RIPRODUZIONE E CICLO CELLULARE

Divisione cellulare La divisione cellulare è un processo che porta alla formazione di due o più cellule figlie a partire da una cellula genitore.

Nei procarioti è un processo molto rapido- 30 minuti. Divisione cellulare

Divisione cellula eucariotica Può avvenire: 1) per mitosi (cellule somatiche, la quasi totalità delle cellule): due cellule figlie uguali alla cellula madre. 2) per meiosi (cellule linea germinale, che daranno origine ai gameti e destinate a unirsi nel processo della fecondazione per dare origine a un nuovo individuo) : quattro cellule figlie aploidi che derivano da una cellula diploide

Cromosomi omologhi e aploidia/ diploidia I CROMOSOMI OMOLOGHI sono due copie di uno stesso cromosoma che portano gli stessi geni e sono di provenienza materna e paterna. Ad esempio, il gene della catena beta dell'emoblogina nell'uomo si trova sul cromosoma 11, questo vuol dire che l'uomo ha due geni per la catena B dell'emoglobina, dato che avrà due cromosomi 11. Le cellule somatiche presentano quindi due corredi cromosomici e per questo sono dette diploidi. Spermatozoi e cellule uovo (gameti) hanno un solo assetto cromosomico sono quindi aploidi. Ogni individuo ha un numero fisso di cromosomi. Questo numero dipende dalla specie. Tutti gli esseri umani hanno 46 cromosomi in forma diploide (2n) e 23 in forma aploide (n).

La cellula eucariotica e ciclo cellulare La cellula eucariotica si divide secondo una controllata sequenza di eventi che termina con la mitosi ( o meiosi nel caso delle cellule germinali). Tale sequenza è definita ciclo cellulare. La durata del ciclo varia tra i vari tipi cellulari :fibroblasti 24 ore, fasi iniziali sviluppo embrionale poche ore Cellule che non si dividono mai (muscolari) cellule che eventualmente riprendono a dividersi (cellule epatiche) e cellule che si dividono continuamente in tessuti che si rinnovano come epidermide, epitelio intestinale, endotelio.

The beginnings

Totipotenti: possono differenziarsi in tutti i tipi cellulari Pluripotenti: possono dare origine a più tipi cellulari diversi Multipotenti: possono dare origine ad un numero limitato di tipi cellulari (cellule progenitrici- ad esempio nel sangue)

Uso terapeutico delle cellule staminali Menchimali da tessuto adiposo possono dare origine a: cartilagine osso tessuto adiposo

Le cellule mesenchimali possono svolgere un ruolo terapeutico anche attraverso la secrezione di esosomi- effetto paracrino Lai 2011

Come viene regolato il destino cellulare Proliferation /Quiescence? Differentiation/Stemness? Apoptosis/Survival?

Ciclo cellulare

Regolazione del ciclo cellulare

Consequences of loss of checkpoints: multiple DNA replications Rad7 mutation Figure 8.5a The Biology of Cancer ( Garland Science 2007)

Consequences of loss of checkpoints: chromosomes loss Chr6 Chr1 Figure 8.5b The Biology of Cancer ( Garland Science 2007) Bub1 mutation

Proteine chiave del ciclo cellulare 1. cicline 2. cyclin-dependent kinases (cdk) chinasi dipendenti dalle cicline Cyclin-Cdk Cyclin Cdk partner Complex G 1 -Cdk cyclin D Cdk4/Cdk6 G 1 /S-Cdk cyclin E Cdk2 S-Cdk cyclin A Cdk2 M-Cdk cyclin B Cdk1

Regolazione nei mammiferi Ciclo cellulare MPF G1-Cdk S-Cdk G1/S

The collapse of various cyclin species as cell advance from one cell cycle to the next is due to their degradation by the proteasome

Regolazione nei mammiferi Ciclo cellulare

Regolazione nei mammiferi Il fattore MPF Maturating Promoting Factor Ciclo cellulare condensazione della cromatina demolizione dell involucro nucleare frammentazione di Golgi e RE formazione del fuso

Regolazione chinasi CAK= CDK activating kinase amminoacidi (treonina, tirosina)

Inattivazione di cdc25- Blocca progressione verso mitosi in presenza di danno DNA 1.ChK2= check point chinasi 2 ATM mutata nella atassia teleangectasia una malattia neurodegenerativa

Blocco del ciclo cellulare: l oncosoppressore p53 2.ChK2= check point chinasi 2

Blocco del ciclo cellulare: Inibitori delle chinasi ciclina-dipendenti (CKI)

Regolazione entrata fase G0

Proteina del retinoblastoma, prb Controllo della transizione G1 S

Table 8.1 The Biology of Cancer ( Garland Science 2007)

Transforming growth factor (TGF)β (una proteina che induce il differenziamento cellulare) induce p15 inibisce in maniera specifica cdk4- ciclina D e quindi la cellula va in G0 Smad2 (simil to 3) mutated in colon cancer Mutated in 25% colon cancer and 50% pancreatic cancer Figure 8.31 The Biology of Cancer ( Garland Science 2007)

The cell cycle clock is a network of interacting proteins that receives signals from outside and inside the cells, integrates them and decides the cell fate Figur 8.1 The Biology of Cancer ( Garland Science 2007)

Table 8.3 The Biology of Cancer ( Garland Science 2007)

Breast Cancer Progression Figure 8.38 The Biology of Cancer ( Garland Science 2007)

Fasi della mitosi

La cellula si prepara alla mitosi durante l interfase: replicazione dei cromosomi in fase S

Il centrosoma che organizza il fuso mitotico che è costituito dai microtubuli (centrioli costituiti da 9 triplette di microtubuli) Il centrosoma è costituito da due centrioli immersi in una matrice proteica da cui si formano i microtubuli (polimerizzano in direzione della membrana plasmatica)

La cellula si prepara alla mitosi durante l interfase: duplicazione del centriolo in fase S La cdk che innesca la la replicazione del DNA nella fase S, attiva anche la duplicazione del centriolo

Microtubuli sono formati da 13 filamenti costituiti da eterodimeri di tubulina alfa e beta

Profase Compattamento dei cromosomi iniziato da cdk1 attraverso la fosforilazione delle condensine Ogni cromosoma è costituto da due cromatidi fratelli uniti tramite le coesine che rimarranno poi solo a livello dei centromeri Inizia ad organizzarsi il fuso mitotico: i due centrosomi (o MTOC, microtubule organizing center ) si separano per organizzare i due poli del fuso mitotico. Inizia la sintesi del nuovo fuso mitotico. Contemporaneamente la struttura del citoscheletro collassa (ad opera della fosforilazione da parte di cdk1) Lamina nucleare si dissolve (fosforilazione cdk1): inizio della prometafase Anche gli altri organelli si dissolvono.

Le condensine e le coesine hanno struttura e funzione correlate: Entrambe le proteine hanno domini di legame all DNA e all ATP identici ad un estremità e una regione di cerniera nell altra, collegate da due regioni lunghe e a coiled-coil. Questa struttura flessibile è ben adatta per il loro ruolo come molecole che formano legami incrociati con il DNA.

Condensin is Required for Chromosome Compaction Cohesin is Required for Chromosome Compaction

Profase

Prometafase L avvio della prometafase coincide con la frammentazione della membrana nucleare Il citoscheletro collassa e si delinea il fuso mitotico formato da: Fibre astrali che vanno dal polo verso il cortex per allungamento del fuso che viene trascinato verso la periferia Fibre cinetocore che si legano al cinetocore Fibre interpolari che partono dai poli e si sovrappongono all equatore portano ad allungamento del fuso per allontanare i cromosomi

Fibre del cinetocore si legano al cinetocore una placca proteica nel centromero

Metafase I cromosomi sono allineati in posizione mediana rispetto ai due poli del fuso a formare la piastra metafasica In questa fase i cromatidi fratelli sono ancora tenuti insieme dalle coesine mentre le fibre del fuso tendono a separarli Attivo il checkpoint che assicura che il fuso sia pronto e che tutti i cromosomi siano sul fuso Se tutto è in regola viene attivata Anaphase Promoting Complex (APC) e si passa all anafase

Metafase, Anafase

Proteolisi e inattivazione dell MCdk: anafase e telofase B-Cdk Un punto di controllo importante del ciclo cellulare controlla l allineamento dei cromosomi sul fuso metafasico. La progressione della metafase ad anafase è il risultato dell attivazione di un sistema proteolitico mediato da ubiquitina che degrada la ciclina B e inattiva quindi M-Cdk. Sistema proteolitico dell ubiquitina (APC= Complesso che promuove l anafase) degradazione delle coesine Punto di controllo metafasico Degradazione ciclina B Inattivazione di M-Cdk Uscita mitosi citocinesi Inizio anafase

APC causa degradazione della securina che blocca le separasi (proteolizzano le coesine)

Anafase APC: induce la degradazione delle coesine APC: induce degradazione della Ciclina B e pertanto inibizione di cdk1 I cromatidi fratelli si separano e migrano (molto velocemente) verso le estremità del polo

Metafase, Anafase

I cambiamenti dei microtubuli in anafase

Telofase Ogni cromatidio fratello si è portato alle due opposte regioni della cellula Si riforma la membrana nucleare con i pori nucleari Gli organelli che si erano frammentati per consentire equa distribuzione tra le cellule figlie, si rioorganizzano nella struttura interfasica I cromosomi gradualmente si decondensano Inizia ad invaginarsi la membrana plasmatica perpendicolarmente all asse del fuso in una zona equidistante dai poli della cellula

Telofase

Citochinesi Il solco che si è iniziato a formare durante la telofase continua ad invaginarsi perpendicolarmente all asse che separa i due poli del fuso Il sistema dei microfilamenti (actina e miosina) formerà un anello contrattile che causerà la contrazione del citoplasma e la separazione in due della cellula

Citochinesi

Meiosi

Cromosomi omologhi I cromosomi omologhi possono essere definiti come dei cromosomi che in loci corrispondenti presentano gli stessi geni, però con informazioni diverse. Nelle cellule somatiche (diploidi), ogni cromosoma è presente in due copie che costituiscono una coppia di cromosomi omologhi, uno di origine paterna e uno di origine materna. I cromosomi umani sono 46 accoppiati due a due, quindi vi sono 23 coppie di cromosomi omologhi.

LA MEIOSI MEIOSI I MEIOSI II cellula diploide replicazione DNA appaiamento cromosomi omologhi 4 cellule aploidi

Profase Meiosi 1- la fase più lunga Leptotene- condensazione dei cromosomi (duplicati) Zigotene - appaiamento dei cromosomi omologhi Pachitene- organizzazione del complesso sinaptonemico tra i cromosomi con scambio di materiale genetico tra cromosomi di origine paterna e materna Diplotene- cromosomi uniti solo al livello dei chiasmi (dove è avvenuto lo scambio di materiale genetico). Diacinesi- ulteriore compattamento dei cromosomi, si conclude organizzazione del fuso

Meiosi PROFASE I

Meiosi PROFASE I In questa fase avviene il crossing over

Meiosi PROFASE I

Meiosi METAFASE I In meiosi I solo uno dei due centromeri di una coppia di cromatidi si lega al fuso

MEIOSI II. MEIOSI I MEIOSI II

Variabilità nella meiosi Scambio di materiale genetico tra cromatidi fratelli Orientamento casuale degli omologhi rispetto alla piastra nella prima meiosi.

In base al 1 meccanismo di distribuzione casuale, un individuo può in linea di principio produrre 2 n gameti geneticamente diversi, dove n è il numero aploide di cromosomi. Ogni persona, per esempio, può in teoria produrre 2 23 =8,4x10 6 gameti diversi semplicemente per l assortimento indipendente dei cromosomi. Tuttavia il numero effettivo di gameti che una persona può produrre è 10 23.

Riproduzione sessuata

La morte cellulare programmata: apoptosi Se delle cellule non sono più necessarie, queste si suicidano attivando un programma intracellulare di morte. Questo processo è perciò chiamato morte cellulare programmata, anche se è chiamato più comunemente apoptosi (la parola greca ptosis significa cadere ). Che scopo può avere questa morte cellulare? Apoptosi durante la metamorfosi di un girino in una rana In altri casi la morte cellulare aiuta a regolare il numero delle cellula. Nel sistema nervoso in sviluppo, per esempio la morte cellulare adatta il numero di cellule nervose in modo che corrisponda al numero di cellula bersaglio che richiedono innervazione. Nei tessuti adulti, la morte cellulare bilancia esattamente la divisione cellulare. Se non fosse così, il tessuto crescerebbe o si restringerebbe.

Apoptosis in mammary gland development Embryo day 15 Newborn Onset of puberty Puberty Pregnancy Involution Henninghausen L et al 2001

Apoptosi: morte cellulare programmata

Necrosi vs Apoptosi Le cellule che muoiono come risultato di un danno acuto tipicamente si rigonfiano e scoppiano, versando il loro contenuto su tutte le cellule vicine un processo chiamato necrosi cellulare provocando una risposta infiammatoria potenzialmente dannosa. Una cellula che subisce l apoptosi invece muore pulitamente, senza danneggiare i suoi vicini. La cellula si raggrinzisce e si condensa Il citoscheletro collassa il DNA nucleare si rompe in frammenti Cosa più importante, la superficie cellulare si altera, mostrando proprietà che causano la rapida fagocitosi della cellula morente, da parte di una cellula circostante o da parte di un macrofago, prima che ci sia una perdita del suo contenuto. Ciò non soltanto evita le conseguenze dannose della necrosi cellulare ma permette anche il riciclaggio dei componenti organici della cellula morta da parte della cellula che la ingerisce.

Identificazione di cellule apoptotiche: annessina 5 and ioduro di propidio Colorazione Analisi citoflurimetro

Individuare cellule apoptotiche: TUNEL

Via estrinseca: recettori di morte-fas Apoptosi: morte cellulare programmata DD death domain FADD Fas associated DD DED death effector domain Eliminazione linfociti T maturi Apoptosi di cellule infettate da virus

Apoptosi: morte cellulare programmata Via intrinseca

Nature Reviews Molecular Cell Biology 9, 231-241 (2008)