Il Ciclo Cellulare
Durata del ciclo cellulare Tipo di cellula Cellule di embrione di rana in fase precoce Cellule di lievito Cellule di epitelio intestinale Fibroblasti di mammifero in coltura Cellula del fegato umano Durata del ciclo 30 minuti 1,5-3 ore Circa 12 ore Circa 20 ore Circa 1 anno
Il Ciclo Cellulare Il ciclo cellulare si divide in 4 fasi: 1. Fase M (circa un ora) comprende divisione del nucleo (mitosi) e divisione del citoplasma (citochinesi); 2. Fase G1 (gap) è l intervallo tra il completamento della fase M e l inizio della fase S; 3. Fase S (sintesi, circa 12 ore) comprende la replicazione del DNA; 4. Fase G2 è l intervallo tra la fine della fase S e l inizio della fase M. Intervalli G1 e G2 danno il tempo alla cellula di crescere Il periodo tra una fase M e la successiva si chiama interfase
Controllo del ciclo cellulare Il sistema di controllo del ciclo cellulare coordina una serie ordinata di eventi attivando periodicamente i punti opportuni dell'apparato del ciclo e disattivandoli poi a tempo debito.
Questo punto del controllo DIPENDE da fattori esterni che possono influenzarlo per esempio FATTORI DI CRESCITA, da segnali che provengono da altre cellule ecc MITOGENI
Al punto di controllo in G1 la cellula si trova davanti ad un bivio può assumere l impegno di compiere un altro ciclo cellulare completo, può sostare temporaneamente finché le condizioni non sono propizie può ritirarsi definitivamente dal ciclo cellulare entrando in G0
Controllo del ciclo cellulare Il sistema di controllo del ciclo cellulare coordina una serie ordinata di eventi attivando periodicamente i punti opportuni dell'apparato del ciclo e disattivandoli poi a tempo debito. Il sistema di controllo dipende da un corredo di proteine chinasi, ciascuna composta di una subunità regolatrice detta ciclina e una subunità catalitica detta protein chinasi ciclina dipendente (Cdk). Le Cdk si attivano ciclicamente sia legandosi alla ciclina, sia fosforilandosi in alcuni aminoacidi e defosforilandosi in altri; una volta attivate vanno a fosforilare proteine chiave della cellula.
Le protein-chinasi ciclina dipendente (Cdk) determinano se la cellula debba progredire nel ciclo Una Cdk (Cyclin-dependent kinase) è una proteina che dipende da una subunità regolatrice detta ciclina per attivarsi come enzima Il complesso attivo provvede a fosforilare proteine chiave della cellula necessarie a innescare particolari stadi del ciclo cellulare La ciclina serve anche ad indirizzare le Cdk alle rispettive proteine bersaglio
S-Cdk innesca la replicazione del DNA e assicura che essa abbia inizio una volta sola per ogni ciclo cellulare Il complesso di riconoscimento dell origine (ORC) rimane associato all origine di replicazione per tutta la durata del ciclo cellulare In fase G1 precoce, la proteina regolatrice Cdc6 si associa con l ORC Con la mediazione di Cdc6, al DNA adiacente si legano altre proteine che danno vita la complesso prereplicativo S-Cdk con il concorso di un altra protein chinasi fa scattare l origine di replicazione inducendo la DNA polimerasi ad associarsi e cominciare la sintesi del DNA
M-Cdk per diventare attiva deve essere fosforilata ad alcuni siti e defosforilata ad altri Il complesso tra ciclina M e Cdk appena formato non ha attività enzimatica In seguito Cdk va incontro a fosforilazione ai siti necessari per la sua attività ed ad altri che esercitano effetti inibitori dominanti Cdk rimane inattiva finchè una fosfatasi non rimuove i gruppi fosfato inibitori
M-Cdk attivata attiva indirettamente altra M-Cdk tramite fosforilazione di fosfatasi attivatoria La fosfatasi può mettere in funzione altre molecole di M-Cdk idrolizzando i gruppi fosfato inibitori della subunità Cdk
Principali cicline e Cdk nei vertebrati Complesso ciclina-cdk Ciclina Cdk complemetare G1-Cdk Ciclina D* Cdk4, Cdk6 G1/S-Cdk Fase S S-Cdk Fase S Ciclina E Ciclina A Cdk2 Cdk2 M-Cdk Ciclina B Cdk1** *Nei mammiferi esistono 3 cicline D (ciclina D1, D2, D3) **Nei vertebrati il nome originale di Cdk1 era Cdc2
Il Ciclo Cellulare Complessi ciclina-cdk differenti hanno il compito di innescare le diverse fasi del ciclo cellulare: M-Cdk manda la cellula in mitosi, G 1 -Cdk la accompagna in G 1, G 1 /S-Cdk ed S-Cdk la guidano in fase S. Il sistema di controllo del ciclo cellulare può arrestare il ciclo in corso a livello di punti di controllo specifici per evitare che la fase successiva del ciclo possa iniziare prima che sia terminata la fase precedente e per verificare che le condizioni intra ed extracellulari siano favorevoli.
Alcuni punti di controllo ai quali il ciclo cellulare può fermarsi Le T rosse indicano i punti del ciclo in cui il sistema di controllo può applicare dei dispositivi molecolari di frenata
Il Ciclo Cellulare TRE DIVERSI MODI IN CUI si attua fisiologicamente attivazione e inattivazione del Cdk compex e IL SISTEMA di CONTROLLO può BLOCCARE LA PROGRESSIONE del ciclo se qualcosa è errato 1- Degradazione di clicline mediante ubiquitinazione, esempio APC complex in fase M. Le cicline devono essere degradate e altri segnali inibitori devono essere utilizzati per disattivare tutte le M-Cdk in modo che quando la cellula esce dalla mitosi si possa accrescere e non ridividere subito, che porterebbe a DIMINUZIONE della MASSA 2- Proteine inibitrici si legano al complesso Cdk impedendone la funzione, per esempio in G 1 -S la proteina p27 si lega a Cdk per impedire la fase S 3- Proteine fosafatasi che rimuovono residui P inibitori non vengono attivate per esempio per bloccare ingresso G 2 -M
Il Ciclo Cellulare regolazione attraverso cicline (n. 1) Il sistema di controllo viene DISATTIVATO mediante complessi proteici come APC che provocano, a particolari stadi del ciclo, la proteolisi di regolatori specifici del ciclo marcandoli con ubiquitina. Le concentrazioni di cicline salgono e scendono in momenti specifici del ciclo cellulare, agendo da temporizzatore per le sue varie fasi; l'aumento di concentrazione deriva da sintesi continuativa, mentre la caduta improvvisa deriva da proteolisi rapida, innescata da APC o da altri complessi proteici che marcano la ciclina con ubiquitina.
Oscillazione dell attività di M-Cdk durante il ciclo cellulare L aumento della concentrazione di ciclina M porta alla formazione di un complesso attivo tra ciclina M e Cdk (M-Cdk) che spinge la cellula in fase M CAMBIA LA CONCENTRAZIONE DI CICLINA MA NON della CHINASI, cambia l attività della chinasi perché complessata con ciclina
L attività delle Cdk è controllata tramite la degradazione della ciclina La concentrazione di una proteina in generale nella cellula dipende da: Trascrizione del gene che la codifica Velocità di degradazione tramite ubiquitina e proteasoma La ciclina viene destinata alla distruzione tramite marcatura con ubiquitina e successivo trasporto nei proteasomi Un aggregato chiamato complesso promotore dell anafase (APC) provvede a legare l ubiquitina alla ciclina
I due complessi (cicline-cdk) che inducono fase M ed S
Le proteine inibitrici celle Cdk ostacolano l assemblaggio o inibiscono l attività di uno o più complessi ciclina-cdk Uno dei meccanismi di arresto più conosciuti arresta il ciclo G1 se il DNA è danneggiato. Quando il DNA subisce dei danni si osserva un aumento della concentrazione e dell attività di una proteina regolatrice di geni chiamata p53. p53 fa partire la trascrizione del gene p21 che codifica per un inibitore di Cdk. La proteina p21 si lega a G1/S-Cdk e a S-Cdk ed impedisce loro di condurre la cellula alla fase S. La cellula si ferma in G1, ha il tempo di riparare il DNA prima di replicarlo. Se p53 manca o non funziona si produce un alto tasso di mutazioni (ben la metà dei tumori nell uomo presenta mutazioni a carico del gene p53).
Il Ciclo Cellulare Negli animali il numero di cellule sta sotto il controllo combinato di programmi intracellulari e segnali extracellulari che regolano la proliferazione, la permanenza in vita e la morte delle cellule. Le cellule animali proliferano solo se stimolate da mitogeni, che attivano le vie di segnalazione intracellulari per neutralizzare i sistemi frenanti che normalmente bloccano la progressione nel ciclo. Questo meccanismo assicura che una cellula si divida solo quando l'organismo ha bisogno di una cellula nuova. Perché un organismo o un organo possa crescere, le cellule che lo compongono devono sia dividersi sia aumentare di dimensioni. La crescita di ogni cellula animale è condizionata da fattori di crescita extracellulari, che stimolano la sintesi e inibiscono la degradazione delle proteine. Durante l'arco di vita di un animale sono molte le cellule normali che muoiono attivando e portando a termine un programma interno di suicidio, un processo chiamato apoptosi. A concretare l'apoptosi è una famiglia di enzimi proteolitici chiamati caspasi, presenti come precursori inattivi (procaspasi), essi stessi attivati per proteolisi.
L apoptosi: morte cellulare programmata Nel topo in sviluppo l apoptosi modella le zampe
L apoptosi: morte cellulare programmata Nel metamorfosi del girino l apoptosi contribuisce ad eliminare la coda
La cellula in apoptosi muore in modo rapido e pulito, si restringe e si addensa il suo citoscheletro collassa la membrana nucleare si dissolve ed il DNA nucleare si frammenta (così facendo il cadavere cellulare viene raccolto e digerito da un altra cellula rapidamente) Nella necrosi cellulare che subentra dopo un danneggiamento cellulare acuto si determina gonfiamento ed esplosione della cellula con spargimento di materiale cellulare sulle cellule adiacenti
Il Ciclo Cellulare Negli animali il numero di cellule sta sotto il controllo combinato di programmi intracellulari e segnali extracellulari che regolano la proliferazione, la permanenza in vita e la morte delle cellule. Le cellule animali proliferano solo se stimolate da mitogeni, che attivano le vie di segnalazione intracellulari per neutralizzare i sistemi frenanti che normalmente bloccano la progressione nel ciclo. Questo meccanismo assicura che una cellula si divida solo quando l'organismo ha bisogno di una cellula nuova. Perché un organismo o un organo possa crescere, le cellule che lo compongono devono sia dividersi sia aumentare di dimensioni. La crescita di ogni cellula animale è condizionata da fattori di crescita extracellulari, che stimolano la sintesi e inibiscono la degradazione delle proteine. Durante l'arco di vita di un animale sono molte le cellule normali che muoiono attivando e portando a termine un programma interno di suicidio, un processo chiamato apoptosi. A concretare l'apoptosi è una famiglia di enzimi proteolitici chiamati caspasi, presenti come precursori inattivi (procaspasi), essi stessi attivati per proteolisi.
L apoptosi è mediata da un processo proteolitico intracellulare a cascata ed è realizzata da una famiglia di proteasi chiamate caspasi Le caspasi sono prodotte sotto forma di precursori inattivi denominati pro-caspasi
L apoptosi è regolata da proteine intracellulari appartenenti alla famiglia Bcl-2 Bak e Bax sono le proteine promotrici del programma suicida e sono membri della famiglia di proteine Bcl-2 Contribuiscono a formare canali nella membrana mitocondriale esterna lasciando così uscire il citocromo c che si associa ad un adattatore proteico che fa aggregare una particolare molecola procaspasica attivandola Questa caspasi attivata da il via ad una cascata caspasica
Il Ciclo Cellulare Per scongiurare l'apoptosi, le cellule devono ricevere continuamente segnali da altre cellule: questo meccanismo serve forse a garantire che le cellule restino in vita solo quando e dove sono necessarie. Le dimensioni delle cellule e dei tessuti possono essere influenzate anche da proteine extracellulari inibitorie, che contrastano i regolatori positivi della crescita, della divisione e della permanenza in vita delle cellule. Fattori positivi in genere possono essere: 1. Fattori di sopravvivenza, sopprimono apoptosi 2. Mitogeni, stimolano la divisione cellulare 3. Fattori di crescita, stimolano le cellule ad aumentare la massa-per esempio maggiore sintesi di proteine e minore degradazione
Fattori di sopravvivenza promuovono la permanenza in vita sopprimendo l apoptosi La morte cellulare fa in modo che corrisponda il numero di cellule nervose in sviluppo con il numero di cellule bersaglio con cui devono prendere contatto Più cellule nervose prodotte durante lo sviluppo ma in numero eccessivo rispetto alla quantità di fattore di sopravvivenza prodotto Alcune cellule ricevono quantità insufficienti di fattore di sopravvivenza e muoiono per apoptosi
Fattori di sopravvivenza promuovono la permanenza in vita sopprimendo l apoptosi agendo sulle molecole della famiglia Bcl-2
Mitogeni e controllo della proliferazione cellulare Le cellule animali necessitano di segnali extracellulari per dividersi, crescere e restare in vita
Fattori di crescita stimolano la cellula a crescere, promuovendo la sintesi e inibendo la degradazione di proteine ed altre macromolecole
Il Ciclo Cellulare Le dimensioni delle cellule e dei tessuti possono essere influenzate anche da proteine extracellulari inibitorie, che contrastano i regolatori positivi della crescita, della divisione e della permanenza in vita delle cellule. Le cellule cancerose non obbediscono più a questi controlli "comunitari" del comportamento e perciò sopraffanno le loro vicine normali crescendo troppo, dividendosi più spesso e permanendo in vita più a lungo.
Il Cancro
I geni critici del cancro si distinguono in due categorie proto-oncogeni e geni oncosoppressori
Vari tipi di variazione genetica possono trasformare un proto-oncogene in un oncogene
I geni critici del cancro sono di vario tipo singole proteine segnale (rosso), meccanismi di controllo (verde)
Un polipo del rivestimento intestinale dovuto a perdita del gene APC (poliposi adenomatosa del colon) può progredire in un cancro per l accumularsi di ulteriori mutazioni Due mutazioni somatiche Una germinale + una somatica