La riproduzione cellulare - Ciclo cellulare, mitosi e meiosi

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1 La riproduzione cellulare - Ciclo cellulare, mitosi e meiosi Henrietta Lacks e le cellule HeLa Henrietta Lacks morì nel 1951 per un tumore al collo dell utero. Nella vita Henrietta non uscì mai dal Maryland e dalla Virginia, ma le sue cellule sono ancora oggi utilizzate in tutto il mondo e sono state addirittura spedite nello spazio. George e Margaret Gey del John Hopkins Hospital di Baltimora, Maryland, isolarono cellule da una biopsia del tumore di Henrietta e si accorsero che queste cellule, una volta messe in coltura, crescevano molto più velocemente di qualsiasi altra cellula avessero mai visto. Pochi mesi dopo Henrietta morì e lo stesso giorno George Gey annunciò in televisione della fantastica scoperta delle cellule HeLa (in onore di Henrietta), che avrebbe potuto portare un giorno a scoprire la cura per debellare il cancro. Capire il ciclo di divisione cellulare e il suo controllo è importante per capire il cancro, ma la divisione cellulare è alla base della crescita, della riproduzione e dello sviluppo di ogni organismo

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3 Gli eventi che devono susseguirsi perché una cellula si divida - Presenza di un segnale riproduttivo (originato all interno o all esterno della cellula) - La replicazione del DNA ( per fare in modo che le nuove cellule abbiano un corredo genetico completo) - La segregazione (distribuzione ordinata del DNA alle due cellule figlie) - La citodieresi (la separazione delle due cellule figlie)

4 I procarioti si dividono per scissione binaria

5 La cellula eucariotica si divide per mitosi o meiosi Le cellule figlie sono identiche alla cellula genitrice, sia per la quantità sia per il tipo di DNA. Tipica delle cellule somatiche Le cellule figlie non sono uguali ai progenitori; in quanto la quantità di materiale genetico è dimezzata ed è diverso. Produce quindi diversità genetica Tipica delle cellule germinative implicate nella riproduzione sessuale Alcune cellule si dividono molto rapidamente e in continuazione (es. sviluppo durante i primi stadi embrionali) Altre cellule non si dividono affatto (es. neuroni del cervello) I segnali per la divisione sono controllati!

6 Il ciclo cellulare Periodo compreso tra una divisione cellulare la successiva Suddiviso in mitosi/citodieresi e interfase L interfase ha 3 sottofasi G1 ogni cromosoma è una singola molecola di DNA (differenze di lunghezza di G1 sono responsabili della diversa lunghezza dei cicli cellulari). Cellule che non si dividono possono entrare in una fase di quiescenza (G0) S avviene la replicazione del DNA. Ogni cromosoma viene duplicato e risulta ora formato da 2 cromatidi fratelli G2 la cellula sintetizza le strutture necessarie per la mitosi

7 La regolazione del ciclo cellulare L avanzamento del ciclo cellulare dipende dall attività di proteine chinasi ciclina-dipendenti (Cdk) Le Cdk sono attivate dal legame con le cicline La prima Cdk fu individuata nell uovo di riccio di mare (maturation promoting factor MPF). Coinvolta nel passaggio tra G1 e S Punto di restrizione (R)

8 Le successioni delle fasi del ciclo cellulare sono finemente regolate I differenti complessi ciclina-cdk funzionano come punti di controllo del ciclo cellulare (checkpoint) Ci sono 3 punti di controllo in interfase e 1 in mitosi (G1-Cdk; S-CdK; G2-M-Cdk; M-Ckd) Diversi complessi ciclina-cdk regolano la progressione del ciclo Le cicline sono transitorie nel ciclo cellulare

9 Prima della mitosi il DNA viene impacchettato in cromosomi estremamente compatti I cromosomi sono i portatori dell informazione genetica negli eucarioti Composti da cromatina (DNA e proteine associate) Cromatina sotto forma di lunghi e sottili filamenti parzialmente srotolati: aspetto granulare al microscopio Al momento della divisione cellulare cromatina si condensa e i cromosomi diventano visibili

10 I nucleosomi

11 Organizzazione di un cromosoma eucariotico in mitosi. Il nucleosoma, formato da DNA e istoni, è la struttura fondamentale Cromosomi mitotici al SEM

12 Durante l interfase il DNA la cromatina che forma ogni cromosoma è meno impacchettata e consiste di una singola molecola di DNA. In questa fase il DNA è accessibile alle proteine per la sua replicazione e trascrizione Durante la fase S, il DNA si duplica, ed ogni cromosoma risulta ora così costituito da 2 molecole di DNA (cromatidi fratelli) Quando si forma il cromosoma mitotico, molto compatto, il DNA non è più accessibile a fattori di replicazione e trascrizione

13 La mitosi

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15 Cromosomi e microtubuli Profase Prometafase Metafase Anafase Telofase Citodieresi

16 Movimento dei cromosomi durante l anafase Proteine motrici associate al complesso del cinetocore consentono lo spostamento del cromosoma in direzione della terminazione del microtubulo; contemporaneamente. Azione è accoppiata a disassemblaggio di subunità di tubulina con conseguente accorciamento dei microtubuli del cinetocore

17 La citodieresi è la divisione del citoplasma Cellula animale Cellula vegetale

18 Il sommario del ciclo cellulare

19 La divisione non regolata è alla base del cancro Perché le cellule HeLa si riproducono così bene in laboratorio? In tessuti normali il tasso di divisione cellulare è compensato dal tasso di morte cellulare. Le cellule HeLa continuano a crescere perché hanno uno sbilanciamento genetico che favorisce la riproduzione cellulare rispetto alla morte. Henrietta fu infettata dal papilloma virus umano, che ha favorito la divisione delle cellule della cervice uterina. Inoltre in queste cellule è over-espresso il gene di un enzima chiamato telomerasi che mantiene il DNA intatto, prevenendo la morte cellulare. Questa combinazione determina lo straordinario tasso di crescita delle cellule HeLa.

20 La meiosi è una divisione cellulare che riduce (dimezza) il numero di cromosomi Le cellule somatiche dell uomo hanno 46 cromosomi, costituiti da 23 coppie di omologhi (uno di origine paterna, l altro materna) corredo cromosomico diplode (2n) I cromosomi omologhi contengono l informazione per gli stessi caratteri, ma l informazione non è necessariamente identica Per garantire il successo della riproduzione sessuata (fusione di gameti maschile e femminile), ogni gamete deve avere un corredo cromosomico aploide (n), e ristabilire il corredo 2n nello zigote Il cariotipo umano. 23 coppie di cromosomi (2n)

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22 Appaiamento dei cromosomi omologhi e crossing-over Nella profase I i cromosomi omologhi sono uniti da un complesso sinaptinemale Una tetrade meiotica con due chiasmi

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24 La meiosi in sintesi La meiosi consiste di 2 divisioni nucleari successive meiosi I e meiosi II (senza duplicazione del DNA tra una e l altra). Con la meiosi I si disgiungono i cromosomi omologhi Con la meiosi II si separano i cromatidi fratelli Nel frattempo in meiosi I avviene il crossing over con scambi di materiale genetico tra cromatidi non-fratelli Risultato: da 1 cellula 2n si ottengono 4 cellule n geneticamente differenti e uniche

25 La meiosi è alla base della riproduzione sessuata Questo tipo di riproduzione è molto dispendiosa (richiede la produzione di gameti, la ricerca del partner, il nutrimento dell embrione), ma premia decisamente la discendenza che, avendo caratteri nuovi avrà maggior probabilità di adattarsi ai cambiamenti dell ambiente. Ma da dove viene questa maggior variabilità dei caratteri? Ormai la risposta dovrebbe essere semplice: «dalla meiosi», ed in particolare: - dall assortimento indipendente dei cromosomi omologhi (è il caso che decide quale degli omologhi finisca in una cellula o nell altra con la meiosi I) - Il crossing over durante la profase I Questi processi sono naturalmente anche alla base della variabilità individuale nella nostra specie

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27 Gametogenesi

28 Cenni su fecondazione e sviluppo embrionale La fecondazione consiste di 4 fasi: - Lo spermatozoo prende contatto con l uovo - Lo spermatozoo (o soltanto il nucleo) penetra all interno dell uovo - L uovo subisce un processo di attivazione cambiamenti che danno inizio allo sviluppo embrionale - I nuclei (pronuclei) di uovo e spermatozoo si fondono Zigote Cellula totipotente

29 Le fasi dello sviluppo embrionale - Segmentazione Una serie di rapide mitosi senza periodi di crescita cellulare - Gastrulazione Processo embrionale che consiste di movimenti e differenziamento cellulari utili all individuazione dei foglietti (tessuti) embrionali: ectoderma, endoderma, mesoderma - Organogenesi Formazione dei vari tessuti e organi dai tre foglietti embrionali

30 Film segmentazione e gastrulazione

31 Lo sviluppo embrionale dell uomo

32 Lo sviluppo embrionale dell uomo nella terza e quarta settimana di gravidanza Corrisponde alle fasi di gastrulazione, neurulazione e prime fasi di organogenesi

33 Dopo la gastrulazione (2 a e 3 a settimana di gravidanza), inizia a formarsi la notocorda che induce la formazione della placca neurale e successivamente del tubo neurale. Alla 5 a sett. Si differenziano porzione anteriore, media e posteriore dell encefalo Tutti gli organi (organogenesi) continuano a svilupparsi durante il secondo mese di gravidanza. Si sviluppano i muscoli e l embrione acquista capacità di movimento e l encefalo inizia a mandare impulsi semplici. Dopo i primi 2 mesi di gravidanza l embrione viene definito feto. Embrione umano alla 6 a settimana di gravidanza Alla fine del I trimestre il feto misura ca 5,6 cm, pesa 14 g e mostra le tipiche sembianze umane.

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