MECCANISMIECCANISMI DIDI CONTROLLOCONTROLLO DELDEL CICLOCICLO CELLULARECELLULARE
È evidente che l’attitudine a ciclare in un organismo pluricellulare organizzato deve sottostare a delle regole ben precise: quando si deroga a queste regole si possono infatti avere casi che sono incompatibili con la vita dell’organismo. Se, per esempio, le cellule non sono in grado di ciclare adeguatamente si può avere l’incapacità a mantenere l’integrità strutturale degli organi; se, viceversa, le cellule ciclano più di quanto dovrebbero si può avere la formazione di masse tumorali. In condizioni fisiologiche il meccanismo che presiede alla regolazione del ciclo cellulare viene quindi controllato m modo molto stretto.
Fra i meccanismi di controllo ci sono delle proteine sintetizzate durante le varie fasi del ciclo dette
cicline: durante G1 vengono prodotte due cicline, la ciclina “E” è la ciclina “A”. Via via che aumenta la quantità di cicline nel citoplasma queste si legano in sempre maggiore quantità ad una proteina particolare, una chinasi detta p34 capace di fosforilare altre proteine: scinde infatti l’ATP in ADP + P e attacca il fosfato con l’energia di legame ad un’altra proteina. La p34 e, in particolare, una chinasi ciclina - dipendente: di viene attiva soltanto quando una ciclina va ad interagire con essa realizzando un complesso ciclina - chinasi ciclina - dipendente che viene chiamato start chinasi e che è la forma attiva di p34, quella fosforilante. La start chinasi è la principale responsabile del valico della soglia tra G1 ed S perché inizia a fosforilare, attivandoli, enzimi chiave nel processo di duplicazione del DNA. La p34 inizia a fosforilare anche enzimi proteolitici che digeriscono le cicline E ed A: quando si attiva la start chinasi si attiva anche un meccanismo a feedback negative che porta alla progressiva scomparsa delle cicline e quindi alla autolimitazione del fenomeno.
Intanto la cellula ha varcato la soglia al termine di G1, compie la fase S ed entra in fase G2. Fra le proteine che si formano in 62 c’è un’altra ciclina detta ciclina “B” o ciclina mitotica: questa proteina ha la capacita di legarsi a p34 formando un nuovo complesso detto fattore di promozione mitotica o MPF (dall’acronimo delle parole anglosassoni). Anche l’MPF, una volta attivato, inizia a fosforilare proteine; si tratta però di proteine diverse dalle precedenti perché la specificità di p34 dipende dal tipo di ciclina con cui interagisce: se questa è una ciclina B il complesso MPF si specializza nel fosforilare le lamine, 39 Vengono sintetizzate, per esempio, grandi quantità di tubulina che, come vedremo, sono indispensabili durante la divisione cellulare.
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quelle proteine associate all’involucro nucleare (fanno parte della lamina fibrosa) che presiedono, tra le altre cose, alla scomposizione dell’involucro nucleare che si ha durante la mitosi. L’MPF può fosforilare anche l’H1 associato al tratto linker della fibra nucleosomica: quando l’Hl viene fosforilato la fibra nucleosomica si compatta e questo è un prerequisito indispensabile perché da]la forma interfasica della cromatina si passi alla sua completa condensazione nei cromosomi. Quando questi eventi si sono compiuti la cellula entra in fase M.
Proprio in base alla diversa attitudine a compiere in maniera completa o solo parziale il ciclo cellulare possiamo suddividere le varie popolazioni cellulari del nostro organismo in tre grandi categorie.
Popolazioni cellulari soggette a rinnovo o labili: queste popolazioni cellulari sono caratterizzate da un
pool di cellule dette staminali che mantengono indefinitamente la capacita di ciclare per tutta la vita dell’organismo di cui fanno parte. La progenie di queste cellule staminali prende una duplice via: una cellula figlia rimane cellula staminale e continua a ciclare; un’altra cellula figlia imbocca il comparto differenziativo, dopodiché muore.
Tipici esempi di popolazioni cellulari soggette a rinnovo sono quelle dei globuli rossi e quelle delle cellule che formano il tessuto che riveste la superficie esterna del nostro corpo e la mucosa orale: le cellule più profonde costituiscono il compartimento staminale,la loro progenie si sposta via via negli strati più superficiali, si differenzia sempre di più e, raggiunto il massimo grado di differenziazione, muore.
Popolazioni cellulari in espansione o stabili: si tratta di cellule che hanno la capacita di ciclare e la
mantengono per tutto il periodo di accrescimento dell’organismo: sono in numero esiguo durante la vita intrauterina quando costituiscono, per esempio, l’abbozzo di un determinato organo ma proliferano accrescendo quest’organo e continuano a proliferare nella vita post - natale fino al raggiungimento dell’età adulta o quasi. Quando l’organo ha raggiunto il peso e le dimensioni definitive le cellule che lo costituiscono entrano in G0 e ci restano indefinitamente40. La loro condizione di cellule non più ciclanti e, pero, reversibile: sotto stimoli particolari41 le cellule di tali popolazioni rientrano in G1, ricominciano a ciclare e costruiscono nuovo tessuto finche l’organo non raggiunge di nuovo le dimensioni normali. Un esempio tipico di popolazione cellulare in espansione è dato dalle cellule del fegato: sono stati fatti degli esperimenti in cui si è proceduto all’amputazione di un lobo epatico di roditori da laboratorio e si è visto che a seguito di questo intervento sopraggiungeva un potente stimolo mitotico a livello delle residue cellule del fegato che portava l’organo a riassumere in breve tempo la sua taglia normale.
Popolazioni cellulari statiche o perenni: queste cellule si caratterizzano per il fatto che ciclizzano
soltanto per i primi stadi della vita dell’individuo, essenzialmente quelli intrauterini, entrano poi in G0 e vi restano per sempre.
40 In linea di massima si dice che ci possono restare tanto quanto dura la vita dell’individuo.
41 Per esempio una perdita di sostanze dell’organo (dovuta ad un’infiammazione, ad un processo chirurgico, ecc.) che porti ad una menomazione delle sue dimensioni.
Sezione di citologia – 15. Ciclo cellulare e divisione cellulare 87 Un esempio tipico di cellule statiche è dato dalle cellule nervose specifiche, i neuroni: si può dire
che la perdita dell’attitudine a ciclare sia il prezzo da pagare per l’elevata specializzazione raggiunta da queste cellule. Già durante la vita intrauterina i neuroni smettono di proliferare ed iniziano a differenziarsi instaurando tra se innumerevoli connessioni che sarebbero irrepetibili nella vita post - natale anche se ci fosse la possibilità di proliferare. Se avvengono processi patologici o traumi di altro genere che portano alla perdita di tessuto nervoso di questo tipo non c’è modo di colmare le perdite perché, in linea di massima, nessun neurone differenziato è in grado di uscire da G0. In realtà un individuo che abbia avuto un danno al tessuto nervoso, pur presentando inizialmente dei sintomi molto gravi di insufficienza dovuti al fatto che alcune parti del suo corpo non sono più innervate, può godere in certi casi, grazie alla riabilitazione, di un recuperò parziale: questa ripresa funzionale non è dovuta tuttavia al fatto che si sono formati nuovi neuroni ma al fatto che quelli rimasti, se sono abbastanza, possono assumere il ruolo di quelli perduti.
Almeno questo è quanto si riteneva fino a tempi molto recenti. Uno scienziato sembra aver scoperto che in certe regioni del nostro sistema nervoso residuano dei neuroblasti cioè delle cellule staminali neuronali che sono rimaste in G0, non si sono ancora differenziate e potrebbero essere indotte a tornare in G1. Si ritiene che si possa modulare la proliferazione di queste popolazioni neuronali non ancora differenziate, intercalate in certe zone del sistema nervoso, inducendole a colmare le perdite che si siano verificate per processi patologici o traumi di altro genere.
Del resto, era già noto da tempo che non tutti i neuroni sono incapaci di ciclare: ci sono dei neuroni particolari che si localizzano perifericamente, alla superficie, in sedi molto esposte (soprattutto a livello delle fosse nasali) che si danneggiano e si perdono molto facilmente (anche a causa di un semplice raffreddore) ma che sanno proliferate pur essendo neuroni differenziati a tutti gli effetti. Ciò deriva probabilmente dal fatto che sono molto antichi nella filogenesi e questa la loro primitività li premia permettendo loro di comportarsi di fatto come popolazioni cellulari in espansione. Si tratta tuttavia di eccezioni che confermano la regola.
Applicando la tecnica dell’istoautoradiografia è possibile andare a verificare la presenza delle cellule ciclanti: si somministra alle cellule in crescita un precursore rappresentato dalla timidina che viene resa radioattiva sostituendo all’idrogeno il tritio. La timidina triziata viene incorporata nel DNA solo dalle cellule in fase S, l’unico momento della vita cellulare in cui avviene la duplicazione del genoma. Presa una sezione del tessuto in esame sul quale viene stesa un emulsione fotografica possiamo osservare che al di sopra dei nuclei delle cellule in ciclo si formano i grani di argento ridotto. Il modo di verificare la presenza di cellule in fase S con il metodo della timidina triziata è molto utile anche in campo oncologico: è stato visto che maggiore è la proporzione delle cellule ciclanti in un tumore, maggiore è l’aggressività di quel tumore.
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L
LAA MITOSIMITOSI
Anche questo processo è suddivisibile in varie fasi. La prima fase della mitosi si chiama profase ed è caratterizzata dalla duplicazione dei centrioli: i due centrioli del diplosoma42 si distanziano ed in vicinanza di ognuno dei due centrioli preesistenti se ne forma ortogonalmente uno nuovo. Nelle cellule in intercinesi il centriolo funziona da centro di nucleazione per i microtubuli labili del citoplasma; analogamente, durante la profase, intorno a ciascuna coppia di centrioli si organizzano dei fasci di microtubuli che si irradiano a 360°. Questi microtubuli prendono il nome di fibre astrali; l’insieme delle fibre astrali prende il nome di centrosfera. La porzione di questa centrosfera dove ci sono le due copie di centrioli è priva di fibre astrali ma è ricca di proteine come quelle dei satelliti pericentriolari che sono coinvolte nella nucleazione dei microtubuli: questa zona centrale della centrosfera è detta centrosoma. Durante la profase le due coppie di centrioli si allontanano progressivamente fino a raggiungere i poli opposti della cellula; fra di esse rimane teso un fascio di microtubuli che darà origine al fuso mitotico: queste microtubuli sono anche detti fibre polopolari o anche fibre continue del fuso mitotico. In realtà, se andiamo a vedere la zona mediana di ciascuna di queste fibre, coincidente con l’equatore della cellula, si osserva che ogni fibra si interrompe e si innesta con un’altra fibra che parte dal polo opposto; non dobbiamo quindi pensare ad un lungo microtubulo continuo che unisce i due poli ma ad una coppia di microtubuli, ognuno equivalente circa alla meta della lunghezza della cellula, che si vincolano per le loro estremità nella zona dell’equatore cellulare.
Al termine della profase tutta la cromatina si trova sottoforma di cromosomi disposti irregolarmente all’interno dell’involucro nucleare. Ogni cromosoma è costituito da due filamenti detti cromatidi uniti a livello del centromero. I nucleoli si disgregano perdendo la loro componente granulare e condensando quello fibrillare. Si disgrega infine anche l’involucro nucleare in numerosi frammenti che, in parte, si mescolano con il RER, in parte si addossano ai cromosomi e alle fibre del fuso.
Si passa quindi alla fase successiva: i cromosomi, inizialmente dispersi, durante la metafase vengono raggiunti da fasci di microtubuli che collegano i rispettivi centromeri ai due poli della cellula e che vengono indicati come fibre cromosomiche. Queste vanno a costituire un fuso centralmente rispetto al fuso mitotico e la loro messa in tensione è responsabile dell’ordinata disposizione di tutti i cromosomi sul piano equatoriale della cellula; è questo infatti il fenomeno distintivo della metafase. Le due fibre cromosomiche hanno infatti esattamente la stessa lunghezza e quando si sono perfettamente conformate sono come due pioli di pari lunghezza che costringono i cromosomi a disporsi esattamente a meta della lunghezza di ciascun fascio e quindi sul piano equatoriale della cellula.
Nonostante l’estrema compattazione della cromatina i cromosomi sono abbastanza flessibili, soprattutto nella zona del centromero, più sottile: si dispongono quindi in modo tale che le loro estremità volgano verso la superficie della cellula, verso la membrana plasmatica, mentre la parte del centromero rimanga prossima all’asse di simmetria della cellula. Se osserviamo la metafase in una prospettiva laterale che ci fa vedere i due poli, vediamo tutti i cromosomi disposti in una banda lineare. Se invece guardiamo la
Sezione di citologia – 15. Ciclo cellulare e divisione cellulare 89 cellula da una prospettiva polare vediamo un’immagine diversa che è quella dell’aster; la zona centrale
dell’aster è occupata da fibre del fuso ed appare vuota di materiale cromosomico.
Dalla metafase si passa all’anafase: all’inizio dell’anafase i due cromatidi ancora uniti nella zona del centromero si distaccano e si individualizzano. Non parliamo più di cromatidi ma di cromosomi figli. Ciascun cromosoma figlio è adeso al proprio cinetocore il quale comincia a muoversi perché le fibre cromosomiche incominciano a depolimerizzarsi; in anafase quindi assistiamo alla migrazione dei cromosomi figli verso i poli opposti della cellula. Man mano che avviene la depolimerizzazione delle fibre cromosomiche avviene anche l’accrescimento in lunghezza delle fibre polopolari: i due poli quindi sia allontanano e la cellula da sferica diventa ovale.
Si passa quindi alla telofase: i cromosomi figli hanno raggiunto il proprio polo, le fibre cromosomiche sono completamente scomparse e le fibre polopolari rimangono comprese in una zona che corrisponde grosso modo all’asse di simmetria della cellula. Durante la telofase assistiamo agli eventi contrari a quelli che abbiamo visto per tutta la profase; i frammenti dell’involucro nucleare si riportano attorno ai cromosomi di ciascun poro e si rifondono insieme, ad opera delle lamine, per formare, intorno a ciascun gruppetto di cromosomi figli, un nuovo involucro nucleare. Contemporaneamente il materiale cromatinico inizia a dipanarsi e riprendono i processi di trascrizione che erano stati sospesi in profase: il primo evento visibile di questa ripresa della trascrizione è la ricomparsa del nucleolo che si era perduto al termine della profase quando i geni nucleolari erano stati eterocromatizzati. Progressivamente anche l’aspetto dei cromosomi viene perduto ed il materiale nucleolare riprende l’aspetto della cromatina interfasica.
L’ultima parte della mitosi riguarda il solo citoplasma ed è detta citodieresi: si forma un cercine equatoriale subplasmalemmale di proteine contrattili che si ancorano al plasmalemma è formano una specie di anello in corrispondenza dell’equatore che inizia a contrarsi sempre di più dando alla cellula la forma di una clessidra: l’istmo della clessidra si stringe sempre di più fino a chiudere un sottilissimo ponte di citoplasma in cui rimane un fascetto di fibre polopolari. Queste rapidamente si depolimerizzano, le membrane dell’istmo si avvicinano, si riassortiscono e da un’unica cellula originano due cellule figlie.