MITOSI. Processo continuo ma divisibile in 6 fasi: 1.Profase 2.Prometafase 3.Metafase 4.Anafase 5.Telofase

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1 MITOSI Il significato profondo della mitosi è quello di assicurare corretta ed equa ripartizione dei cromosomi materni (materiale genetico) nelle cellule figlie La mitosi è accompagnata da drastica riorganizzazione strutturale nella cellula: i cambiamenti e gli eventi mitotici sono indotti dall attività di MPF (CDK1-ciclinaB dei mammiferi) Mitosi aperta o chiusa Processo continuo ma divisibile in 6 fasi: 1.Profase 2.Prometafase 3.Metafase 4.Anafase 5.Telofase

2 Ad ogni fase si osservano cambiamenti specifici dell organizzazione cellulare

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4 PROFASE -Compattamento dei cromosomi grazie a fosforilazione delle condensine (da parte di MPF), cromosomi appaiono formati da due cromatidi fratelli (risultato della duplicazione in fase S) uniti da coesine a livello del centromero -Scomparsa del citoscheletro e organizzazione del fuso: si disgregano mt cellulari mentre crescono dai 2 centrosomi (MTCO) i mt che saranno le fibre del fuso

5 La coesina (assemblatasi durante fase S) tiene uniti i 2 cromatidi fratelli per tutta la loro lunghezza fino alla profase; con la metafase la coesina resta solo a livello centromerico dove associazione è più forte

6 PROMETAFASE Vescicolazione dell involucro nucleare innescata da depolimerizzazione di lamìne (fosforilate da CDK1) Si delinea + chiaramente fuso

7 Fuso mitotico Il fuso è una struttura bipolare di microtubuli e proteine motrici e regolatrici associate 3 classi di mt/fibre: Astrali (diffondono a raggiera dai poli vs membrana) interagiscono con cortex orientando fuso e trascinandolo verso periferia cellulare Dei cinetocori : contattano I cromosomi a livello di piastra proteica (cinetocore) e all anafase trasportano i cromatidi vs poli opposti (Inter)polari: si estendono verso polo opposto (interdigitazione) e interagiscono tra loro allontanando i due poli

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9 Durante prometafase i mt polari si allungano/accorciano rapidamente (elevata instabilità) fino a quando interagiscono con cinetocore. Il cinetocore contiene proteine motrici e proteine che controllano/generano le forze che spostano i cromosomi lungo il fuso. L interazione tra mt e cinetocore è stabilizzata sole se cromosoma è sotto tensione (cioè tirato verso poli opposti dalle fibre), se manca tensione interazione resta labile e dinamica (questo meccanismo previene difetti di segregazione)

10 METAFASE Allineamento dei cromosomi all equatore (piastra metafasica): raggiunto punto di equilibrio tra forze opposte (cromosomi ancora sotto tensione) Interviene checkpoint per controllo completo e corretto allineamento cromosomi ANAFASE Rottura legami tra cromatidi fratelli per degradazione delle coesine (promossa da APC) migrazione e segregazione dei cromatidi.

11 Il movimento dei cromatidi all anafase dipende dalla combinazione di 3 tipi di movimento delle fibre del fuso 1) Accorciamento fibre cinetocore: depolimerizzazione delle estremità + e trascinamento dei cromatidi verso estremità (poli) mediato da proteine motrici (kinesine)

12 2) Scorrimento reciproco tra fibre polari (mediato da proteine motrici) in allungamento per polimerizzazione 3) Trazione dei mt astrali verso il cortex (mediato da dineine) allontana poli del fuso e quindi cromatidi fratelli

13 L APC promuove la degradazione ubiquitina-dipendente della ciclina B (MPF) ( fine fase M) e indirettamente la distruzione delle coesine: APC infatti attiva (mediante attivazione degradazione Ub-dipendente della securina) la separasi enzima proteolitico che degrada la coesina Il segnale per l attivazione di APC arriva solo dopo che tutti I cromosomi risultano associati a fibre, sotto tensione e allineati (checkpoint del fuso)

14 Il cromosoma monolegato non è sotto duplice tensione blocco in metafase Tensione artificialmente indotta da microago anafase

15 L anafase è un momento delicato della mitosi Difetti nel checkpoint del fuso possono possono provocare segregazione anomale dei cromatidi aneuploidie : si generano cell con un cromosoma in più o in meno

16 Importanza dei centrosomi Errori di segregazione (tipici di cellule maligne) possono derivare da centrosomi in più (errori di duplicazione dei centrosomi)

17 TELOFASE Ripolimerizza involucro nucleare Vescicole derivate dagli organelli si riorganizzano in organelli funzionali Inizia abbozzo di separazione cellulare: invaginazione di membrana In genere questa prima invaginazione è perpendicolare e mediale rispetto ad asse del fuso

18 CITOCHINESI Sotto invaginazione si forma solco di separazione dove si accumulano filamenti di actina e di proteina motrice miosina anello contrattile che per scorrimento dei microfilamenti si stringe sempre più separazione citoplasmatica completa

19 Lo scorrimento dei microfilamenti è analogo a quello durante la contrazione muscolare

20 Nelle cellule vegetali la citochinesi avviene senza solco di scissione / anello contrattile. La cellula è divisa in due da una piastra cellulare formata da vescicole provenienti dal Golgi: la membrana delle vescicole formerà la nuova membrana plasmatica di separazione, il contenuto delle vescicole produrrà parete. L assemblaggio è guidato da una struttura chiamata «fragmoplasto» derivante dai mt polari residui

21 MEIOSI La meiosi è la divisione cellulare che consente la produzione di gameti in tutti gli organismi che si riproducono per via sessuata Avviene solo nelle cellule germinali Dimezza il numero di cromosomi: Cellule diploidi (2n) cellule aploidi (n) In questo modo alla fecondazione, l unione tra 2 gameti ripristina stato 2n

22 Negli animali che si riproducono per via sessuata le cellule somatiche e della linea germinale svolgono funzioni diverse: germinali (segregano precocemente) trasmettono informazione genetica alla generazione successiva) somatiche formano il corpo/supporto alla riproduzione;

23 Per capire la meiosi bisogna chiarire il concetto di cromosoma omologo Le cellule somatiche di ogni specie animale contengono un numero specifico di cromosomi, presenti sempre in coppie. Per esempio, le cellule umane hanno 46 cromosomi, suddivisi in 23 coppie. I due cromosomi che formano una coppia sono detti cromosomi omologhi. Cromosomi omologhi due cromosomi omologhi portano i geni che controllano le stesse caratteristiche ereditarie, nella stessa posizione o locus. Centromero Le due copie del gene sono definite alleli Cromatidi fratelli

24 Caratteristiche della meiosi come la mitosi, anche la meiosi è preceduta dalla duplicazione dei cromosomi (fase S) (quindi ogni cromosoma all inizio consiste in 2 copie identiche unite o cromatidi fratelli) Consiste in 2 divisioni nucleari consecutive (meiosi I e II) meiosi I: si separano i cromosomi omologhi meiosi II: si separano i cromatidi fratelli Durante la meiosi I (profase I) si ha appaiamento stretto e scambio di DNA tra i cromosomi omologhi

25 La suddivione in fasi è analoga alla mitosi La profase I è particolarm lunga e suddivisa in sottofasi Durante la profase I si associano le coppie di cromosomi omologhi formazione delle tetradi (poiché ogni cromosoma è in realtà composto di 2 cromatidi) L appaiamento si completa in zigotene

26 Durante pachitene si completa organizzazione del complesso sinaptonemale : una struttura di proteine ed enzimi che tengono uniti i cromosomi omologhi e permettono scambio di segmenti di DNA da un cromatide (materno) ad un altro (paterno): crossing over

27 Le tetradi man mano si separano e in fase di diplotene restano unite solo a livello dei chiasmi (=punti dove si è verificato crossing over)

28 METAFASE I I chiasmi aiutano i cromosomi omologhi a posizionarsi rispetto alla piastra metafasica Ogni elemento della coppia di omologhi si dispone ai due lati della piastra metafasica e solo un centromero dei 2 cromatidi fratelli è agganciato dalle fibre polari cromatidi fratelli restano uniti

29 In Anafase I si separano i cromosomi omologhi e si producono 2 cellule figlie, ognuna con un assetto cromosomico aploide (anche se con contenuto di DNA doppio, dato che i cromosomi sono ancora formati da 2 cromatidi). Le fasi della meiosi: MEIOSI I: i cromosomi omologhi si separano INTERFASE PROFASE I METAFASE I ANAFASE I Centrosomi (con due coppie di centrioli) Siti del crossing-over Fuso Microtubuli attaccati al cinetocore Piano equatoriale I cromatidi fratelli restano uniti Membrana nucleare Cromatina Cromatidi fratelli Tetrade Centromero (con il cinetocore) I cromosomi omologhi si separano

30 Subito dopo meiosi I segue la meiosi II (con andamento simile alla mitosi) : all anafase II si separano i cromatidi fratelli di ogni coppia; si formano in tutto 4 cellule aploidi (n) MEIOSI II: i cromatidi fratelli si separano TELOFASE I E CITODIERESI Solco di scissione PROFASE II METAFASE II ANAFASE II TELOFASE II E CITODIERESI I cromatidi fratelli si separano Si formano quattro cellule figlie aploidi Figura 8.14 (parte 2)

31 Anafase I separazione degli omologhi (coesina resta a livello dei centromeri tenendo uniti cromatidi fratelli) Anafase II separazione dei cromatidi fratelli (coesina è degradata)

32 Confronto mitosi-meiosi Entrambe precedute da duplicazione del DNA Meiosi solo in cellule specifiche 2 divisioni nucleari successive Determina un dimezzamento del numero dei cromosomi Durante la profase I sinapsi tra gli omologhi e c.o. Mitosi Avviene in tutte le cellule (n e 2n) 1 sola divisione nucleare Genera 2 nuclei con lo stesso numero di cromosomi della cellula genitrice Non sinapsi tra omologhi, comportamento indipendente dei cromosomi no appaiamento omologhi

33 La meiosi contribuisce alla variabilità genetica mediante: 1)Assortimento cromosomico indipendente (orientamento dei cromosomi durante la metafase I è casuale) nuove combinazioni di cromosomi materni/paterni 2) Crossing over nuove combinazioni di geni

34 La disposizione casuale delle coppie di cromosomi omologhi durante la metafase I genera molte differenti possibili combinazioni di cromosomi nei gameti (nell uomo ben 2 23!!). N combinazioni= 2 n (n= numero aploide di cromosomi) Possibilità 1 Possibilità 2 Metafase della meiosi I: sono egualmente possibili entrambe le disposizioni dei cromosomi Metafase della meiosi II Gameti Combinazione 1 Combinazione 2 Combinazione 3 Combinazione 4

35 il crossing-over aumenta ulteriormente la variabilità genetica, producendo nuove combinazioni geniche sottoforma di cromosomi ricombinanti Geni per il colore del pelo C c C 1 Geni per il colore degli occhi E e E Tetrade (coppia di cromosomi omologhi in sinapsi) I cromatidi omologhi si spezzano c e 2 I cromatidi omologhi si saldano insieme. C c E e Chiasma C C c c C C c c 3 I cromosomi omologhi si separano (anafase II) 4 E e E e I cromosomi si separano (anafase II); la meiosi ha termine. E e E e Cromosoma parentale Cromosoma ricombinante Cromosoma ricombinante Cromosoma parentale Si producono gameti di quattro tipi genetici diversi.

36 Anomalie di segregazione cromosomica nella meiosi Non disgiunzione all anafase I e II (più frequenti nell ovogenesi) Non-disgiunzione durante la meiosi I Meiosi I normale Meiosi II normale Non-disgiunzione durante la meiosi II Gameti n + 1 n + 1 n 1 n 1 Gameti n + 1 n 1 n n Numero dei cromosomi Numero dei cromosomi Cellula uovo n + 1 Spermatozoo n (normale) Zigote 2n + 1

37 Nella maggior parte dei casi, alterazioni nel numero dei cromosomi un embrione con un numero errato di causano l aborto spontaneo, prima della nascita. Certe anomalie nel numero di cromosomi possono consentire la nascita e la sopravvivenza. Per es. non disgiunzione durante divisione meiotica può produrre gamete aneuploide che fecondato darà embrione con trisomia 21 sindrome di Down 5000

38 Riproduzione degli organismi Riproduzione sessuata: mediante fusione di gameti (dispendiosa dal punto di vista energetico, lunga, elaborata, vantaggio della variabilità e rimescolamento genetico) Riproduzione asessuata: mediante vari meccanismi che non richiedono gameti (rapida, diretta, poco dispendiosa in termini di energia e strutture, semplice, non introduce variabilità) La sessualità è intesa come scambio di informazioni genetiche e non è sempre direttamente collegata al fenomeno riproduttivo (ci sono organismi che si riproducono per via assessuata ma che hanno fenomeni di sessualità, ad es i batteri)

39 Fenomeni di sessualità nei batteri

40 Anche in alcuni protozoi (eucarioti unicellulari) che normalmente si riproducono per via asessuata si osservano fenomeni sessuali La sessualità consiste nello scambio e ricombinazione di materiale genetico VARIABILITA

41 Modi di riproduzione asessuata Scissione binaria (procarioti, protozoi) Scissione multipla (protisti) Gemmazione (protisti, celenterati, tunicati) Frammentazione (platelminti, vegetali) Sporulazione (batteri, funghi, vegetali) Partenogenesi (da uova non fecondate di insetti, uccelli, rettili) La riproduzione asessuata trasmette fedelmente i caratteri del genitore

42 Il ciclo vitale degli organismi comprende fasi aploidi e diploidi, con una diversa predominanza dell una sull altra Fenomeni di fusione e scambio di DNA I batteri solo fase n Nei funghi brevissima fase 2n (meiosi sporica: dopo fusione dei gameti, lo zigote va incontro a meiosi generando spore n) Nelle piante inferiori, come i muschi, entrambe le fasi sono rappresentate in modo significativo dando luogo a corpi multicellulari complessi sia 2n che n Anche nelle piante superiori c e un alternanza di generazioni n e 2n, ma la generazione n è ridotta e vestigiale. Negli animali cicli vitali dominati da fase 2n: la meiosi (gametica) produce gameti n e quindi la fase aploide del ciclo è limitata a queste cellule specifiche.

43 I gameti sono cellule sessuali specializzate aploidi prodotte dai genitori per meiosi. Si formano per gametogenesi a partire da cellule linea germinale. Differenze tra ovogenesi e spermatogenesi -Nel maschio i 4 prodotti aploidi, spermatidi, della meiosi sono conservati e si differenziano in spermatozoi funzionali; -nella femmina, le divisioni meiotiche sono asimmetriche e si genera una sola cellula uovo funzionale e 3 o 2 globuli polari che degenerano. L uovo è molto voluminoso con un citoplasma ricco di nutrienti.

44 Nell uomo le cellule progenitrici della linea germinale (PGC)si individuano precocemente nell embrione Le PGC migrano poi nelle creste genitali da cui origineranno le gonadi La migrazione è guidata dalla fibronectina

45 La spermatogenesi avviene poi nella gonade maschile (testicolo) dell adulto all interno dei tubuli seminiferi Gli spermatogoni maturano in senso centripeto dalla parete verso il lume del tubulo seminifero, nella parete del tubulo quindi si trovano tutti gli stadi maturativi della spermatogenesi

46 Gli spermatidi aploidi continuano la gametogenesi con un differenziamento morfologico marcato (spermioistogenesi) per dare gli spermatozoi Acrosoma (vescicola ripiena di enzimi litici) Nucleo condensato (protammine invece di istoni) flagello

47 L ovogenesi avviene nella gonade femminile (ovario) all interno dei follicoli Scandita da specifico pattern di ormoni prodotti da ipofisi e da ovario

48 Il gamete femminile è immobile, voluminoso con citoplasma ricco di sostanze di riserva, molecole e strutture (ribosomi, mrna, trna, proteine) che guideranno le prime fasi di sviluppo dello zigote Nella donna l ovogenesi inizia prima della nascita bloccandosi in meiosi I (oociti primari) fino alla pubertà -dalla pubertà maturazione periodica di un oocita che arriva a metafase II -Completamento della meiosi solo dopo fecondazione.

49 La gametogenesi è temporalmente, qualitativamente e numericamente diversa tra maschio e femmina. Maschio produzione continua e massiccia da pubertà a tarda età; femmina: produzione limitata (400 ovociti) da pubertà a menopausa gameti vecchi fenomeni di non disgiunzione Morfologie e ruoli diversi: spz solo nucleo e centrioli, uovo fornisce tutto resto! (Fenomeno dei cromosomi a spazzola negli oociti)

50 FECONDAZIONE Fusione di 2 gameti zigote 2n Le uova hanno struttura diverso a seconda del tipo di fecondazione (int. / esterna) La membrana vitellina permette riconoscimento specie-specifico tra SPZ e uovo

51 Lo SPZ penetra lo strato protettivo attorno all uovo digerendolo mediante reazione acrosomale L adesione tra membrana di SPZ e membrana uovo è mediata da specifiche adesine

52 Reazione acrosomale Gli enzimi liberati demoliscono zona pellucida e consentono a SPZ di raggiungere la membrana

53 Strategie per evitare polispermia 1) blocco rapido (non nei mammiferi) Un volta entrato nucleo SPZ, la polarità di membrana dell uovo si inverte in modo da far staccare altri SPZ adesi

54 Strategie per evitare polispermia 2) blocco lento: reazione corticale Esocitosi dei granuli corticali provoca distacco ed indurimento della membrana vitellina che diventa m. di fecondazione. Dopo ingresso del nucleo maschile la meiosi II del nucleo femminile riprende (era bloccato in metafase II) e si completa; nucleo maschile si decondensa Fusione tra i 2 nuclei (anfimissi) e formazione dello zigote Nei mammiferi reazione zona pellucida : modificazione delle proteine di adesione/riconoscimento tra uovo e spermatozoi mancato riconoscimento tra SPZ e uovo

55 La reazione corticale è innescata da vie di trasduzione del segnale (proteine G) che inducono rapidissimo aumento di Ca 2+ intracellulare