CICLO CELLULARE e CONTROLLO della PROLIFERAZIONE CELLULARE

CONTROLLO DELLA PROLIFERAZIONE CELLULARE Una popolazione cellulare (come un tessuto o un organo) per svolgere adeguatamente la sua funzione, deve controllare le proprie dimensioni, evitando sia un accumulo eccessivo di cellule sia un’eccessiva perdita. La perdita di questo tipo di controllo, per mancata morte (per apoptosi o per senescenza) o differenziamento cellulare, o per aumentata capacità di proliferazione, porta alla formazione di un tumore. Per questo, la comprensione dei meccanismi con cui le singole cellule (eucariotiche) si dividono e dei controlli molecolari, ovvero lo studio del ciclo cellulare, riveste notevole importanza.

Il ciclo cellulare è una serie ordinata di eventi che portano alla divisione cellulare

FASE G1: Dopo la MITOSI, le cellule figlie neoformate iniziano un periodo di riposo di lunghezza variabile durante il quale non si attua la sintesi di DNA. Questo intervallo di tempo è definito come GAP 1 o G1. Le cellule possono entrare in uno stato quiescente definito G0 la cui durata è variabile. FASE S: La fase G1 ha una durata diversa per ogni tipo di cellula. Ad esso segue una fase di sintesi di acidi nucleici (duplicazione del DNA). Tale fase è detta di sintesi o fase S.

FASE G2: Alla fase di sintesi, segue un’altra fase di quiescenza senza divisione cellulare durante la quale il DNA della cellula è doppio. Tale fase è detta GAP 2 o G2. La fase G1, S e G2 si definiscono come interfase del ciclo cellulare. FASE M: La fase M del ciclo cellulare rappresenta la mitosi o divisione mitotica, a cui segue la citodieresi. La mitosi è un processo continuo, senza pause e conduce alla formazione di due cellule figlie. Si divide in 4 fasi.

La durata del ciclo cellulare varia con la specie, il tipo di cellula e le condizioni di crescita. Sulla base delle attitudini proliferative si possono distinguere: Cellule in attiva proliferazione (es. cellule epitelio intestinale, cellule staminali) Cellule stabili, uscite dal ciclo (in G0), ma che possono rientrarvi con specifici stimoli e trattamenti (es. cellule epatiche, linfociti) Cellule perenni uscite definitivamente dal ciclo dopo il loro differenziamento (sempre in G0) (es. cellule muscolari, neuroni)

Le fasi M ed S del ciclo cellulare sono le sole facilmente rilevabili, e delle quali è stato possibile stabilire sperimentalmente la durata che è costante. In un ciclo cellulare di mammifero, per esempio, la fase S dura circa 8h, mentre la fase M dura circa 1h.

La sequenza ordinata delle diverse fasi del ciclo cellulare, e la loro “gerarchia” sono state dedotte da esperimenti di fusione cellulare Da cosa dipende il passaggio in fase S o M ? Presenza di un complesso proteico chiamato chinasi ciclina-dipendente (CdK), che fosforila alcune proteine cambiandone così la conformazione.

Come i complessi CDK-ciclina promuovono la progressione del ciclo cellulare ? + Composto attivato Ciclina inattiva CDK inattiva fosforilazione Proteina substrato P P Proteina substrato P CDK inattiva Ciclina legata dalla ubiquitina e degradata nel proteasoma a livello del citoplasma P P Esempi di proteine substrato che vengono fosforilate: lamina nucleare, proteine istoniche, proteina Rb…

Diverse cdk e diverse cicline regolano il passaggio attraverso le varie fasi del ciclo nelle cellule di mammifero

Molti fattori di crescita stimolano le cellule a dividersi

Ciclina D Cdk 4 G1 Ciclina E Cdk 2 S Ciclina A Cdk 2 P Rb E2F Proteina del retinoblastoma Fattore di trascrizione P P Rb P E2F DNA DNA Viene indotta l’espressione di geni i cui prodotti sono indispensabili per il passaggio alle fasi successive del ciclo cellulare (es. enzimi per replicazione DNA) G2 Cicline A, B Cdc2=Cdk1 M Ciclina B Cdk1

Attivazione RAS Produzione cicline G1 PDGF + RTK Attivazione RAS Cascata MAP-chinasi Guarigione della ferita Fosforilazione proteine bersaglio, es. fattori trascrizionali Avvio ciclo cellulare Produzione cicline G1

Meccanismo di arresto del ciclo cellulare indotto da p53 in risposta a un danno al DNA p53, p21 e RB normalmente bloccano il ciclo cellulare e sono definite soppressori tumorali

Geni che regolano la divisione cellulare Geni il cui prodotto proteico promuove un aumento del numero di cellule (oncogeni) Geni il cui prodotto proteico induce una riduzione del numero di cellule (oncosoppressori). Oncogeni = acceleratori Oncosoppressori = freni

MPF fattori di promozione della fase M

La fosforilazione delle lamine nucleari da parte di MPF porta ad una frammentazione dell’involucro nucleare

Controllo passaggio metafase  anafase per verificare il corretto attacco dei cromosomi sul fuso

Profase Durante l’interfase, il DNA è sotto forma di cromatina nucleare Durante la profase i cromosomi si condensano assumendo la loro forma tipica e diventano visibili al microscopio ottico Ogni cromosoma è costituito da 2 subunità dette cromatidi fratelli La membrana nucleare scompare Inizia a formarsi il fuso mitotico costituito da microtubuli Alcuni microtubuli si inseriscono sulla parte centrale dei cromosomi (centromero)

MITOSI

I due cromatidi di ciascun cromosoma sono collegati ai due poli opposti tramite i loro cinetocori.

Metafase Negli eucarioti superiori il passaggio dalla profase alla metafase è segnato dalla scomparsa del nucleo I cromosomi si spostano verso la porzione mediana della cellula Il fuso è completamene formato e i cromosomi sono disposti all’equatore della cellula Ogni centromero è collegato a microtubuli diretti verso i poli opposti della cellula

Durante la metafase i cromosomi si allineano sul piano equatoriale

Anafase Questa fase inizia quando i microtubuli del cinetocore iniziano ad accorciarsi trascinando i cromatidi I cromatidi si spostano verso i poli opposti della cellula I microtubuli polari si allungano allontanando le 2 estremità della cellula

Telofase Quando il movimento dei cromatidi si è completato inizia la telofase I cromatidi (cromosomi figli) si despiralizzano e i cromosomi diventano invisibili Si riforma la membrana nucleare Il fuso inizia a sparire nel momento di transizione anafase/telofase

Citodieresi La citodieresi rappresenta la separazione fisica delle due cellule figlie La membrane plasmatica si separa in due Il solco sulla membrana plasmatica si forma grazie a microfilamenti localizzati sotto la membrana stessa (anello contrattile di actina e miosina) Il solco sarà perpendicolare al fuso mitotico (zona equatoriale)

Citodieresi La mitosi assicura un’equa distribuzione dei cromosomi alle cellule figlie; nella citodieresi non ci sono meccanismi analoghi che assicurano l’equa distribuzione degli organelli (almeno uno per cellula figlia, poi la replicazione ne fa aumentare il numero nel modo appropriato).

I gameti hanno un n° di cromosomi metà di quello delle cellule somatiche Cellule somatiche → n° di cromosomi diploide 2n Gameti → n° di cromosomi aploide n I gameti subiscono la meiosi una particolare divisione, che dimezza il n° dei cromosomi La fecondazione ristabilisce nello zigote il n° diploide di cromosomi

Nel patrimonio diploide i cromosomi sono organizzati in coppie di omologhi; un omologo proviene dal gamete maschile, l’altro da quello femminile All’interno di ogni coppia gli omologhi hanno forma e dimensioni simili e portano informazioni per gli stessi caratteri

Meiosi

Importanza della sinapsi e del crossing-over durante Profase I

Le tetradi

Nella metafase I, in ogni coppia di omologhi, il cinetocore di ciascuno dei due cromatidi di un cromosoma si legano a microtubuli provenienti da un polo  segregazione degli omologhi

Assortimento indipendente: gli omologhi di una coppia si distribuiscono tra le due cellule in modo indipendente dai cromosomi omologhi delle altre coppie I cromosomi paterni e materni si mescolano nelle cellule; aumenta la variabilità genetica

Tra le due divisioni meiotiche i cromosomi non si duplicano La meiosi II è molto simile alla mitosi I cinetocori dei 2 cromatidi fratelli si connettono a microtubuli provenienti dai poli opposti

Mitosi Meiosi Quadro riassuntivo delle differenze tra mitosi e meiosi 2 cellule figlie 4 prodotti meiotici N°cromosomi per cellula mantenuto 2n N° cromosomi dimezzato n n 2n 2n 2n n n Sintesi del DNA prima della divisione Sintesi del DNA prima delle 2 divisioni meiotiche 4 4 3 3 2 2 1 1 G1 S G2 M G1 S M1 M2

Mitosi Meiosi Quadro riassuntivo delle differenze tra mitosi e meiosi Gli omologhi non si appaiano Gli omologhi si appaiano in profase I Si verifica almeno un crossing over per coppia di omologhi Il crossing over e’ raro I centromeri si dividono solo in anafase II I centromeri si dividono in anafase Processo conservativo: le cellule figlie sono identiche alle parentali Il processo promuove la variabilita’ tra i prodotti della divisione cellulare