CICLO E DIVISIONE CELLULARE GENETICA MENDELIANA LINFOCITI B E T

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1 PON di Scienze a.s. 2013/14 Esperto prof. C. Formica CICLO E DIVISIONE CELLULARE GENETICA MENDELIANA LINFOCITI B E T Immagini e testi tratti dai website di: genome.wellcome.ac.uk, dnaftb.org, unipv.it, unimi.it, wikipedia.it, unibs.it, unina.it, uniroma2.it, nih.gov, zanichelli.it, sciencemag.org, ncbi.gov

2 La divisione cellulare è necessaria durante lo sviluppo e per la rigenerazione dei tessuti. G = Gap (intervallo) S = Sintesi M = Mitosi Nella fase S il numero dei cromosomi passa da 2n a 4n e resta 4n anche in G2. 2

3 Ciclo cellulare M mitosi: profase metafase anafase telofase citocinesi (citodieresi) G2: intervallo tra sintesi DNA e mitosi; vengono sintetizzate le proteine cellulari. La cellula si prepara per la mitosi G 2 M G1: intervallo tra la Mitosi e la replicazione (fase S) del DNA. Vengono duplicati gli organuli cellulari G 1 G 0 S: replicazione (sintesi) del DNA e dei centrioli S G0: la cellula è in riposo e non si divide, ma può ritornare in G1 e dividersi di nuovo se stimolata (es. cicatrizzazione, trapianto) 3

4 Le cellule eucarioti e il ciclo cellulare Le cellule eucarioti si possono raggruppare in base alla loro capacità di dividersi in: 1-perenni (es. neuroni): non si dividono mai dopo il differenziamento, cioè escono dal ciclo e non vi rientrano più 2-stabili: la cellula smette di dividersi, entra in G0 rimanendo quiescente (a riposo) e vi rimane fino a quando non interviene uno stimolo esterno che può farla rientrare nel ciclo. Esempi 1- cellule del fegato 2- fibroblasti della pelle: il ciclo riprende in caso di ferita o di taglio chirurgico (cicatrizzazione). Anche nella coda della lucertola accade qualcosa di simile quando viene tagliata e successivamente ricresce. 3- dinamiche: non escono mai dal ciclo ma si dividono continuamente: es. staminali, cellule dell epidermide, leucociti (globuli bianchi), altre cellule del sangue ecc. 4

5 Controlli del ciclo Uno dei controlli del ciclo è esercitato dalle cicline in alcuni punti specifici Un altro è l inibizione da contatto: nelle cellule in coltura la crescita si interrompe appena le cellule vengono a contatto tra loro, quando cioè formano uno strato. Nella crescita tumorale NON avviene tale inibizione, e le cellule continuano a crescere in gran numero, facendo accrescere la massa tumorale solida. I geni oncosoppressori, presenti di norma su tutte le cellule, se normalmente funzionanti: -arrestano il ciclo cellulare quando la cellula non deve più dividersi -sono in equilibrio con i proto-oncogeni (che per mutazione danno origine agli oncogeni) -inducono la riparazione del DNA; -avviano processi di apoptosi nelle cellule danneggiate, per evitare 5 che vadano incontro a trasformazione tumorale

6 Eucromatina e eterocromatina Nella cellula diploide (2n) i due cromosomi di ogni coppia sono di provenienza materna e paterna. Nella fase S il corredo cromosomico diventa 4n (ogni cromosoma è formato da 2 cromatidi identici.) Mentre il DNA si duplica solo nella fase S, la trascrizione delle molecole di RNA avviene in modo continuo. Nella fase S la cromatina del DNA si duplica in 2 fasi: -eucromatina: poco condensata, viene replicata all inizio della fase S ed è continuamente trascritta in RNA -eterocromatina: molto condensata, viene replicata più tardi nella fase S ed è trascritta più lentamente. Presentazione a cura del prof. Ciro Formica 6

7 La mitosi e le sue fasi Profase: inizio della mitosi. Migrazione dei centrioli verso i poli opposti della cellula. La cromatina inizia a condensarsi e i cromosomi si spiralizzano: cromatina cromosomi Metafase: si completa il dissolvimento dell involucro nucleare, che era iniziato in profase i cromatidi fratelli si separano, si forma il fuso mitotico. I microtubuli del fuso si attaccano al centromero. I cromosomi si allineano sulla piastra e sono perfettamente visibili. È in questa fase che si può eseguire il CARIOTIPO Anafase: i cromatidi fratelli si separano e migrano ai poli opposti della cellula. Telofase: inizia a ricostituirsi l involucro nucleare, i cromosomi cominciano a despiralizzarsi: cromosomi cromatina Citodieresi: le cellule figlie si separano 7

8 Durata delle fasi del ciclo Il ciclo cellulare dura nel complesso ore, ripartite secondo lo schema La durata della sola MITOSI è compresa tra 60 e 70 minuti, cioè circa 1 ORA G 1 S G h 6-8 h 2-3 h profase metafase anafase telofase citocinesi INTERFASE (G 1 +S +G 2 ) MITOSI: totale 1 ora circa INTERFASE (fase del ciclo compresa tra due mitosi successive Nelle cellule embrionali le fasi G1 e G2 sono brevissime, quasi assenti, quindi prevalgono fase S e mitosi Al termine della mitosi, cioè dopo che si sono formate le 2 cellule figlie per citocinesi (citodieresi), il ciclo riprende da G 1 Nelle cellule del fegato il ciclo dura anche 1 anno 8

9 Interfase e mitosi Interfase (G1+S+G2) Profase (prometafase) Metafase Anafase Telofase Citocinesi Fuso mitotico Si forma durante le metafase e permette l allineamento dei cromosomi all equatore. Ad esso partecipano: Centrioli: organuli cellulari che si dispongono ai poli opposti della cellula in divisione; vi si attaccano i microtubuli Centromero: porzione del DNA che tiene uniti i cromatidi fratelli e consente il loro attacco alle fibre del fuso mitotico. Microtubuli: formano il fuso mitotico legandosi al centromero da un lato e ai centrioli dall altro. Tubulina: proteina dei microtubuli che ha la proprietà di ingrandirsi quando si forma il fuso e ridursi di dimensioni quando il fuso si dissolve. 9

10 Cariotipo Si esegue con la cellula in metafase (formazione del fuso) per mostrare i cromosomi ed evidenziare eventuali anomalie (es. trisomia del 21 = sindrome di Down) Il centromero divide il cromosoma in 2 bracci: braccio corto p braccio lungo q 10

11 Anomalie cromosomiche Tipo Delezione Duplicazione Traslocazione Monosomia Trisomia Poliploidia Descrizione Manca una porzione del cromosoma Presenza di un frammento di cromosoma in eccesso (talora di un cromosoma intero) Un frammento di cromosoma si è spostato su un altro cromosoma e viceversa (scambio) Di una coppia di cromosomi omologhi ne manca uno Oltre alla normale coppia esiste un terzo cromosoma (uno dei due si è duplicato) Il corredo cromosomico non è diploide ma triploide, tetraploide 11

12 La meiosi e le sue fasi Profase I: inizio della meiosi Metafase I Anafase I Telofase I Diacinesi Profase II Metafase II Anafase II Telofase II Citodieresi: le cellule figlie si separano 12

13 Profase I della meiosi Leptotene: i cromosomi assumono l'aspetto di filamenti lunghi e sottili. Zigotene: i cromosomi omologhi si appaiano due a due (sinapsi). Pachitene: i cromosomi si ingrossano e sono visibili i cromatidi fratelli. In questa fase avviene il crossing-over (scambio di materiale genetico) Diplotene: si evidenziano i cromatidi. Finita la sinapsi i cromatidi restano incrociati in punti detti chiasmi nei quali è avvenuto il crossing-over (i 4 cromatidi formano la tetrade) Diacinesi: inizia alla fine della Profase I; le tetradi formano la placca equatoriale. Si completa la prima divisione meiotica, che porta alla separazione dei cromosomi omologhi, con conseguente produzione di due cellule figlie con corredo aploide n. 13

14 Differenze tra MITOSI e MEIOSI MITOSI Cellule somatiche diploidi (2n) Fegato, pelle, neuroni, intestino, muscolari Sempre diploidi: divisione equazionale Profase-metafase-anafasetelofase Da 1 cellula madre 2 cellule figlie uguali MEIOSI Gameti (cellule germinali) aploidi (n) Ovociti (femminili) Spermatozoi (maschili) Da diploidi ad aploidi: divisione riduzionale Meiosi I: ProfaseI-metafaseIanafaseI-telofaseI-interfase Meiosi II: ProfaseII-metafaseIIanafaseII-telofaseII Crossing-over = scambio di materiale genetico Da 1 cellula madre 4 cellule figlie APLOIDI nel maschio 1 cellula uovo APLOIDE + 3 globuli polari nella femmina 14

15 Apoptosi e morte cellulare APOPTOSI = morte cellulare programmata delle cellule somatiche. Avviene dopo circa cicli, cellulari. Nello sviluppo tumorale si verificano di solito: Perdita dell apoptosi Inibizione da contatto Altra forma di morte cellulare è la Necrosi, un evento accidentale dovuto a vari fattori: Ischemia scarso afflusso di sangue a un tessuto Ipossia scarso apporto di ossigeno a un tessuto Avvelenamento, trauma, ipo/ipertermia ecc. 15

16 Procarioti: riproduzione asessuata per scissione binaria Nei batteri (procarioti) la divisione avviene in minuti e non è suddivisa in fasi come negli eucarioti. Oltre al DNA circolare possono essere presenti plasmidi (segmenti isolati di DNA) che di solito sono portatori della resistenza batterica agli antibiotici. 16

17 Trasferimento del materiale genetico nei procarioti Nei batteri il materiale genetico passa da un individuo a un altro in 3 modi: -coniugazione: i plasmidi si trasferiscono dal donatore al ricevente attraverso un pilo di coniugazione. Al termine entrambi i batteri (donatore e ricevente) conterranno il plasmide -trasduzione: un virus (batteriofago) fa da vettore da un batterio a un altro. -trasformazione: il passaggio avviene attraverso una molecola di DNA (principio trasformante). Solo in questo caso non c è contatto diretto tra batterio donatore e ricevente 17

18 Virus: ciclo litico e ciclo lisogeno Ciclo litico: il virus (fago) infetta la cellula batterica e vi inietta il proprio DNA, che poi si duplica più volte; ne nascono nuovi virus che distruggono il batterio (lisi) e poi vanno ad infettare altre cellule. Ciclo lisogeno: il batterio non viene distrutto poiché il DNA del virus si integra nel cromosoma batterico e diventa profago. 18

19 Leggi di Mendel Prima legge (dominanza dei caratteri) incrociando due linee pure differenti per un carattere, nella F1 si producono individui che manifestano il carattere dominante. Seconda legge (segregazione) ogni individuo possiede coppie di fattori per ogni gene, gli alleli (di provenienza materna e paterna) che si separano alla meiosi formazione dei gameti I due alleli possono essere uguali (omozigoti) o diversi (eterozigoti). I rapporti fenotipici delle prime 2 leggi sono 3:1 I rapporti genotipici sono 1:2:1 (1/4 omozigote dominante, 2/4=1/2 eterozigote, ¼ omozigote recessivo). In queste prime 2 leggi gli incroci avvengono tra monoibridi, es. Aa x Bb. Con la 3.legge gli incroci avvengono tra diibridi. Esempi: AaBb x AaBb

20 Incrocio tra diibridi Terza legge (assortimento indipendente) incrociando individui di linea pura che differiscono per due caratteri, nella F2 tali caratteri si separano in modo indipendente tra loro durante la formazione dei gameti, combinandosi secondo le leggi del caso. Es. incrocio tra eterozigoti per entrambi i geni : RrYy x RrYy x RY Ry ry ry RY RRYY RRYy RrYY RrYy Ry RRYy RRyy RrYy Rryy ry RrYY RrYy rryy rryy ry RrYy Rryy rryy rryy

21 2 coppie di alleli, ognuna posta su un paio di cromosomi omologhi: Seme liscio e giallo RRYY Seme rugoso e verde rryy Incrocio P: RRYY x rryy F1: RrYy 100% F2 (RrYy x RrYy ): rapporti fenotipici 9:3:3:1; Rapporti genotipici: 1/16 RRYY, 2/16 RrYY, 2/16 RRYy, 4/16 RrYy, 1/16 RRyy 2/16 Rryy, 1/16 rryy, 2/16 rryy, 1/16 rryy Omozigote dominante per i 2 caratteri: 1/16 Eterozigote dominante per un solo carattere: 6/16 Omozigote recessivo per i 2 caratteri: 1/16

22 Crossing over e ricombinazione I geni situati sullo stesso cromosoma ma in loci differenti possono essere separati l uno dall altro mediante il crossing-over. Dal crossing-over dipende la ricombinazione genica, un fenomeno che avviene durante la profase I della meiosi

23 Drosophila melanogaster (moscerino della frutta) - ha occhi rossi, corpo giallo marrone con anelli neri -i maschi sono più corti delle femmine ed hanno la parte terminale più scura -presenta dimensioni ridotte - è facilmente allevabile - caratterizzata da un rapido susseguirsi di generazioni - ha 4 cromosomi grandi ed evidenti, si tratta quindi di un ORGANISMO MODELLO Es. di alleli: Gg (corpo grigio dominante su corpo nero)

24 I linfociti Linfociti T Th (helper ) Sono caratterizzati dai recettori CD4, che riconoscono MHC-II e gli ANTIGENI estranei e riconoscono i macrofagi infetti Tc (citotossici) Sono caratterizzati dai recettori CD8: riconoscono MHC-I e l Ag estraneo. Riconoscono le altre cellule infette, che alla fine vengono lisate e distrutte dai macrofagi T-killer Particolari T-citotossici in grado di uccidere le cellule bersaglio Linfociti B Danno origine alle plasmacellule Producono particolari proteine, gli ANTICORPI

25 Linfociti Th (helper) CD-4 e macrofagi

26 Linfociti B e plasmacellule

27 Linfociti Tc (citotossici) CD-8

28 Quesiti-3 1-Qual è la corretta successione delle fasi del ciclo cellulare? 2-In quale fase del ciclo viene duplicato il reticolo endoplasmatico liscio (REL)? 3-I centrioli vengono duplicati in fase G1, G2, S o M? 4-La sintesi delle proteine cellulari avviene in fase G1, G2, S o M? 5-Qual è la fase più breve del ciclo cellulare? 6-In quale fase della meiosi avviene il crossing-over? 7-Quali strutture si attaccano ai centrioli durante la divisione cellulare? 8-Da cosa sono formati i microtubuli? 9-In quale fase della mitosi si esegue il cariotipo? 10-Cosa si intende per tetraploide? 11-Cosa si intende per delezione cromosomica? 12-Quante cellule aploidi si formano al termine delle due divisioni meiotiche (maschio)? 13-Quale modalità di trasferimento genetico dei batteri avviene senza contatto tra le cellule? 14-Quale trasferimento genetico dei batteri implica la presenza di un virus (fago)? 15-Da quale elemento batterico è veicolata la resistenza ai farmaci? 16-Quante cellule aploidi si formano al termine di ogni ciclo meiotico nella donna? 17-A quale tipo di anomalie cromosomiche appartiene la sindrome di Turner? 18-A quale tipo di anomalie cromosomiche appartiene la sindrome di Klinefelter? 19-Qual è il rapporto fenotipico della F2 dei diibridi? 20-Quanti sono gli eterozigoti dominanti per un solo carattere nei diibridi? 21-Da quali cellule hanno origine gli anticorpi? 22-Quale popolazione di linfociti riconosce i macrofagi infetti? 23-Da genitori di gruppo sanguigno AB e 0 possono nascere figli di gruppo?

29 Risposte-3 1-G1-S-G2-M 2-Il REL viene duplicato durante la fase G1 3-I centrioli vengono duplicati in fase S 4-Le proteine cellulari vengono prodotte in fase G2 5-La fase più breve è la mitosi 6-Il crossing-over avviene alla profase I (pachitene/zigotene) 7-Ai centrioli si attaccano i microtubuli 8-I microtubuli sono formati dalla proteina tubulina (cambia di dimensioni in rapporto alla formazione del fuso mitotico) 9-Il cariotipo si esegue in metafase mitotica, quando si evidenziano bene i cromosomi 10-Tetraploide: corredo cromosomico (4n) che è 4 volte quello aploide (n) 11-La delezione è l assenza di un frammento di cromosoma 12-Si formano 4 cellule aploidi 13-Senza contatto: la trasformazione batterica 14-Il fago interviene nella trasduzione 15-La resistenza ai farmaci è veicolata dai plasmidi 16-Se ne forma solo 1 (che maturerà in ovocita). Le altre 3 diventeranno globuli polari 17-Turner: monosomia X0 (45 cromosomi, manca un cromosoma X) 18-Klinefelter: trisomia dei cromosomi sessuali (XXY) 19-Rapporto fenotipico nei diibridi 9:3:3:1 20-Eterozigoti dominanti nei diibridi: 3/8 (6/16) 21-Gli anticorpi sono prodotti dalle plasmacellule (derivanti dall attivazione dei linfociti B) 22-I macrofagi infetti vengono riconosciuti e attivati dai linfociti T helper