CICLO E DIVISIONE CELLULARE GENETICA MENDELIANA

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1 PON di Scienze a.s. 2013/14 Esperto prof. C. Formica CICLO E DIVISIONE CELLULARE GENETICA MENDELIANA Immagini e testi tratti dai website di: genome.wellcome.ac.uk, dnaftb.org, unipv.it, unimi.it, wikipedia.it, unibs.it, unisi.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. 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 diventano ben visibili. In questa fase che si può eseguire il CARIOTIPO 7

8 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 8

9 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 9

10 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. 10

11 Cariotipo Si esegue con la cellula in metafase (formazione del fuso), bloccando il ciclo con la COLCHICINA 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 11

12 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 12

13 La meiosi e le sue fasi Profase I: inizio della meiosi vedi next slide Diacinesi Metafase I - allineamento dei cromosomi bivalenti sul fuso mediante la tetrade Anafase I - separazione dei cromosomi omologhi e migrazione ai poli opposti della cellula, eliminazione chiasmi, dimezza il n diploide Telofase I separazione cromatidi fratelli La meiosi II inizia subito dopo meiosi I, prima della condensazione dei cromosomi. È assente l interfase; è costituita dalle stesse fasi precedenti: Profase II, Metafase II, Anafase II, Telofase II, in cui avviene di nuovo allineamento e separazione dei cromatidi fratelli Citodieresi: le cellule figlie si separano 13

14 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) 14

15 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 15

16 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. 16

17 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. 17

18 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 18

19 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. 19

20 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

21 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

22 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

23 Sistema AB0 gruppi sanguigni I A I 0 I B I A I B I B I 0 I 0 I A I 0 I 0 I 0 I A I A, I A I 0 gruppo A I B I B,I B I 0 gruppo B I A I B gruppo AB I 0 I 0 gruppo 0 D d d Dd dd DD Rh + Dd Rh + dd Rh - d Dd dd 23

24 Alberi genealogici Esempio di ereditarietà: recessiva X-linked Affetti prevalentemente i maschi Un allele recessivo viene trasmesso da un maschio affetto a tutte le figlie femmine (portatrici) che lo trasmettono al 50% dei figli maschi Non si osserva trasmissione padre-figlio maschio 24

25 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 25

26 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 -Altri organismi modello: -S. cerevisiae (lievito) --C. elegans (verme) --A. thaliana (pianta) --M. musculus (topo) --H sapiens 26