IL CICLO CELLULARE ciclo cellulare: la serie di eventi che definiscono

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1 IL CICLO CELLULARE Le cellule si riproducono duplicando il loro contenuto e dividendosi in due cellule figlie. A differenza degli animali, lo sviluppo delle piante è principalmente post-embrionale: nuovi organi, come foglie, radici e fiori, si originano continuamente da divisioni cellulari seguite da crescita cellulare e differenziamento che avvengono durante il ciclo vitale dell organismo. Queste divisioni cellulari avvengono principalmente nei tessuti meristematici, costituiti da cellule totipotenti che non smettono mai di dividersi per tutta la vita della pianta. Solitamente però la maggior parte delle cellule che costituiscono il corpo di una pianta vanno incontro a un processo di differenziamento e non si dividono ulteriormente. La riproduzione di una cellula è un processo chiaramente molto complesso e l insieme degli eventi connessi con tale fondamentale funzione costituisce il ciclo cellulare: la serie di eventi che definiscono il corso della vita di una cellula dal momento in cui si origina per divisione della cellula madre al momento in cui si divide a sua volta per generare due cellule figlie.

2 IL CICLO CELLULARE Il ciclo cellulare mitotico racchiude quattro fasi sequenziali nelle quali viene temporalmente distinta la replicazione del materiale genetico dalla segregazione dei cromosomi duplicati nelle due cellule figlie. Periodi di intervallo (fasi G) intercorrono tra la replicazione del DNA (fase S) e la segregazione dei cromosomi (fase M). Il primo intervallo, noto come fase G1, intercorre tra la precedente mitosi (che ha generato la cellula) e la successiva fase S. Il secondo intervallo, o fase G2, è invece interposto tra la fase S e la successiva mitosi (fase M). Quindi le cellule che si trovano in una fase G2, sono distinguibili dalle cellule che si trovano ancora in una fase G1 perché contengono un contenuto doppio di DNA. Interfase 1. E il momento più attivo per la cellula 2. Si attuano i normali processi cellulari, come anche la replicazione del DNA 3. Due fasi Gap (G1 and G2) 4. Una fase di sintesi (S) 5. Una fase time out (G0) in cui inizia il differenziamento (per es. divisione delle cellule cambiali)

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4 IL CICLO CELLULARE Gap 1 1. Durante G1 avvengono le attività cellulari necessarie alla sintesi dei costituenti cellulari e la riacquisizione delle dimensioni di una cellula adulta 2. Questa è la fase più variabile tra i tipi cellulari, G1 è lunga per cellule che si dividono lentamente e è corta per le cellule che si dividono rapidamente. Gap 2 1. Durante G2 la cellula si prepara alla divisione mitotica, è una fase solitamente breve. Sintesi delle tubuline del fuso mitotico e di altre proteine che interagiscono con i cromosomi durante la segregazione (fase G2). 2. Le cellule in G2 hanno un contenuto doppio di DNA Gap 1 e 2 I principali punti di regolazione del ciclo cellulare sono posizionati alle interfaccie delle fasi G1/S e delle fasi G2/M. Sono questi i punti di regolazione che stabiliscono se le cellule vanno incontro a successive divisioni o intraprendono un processo di differenziamento.

5 Negli organismi eucariotici, un insieme di molecole attive all interno della cellula, le proteine chinasi-ciclina dipendenti (CDK), innescano e regolano la sequenza di eventi chiave del ciclo cellulare. Si tratta di una classe di chinasi che richiedono per l attivazione un legame con una proteina regolativa, la ciclina, e che riconoscono come bersaglio altre proteine con una serina o treonina seguite da una prolina. Le CDK, catalizzano il trasferimento del gruppo fosfato dell ATP al residuo laterale di serine e treonine e mediante la fosforilazione e la defosforilazione, attivano o disattivano le proteine cellulari nei momenti di transizione dalla fase G1 alla fase S e da G2 a M, attivando rispettivamente la duplicazione del DNA e la mitosi. Nelle piante ci sono sia alcune classi di CDK con funzioni omologhe rispetto a quelle animali, sia alcune classi specifiche (CDKB). Le piante posseggono uno elevato numero di cicline (molte più che negli altri organismi) funzionalmente simili a quelle presenti nei mammiferi (cicline tipo A, B, C, D e H). L alto numero di cicline riscontrato nelle piante potrebbe riflettere la maggiore plasticità di sviluppo dei vegetali rispetto agli animali necessaria per rispondere a stimoli interni ed esterni.

6 REGOLAZIONE DEL CICLO CELLULARE In uno schema abbastanza generale, le cicline tipo-a appaiono all inizio della fase S e sono coinvolte nella sua progressione per poi essere degradate nella fase di transizione G2/M; le cicline tipo-b appaiono durante la fase G2 e presiedono il controllo della fase G2/M e l inizio della mitosi per poi essere degradate durante l anafase; le cicline di tipo-d regolano la transizione G1/S

7 La via degradativa delle cicline avviene per proteolisi attraverso il sistema ubiquitinaproteasoma (peptide di 76 amminoacidi, altamente conservato tanto nei procarioti quanto negli eucarioti) che utilizza l ubiquitina per marcare le proteine cha vengono quindi indirizzate al proteosoma per essere degradate.

8 LE CICLINE (SUBUNITÀ REGOLATRICI DELLE CDK) Proteine di Kda, chiamate "cicline" perché la loro abbondanza varia durante il ciclo cellulare, ovvero "ciclano", con dei picchi in fasi particolari. Nelle piante sono noti moltissimi cloni codificanti per putative cicline = famiglia multigenica. L'associazione fra cicline e CDK porta alla fosforilazione delle CDK, con attivazione della loro attività chinasica. La regolazione dell'abbondanza delle cicline è estremamente importante. Vengono regolate sia mediante regolazione della loro sintesi sia mediante regolazione della loro degradazione. Molte hanno il "destruction box", ovvero il dominio che media la degradazione via-ubiquitina; inoltre molte hanno la sequenza PEST, che conferisce alle proteine che la portano un rapido turn-over. Le cicline sono quindi molecole molto instabili. Sono note finora diverse classi di cicline classificate in base a caratteristiche del cyclin box (A1, A2, A3, B1, B2, C, D).

9 REGOLAZIONE DEL CICLO CELLULARE DA PARTE DEL COMPLESSO CICLINE/CDK Le cicline di tipo-d (Cyc-D) svolgono un ruolo fondamentale nella transizione G1/S e nel superamento del punto di restrizione. Questa funzione si esplica principalmente nella fosforilazione ed inattivazione di una proteina regolatrice molto importante, chiamata Rb, la cui mutazione nell organismo animale, è associata alla formazione del retinoblastoma e di altre neoplasie. A questo stadio del ciclo cellulare è fondamentale l attività dei fattori di crescita E2F coinvolti nella trascrizione dei geni necessari per la transizione G1/S. La CDK-A attivata dalla ciclina-d (complesso CDK-A-Cyc-D) fosforila e inattiva la proteina Rb, che non è più in grado di legare E2F; a questo punto E2F è libero di attivare la trascrizione di geni che portano la cellula in fase S. Quando la proteina Rb non è fosforilata lega il fattore di trascrizione E2F bloccando l espressione dei geni regolati da questo fattore.

10 REGOLAZIONE DEL CICLO CELLULARE DA PARTE DEL COMPLESSO CICLINE/CDK

11 REGOLAZIONE DELLA DIVISIONE CELLULARE IN ARABIDOPSIS Le piante hanno un meccanismo di regolazione unico che permette di bloccare le cellula anche in G2. Nelle piante, il livello di CDK (Cyclin Dependent Kinases) fluttua durante il ciclo cellulare, ed è correlato positivamente sia con la proliferazione cellulare sia con la competenza delle cellule a dividersi. Espressione della CDK di Arabidopsis (CDC2aAt): meristemi apicali di radice e germoglio (SAM e RAM); foglie molto giovani, in via di sviluppo; Non è espressa in foglie completamente distese; Nel SAM l'espressione di CDC2aAt corrisponde al pattern di attività mitotica evidenziabile mediante incorporazione di timidina triziata; Nel RAM è quasi assente nel centro quiescente, ma espressa ad alto livello nelle cellule adiacenti in rapida divisione. Nella zona appena sopra l'apice radicale è espressa nel cilindro centrale e nel periciclo. Nel periciclo l'espressione non è limitata alle zone in divisione (produzione di radici laterali), bensì l'espressione è localizzata in tutto il periciclo, diminuendo man mano nelle zone più vecchie della radice. Nei fiori ha un pattern di espressione "discreta" che è in accordo con le zone di divisione.

12 MITOSI La cellula madre forma due cellule figlie con lo stesso grado di ploidia (divisione conservativa) 2n 2n 2n MITOSI n n n MEIOSI formazione di 4 cellule aploidi (n) a partire da una cellula madre diploide (2n) (divisione riduzionale) n n 2n I divisione n n II divisione n n meiotica meiotica

13 MITOSI INTERFASE PROFASE PROMETAFASE CITOCINESI METAFASE ANAFASE TELOFASE Durante la mitosi avviene la divisione del nucleo e la divisione del citoplasma (citodieresi). La mitosi ha il compito di garantire l esatta ripartizione dei cromosomi alle cellule figlie. La mitosi si divide in 4 sottofasi: profase, metafase,anafase e telofase.

14 CITOSCHELETRO E CICLO CELLULARE

15 CITOSCHELETRO E CICLO CELLULARE DURANTE IL CICLO CELLULARE SI OSSERVANO DIVERSI APPARATI CITOSCHELETRICI ASSOCIATI A FUNZIONI DIVERSE SVOLTE DURANTE LA MITOSI G0 1. APPARATO INTERFASICO DI MICROTUBULI CORTICALI 2. BANDA PREPROFASICA 3. FUSO MITOTICO 1. FRAGMOPLASTO

16 CITOSCHELETRO E CICLO CELLULARE IN INTERFASE E NELLE CELLULE IN G0 I MICROTUBULI SONO DISPOSTI NELLA PERIFERIA DEL CITOPLASMA, SUBITO SOTTO LA MEMBRANA PLASMATICA. L APPARATO DI MICROTUBULI CORTICALI SI FORMA QUANDO LA CITOCHINESI E COMPLETATA E I MICROTUBULI DEL FRAGMOPLASTO SI DISAGGREGANO. NELLE CELLULE IN RAPIDO ALLUNGAMENTO I MICR. CORT. SI RAGGRUPPANO IN FASCI ALLINEATI PERPENDICOLARMENTE ALL ASSE DI ESPANSIONE CELLULARE. L APPARATO INTERFASICO DI MICR. CORT. SI FORMA DAI SITI DI NUCLEAZIONE SIA A LIVELLO DELL INVOLUCRO NUCLEARE CHE IN PUNTI DISPERSI NEL CITOPLASMA CORTICALE (CORTEX). I MICR. CORT. SONO ANCORATI AL CORTEX MEDIANTE PROTEINE CHE CONNETTONO ANCHE I MICROTUBULI STESSI E LA MEMBRANA PLASMATICA. QUESTO LEGAME E RILEVANTE ANCHE PER LA STABILITA E ORGANIZZAZIONE DEI MICROTUBULI INTERFASICI. UNA DELLE PRINCIPALI FUNZIONI DEI MICR. CORT. E IL CONTROLLO DELLA DEPOSIZIONE DELLE FIBRILLE DI CELLULOSA

17 CITOSCHELETRO E CICLO CELLULARE LA BANDA PREPROFASICA COMPARE POCO PRIMA DELL INIZIO DELLA PROFASE. SONO MICROTUBULI ED C) IL FUSO MITOTICO E LA ACTINA CO-ALLINEATI FORMANO UN ANELLO AL DI SOTTO DELLA MEMBRANA PLASMATICA. AL CENTRO DELLA B. PREP. SI TROVA IL NUCLEO. LA SUA FORMAZIONE E DOVUTA A CAMBIAMENTI DEL SISTEMA DEI MICR. CORT. CHE DEPOLIMERIZZANO NELLE ZONE CORTICALI E SI CONCENTRANO E SI STABILIZZANO NELLA NASCENTE B.PREP. LA B.PREP. SCOMPARE ALLA FINE DELLA PROFASE MA LASCIA UN SEGNALE MOLECOLARE DURATURO NELLA CELLULA INFATTI PREDICE LA POSIZIONE DEL SETTO DI DIVISIONE. SEMBRA SIA DOVUTO ALLA SCOMPARSA DI FILAMENTI DI ACTINA NELLA ZONA OCCUPATA DALLA BANDA PREPOFASICA MENTRE PERSISTONO NEL RESTO DEL CORTEX.

18 CITOSCHELETRO E CICLO CELLULARE IL FUSO MITOTICO E LA STRUTTURA CITOSCHELETRICA CHE ASSICURA LA CORRETTA RIPARTIZIONE DEI CROMOSOMI NEI DUE NUCLEI FIGLI. IL CENTROSOMA E UNA STRUTTURA POSTA CENTRALMENTE NELLA CELLULA ANIMALE, VICINA AL NUCLEO, CHE COSTITUISCE IL CENTRO ORGANIZZATORE DEI MICROTUBULI AL MOMENTO DELLA MITOSI I CENTRIOLI SI DUPLICANO. IL CENTROSOMA ASSOCIATO AI CENTRIOLI GENERA UN COMPLESSO DI MICROTUBULI, DETTO ASTER. L INTERAZIONE TRA I DUE ASTER GENERA UNA REPULSIONE TRA I CENTRIOLI CHE SI DISPONGONO IN POSIZIONI OPPOSTE RISPETTO AL NUCLEO INDIVIDUANDO L ASSE DEL FUSO MITOTICO. NEGLI ANIMALI NON E IMPORTANTE IN QUALE DIREZIONE LE CELLULE SI DIVIDONO IN QUANTO LA CORRETTA POSIZIONE AVVIENE IN SEGUITO. NELLE PIANTE E FONDAMENTALE IL CORRETTO POSIZIONAMENTO DEI SETTI E L ESPANSIONE DIREZIONALE DELLE PARETI DURANTE L INTERFASE. LE CELLULE VEGETALI NON PRESENTANO CENTROSOMI ED ASTER NEL FUSO MITOTICO

19 CITOSCHELETRO E CICLO CELLULARE IL FUSO MITOTICO NELLE CELLULE VEGETALI PRESENTA NUMEROSI CENTRI DI NUCLEAZIONE DEI MICROTUBULI, PRESENTI GIA IN INTERFASE A LIVELLO DELL INVOLUCRO NUCLEARE QUINDI I POLI RISULTANO MENO DEFINITI RISPETTO ALLA CELLULA ANIMALE. LE CARATTERISTICHE DINAMICHE DEI MICROTUBULI E LE PROTEINE MOTRICI SONO FONDAMENTALI PER L ASSEMBLAGGIO DEL FUSO. I MICROTUBULI DEL FUSO SONO ORIENTATI CON L ESTREMITA + VERSO L EQUATORE E QUELLA - VERSO I POLI. DURANTE L ANAFASE L ALLONTANAMENTO DEI DUE POLI E DOVUTO AI MICROTUBULI INTERPOLARI CHE POLIMERIZZANO ULTERIORMENTE E SCORRONO TRA LORO E NON AI MICROTUBULI DELL ASTER (MANCANTE)

20 MITOSI

21 CITOSCHELETRO E CICLO CELLULARE NELLA CITOCHINESI AVVIENE LA RIPARTIZIONE DEL CITOPLASMA TRA LE DUE CELLULE FIGLIE. LE CELLULE ANIMALI INIZIANO LA CITOCHINESI DALLA PERIFERIA DEL PIANO DI DIVISIONE MEDIANTE UN ANELLO ACTO-MIOSINICO CONTRATTILE CHE TIRA LA MEMBRANA PLASMATICA VRSO IL CENTRO DELLA CELLULA. IL DIAMETRO DELLA CELLULA SI RESTRINGE E LA SEPARAZIONE E COMPLETATA DALL APPORTO DI VESCICOLE CHE SI FONDONO CON LA MEMBRANA PREESISTENTE. NELLE CELLULE VEGETALI SI FORMA IL FRAGMOPLASTO, STRUTTURA CITOSCHELETRICA SPECIALIZZATA CHE GUIDA LE VESCICOLE, PROVENIENTI DAL GOLGI (POLISACCARIDI) AL PIANO DI DIVISIONE. LA FUSIONE DELLE VESCICOLE PORTA ALLA FORMAZIONE DI UN COMPARTIMENTO A FORMA DI DISCO, LA PIASTRA CELLULARE CHE SI ESPANDE LATERALMENTE VERSO LA PERIFERIA FINO A FONDERSI CON LA MEMBRANA PLASMATICA E LA PARETE PREESISTENTE DANDO ORIGINE ALLA NUOVA PARETE DIVISORIA

22 FRAGMOPLASTO IL FRAGMOPLASTO GUIDA LE VESCICOLE PROVENIENTI DAL GOLGI CONTENENTI I POLISACCARIDI PER LA COSTRUZIONE DELLA NUOVA PARETE. Trasporto vescicolare ai margini Stabilizzazione struttura LA FUSIONE DELLE VESCICOLE PORTA ALLA FORMAZIONE DELLA PIASTRA CELLULARE A FORMA DI DISCO. LA PIASTRA CELLULARE SI ORIGINA NELLA ZONA CENTRALE DIEL CITOPLASMA, IN TARDA ANAFASE, A PARTIRE DA MICROTUBULI RESIDUI DEL FUSO MITOTICO E DA FILAMENTI DI ACTINA SINTETIZZATI EX NOVO

23 MEIOSI

24 MEIOSI E FORMAZIONE DELLE MICROSPORE

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26 DIVISIONE MEIOTICA NEL SACCO EMBRIONALE E FORMAZIONE DEL SACCO EMBRIONALE