle radiazioni, altre derivano da mutazioni spontanee del DNA e da errori della replicazione. Alcune mutazioni che contribuiscono allo sviluppo dei tumori possono anche essere ereditate o essere introdotte nelle cellule da infezioni virali.

Tab.2

La maggior parte dei tumori umani non è associata a infezioni virali.

Virus del papilloma umano (HPV)

Virus di Epstein Barr (EBV) (linfoma di Burkitt)

Un tumore può essere causato anche dalla assenza o inattivazione di geni oncosoppressori.

Il gene p53 è uno dei geni più frequentemente mutato nei tumori umani.

p53 è la proteina “guardiano del genoma” protegge la cellula dagli effetti dei danni al DNA.

Con la sua capacità di indurre l’arresto del ciclo cellulare e/o la morte cellulare, la proteina p53 funziona come un semaforo rosso che, in presenza di danni al DNA, blocca la proliferazione cellulare impedendo alla cellula di trasmettere il danno alle cellule figlie.

La perdita della funzione di p53 può contribuire allo sviluppo di un tumore in quanto consente la sopravvivenza e la riproduzione di cellule che hanno danni al DNA.

Fasi dell’apoptosi:•Disgregazione del nucleolo•Taglio lamina•Condensazione e taglio della cromatina in frammenti di 180-200 paia di basi•Migrazione dei granuli compatti di cromatina degradata verso la periferia del nucleo e verso la membrana plasmatica dove vengono circondati da evaginazioni della membrana che conferiscono alla cellula un aspetto a bolla (blebbing)•Le blebs si staccano dal corpo cellulare trascinando con sé citoplama e materiale cellulare-corpi apoptotici-fagocitosiDurata del processo: 1-2 hr

IL CICLO CELLULARE MEIOTICO

Corredo cromosomico: l’insieme dei cromosomi in una cellula.

Cariotipo: l’insieme delle caratteristiche (numero e morfologia) che identificano un particolare corredo cromosomico.

Corredo e cariotipo sono caratteristici della specie.

Nella specie umana:

le cellule somatiche (tutte le cellule dell’organismo ad eccezione dei gameti e dei loro immediati progenitori) sono diploidi, cioè contengono due esemplari di ciascun cromosoma (uno di origine materna e uno di origine paterna). In totale contengono 46 cromosomi (22 paia di autosomi e 1 paio di cromosomi sessuali). I due esemplari di ciascun cromosoma costituiscono una coppia di “omologhi”.

i gameti sono aploidi (contengono un solo esemplare di ciascun cromosoma) e hanno perciò 23 cromosomi.

I cromosomi omologhi sono simili per dimensioni, forma e posizione dei loro centromeri.

Portano l’informazione per il controllo degli stessi tipi di caratteristiche genetiche, sebbene non necessariamente la stessa informazione genetica. (da ricordare che: i cromatidi fratelli sono perfettamente identici)

Diploide (2n) : è una cellula che contiene 2 serie di cromosomi (2 per ogni tipo).

Aploide (n): è una cellula che possiede solo un cromosoma di ogni coppia di omologhi.

Poliploide: è una cellula che contiene 3 o più serie di cromosomi (rara negli animali, comune nelle piante)

La MEIOSI si verifica solo nelle cellule germinali (o gameti) degli animali e delle piante a riproduzione sessuata. Negli organismi unicellulari (es. protozoi) la meiosi si verifica solo nei casi di riproduzione sessuale.

La meiosi consiste in due divisioni consecutive precedute da una sola duplicazione del DNA.

div. riduzionale

div. equazionale

Ciascuna delle cellule aploidi prodotta dalla meiosi II contiene un assortimento casuale di cromosomi paterni e materni. Ciascun cromosoma è inoltre il risultato della combinazione di sequenze di DNA materne e paterne creata dal crossing over durante la profase I.

FASI DELLA MEIOSI

I div. Meiotica

interfase o preleptotene 20-30 hr (duplicazione DNA)

profase I leptotene 1-2

zigotene 2-3

pachitene 7-9

diplotene 0.5-1

diacinesi 0.5

metafase I

anafase I

telofase I

II div. Meiotica

interfase II (no duplicazione DNA)

profase II

metafase II

anafase II

telofase II

In meiosi I:

Ricombinazione genetica

COMPLESSO SINAPTINEMALE

Leptotene-zigotene

All’inizio dello zigotene i telomeri dei singoli cromosomi si aggregano in una regione del nucleo e si attaccano alla membrana nucleare mentre la parte centrale del cromosoma sporge nel nucleo. Questa disposizione dei cromosomi, detta bouquet, facilita l’allineamento dei cromosomi. L’allineamento dei cromosomi di lunghezza simile facilita la formazione dei complessi sinaptonemali durante il pachitene.

Negli eucarioti superiori la formazione dei complessi sinaptinemali è strettamente associata con il processo del crossing over, ma in tale processo sono coinvolti anche altri complessi proteici, detti noduli di ricombinazione.

CROSSING OVER= interscambio di segmenti tra i due cromosomi omologhi

Come avviene:

rottura trasversale allo stesso livello su due cromatidi non fratelli;

trasposizione, rispetto al centromero, dei segmenti distali;

saldatura dei segmenti.

Tutto ciò richiede l’intervento di:

endonucleasi, esonucleasi, DNA polimerasi, ligasi.

Ciascuna delle cellule aploidi prodotta dalla meiosi II contiene un assortimento casuale di cromosomi paterni e materni (dovuto all’orientamento casuale dei bivalenti alla metafase I). Ciascun cromosoma è inoltre il risultato della combinazione di sequenze di DNA materne e paterne creata dal crossing over durante la profase I.

Uniti dai chiasmi

Risultato della mitosi: due cellule ciascuna con lo stesso numero di cromosomi della cellula parentale.

Risultato della meiosi: quattro cellule aploidi ciascuna con la metà dei cromosomi rispetto alla cellula parentale. Ciascuna cellula aploide contiene un assortimento casuale di cromosomi materni e paterni.

Quali tipi di mutazioni possono trasformare un gene normale (proto-oncogene) in un gene che induce lo sviluppo di un tumore, e cioè un oncogene?

4 meccanismi diversi:

mutazione puntiforme (es. oncogeni ras)

riarrangiamenti del DNA:delezioni o scambi di sequenza tra un proto-oncogene e i geni vicini (es. oncogene trk)

amplificazione genica (es. alcune forme di tumore del polmone: amplificazione c-myc)

traslocazione cromosomica (es. linfoma di Burkitt. Un tratto crom.8 trasloca sul crom. 2,14 o 22)