IL CICLO CELLULARE 05/05/16. Tu#e le cellule derivano da altre cellule

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1 IL CICLO CELLULARE Tu#e le cellule derivano da altre cellule Le immagini presen1 sono prese dal libro Biologia molecolare della cellula Alberts et al, Zanichelli La divisione cellulare e il ciclo cellulare. La riproduzione cellulare inizia con la duplicazione del contenuto della cellula, seguita dalla distribuzione di questo contenuto nelle cellule figlie. La duplicazione dei cromosomi avviene durante la fase S del ciclo cellulare, mentre la maggior parte degli altri componen1 cellulari sono duplica1 con1nuamente durante il ciclo. Durante la fase M, i cromosomi replica1 sono segrega1 in nuclei individuali (mitosi) e la cellula poi si divide in due (citochinesi). La fase S e la fase M sono di solito separate da fasi gap chiamate G1 e G2, in cui la progressione del ciclo cellulare può essere regolata da vari segnali intra- extracellulari. Le fasi del ciclo cellulare. La cellula cresce in modo con1nuo in interfase, che consiste di tre fasi: la replicazione del DNA è confinata nella fase S; G1 è l intervallo tra la fase M e la fase S, mentre G2 è l intervallo fra la fase S e la fase M. Nella fase M il nucleo e quindi il citoplasma si dividono. 1

2 sequenza di even, che si ripete ogni ore Fase G1 in genere occupa tra le 6 e le 12 ore nelle cellule che crescono più rapidamente. Fase S dura 6-8 ore Fase G2 è la fase più corta dell interfase Fase M è di circa 1 ora. La durata del ciclo varia molto a seconda del tipo cellulare. 2

3 Pun8 di controllo del sistema di controllo del ciclo cellulare. Informazioni sul completamento degli even1 del ciclo cellulare, oltre che segnali provenien1 dall ambiente, possono provocare l arresto del ciclo da parte del sistema di controllo in corrispondenza di pun1 di controllo specifici. I pun1 di controllo operano generalmente axraverso segnali intracellulari nega1vi, che arrestano il ciclo cellulare, invece che axraverso la rimozione dei segnali posi1vi che normalmente s1molano la progressione del ciclo. Pun8 di controllo del sistema di controllo del ciclo cellulare. G1 checkpoint: controllo delle dimensioni cellulari, della presenza di un ambiente favorevole G1/S checkpoint: controllo dell assenza di danni genetici, es. radiazioni ionizzanti possono indurre rotture nel DNA G2 checkpoint: controllo delle dimensioni, della completa duplicazione e dell integrità di tutto il materiale genetico. È durante questo checkpoint che vengono riparati gli eventuali danni rilevati al DNA. M checkpoint: controllo dell assemblamento corretto dei cromosomi al fuso mitotico 3

4 Il sistema di controllo del ciclo si basa su proteina chinasi a?vate ciclicamente. La Cdk si associa in successione con cicline diverse per scatenare i diversi even1 del ciclo. L a\vità Cdk è in genere terminata dalla degradazione della ciclina. cicline D agiscono nei momenti iniziali della fase G1; si legano con le CdK4 e 6; il loro compito è quello di guidare la transizione tra la fase G1 e la fase S. cicline E, invece, agiscono più tardivamente nella fase G1 legandosi alle Cdk2. Anche il loro legame è richiesto per la transizione dalla fase G1 alla fase S. cicline A si legano alle Cdk1 e Cdk2; queste cicline stimolano la duplicazione dei cromosomi e partecipano alla regolazione delle prime fasi della mitosi. cicline B sono le cicline mitotiche e formano un complesso con le CdK1. Queste cicline stimolano l'ingresso nella mitosi. 4

5 L a?vità della Cdk può essere soppressa sia da fosforilazione inibitrice che da proteine inibitrici La regolazione dell a?vità Cdk da parte di fosforilazione inibitrice. Il complesso ciclina- Cdk è spento quando la chiasi Wee1 fosforila due si1 molto vicini sopra il sito a\vo. La rimozione di ques1 fosfa1 da parte della fosfatasi Cdc25 porta all a\vazione del complesso. L inibizione di un complesso ciclina- Cdk da parte di una CKI. La p27 si lega sia alla ciclina che alla Cdk nel complesso, distorcendo in sito a\vo della Cdk. Si inserisce anche nel sito che lega ATP, inibendo ulteriormente l a\vità dell enzima. Il controllo della proteolisi da parte di SCF e APC durante il ciclo cellulare La fosforilazione di una proteina bersaglio come la CKI, permexe alla proteina di essere riconosciuta da SCF, che è cos1tu1vamente a\va. Con l aiuto di due proteine addizionali E1 e E2, SCF serve da ubiqui1na ligasi che trasferice molecole mul1ple di ubiqui1na sulla proteina CKI, questa viene immediatamente riconosciuta e degradata in un proteasoma. L ubiqui1nazione della ciclina M è axuata da APC, che è a\vata dall aggiunta di una subunità a\vatrice al complesso. Sia SCF che APC contengono si1 di legame che riconoscono sequenze specifiche di amminoacidi nella proteina bersaglio. 5

6 MITOSI La mitosi è il processo di riproduzione effexuato esclusivamente dalle cellule eucario1che. Il termine mitosi deriva dal greco mìtos, "filo": nome dovuto all'aspexo filiforme dei cromosomi durante la metafase. La mitosi è molto simile alla meiosi, ma si dis1ngue da essa poiché forma 2 cellule diploidi con lo stesso numero di cromosomi della cellula madre, mentre nella meiosi si formano 4 cellule aploidi con il corredo cromosomico dimezzato. La mitosi riguarda le cellule soma1che dell'organismo (ossia tuxe le cellule fuorché quelle che hanno funzione riprodu\va: i gametoci1 primari, i quali u1lizzano la meiosi) e le cellule germinali ancora indifferenziate. La mitosi si divide in varie fasi chiamate: profase prometafase metafase anafase telofase FASI DELLA MITOSI Profase: In profase, i cromosomi replica1, ciascuno consistente di due croma1di fratelli strexamente associa1, si condensano. Fuori dal nucleo, il fuso mito1co si assembla fra i due centrosomi, che si sono replica1 e separa1. 6

7 FASI DELLA MITOSI Prometafase: La prometafase inizia all improvviso, con la demolizione dell involucro nucleare. I cromosomi possono ora axaccarsi ai microtubuli del fuso tramite i loro cinetocori ed esercitare un movimento a\vo. FASI DELLA MITOSI Metafase: In metafase, i cromosomi sono allinea1 all equatore del fuso, a metà strada fra i poli del fuso. I microtubuli del cinetocore axaccano i croma1di fratelli a poli oppos1 del fuso. 7

8 FASI DELLA MITOSI Anafase: In anafase, i croma1di fratelli si separano in modo sincrono a formare due cromosomi figli e ciascuno di essi viene 1rato lentamente verso il polo del fuso che lo fronteggia. I microtubuli del cinetocore si accorciano e anche i poli del fusosi separano: entrambi i processi contribuiscono alla separazione dei cromosomi. FASI DELLA MITOSI Telofase: Durante la telofase, le due serie di cromosomi figli arrivano ai poli del fuso e si decondensano. Un nuovo involucro nucleare si riassembla intorno a ciascuna serie, completando la formazione di due nuclei e segnando la fine della mitosi. La divisione del citoplasma inizia con l assemblaggio dell anello contra\le. 8

9 FASI DELLA MITOSI Citochinesi: Durante la citochinesi, il citoplasma è diviso in due da un anello contra\le di filamen1 di ac1na e di miosina, che stringe la cellula e la divide in due per creare due cellule figlie, ciascuna con un nucleo. L a?vazione dei complessi M- Cdk scatena l ingresso in mitosi. Funzioni M- Cdk: - Condensazione cromosomi - demolizione involucro nucleare - Riarrangiamento citoscheletro - Riorganizzazione del Golgi e del RE L a\vazione della M- Cdk inizia con l accumulo di ciclina M (B) che aumenta durante la fase G2. questo aumento porta ad un accumulo graduale di M- Cdk quando la cellula si avvicina alla mitosi. Il complesso M- Cdk è fosforilato su un sito a\vatore dalla chinasi che a\va Cdk (CAK) e su una coppia di si1 inibitori dalla chinasi Wee1. Il complesso ina\vo che ne deriva viene quindi a\vato alla fine di G2 dalla fosfatasi Cdc25. Cdc25 è s1molata in parte dalla chinasi Polo, e dalla stessa M- Cdk a\va, il che porta ad un feedback pos1vo. Questo feedback è aumentato dalla capacità di M- Cdk di inibire Wee1. 9

10 MEIOSI La meiosi è un processo caraxeris1co delle cellule eucariote, essa riguarda unicamente la produzione delle cellule sessuali o game5 degli organismi pluricellulari. Con la meiosi, axraverso un processo piuxosto complesso, una singola cellula diploide, dopo aver replicato una sola volta il suo DNA, da origine a quaxro cellule figlie, i game1 appunto, dotate di un patrimonio dimezzato di cromosomi e dexe perciò aploidi. La meiosi si differenzia dall'altro processo di divisione cellulare, la mitosi, nella quale si formano due cellule figlie aven1 lo stesso patrimonio gene1co della cellula madre. PRIMA DIVISIONE MEIOTICA Nella prima divisione meio1ca si evidenziano i cromosomi, ciascuno cos1tuito da due croma1di. Ques1 cromosomi (metà di origine paterna e metà di origine materna), dopo aver subito alcuni processi durante la profase (in par1colare il crossing- over, di cui parleremo successivamente), si portano al piano equatoriale della cellula. Qui, senza dividersi nei due croma1di, si axaccano alle fibre del fuso per migrare verso i due poli in modo tale che, di ogni coppia di cromosomi omologhi, una si dirige verso un polo e l'altra al polo opposto. A conclusione della prima divisione meio1ca, si hanno così due cellule, ciascuna con la metà esaxa dei cromosomi omologhi. 10

11 PRIMA DIVISIONE MEIOTICA PROFASE I : La croma1na visibile nel nucleo cellulare, che rappresenta la massa del DNA quando la cellula svolge le sue normali a\vità metaboliche, si condensa, in modo che si formano struxure bastoncellari, i cromosomi. Ciascun cromosoma appare a forma di X, poiché è formato da due croma1di fratelli, uni1 in un punto dexo centromero. I croma1di derivano da un processo di duplicazione del DNA; pertanto, ciascuno è gene1camente iden1co all altro. In questa fase, una volta che i due cromosomi omologhi sono uni1 tra di loro, possono avvenire scambi incrocia1 di par1 più o meno lunghe di croma1di omologhi (fenomeno di crossing- over). La membrana che avvolge il nucleo si disgrega. Si forma un fascio di microtubuli proteici, che si estende da un polo all altro della cellula e le cui due estremità fanno capo a due coppie di organuli, de\ centrioli. METAFASE I : Le tetradi omologhe si dispongono simmetricamente lundo una linea immaginaria, trasversale rispexo al fuso. In tal modo, ognuna è rivolta verso uno dei due poli della cellula. ANAFASE I : Le fibre del fuso prendono contaxo con i centromeri; ciascuna tetrade migra verso un polo della cellula. TELOFASE I : Ai due poli della cellula madre si formano due agglomera1 di cromosomi aploidi, in cui è presente un solo cromosoma per ciascun 1po. I cromosomi sono ancora allo stadio della tetrade. Il citoplasma delle due cellule si ripar1sce e avviene la citodieresi, ossia la vera e propria divisione della cellula originaria in due cellule figlie dis1nte (in alcuni casi, la ripar1zione può essere incompleta). Le fibre del fuso si disgregano; i cromosomi si despiralizzano. SECONDA DIVISIONE MEIOTICA La seconda divisione meio1ca non è preceduta da alcuna duplicazione del DNA. I cromosomi, cos1tui1 da due croma1di, si portano all'equatore e si axaccano alle fibre del fuso; i due croma1di di ciascun cromosoma si separano migrando ai poli. Si formano così quaxro cellule, ciascuna con un corredo aploide di cromosomi e con un diverso assor1mento dei cromosomi di origine materna e paterna. Durante questa separazione vi è una distribuzione indipendente dei cromosomi paterni e materni per cui, alla fine, vi sarà un diverso assor1mento dei cromosomi nelle quaxro cellule figlie. 11

12 SECONDA DIVISIONE MEIOTICA PROFASE II : La croma1na si condensa nuovamente, in modo che si possono osservare i cromosomi, forma1 da due croma1di uni1 dal centromero. Si forma nuovamente il fuso di microtubuli. METAFASE II : I cromosomi si dispongono su una linea equatoriale, trasversale rispexo alle fibre del fuso, in modo che ciascun croma1dio sia rivolto verso uno dei due poli della cellula. I centromeri prendono contaxo con le fibre. ANAFASE II : I croma1di migrano ciascuno verso un polo della cellula, spostandosi verso le fibre del fuso. In tal modo, ciascun croma1dio diviene un nuovo cromosoma. TELOFASE II : Ai poli della cellula, si formano due aggrega1 di cromosomi, le fibre del fuso si disgregano, i cromosomi cominciano a decondensarsi, e si forma infine una membrana nucleare. Il citoplasma della cellula si divide in due, cosi da portare alla formazione di due cellule figlie aploidi. 12