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 (2 protozoi fanno meiosi, danno origine a 2 cellule ciascuno che si fondono in due zigoti; in realtà non c’è riproduzione) autogamia (

MITOSI fasi Dopo la replicazione del DNA all’interno del nucleo: Condensazione e segregazione del DNA in due nuclei figli Divisione del citoplasma (citodieresi)

Ciclo cellulare fasi Interfase (G1 + S + G2) Mitosi 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: implicazioni per il cariotpo Mitosi La mitosi rappresenta la fase conclusiva del ciclo cellulare

La mitosi rappresenta la fase conclusiva del ciclo cellulare Sintesi microtubuli 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: implicazioni per il cariotpo G gap; G1 + S + G2 = Interfase

Ciclo cellulare checkpoints 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? G1 checkpoint è nel punto in cui parte eventualmente G0? G1 checkpoint: dimensioni cellulari, presenza di nutrienti Sintesi del DNA

Prima che la cellula entri in mitosi il materiale genetico viene duplicato (fase S) , ciascun cromosoma risulta quindi costituito da 2 cromatidi double strand

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

profase Fase S Condensazione dei cromosomi 4 cromosomi monocromatidici materno materno Cr 1 4 cromosomi monocromatidici paterno paterno Cr 2 Fase S 4 cromosomi dicromatidici profase Condensazione dei cromosomi

profase metafase Scomparsa membrana nucleare I cromosomi si allineano lungo il piano equatoriale della cellula Le fibre del fuso si attaccano ai cinetocori dei cromosomi Cinetocore: struttura a livello del centromero

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 adesriscono ai microtubuli provenienti dai due poli opposti del fuso

profase metafase anafase Separazione dei cromatidi fratelli

Segregazione dei cromosomi cromosoma microtubuli microtubuli http://www.wadsworth.org/BMS/SCBlinks/mcewen/index.htm cromosomi

profase metafase anafase telofase Decondensazione dei cromosomi Ricompare la membrana nucleare

profase metafase anafase telofase citodieresi

Interfase Profase Metafase Anafase Telofase

MITOSI fasi:

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 Schema ciclo cellulare 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 in vitro o in vivo dando origine a cellule specializzate (neuroni, cardiomiociti, cellule pancreatiche che producono insulina…) http://stemcells.nih.gov/info/scireport/appendixa.asp

Cellule staminali embrionali (da blastocisti 4-5 giorni) - danno origine a tutti i tipi cellulari dell’individuo (totipotenti) - nell’uomo isolate e messe in coltura dal 1998 - Possono proliferare in vitro > 1 anno senza differenziare 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

Lo sviluppo embrionale si realizza attraverso la divisione mitotica, il differenziamento cellulare e la morfogenesi

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)

Cellule staminali dell’adulto 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 stem cells pluripotenti; cell. staminali cervello: cellule del sangue e del muscolo scheletrico; cell. staminali ematopoietiche: cardiomiociti, cellule neuronali, cell. germinali maschili… In vitro si mantengono per meno tempo rispetto alle s. embrionali Più difficili da ottenere in quantità sufficienti, non sono totipotenti Testicular multipotent stem cells: Seandel M 2007 Nature vol 449, p 346-

Isolamento Espansione in vitro Differenziamento Applicazioni: Tessuti dell’adulto Cordone ombelicale Blastocisti preimpianto Tessuti dell’adulto Cordone ombelicale Blastocisti preimpianto Tessuti dell’adulto Cordone ombelicale Blastocisti preimpianto Applicazioni: Bone Marrow Transplantation Patologie degenerative (Parkinson, diabete) Isolamento Espansione in vitro BMT terapia basata su stem cells dell’adulto in uso da molti anni (Il primo trapianto allogenico di midollo osseo nell’uomo viene eseguito nel 1959 da E. Donnal Thomas in un paziente affetto da leucemia acuta) 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 Il rigetto di trapianti da staminali embrionali è ancora sotto valutazione (il primo trial clinico in fase 1 è stato approvato solo di recente) Differenziamento

Le cicline e il controllo del ciclo cellulare Cicline: proteine che controllano il ciclo cellulare Esistono diversi tipi di Cicline che variano la loro concentrazione durante il ciclo cellulare; esse legano e attivano le Chinasi ciclina-dipendenti (CDK), la cui concentrazione rimane invece costante http://en.wikipedia.org/wiki/Cyclin

Variazioni della concentrazione di cicline durante il ciclo cellulare http://en.wikipedia.org/wiki/Cyclin The Cdk- G1/S cyclin complex begins to induce the initial processes of DNA replication, primarily by arresting systems that prevent S phase Cdk activity in G1. The cyclins also promote other activities to progress the cell cycle, like centrosome duplication in vertebrates or spindle pole body in yeast. The rise in presence of G1/S cyclins is paralleled by a rise in S cyclins. S cyclins bind to Cdk and the complex directly induces DNA replication. The levels of S cyclins remain high, not only throughout S phase, but through G2 and early mitosis as well to promote early events in mitosis. M cyclin concentrations rise as the cell begins to enter mitosis and the concentrations peak at metaphase. Cell changes in the cell cycle like the assembly of mitotic spindles and alignment of sister-chromatids along the spindles are induced by M cyclin- Cdk complexes. The destruction of M cyclins during metaphase and anaphase, after the Spindle Assembly Checkpoint is satisfied, causes the exit of mitosis and cytokinesis G1 cyclins do not behave like the other cyclins, in that the concentrations increase gradually (with no oscillation), throughout the cell cycle based on cell growth and the external growth-regulatory signals. The presence of G cyclins coordinate cell growth with the entry to a new cell cycle.

Meccanismo di azione delle cicline La ciclina si lega alla sua CDK specifica e la attiva Il complesso ciclina-CDK fosforila la proteina bersaglio La proteina bersaglio viene attivata dalla fosforilazione e questo inizia una catena di eventi che culminano nell’attivazione di fattori di trascrizione di geni i cui prodotti sono rischiesti per la fase successiva del ciclo cellulare http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21238/

Riproduzione asessuata Gli individui neoformati sono identici al genitore (cloni), NON crea variabilità nella specie. Nei procarioti  SCISSIONE BINARIA (obbligata) In alcuni eucarioti  con modalità diverse: (facoltativa) (gemmazione, scissione, frammentazione, partenogenesi) protozoi, celenterati, platelminti

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

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 e riassortimento indipendente dei caratteri parentali creano VARIABILITA’ GENETICA 2n

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.: nell’uomo 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) materno paterno 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 omologhi Gameti parentali 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

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 parentali Quello che è diverso è la sequenza degli alleli ai diversi loci lungo il cromosoma per il c.o.

Crossing over

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 parentali X Y Z X Y Z X X Y Y Z Z

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

MEIOSI Assortimento indipendente 2n meiosi I n n meiosi II n n n n 8 1

MEIOSI Assortimento indipendente 2n meiosi I n n meiosi II n n n n 8 1

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 cell 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 ♂ e ♀ (Cellule germinali) Normalmente degenerano

Gametogenesi ♂ e ♀ 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? Normalmente degenerano

Spermatogenesi processo che inizia con la pubertà. L’intero percorso di maturazione da spermatogonio a spermatozoo dura 65-75 gg

Caratteristiche della spermatogenesi 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

Gametogenesi ♂ e ♀ a confronto Dalla pubertà Dalla pubertà 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

Ovogenesi Nei primi mesi di vita fetale inizia 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

Il completamento della II° divisione meiotica dell’ovocita avviene dopo che uno spermatozoo è penetrato

Caratteristiche dell’ovogenesi 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 - Alla nascita le ovaie contengono qualche milione di ovociti primari (bloccati in profase I) - Alla pubertà il numero è ridotto a circa 200.000 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. - Nel periodo di vita feconda una donna produce circa 400 ovociti secondari (12 x numero di anni fertili) - Gli ovociti invecchiano insieme alla donna…..con l’età aumenta il rischio di errori nella meiosi ♀

Errori di disgiunzione durante la meiosi I portano ad ANEUPLOIDIE (corredo cromosomico  2n ). La frequenza di tali errori sembra aumentare con l’età della donna (e dei suoi ovociti) Nella profase degli oociti umani si osserva un’alta incidenza di difetti di sinapsi (c.o.). E’ questo che causa aneuploidie? Nel maschio un basso numero di c.o. si associa a infertilità (Hassold T 2007)

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

Età materna al parto in anni Rischio sindrome di Down Età materna al parto in anni Rischio 25 1/1376 30 1/960 35 1/424 40 1/126 45 1/31 46 1/24 47 1/17 48 1/16 49 1/9,5 Confrontare con tabella cap 10 del Thomson