1 Ciclo cellulare, mitosi e meiosi

2 Divisione cellulare   Quando le cellule raggiungono determinate dimensioni devono arrestare l’accrescimento o dividersi   La divisione cellulare negli eucarioti coinvolge due processi: mitosi (che assicura che ogni nuovo nucleo riceva lo stesso numero di cromosomi presenti nella cellula madre) e la citocinesi (divisione del citoplasma tra le due cellule figlie)

3 Divisione cellulare  Organismi eucarioti unicellulari si riproducono in modo asessuato per MITOSI  Nei pluricellulari la mitosi serve all’accrescimento e alla rigenerazione dei tessuti paramecium

4 Ciclo cellulare fasi Interfase (G1 + S + G2): Periodo che intercorre tra una mitosi e la successiva Mitosi La mitosi rappresenta la fase conclusiva del ciclo cellulare

5 Divisione cellulare: fasi Dopo la replicazione del DNA all’interno del nucleo (fase S):  Condensazione e segregazione del DNA in due nuclei figli  Divisione del citoplasma (citodieresi)

6 Prima che la cellula entri in mitosi il materiale genetico viene duplicato (fase S); ciascun cromosoma risulterà alla fine costituito da 2 cromatidi double strand Cromatidi fratelli

7 Es.: nell’uomo 23 coppie di omologhi, uno di derivazione materna, l’altro paterna Corredo cromosomico … Cr 1 Cr 2 Cr 3 Cr 4 Cr 5 Cr 6 Cellula somatica: 2 corredi cromosomici (2n) 2 omologhi Cromatidi fratelli Cromosomi omologhi

8 profase Condensazione dei cromosomi Formazione del fuso di microtubuli 4 cromosomi monocromatidici 4 cromosomi dicromatidici Cr 1 Cr 2 materno paterno Fase S materno paterno Interfase profase

9 profase prometafase Scomparsa membrana nucleare Le fibre del fuso si attaccano a strutture proteiche (cinetocori) dei cromosomi

10 profase metafase I cromosomi si allineano lungo il piano equatoriale della cellula I cinetocori dei cromatidi fratelli di ciascun cromosoma sono attaccati ai microtubuli che provengono dai poli opposti della cellula

11 L’apparato del fuso mitotico + cinetocore (proteine che legano il centromero) assicurano la corretta ripartizione dei cromosomi nelle due cellule figlie I due cromatidi fratelli adesriscono ai microtubuli provenienti dai due poli opposti del fuso

12 profase metafase anafase Separazione dei cromatidi fratelli

13 Segregazione dei cromosomi cromosomamicrotubuli cromosomi microtubuli

14 profase metafase anafase telofase Decondensazione dei cromosomi Ricompare la membrana nucleare

15 profase metafase anafase telofase citodieresi

16 InterfaseProfaseMetafase AnafaseTelofase

17 Cellule non sincronizzate Cellule umane HeLa (carcinoma cervice uterina) in coltura. La maggior parte delle cellule sono in interfase. I microtubuli sono in giallo, il DNA in rosa. metafase anafase citocinesi

18 HeLa Henrietta Lacks (1 agosto ottobre 1951) Durante una biopsia le furono prelevate alcune cellule tumorali uterine. Le cellule di Henrietta Lacks sono naturalmente 'immortalizzate', possono cioè essere trasmesse in vitro senza morire. Hanno 82 cromosomi e l'enzima telomerasi attivato, e ciò consente alle cellule di non invecchiare mai. Nel 1954 Jonas Salk sviluppò un vaccino contro la poliomielite utilizzando queste cellule. Sono le prime cellule umane coltivate in vitro. Attualmente vengono utilizzate in tutti i laboratori del mondo per i più disparati scopi e la loro massa complessiva raggiunge le 10 tonnellate….

19

20 Ciclo cellulare checkpoints G1 checkpoint: dimensioni cellulari, presenza di nutrienti/ eventualmente quiescenza G0 G2 checkpoint: dimensioni cellulari, presenza di nutrienti, duplicazione DNA completa? danni al DNA? (riparazione del danno o… apoptosi) M checkpoint: Cromosomi allineati sulla piastra del fuso? sono attaccati alle fibre del fuso? Sintesi del DNA Morte cellulare programmata

Apoptosi Interviene in caso di danneggiamento del DNA, ma anche in processi di rimodellamento durante lo sviluppo degli organismi, come il riassorbimento della coda delle larve di anuro o nella formazione delle dita dei tetrapodi

22 Nell’organismo pluricellulare adulto vi sono  CELLULE PERENNI che dopo essersi differenziate non compiono piu’ il ciclo (neuroni)  CELLULE STABILI (p.es. gli epatociti) che normalmente non compiono il ciclo ma hanno la possibilità di riprenderlo  CELLULE STAMINALI che continuamente compiono il ciclo c. perenni c. stabili Schema ciclo cellulare quiescenza

23 Cellule staminali Cellule non specializzate che possono subire diversi cicli di replicazione e rinnovarsi per periodi di tempo molto lunghi mantenendosi indifferenziate… …possono essere indotte a differenziare dando origine a cellule specializzate (neuroni, cardiomiociti, cellule pancreatiche che producono insulina…)

24 Cellule satelliti del muscolo Cellule staminali ematopoietiche Potenzialità differenziativa delle cellule staminali Totipotenti: possono dare origine a qualunque cellula dell’organismo Multipotenti: possono dare origine a più tipi cellulari Unipotenti: danno origine a un solo tipo cellulare

25 Cellule staminali embrionali  da blastocisti 4-5 giorni (c.a. 30 cellule)  danno origine a tutti i tipi cellulari dell’individuo (totipotenti) Ma anche nel liquido amniotico sono reperibili cellule staminali pluripotenti e nel cordone ombelicale c. staminali ematopoietiche

26 Cellule staminali dell’adulto   Le cellule degli organismi pluricellulari nei diversi tessuti sono differenziate in diversi tipi con funzioni specifiche   In ogni tessuto esiste una popolazione di cellule staminali scarsamente differenziate, che si dividono attivamente e che servono al rinnovamento del tessuto stesso (per ripristinare cellule danneggiate es: midollo osseo, muscolo)

27 Molte cellule del sangue hanno vita breve e devono essere ripristinate continuamente. L’essere umano necessita approssimativamente nuove cellule ematopoietiche al giorno Cellule staminali del midollo osseo (ematopoietiche)

28 Cellule staminali del muscolo In seguito a un danno alle fibre muscolari vengono prodotti dei segnali locali che inducono le cellule satellite a proliferare, allo scopo di generare una progenie cellulare sufficientemente numerosa per riparare il danno tissutale Fibra muscolare Cellula satellite

29 Plasticità Tipicamente generano tipi cellulari corrispondenti ai tessuti da cui provengono (cellule staminali muscolo: cellule muscolari) ma possono generare tipi cellulari diversi dai tessuti da cui provengono (plasticità):  nel testicolo di mammifero adulto ci sono c. staminali pluripotenti  c. staminali del cervello danno origine a cellule del sangue e del muscolo scheletrico  cellule staminali del midollo osseo possono differenziare in cardiomiociti, cellule neuronali, cellule germinali maschili…

30 Cellule staminali applicazioni terapeutiche  BMT (trapianto di midollo osseo) terapia basata su cellule staminali dell’adulto in uso da molti anni. Il primo trapianto allogenico (da donatore) di midollo osseo nell’uomo viene eseguito nel 1959 da E. Donnal Thomas in un paziente affetto da leucemia acuta  terapie di sostituzione cellulare in malattie degenerative (Parkinson, diabete, distrofia muscolare, ricostruzione della pelle)

31 Isolamento Tessuti dell’adulto Cordone ombelicale Blastocisti preimpianto Espansione in vitro Differenziamento c. staminali ematopoietiche Terapie cellulari basate sulle staminali (medicina rigenerativa)

32 In alcuni eucarioti  con modalità diverse: (gemmazione, scissione, frammentazione, partenogenesi) Riproduzione asessuata Nei procarioti  SCISSIONE BINARIA (obbligata) protozoi, celenterati, platelminti, piante, alcuni vertebrati (70 specie)

33 Scissione, Frammentazione Partenogenesi: sviluppo dell’uovo non fecondato Riproduzione asessuata eucarioti

34 Riproduzione asessuata per GEMMAZIONE in Hydra (Cnidari) L’idra è anche in grado di riprodursi sessualmente come evidenziato dalla presenza di un uovo.

35 Vantaggi riproduzione asessuata  Non è necessaria la ricerca di un partner compatibile  Garantisce una velocità di espansione della popolazione molto maggiore di quella sessuata

E allora perché la maggior parte degli eucarioti non la utilizza? Generazionen° individui riprod. sessuata n° individui riprod. asessuata I21 II44 III816 Specie ipotetica in cui ciascuna femmina dà origine a 4 figli

37 Vantaggio riproduzione sessuata Gli individui neoformati sono tutti diversi tra di loro e diversi dai loro genitori. Questo crea variabilità nelle popolazioni aumentando il potenziale adattativo: in caso di cambiamento delle condizioni ambientali è probabile che siano presenti individui adatti alle nuove condizioni

38 Riproduzione Sessuata Riguarda la maggior parte degli eucarioti, richiede la partecipazione di due individui di sesso diverso che contribuiscono entrambi al patrimonio genetico dei discendenti 2n n 2n Gli individui neoformati non sono mai identici ai genitori: ricombinazione (crossing over) e riassortimento indipendente dei cromosomi creano VARIABILITA’ GENETICA

39 Es.: nell’uomo 23 coppie di omologhi, uno di derivazione materna, l’altro paterna Corredo cromosomico … Cr 1 Cr 2 Cr 3 Cr 4 Cr 5 Cr 6 Cellula somatica: 2 corredi cromosomici (2n) 2 omologhi Gameti: 1 corredo cromosomico (n) 1 omologo per coppia

40 Meiosi  Una sola duplicazione del DNA seguita da 2 successive divisioni cellulari  Le due divisioni cellulari vengono indicate come prima e seconda divisione meiotica (meiosi I, meiosi II), ciascuna suddivisa in profase, metafase, anafase, telofase  Da una cellula diploide si originano quattro cellule aploidi

41 I° DIVISIONE MEIOTICA (riduzionale) crossing overSegregazione indipendente omologhi n 2n materno paterno condensazione cromosomi

42 II° DIVISIONE MEIOTICA (equazionale) Si parte da una cellula 2n con cromosomi dicromatidici per arrivare a 4 cellule n con cromosomi monocromatidici

Gameti parentali Gameti ricombinanti Crossing over (ricombinazione) scambio di tratti di DNA (processo di rottura e saldatura) tra i cromatidi non fratelli di due omologhi Nella specie umana avvengono in media 1-3 c.o. / coppia di omologhi

44 Effetto del crossing over   La sequenza dei geni rimane invariata, quello che cambia è la “combinazione” degli alleli di loci diversi lungo il cromosoma   I cromosomi ricombinanti sono diversi dai cromosomi parentali   Nei gameti gli alleli di geni diversi si troveranno in combinazioni nuove rispetto a quelle presenti nei genitori

45 Assortimento indipendente dei cromosomi parentali e crossing over generano infinita variabilità nei gameti Per 2 coppie di omologhi= 2 2 possibili combinazioni Nell’uomo 23 coppie di omologhi= 2 23 possibili combinazioni ( ) Assortimento indipendente

46 I rotiferi bdelloidei si riproducono per via partenogenetica da 80 milioni di anni. Come sono riusciti ad adattarsi ai cambiamenti ambientali senza ricorrere alla riproduzione sessuata? 1)Entrano in dormienza dopo disidratazione per tornare attivi quando le condizioni ambientali tornano favorevoli 2)Le due copie di un gene sui cromosomi omologhi non sono perfettamente identiche e svolgono funzioni leggermente diverse, coinvolte nell’adattamento a condizioni diverse Adattarsi all’ambiente senza ricorrere alla riproduzione sessuata

47  Appaiamento dei cr. omologhi solo in meiosi  Ricombinazione solo in meiosi  Mitosi: divisione equazionale  Meiosi: divisione riduzionale  Mitosi produce 2 cell identiche, meiosi 4 cellule diverse MITOSI e MEIOSI a confronto:

48 Confronto tra mitosi e meiosi MitosiMeiosi Sia nelle cellule somatiche che nelle germinali Solo nelle cellule germinali Una sola replicazione del DNA seguita da una singola divisione cellulare Una sola replicazione del DNA seguita da due divisioni cellulari Cellule figlie (2n) identiche tra loro e alla cellula parentale Quattro cellule figlie (n) tutte geneticamente diverse Funzione di accrescimento, ricambio cellulare e riproduzione asessuata Funzione di riproduzione sessuata

49 Gametogenesi ♂ Normalmente degenerano (Cellule germinali)

50 Spermatogenesi processo che inizia con la pubertà. L’intero percorso di maturazione da spermatogonio a spermatozoo dura gg

51 Processo continuo, che parte dalla pubertà e continua per il resto della vita Vengono prodotti miliardi di spermatozoi nel corso della vita Da ogni spermatocita primario si ottengono 4 spermatozoi Caratteristiche della spermatogenesi

52 Gametogenesi ♀ Normalmente degenerano (Cellule germinali) mitosi

53 Tutti gli oogoni differenziano in oociti I. Nei primi mesi di vita fetale tutti gli oociti I iniziano la meiosi Blocco alla profase I Dalla pubertà fino alla menopausa un ovocita ogni 28 giorni riprende la meiosi e completa la I° divisione Solo se fecondato, l’ovocita secondario completa il processo di meiosi e diventa cellula uovo aploide Ovogenesi

54 Caratteristiche dell’ovogenesi Caratteristiche dell’ovogenesi - Gli ovociti invecchiano insieme alla donna…..con l’età aumenta il rischio di errori nella meiosi ♀ - Nel periodo di vita feconda una donna produce circa 400 ovociti secondari (12 x numero di anni fertili) - Alla pubertà il numero è ridotto a circa Alla nascita le ovaie contengono qualche milione di ovociti primari (bloccati in profase I) Processo DISCONTINUO in cui la produzione dei gameti avviene ciclicamente e si interrompe con il sopraggiungere della menopausa - Da ogni oocita primario si ottiene una sola cellula uovo matura

Non disgiunzione meiotica e aneuploidie I due omologhi non vengono separati correttamente alla meiosi I Oocita bloccato in profase I

56 Il rischio di avere un figlio affetto da s. di Down (trisomia 21) o altre anomalie cromosomiche dovute ad errori meiotici aumenta con l’aumentare dell’età materna

57 Età materna al parto in anni Rischio 251/ / / / /31 461/24 471/17 481/16 491/9,5 Rischio sindrome di Down

58 Gametogenesi ♂ e ♀ a confronto Dalla pubertà Si moltiplicano per tutta la vita Si moltiplicano solo fino ai primi mesi di vita fetale Profase I Scoppio follicolo Una sola cellula uovo matura