Lezione 4 Ciclo cellulare, mitosi e meiosi

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)

Divisione cellulare Organismi eucarioti unicellulari si riproducono in modo asessuato per MITOSI Nei pluricellulari la mitosi serve all’accrescimento e alla rigenerazione dei tessuti I protozoi possono fare riproduzione sessuata attraverso la singamia (in realtà non c’è riproduzione) autogamia http://www.microscopy-uk.org.uk/mag/indexmag.html?http://www.microscopy-uk.org.uk/mag/wimsmall/cilidr.html paramecium

Ciclo cellulare fasi Interfase (G1 + S + G2): Periodo che intercorre tra una mitosi e la successiva Pag 256 Chieffi; check point in G2 assicura che dopo duplicazione DNA c’è mitosi Ciclo cellulare a due fasi: mitosi e interfase (è la fase più lunga) All’osservazione al microscopio la maggior parte delle cellule si trova in interfase, con la cromatina decondensata Mitosi La mitosi rappresenta la fase conclusiva del ciclo cellulare

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)

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

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

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

prometafase Scomparsa membrana nucleare Le fibre del fuso si attaccano a strutture proteiche (cinetocori) che sono legate al centromero Cinetocore: struttura proteica a livello del centromero

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

L’apparato del fuso mitotico + cinetocore assicurano la corretta ripartizione dei cromosomi nelle due cellule figlie Cinetocore: proteine che legano il centromero (220nt) I due cromatidi fratelli aderiscono ai microtubuli provenienti dai due poli opposti del fuso

anafase Separazione dei cromatidi fratelli

Segregazione dei cromosomi cromosoma microtubuli microtubuli cromosomi

telofase Decondensazione dei cromosomi Ricompare la membrana nucleare

profase metafase anafase telofase citodieresi

Interfase Profase Metafase Anafase Telofase

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

HeLa Henrietta Lacks (1 agosto 1920 - 4 ottobre 1951) Durante una biopsia le furono prelevate alcune cellule tumorali uterine. Le cellule di Henrietta Lacks sono naturalmente 'immortalizzate', possono cioè essere coltivate in vitro senza andare in senescenza. 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 state 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…. https://en.wikipedia.org/wiki/The_Immortal_Life_of_Henrietta_Lacks https://en.wikipedia.org/wiki/HeLa http://social.airicerca.org/2016/06/07/le-cellule-immortali-di-henrietta-lacks/

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

Apoptosi Morte cellulare programmata 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 Esempi di apoptosi non legata a danno: riassorbimento coda anuri da stadio larvale ad adulto, riassorbimento membrana interdigitale mammiferi

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 Rigenerazione epatociti: in risposta al danno cellulare, malattie virali, intervento chirurgico (asportazione fino ai 2/3 della massa epatica) c. perenni c. stabili

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…) https://stemcells.nih.gov/info/basics/1.htm

Potenzialità differenziativa delle cellule staminali 1 Totipotenti: possono dare origine a qualunque cellula dell’organismo Nella blastocisti 4-5 giorni (c.a. 30 cellule) danno origine a tutti i tipi cellulari dell’individuo La massa di cellule interne della blastocisti è costituita da una trentina di cellule Si parla di blastocisti dal 4° al 14° giorno dopo la fecondazione http://www.cavmelzo.it/Embrione/evidenze/evidenze_04.htm De Coppi: Isolation of amniotic stem cells with potential for therapy. Nat Biotech. Jan 2007 nell’uomo isolate e messe in coltura dal 1998 possono proliferare in vitro > 1 anno senza differenziare

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) In vitro si mantengono per meno tempo rispetto alle s. embrionali Più difficili da ottenere in quantità sufficienti, non sono totipotenti

Potenzialità differenziativa delle cellule staminali 2 Multipotenti: possono dare origine a più tipi cellulari Unipotenti: danno origine a un solo tipo cellulare Cellule staminali del midollo osseo Cellule satelliti del muscolo

Cellule staminali del midollo osseo Molte cellule del sangue hanno vita breve e devono essere ripristinate continuamente. L’essere umano necessita approssimativamente 1011 nuove cellule ematopoietiche al giorno

Cellule staminali del muscolo Cellula satellite http://www.nature.com/nature/journal/v441/n7097/fig_tab/nature04958_F4.html http://en.wikipedia.org/wiki/Myosatellite_cell Fibra muscolare 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

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…) http://www.salute.gov.it/imgs/C_17_pubblicazioni_941_allegato.pdf http://www.hindawi.com/journals/jbt/2012/317632/ http://www.molecularlab.it/news/view.asp?n=8469&utm_source=twitterfeed&utm_medium=facebook&utm_campaign=Feed%3A+molecularlab%2Fnews+%28MolecularLab.it+-+News+di+biotech%2C+medicina+e+biologia+molecolare%29&utm_content=FaceBook

Terapie cellulari basate sulle staminali (medicina rigenerativa) Tessuti dell’adulto Cordone ombelicale Blastocisti preimpianto Isolamento c. staminali ematopoietiche Espansione in vitro Umbilical cord blood stem cells danno meno problemi di rigetto (solo il 30% dei pazienti ha donatore HLA compatibile) o di graft versu host disease ed è più facile procurarsele rispetto a donazione di midollo Il rigetto di trapianti da staminali embrionali è ancora sotto valutazione (il primo trial clinico in fase 1 è stato approvato solo di recente) La potenzialità differenziativa è legata al tipo di staminali (toti, multi potenti) di partenza CLONAZIONE TERAPEUTICA http://www.lescienze.it/news/2014/04/29/news/staminali_embrionali_differenziazione_cellule_beta_diabete-2117450/ Differenziamento

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

Riproduzione asessuata eucarioti 1 Scissione, Frammentazione Partenogenesi: sviluppo dell’uovo non fecondato le uova non fecondate vanno in partenogenesi e producono dei maschi che vivono in forma aploide, i fuchi http://greenreport.it/_archivio2011/index.php?page=default&id=17774

Riproduzione asessuata eucarioti 2 per GEMMAZIONE in Hydra (Cnidari) L’idra è anche in grado di riprodursi sessualmente come evidenziato dalla presenza di un uovo. http://www.livescience.com/53178-hydra-may-live-forever.html?cmpid=514627_20151222_56631606&adbid=10153150255341761&adbpl=fb&adbpr=30478646760 Unlike most multicellular species, hydra don't show any signs of deteriorating with age. Hydra are known for their regenerative capabilities. Most of their body cells are stem cells.

Vantaggi riproduzione asessuata Non è necessaria la ricerca di un partner compatibile Ogni individuo che si riproduce trasferisce alla progenie il 100% dei suoi geni Garantisce una velocità di espansione della popolazione molto maggiore di quella sessuata Andrea Pilastro: Sesso ed evoluzione ed Bompiani http://www.pikaia.eu/EasyNe2/Notizie/I_vantaggi_della_riproduzione_asessuale.aspx

Tasso di crescita Specie ipotetica in cui ciascuna femmina dà origine a 4 figli Generazione n° individui riprod. sessuata riprod. asessuata I 2 1 II 4 III 8 16 Andrea Pilastro: Sesso ed evoluzione ed Bompiani …e allora perché la maggior parte degli eucarioti non la utilizza?

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 Una componente ambientale che cambia molto velocemente, molto più velocemente di cambiamenti climatici e dei predatori, è rappresentato dai parassiti Andrea Pilastro: Sesso ed evoluzione ed Bompiani http://pikaia.eu/perche-la-riproduzione-sessuale-e-cosi-diffusa-tra-gli-eucarioti/ http://pikaia.eu/fare-sesso-per-adattarsi-piu-rapidamente/ http://www.livescience.com/15096-sex.html?cmpid=514627_20150329_42824516&adbid=10152650367891761&adbpl=fb&adbpr=30478646760 36

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. n Gli individui neoformati non sono mai identici ai genitori: ricombinazione (crossing over) e riassortimento indipendente dei cromosomi creano VARIABILITA’ GENETICA 2n 37

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

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

I° Divisione meiotica (riduzionale) Chr. 1 materno paterno Chr. 2 2n condensazione cromosomi crossing over Segregazione indipendente omologhi

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

Crossing over (ricombinazione) scambio di tratti di DNA (processo di rottura e saldatura) tra i cromatidi non fratelli di due cromosomi omologhi Gameti parentali Geni: A/B Alleli: A, a, B, b During meiosis, homologous chromosomes (1 from each parent) pair along their lengths. The chromosomes cross over at points called chiasma. At each chiasma, the chromosomes break and rejoin, trading some of their genes. This recombination results in genetic variation. Gameti ricombinanti Nella specie umana avvengono in media 1-3 c.o. / coppia di omologhi

Crossing over (ricombinazione)

Effetto del crossing over La sequenza dei geni lungo il cromosoma rimane invariata (A, B, C…); quello che cambia è la “combinazione” degli alleli di loci diversi lungo il cromosoma (Ab nei ricombinanti piuttosto che AB dei parentali) 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 Quello che è diverso è la sequenza degli alleli ai diversi loci lungo il cromosoma per il c.o.

Assortimento indipendente Per 2 coppie di omologhi = 22 possibili combinazioni Nell’uomo 23 coppie di omologhi = 223 possibili combinazioni (8 388 608!) Assortimento indipendente dei cromosomi parentali e crossing over generano infinita variabilità nei gameti

Mitosi e meiosi a confronto Appaiamento dei cr. omologhi solo in meiosi Ricombinazione solo in meiosi Mitosi: divisione equazionale Meiosi: divisione riduzionale Mitosi produce 2 cellule identiche, meiosi 4 cellule diverse In mitosi può avvenire sister chromatid exchange

Confronto tra mitosi e meiosi 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

Gametogenesi ♂ (Cellule germinali) Normalmente degenerano

Spermatogenesi Processo che inizia con la pubertà. L’intero percorso di maturazione da spermatogonio a spermatozoo dura 65-75 gg spermatogonio Spermatocita primario Spermatocita secondario spermatidi spermatozoi

Caratteristiche della spermatogenesi Processo continuo, che parte dalla pubertà e continua per il resto della vita Gli spermatogoni si dividono per mitosi durante tutta la vita Vengono prodotti miliardi di spermatozoi nel corso della vita Da ogni spermatocita primario si ottengono 4 spermatozoi

Gametogenesi ♀ mitosi Normalmente degenerano (Cellule germinali) Il primo corpuscolo polare nel topo degenera subito dopo l’ovulazione (Wakayama T, Yanagimachi R 1998), quindi probabilmente non fa a sua volta la 2° divisione meiotica. Nell’uomo? E’ riportato come evento possibile (Ortiz ME, Lucero P, Croxatto HB, 2005) ma quanto frequente? http://talbotcentral.ucr.edu/index.php?content=AA_03C_research.html Normalmente degenerano

Ovogenesi Prima della nascita Tutti gli oogoni differenziano in oociti I. Nei primi mesi di vita fetale tutti gli oociti I iniziano la meiosi e si bloccano 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

Caratteristiche dell’ovogenesi Processo DISCONTINUO in cui la produzione dei gameti avviene ciclicamente e si interrompe con il sopraggiungere della menopausa - Alla nascita le ovaie contengono qualche milione di ovociti primari (bloccati in profase I) - Alla pubertà il numero è ridotto a circa 200.000 - Nel periodo di vita feconda una donna produce circa 400 ovociti secondari (12 x numero di anni fertili) Ovarian aging http://edrv.endojournals.org/cgi/content/full/30/5/465 Decreasing numbers of follicles, coinciding with diminished oocyte quality, dictate the gradual changes in menstrual cycle regularity and monthly fecundity. - Gli ovociti invecchiano insieme alla donna…..con l’età aumenta il rischio di errori nella meiosi ♀

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

Il rischio di avere un figlio affetto da s 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

Errori nella gametogenesi maschile The sperm produced by a 20-year-old male has gone through ∼190 cell divisions (mitoses), and this number increases to ∼650 by the age of 40 years. In contrast, eggs do not replicate after birth. These sex-specific differences in germline biology are likely to explain the 3:1 excess of paternally derived DNMs (De novo mutations) observed in the progeny. However, maternal and paternal DNMs increase in number with parental age and show sex-specific mutational patterns. Orange cells, actively dividing stem cells; yellow cells, differentiating gametes undergoing meiosis. Image: Marina Coral Spence/Nature Publishing Group Nel maschio gli spermatogoni vanno incontro a mitosi per tutta la vita. Ad ogni replicazione cellulare c’è il rischio che avvenga una mutazione e se questa non viene riparata rimane fissata negli spermatozoi derivati da quello spermatogonio. All’aumentare dell’età paterna aumenta la probabilità di mutazioni puntiformi nei figli imputabili a errori nella replicazione del DNA e mancata correzione degli stessi da parte dei sistemi cellulari

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