Mitosi, ciclo cellulare e sua regolazione

Le cellule possono essere classificate in base alla loro capacità di crescere e di dividersi: Cellule che hanno perso la capacità di dividersi (cellule neuronali, globuli rossi) Cellule che normalmente non si dividono ma che possono essere indotte a dividersi (cellule epatiche) Cellule che continuano a dividersi (oogoni, spermatogoni, cell. epiteliali, cell. staminali) La durata del ciclo cellulare è variabile da 30 minuti a diversi mesi

Le fasi del ciclo cellulare

CONSIDERAZIONI GENERALI SUL CICLO CELLULARE Di solito viene studiato su culture di cellule sincrone La mitosi dura in genere da 1 a 2 ore La fase di sintesi del DNA (S) in genere non dura mai meno di 4 ore La variazione totale della durata del ciclo cellulare dipende dalla durata variabile della fase G1

Durata delle fasi del ciclo cellulare in un eucariote superiore

PRIMA DI ENTRARE IN MITOSI LA CELLULA SI ASSICURA DI AVERE UN DNA INTEGRO AVER RAGGIUNTO UN PRECISO RAPPORTO NUCLEO/CITOPLASMA (accrescimento) (PER GLI ORGANISMI PLURICELLULARI) CHE L’ORGANISMO NECESSITI DI QUELLA DATA MITOSI (fattori di crescita e altri stimoli mitotici) LE FASI DEL CICLO CELLULARE SI SUSSEGUONO ORDINATAMENTE IN MODO DA ASSICURARE CHE IL CICLO CELLULARE PROSEGUA IN UNA SOLA DIREZIONE (cioè non torni indietro) OGNI FASE SIA STATA COMPLETATA PRIMA CHE LA SUCCESSIVA ABBIA INIZIO NON SI SIANO CREATE SITUAZIONI DI DANNO AL DNA I CROMOSOMI SIANO RIPARTITI NEL MODO GIUSTO TRA LE CELLULE FIGLIE

Ciclo cellulare La decisione di arrestare o di procedere nel ciclo è controllato da due classi di proteine –Protein kinasi – fosforila selettivamente le proteine bersaglio coinvolte nella regolazione del ciclo cellulare (CDKs) –Cicline - controllano la progressione attraverso il ciclo cellulare

Protein chinasi attivate ciclicamente Fosforilazione attiva o inattiva proteine chiave per l’inizio o la regolazione della replicazione del DNA, della mitosi e della citocinesi Protein-chinasi controllano la fosforilazione, Fosfatasi controllano la defosforilazione Protein-chinasi sono presenti in tutte le fasi del ciclo cellulare ma sono solo attivate in determinate fasi Cicline si legano alle chinasi (protein chinasi ciclina- dipendenti) e le attivano La concentrazione di cicline varia durante il ciclo cellulare

Controllo del ciclo cellulare Attivazione dell’anafase e della citocinesi Replicazione del DNA Attivazione dell’apparato mitotico Formazione del fuso mitotico Uscita da M Completa divisione cellulare Attivazione dei meccanismi di replicazione del DNA G1G1 S G2G2 M Entrata in S Entrata in M

G1G1 S G2G2 M Entrata in S Entrata in M G 1 checkpoint La cellula è grande abbastanza? L’ambiente è favorevole? Il DNA è dannegiato? G 2 checkpoint Il DNA è tutto duplicato? La cellula è grande abbastanza? Due checkpoint nel ciclo cellulare

Cicline e Chinasi Ciclino-dipendenti (Cdk)

I checkpoint assicurano che la cellula sia competente sia in grado cioè di passare allo stadio successivo del ciclo cellulare Il meccanismo molecolare alla base dei checkpoint non è chiaro Le proteine inibitorie di Cdk in G 1 sono attivate dal danno del DNA Lo stop delle cellule in G 1 permette alla cellula di riparare il DNA prima della replicazione Il blocco del ciclo cellulare rappresenta un meccanismo di protezione per la cellula

Meccanismi di blocco del ciclo cellulare Produzione di proteine che inibiscono l’attività chinasica del complesso Cdk-ciclina Mutazioni a carico di questi geni danno origine ad anomalie del ciclo cellulare -> Tumori Blocco del meccanismo di replicazione del DNA Fattori di trascrizione che inibiscono l’attività di geni fondamentali nel ciclo cellulare

Gli Inibitori delle Cdk: p16, p18, p21, ecc.

pRB tiene “bloccata” la fase S del ciclo

P53: il Guardiano del genoma p53 è un potente fattore di trascrizione.. p53 regola l’espressione di oltre 300 geni. p53 è una proteina nucleare di 55kDa

p53: il Guardiano del Genoma In cellule normali non sottoposte a stress p53 è una proteina altamente instabile che in genere viene degradata per proteolisi subito dopo la sua stessa sintesi. Ha una emivita di circa 20 minuti. Allo stato stazionario la concentrazione di p53 in queste cellule è molto bassa. Espleta le sua funzione in tre diversi modi: a)Innesca meccanismi che inducono una pausa tra una fase e l’altra del ciclo cellulare; b)Avviaprocessi di riparazione del DNA; c)Avvia processi di apoptosi. Nelle cellule tumorali p53 può risultare: a.Perduto per delezione genica; b.Alterato da mutazioni inattivanti; c.Permanentamente repressi da meccanismi epigenetici (ipermetilazione) In caso di delezione o ipermetilazione la proteina p53 non viene espressa nelle cellule tumorali; mentre nel caso di una mutazione,è presente ma incapace di svolgere la sua funzione fisiologica perché strutturalmente alterata.

DANNO AL DNA p53 p21 blocco in G 1 CORREZIONE p53 +/- CLONI MALIGNI DNA NECROSI p53;MAPK;CKII;TNF;APO;…….. Geni bersaglio Caspasi Bax/Bcl-2 Bcl-2/Bcl-2 APOPTOSI DNA APOPTOSI

Displasia (epitelio) proliferazione non neoplastica perdita di uniformità (variazione di forma e dimensioni) mitosi anaplasia = perdita di differenziazione

Neoplasia = nuova crescita massa abnorme di tessuto la cui crescita non è coordinata con quella dei tessuti normali e persiste dopo la cessazione dello stimolo all’origine di ogni neoplasia è la mancanza di risposta al normale controllo della crescita

Fattori di crescita Molecole proteiche che stimolano la divisione e la crescita cellulare Agiscono attraverso l’interazione con recettori della membrana plasmatica, quindi agiscono solo su cellule bersaglio

I fattori di crescita possono indurre le cellule quiescenti (G0) a dividersi

MITOSI Processo di divisione nucleare in cui i cromosomi duplicati vengono separati gli uni dagli altri fedelmente per dare origine a due nuclei ognuno con una copia di ciascun cromosoma La mitosi è un divisione equazionale Le due cellule figlie generate sono geneticamente uguali fra di loro e geneticamente uguali alla cellula madre Durante la mitosi la maggior parte delle attività metaboliche sono ridotte, le cellule non rispondono agli stimoli esterni La mitosi è in genere associata alla citocinesi = processo che comporta la divisione del citoplasma in due parti più o meno uguali

La dinamica del DNA nel corso della mitosi

Schema delle fasi della mitosi

Immagine al microscopio ottico di cellule vegetali in interfase o a diversi stadi della mitosi

Fasi della mitosi: profase, metafase, anafase, telofase A B C D

Il fuso mitotico in una cellula vegetale in anafase

LA MITOSI E’ SUDDIVISA IN 5 FASI

interfase Si duplica il DNA e i cromosomi vengono ad essere così costituiti da 2 cromatidi identici, uniti a livello del centromero Con la duplicazione del DNA devono anche essere sintetizzate molecole di istoni in quantità opportuna Si duplicano i centrioli, che restano vicini tra loro a livello del centrosoma

La formazione dei cromosomi inizia in interfase (fase S) con la duplicazione

profase Il DNA si condensa e i cromosomi divengono visibili come tali (la condensazione del DNA richiede la fosforilazione di istoni e di altre molecole, tra cui la condensina) Si forma il cinetocore a livello dei centromeri Le proteine della lamina vengono fosforilate e si depolimerizzano; anche molte proteine del poro si fosforilano e il poro si disaggrega: in tal modo l’involucro nucleare può essere allontanato ad opera dei microtubuli; inoltre si perde la connessione DNA-lamine I microtubuli si riorganizzano e contribuiscono a disaggregare l’involucro nucleare (fosforilazione di MAP) I centrioli iniziano ad allontanarsi verso i poli Il citoscheletro di actina si riorganizza (fosforilazione della miosina e di altre proteine associate all’actina)

Profase: la condensazione del DNA - il ruolo della condensina

Profase: la condensazione del DNA - il ruolo della fosforilazione degli istoni La fosforilazione degli istoni nelle varie fasi del ciclo cellulare Istone H3 normale Istone H3 over- espresso Istone H3 mutante che non viene fosforilato

La lamina nucleare

La duplicazione dei centrosomi

prometafase I microtubuli si legano al cinetocore da entrambi i lati del centromero I microtubuli posizionano i cromosomi in piastra equatoriale Si organizza il fuso mitotico nelle sue tre componenti principali: fibre cromosomiche, fibre polari, fibre dell’aster, con le relative proteine-motore

metafase I cromosomi si allineano sul piano equatoriale Controllo del perfetto allineamento e attivazione del complesso che promuove l’anafase

La struttura del cinetocore

Le proteine associate al cinetocore La fluorescenza evidenzia due delle proteine più abbondanti del cinetocore, CENP-A e CENP-B

La struttura del cinetocore del lievito

La dinamica dei microtubuli in mitosi

anafase La coesina localizzata ai centromeri si disaggrega, consentendo la separazione dei due cromatidi fratelli I microtubuli cromosomici si accorciano all’estremità (+), “tirando” i cromosomi verso i poli (motori di dineina) I microtubuli polari si respingono nella zona di sovrapposizione (motori di kinesina) e si allungano, determinando un allungamento dell’intera cellula I microtubuli dell’aster trattengono l’aster vicino alla membrana, ancorandolo (altre proteine motore) Per effetto di queste azioni, la cellula si allunga mentre i cromosomi si allontanano verso i poli