DIVISIONE CELLULARE
La capacità di riprodursi è la caratteristica fondamentale di un organismo vivente. Tutte le cellule si originano dalla divisione di cellule preesistenti.
Ripetuti cicli di divisione cellulare assicurano la conservazione dell’organismo, la formazione di organismi pluricellulari, e la rigenerazione di tessuti danneggiati.
Quando una cellula si divide, l’informazione contenuta nel DNA deve essere fedelmente duplicata e le copie trasmesse alle cellule figlie.
La divisione cellulare è un processo che porta alla formazione di due o più cellule figlie a partire da una cellula genitore (duplicazione).
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DNA umano: patrimonio genetico costituito da 46 cromosomi
n=23 cromosomi di origine paterna + n=23 cromosomi di origine materna = 23 coppie di cromosomi (2n=2x23=46 cromosomi)
Cellule somatiche: 2n - corredo cromosomico diploide Gameti: n - corredo cromosomico aploide
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PATRIMONIO GENETICO
DIVISIONE CELLULARE - TIPOLOGIE
In organismi unicellulari, la divisione cellulare corrisponde alla riproduzione dell’ intero organismo.
In organismi pluricellulari, la divisione cellulare serve per crescita e omeostasi dei tessuti.
I procarioti si dividono per SCISSIONE BINARIA.
Negli eucarioti a riproduzione sessuata esistono di due tipi di divisione cellulare:
- cellule somatiche (ad esempio durante la crescita) si dividono per MITOSI. Il patrimonio genetico diploide (2n) viene fedelmente replicato (4n) ed equamente distribuito in 2 cellule figlie (2n + 2n), che quindi hanno un patrimonio genetico uguale alla cellula madre.
- cellule della linea germinale per MEIOSI. Il patrimonio genetico diploide (2n) viene fedelmente replicato (4n) ed equamente distribuito in 4 cellule figlie (n + n + n + n), che quindi hanno un patrimonio genetico dimezzato (aploide, n) rispetto alla cellula madre.
Inoltre attraverso processi di RICOMBINAZIONE OMOLOGA aumenta la variabilità del patrimonio genetico.
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Scissione binaria Cellula
Aploide (n) Duplicazione
Del DNA
n + n
Cellula Aploide
(n)
Cellula Aploide
(n)
mitosi Cellula Diploide
(2n) Duplicazione
Del DNA
2n+2n
Cellula Diploide
(2n)
Cellula Diploide
(2n)
meiosi Cellula Diploide
(2n) Duplicazione
Del DNA
Cellula Aploide
(n)
Cellula Aploide
(n)
Cellula Aploide
(n)
Cellula Aploide
(n) 2n+2n
Meiosi I
2n 2n
meiosi Meiosi II Tipica dei procarioti Tutti i tipi cellulari eucarioti
Meiosi - Tipica delle cellule germinali Mitosi
Scissione binaria (n=1)
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DIVISIONE CELLULARE - TIPOLOGIE
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SCISSIONE BINARIA
n=1
setto (septum)
Duplicazione DNA Fase S
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CICLO CELLULARE - ALTERNANZA DI INTERFASE E DIVISIONE
Le cellule derivate dalla devisione di una cellula madre possono a loro volta dividersi. Il ciclo vitale dell ecellule (ciclo cellulare) ha lo scopo di duplicare il DNA e distribuire le copie dei cromosomi nelle cellule figlie.
Nell’intervallo tra due divisioni cellulari, ovvero per la maggior parte del tempo, la cellula eucariotica si trova in una condizione nota come interfase.
La durata del ciclo cellulare varia da un tipo cellulareall’altro:
lievito unicellulare si divide ogni 90-120 minuti
cellula epatica di mammifero si divide non più di una voltaall’anno.
Mediamente una cellula di mammifero si divide ogni 24h, quindi ha un ciclo cellulare che dura 24h.
cinetocore crofomaidi fratelli
cromatidio
centromero
G (gap, intervallo): fase durante la quale non c’è sintesi di DNA
S (sintesi): fase durante la quale avviene la duplicazione del DNA
Se la Mitosi non è seguita dalla citochinesi, si originano due cellule polinucleate, condizione fisiologica per alcuni tipi di cellule
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CICLO CELLULARE
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CICLO CELLULARE - PATRIMONIO GENETICO
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FASI DELLA MITOSI
S
G1
G2
11 Profase: compattamento dei cromosomi, l’involucro nucleare si frammenta (la lamina nucleare si disassembla), i due centrosomi (duplicati in fase S) si separano per organizzare i due poli del fuso mitotico
Prometafase: I microtubuli del fuso mitotico si attaccano ai cinetocori dei cromosomi condensati. I cinetocori dei cromatidi fratelli sono disposti su lati opposti del cromosoma e si attaccano quindi ai microtubuli che si irradiano da poli opposti del fuso
Metafase: cromosomi allineati in posizione mediana rispetto ai due poli del fuso a formare la piastra metafasica Anafase: i cromatidi fratelli si separano e migrano verso i poli
Telofase: si riforma la membrana nucleare, i cromosomi si decondensano, inizia ad invaginarsi la membrana plasmatica
Citochinesi o citodiresi: il solco che si è iniziato a formare durante la telofase continua ad invaginarsi perpendicolarmente all’asse che separa i due poli del fuso Il sistema dei microfilamenti (actina e miosina) formerà un anello contrattile che causerà la contrazione del citoplasma e la seperazione delle cellule figlie
FASI DELLA MITOSI
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PIASTRA METAFASICA
OMEOSTASI TISSUTALE
Tutte le cellule si originano dalla divisione di cellule pre-esistenti. Quando una cellula si divide, l’informazione contenuta nel DNA deve essere fedelmente duplicata e le copie trasmesse alle cellule figlie.
Negli organismi pluricellulari c’è un equilibrio fra le divisioni cellulari (proliferazione) e morte cellulare per garantire l’omeostasi tissutale.
Per assicurare una trasmissione di un genoma intatto alle cellule figlie, esistono rigorosi meccanismi di controllo.
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1 cellula staminale Auto-rigenerazione:
mantiene la riserva di cellule staminali
4 cellule specializzate
Differenziamento: sostituisce le cellule danneggiate o morte durante tutta la vita
Perchè auto-rigenerarsi E differenziare?
1 cellula staminale
Divisione asimmetrica
Riproduzione
asessuata sessuata
Scissione binaria gemmazione frammentazione
origina individui geneticamente diversi dai genitori
Richiede sessualità, produzione di gameti e
fecondazione
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RIPRODUZIONE SESSUATA
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La produzione di gameti avviene attraverso la meiosi, negli organi riproduttivi della femmina (ovaio) e del maschio (testicolo)
RIPRODUZIONE
SESSUATA
spermatogenesi
oogenesi
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GAMETOGENESI
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MEIOSI
meiosi Cellula Diploide
(2n) Duplicazione
Del DNA
Cellula Aploide
(n)
Cellula Aploide
(n)
Cellula Aploide
(n)
Cellula Aploide
(n) 2n+2n
Meiosi I
2n 2n
meiosi Meiosi II
Tipica delle cellule germinali
Serie di eventi che, nelle gonadi, porta alla formazione di 4 cellule aploidi (nell’essere umano n=23 cromosomi), denominati gameti maschile (spermatozoi) e femminile (cellule uovo o ovociti)
Nella riproduzione sessuata, l’unione di gameti maschile e femminile (fecondazione), genera nuovo individuo (zigote) con patroomonio genetico diploide (2n)
Comprende du divisioni: meiosi I (in cui si separano cromosomi omologhi e non i cromatidi fratelli) e meiosi II (in cui si separano i cromatidi fratelli, come in una mitosi)
La meiosi genera variabilità genetica per la distribuzione casuale di cromosomi materni e paterni nelle cellule figlie e lo scambio di porzioni di DNA tra cromosomi omologhi materni/paterni (ricombinazione o crossing-over)
4 cellule figlie geneticamente diverse
Profase
Metafase
Anafase
Telofase Profase I
Metafase I
Anafase I
Telofase I
Profase II
Metafase II
Anafase II
Telofase II
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MEIOSI MITOSI
2 cellule figlie geneticamente uguali
21 Profase I, suddivisa in 5 stadi: Leptotene (compattamento dei cromosomi), Zigotene (accoppiamento dei cromosomi omologhi materno/paterno nel complesso sinaptotemico), Pachitene (crosssing-over), Diplotene (il complesso sinaptotemico o sinaptotemale si disassembla), Diacinesi (i cromosomi omologhi restano associati a livello dei chiasmi), l’involucro nucleare si frammenta (la lamina nucleare si disassembla), I microtubuli del fuso mitotico si attaccano ai cinetocori dei cromosomi condensati.
Metafase I: cromosomi allineati in posizione mediana rispetto ai due poli del fuso a formare la piastra metafasica. A differenza della mitosi, i cinetocori dei cromatidi fratelli sono adiacenti e orientati nella stessa direzione, mentre i cinetocori di cromosomi omologhi sono diretti verso poli opposti del fuso
Anafase I: risouzione dei chiasmi, i cromosomi omologhi si separano e migrano verso i poli Telofase I: si formano transitorie membrane nucleari
Profase II, I microtubuli del fuso mitotico si attaccano ai cinetocori dei cromatidi fratelli.
Metafase II: cromosomi allineati in posizione mediana rispetto ai due poli del fuso a formare la piastra metafasica.
Anafase II: i cromatidi fratelli si separano (segregano) e migrano verso i poli
Telofase II: si riforma la membrana nucleare, i cromosomi si decondensano, inizia ad invaginarsi la membrana plasmatica
Citochinesi o citodiresi: il solco che si è iniziato a formare durante la telofase continua ad invaginarsi perpendicolarmente all’asse che separa i due poli del fuso Il sistema dei microfilamenti (actina e miosina) formerà un anello contrattile che causerà la contrazione del citoplasma e la seperazione delle cellule figlie
FASI DELLA MEIOSI
Segregazione cromosomi omologhi:
Prima differenza fondamentale tra divisione mitotica e meiotica (meiosi I)
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Il crossing-over
Scambio di materiale genetico tra cromosomi omologhi:
Seconda differenza fondamentale tra divisione mitotica e meiotica
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Dal Crossing over risultano cromatidi ricombinanti
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MEIOSI I
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MEIOSI II
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VARIABILITA’
GENETICA
Sindromi collegate al malfunzionamento della gametogenesi:
Es. sindrome di Down (trisomia 21) Es. sindrome di Klinefelter (XXY) Es. sindrome di Turner (0X)
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ANEUPLOIDIE
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OMEOSTASI TISSUTALE
Tutte le cellule si originano dalla divisione di cellule preesistenti. Quando una cellula si divide, l’informazione contenuta nel DNA deve essere fedelmente duplicata e le copie trasmesse alle cellule figlie.
Negli organismi pluricellulari c’è un equilibrio fra le divisioni cellulari (proliferazione) e morte cellulare per garantire l’omeostasi tissutale.
Per assicurare una trasmissione di un genoma intatto alle cellule figlie, esistono rigorosi meccanismi di controllo.
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PROTEINE CHE REGOLANO IL CICLO CELLULARE - CICLINE
Cicline: la loro concentrazione intracellulare oscilla periodicamente nelle varie fasi del ciclo cellulare, ci sono cicline specifiche per la fasi del ciclo cellulare, contraddistinte da lettere (cicline D,E hanno un picco in transizione G1/S, ciclina A aumenta in fase S e diminusce in fase M, ciclina B aumenta I tansizione G2/M e ha un picco in fase M)
I livelli di cicline sono determinati dal bilancio tra la loro sintesi e al aloro degradazione egradazione.
Le cicline determinano accensione e spegnimento di specifiche protein-chinasi (enzimi che catalizzano la fosforilazione, ovvero il legame di un gruppo fosfato, di altre proteine), chiamate chinasi ciclina-dipendenti (CDKs, dall’inglese cyclin-dependent kinases)
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CDKs
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CDK: hanno una concentrazione intracellulare costante, la loro attività è innescata dalle cicline ed oscilla periodicamente nelle varie fasi del ciclo cellulare inmaniera dipendente dallle cicline, quindi ci sono CDKs attivate in maniera specifica nella progressione tra le varie fasi del ciclo cellulare (ad esempio CDK G1, S e mitotiche).
Le CDK fosforilano molti substrati cellulari, controllandone così la fuzione e regolando tutti gli eventi del ciclo cellulare, come ad es: inizio della replicazione del DNA, condensazione dei cromosomi (fosforilazione dell’istone H1), scomparsa della membrana nucleare, frammentazione di apparato di Golgi e reticolo endoplasmico.
Condensazione della cromatina, rottura dell’involucro nucleare, formazione del fuso mitotico
Inizio fase S Superamento del
blocco di ingresso in fase G1/S
COMPLESSI CICLINA-CDK
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CDK: contraddistinte da numeri, formano complessi con le cicline da cui vengono ativate (complessi ciclina-CDK), reclutando la proteine da fosforilare (substrati delle CDKs) I livelli di attività relativi di questi complessi, e quindi delle funzioni dei loro substrati, determinano la progressione attraverso le varie fasi del ciclo cellulare. Funzionano da
«posti di blocco» che controllano l’avanzamento del ciclo cellulare per stabilire se si può passare alla tappa successiva.
Complessi ciclina-CDK nei mammiferi
INIBITORI DELLE CDK (CDKi o CKI)
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Gli inibitori della CDKs (proteine p, contraddistinte da numeri corridpondenti alla loro massa) forniscono un livelli di regolazione dell’attività delle CDKs, I loro livelli dipendono dal bilancio sintesi/degradazione
Fattori di crescita
Sintesi di cicline di tipo D
Cdk4,6 Cdk2
Sintesi di ciclina E
p15, p16 p18, p19
p21, p27, p57 Sintesi di ciclina A
CDKi
Cdk1 Sintesi di ciclina B Attivazione CDKs
Sintesi delle Cicline
degradazione
ubiquitinazione
SISTEMA UBIQUITINA-PROTEASOMA
35 Per consentire il passaggio da
una fase all’altra le cicline vengono degradate dal proteasoma in seguito all’aggiunta di ubiquitina
degradazione Ubiquitina: proteina che viene legata ad altre proteine
Proteasome: complesso proteico con attività proteasica
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Segnali extracellulari, legati ad esempio alla disponibilità di nutrienti, fungono da fattori di crscita, facendo aumentare i livelli di ciclina D e superare il blocco di ingresso in fase G1/S, provocando quindi l’uscita dalla fase G0 (transizione da quiescenza a proliferazione)
TRANSIZIONE QUIESCENZA-PROLIFERAZIONE
CONTROLLO DELLA PROGRESSIONE DEL CICLO CELLULARE
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L’INTEGRITÀ DEL GENOMA CELLULARE È MINACCIATA DA MOLTEPLICI FATTORI
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Radiazioni
Agenti chimici
Virus
Metabolismo, ossidanti
Replicazione DNA
•errorI
•stress
CHECKPOINTS: BLOCCHI DELLA PROGRESSIONE DEL CICLO CELLULARE
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Blocco del ciclo cellulare
nel caso di danni al
DNA: la proteina p53
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La morte cellulare svolge un ruolo importante durante lo sviluppo embrionale e nell’adulto nell’omeostasi tissutale.
Ad esempio, nel sistema nervoso in sviluppo, la morte cellulare adatta il numero di cellule nervose in modo che corrisponda al numero di cellula bersaglio che richiedono innervazione.
Nei tessuti adulti, la morte cellulare bilancia la divisione cellulare. Se non fosse così, il tessuto crescerebbe o si restringerebbe.
MORTE CELLULARE
Eliminazione coda durante metamorfosi di un girino Eliminazione membrana
interdigitale in un embrione di topoc
MORTE CELLULARE -TIPOLOGIE
Condensazione di nucleo e citoplasma Frammentazione in corpi apoptotici, che
vengono eliminati da cellule circostanti (fagociti) Programmata (processo attivato
fisiologicamente per eliminare cellule)
Degradazione materiale dipendente da enzimi proteolitici di tipo Caspasi (es. Dnasi caspasi- dipendenti)
Apoptosi Necrosi
Rottura membrane nucleare e plasmatica, con rilascio di materiale che innesca infiammazione Oncosi (ingrossamento cellula e organelli)
Accidentale (processso passivo), regolata (processi attivi di tipi diversi, detti necroptosi, ferroptosi, etc) o programmata (es. Spermatogenesi nel moscerino della frutta)
Degradazione materiale dipendente da enzimi proteolitici diversi dalle Caspasi (es. Dnasi caspasi- indipendenti)
41
42
ATTIVAZIONE E INIBIZIONE DELL’APOPTOSI
MECCANISMI DELL’ APOPTOSI - VIA INTRINSECA E VIA ESTRINSECA
43 Ligando
Attivazione di proteine che promuovono ed inibizione di proteine che prevengono la permeabilizzazione della
membrana esterna del mitocondrio (Famiglia
BCL2)
VIA INTRINSECA VIA ESTRINSECA
Membrana plasmatica Citosol
Caspasi iniziatrice (attiva le caspasi
esecutrici)
Caspasi iniziatrice (attiva le caspasi
esecutrici)
Caspasi 3 e 7 (esecutrici o effettrici)
APOPTOSOMA
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MECCANISMI DELL’ APOPTOSI - APOPTOSOMA
Citocromo C
La permebilizzzazione della membrana mitocondriale esterna cause il rilascio di Citromo C dallo spazion intermembrana al citosol
Il CitOcromo C attiva APAF-1 con fromazione dell’apoptosoma e attivazione della Caspasi-9
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MECCANISMI DELL’ APOPTOSI - CASPASI
Cistein-proteasi (hanno un residuo aminoacidico di cisteina nel sito catalitico) che tagliano proteine a monte di un residuo aminoacidico di Aspartato.
Le caspasi iniziatrici tagliano le pro-caspasi effettrici, attivandole. Questo meccanismo di atttivazione a cascata permette l’amplificazione dell’attività delle caspasi effettrici.
Le caspasi effettrici tagliano molte altre proteine. Il taglio può attivare (come nel caso delle nucleasi) o inibire (come nel caso di iCAD) o destrutturare (come nel caso delle lamine nucleari e delle proteine del citoscheletro) le proteine substrato.
Le nucleasi caspasi-dipendenti tagliano la cromatina
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MECCANISMI DELL’ APOPTOSI – ELIMINAZOINE DEI CORPI APOPTOTICI
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APOPTOSI – FUNZIONI
Ruoli fisisologici
- Morfogenesi durante lo sviluppo dell’organismo: “scultura” della forma del tessuto eliminando cellule prodotte in eccesso
- Omeostasi dei tessuti: eliminazione di cellule
invecchiate/danneggiate/pericolose/infettate da virus - Selezione negatica delle cellule immunitarie autoreattive Disfunzioni
- Malattie degenerative
- Malatie autoimmuni
- Cancro
NECROPTOSI
NECROPTOSI RIP chinasi RECETTORE
CaspasI-8
APOPTOSI
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LIGANDO
La necroptosi è attivata in certe condizioni patologiche, ma non è un programma usato fisliologicamente per eliminare cellule
E’ sntagonizzata dall’apoptosi, in quanto le proteine chiave che attivano la necroptosi sono substrati ddella Caspasi-8, che le inattiva
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CANCRO - FASI DI SVILUPPO E PROGRESSIONE
La trasformazione neoplastica è unprocesso multifasico, in cui il tessuto perde progressivamente la sua omeostasi, fino alla crescita incontrollata e invasiva di cellule completamente trasfomate (maligne)
La progressione attraverso le varie fasi è associata all’accumulo di mutazioni gentiche che alterano la funzione di proteine che controllano l’omeostasi del tessuto (ad esempio proteine che regolano la proliferazione e la morte cellulare, il metabolismo, etc)
Nelle cellule tumorali diventano inattivi inibitori del ciclo cellulare/induttori di morte cellulare, detti oncorepressori, e diventano iperattivi stimolatori del ciclo celllulare/inibitori di morte cellulare, detti oncogeni
Epitelio intestinale
Gil & Peters, Nat Rev Mol Cell Biol 2006 50
BARRIERE INTRINSECHE ALL’INSORGENZA DEI TUMORI - SENESCENZA E APOPTOSI
I tessuti hanno mecccanismi che mantengono l’omeostasi bloccando/eliminando celllule danneggiate/alterate che potrebbero diventare cancerose (meccanismi di soppressione tumorale) La funzione primaria di questi meccanismi è spesso il mantenimento dell’integrità del genoma, come nel caso della protein p53
BLOCCO IRREVERSIBILE DELLA PROLIFERAZIONE
CELLULARE
MORTE CELULARE
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ONCOSOPPRESSORI E ONCOGENI – ESEMPI
INIBITORI
DELL’APOPTOSI
{
STIMOLATORE DELLA PROLIFERAZIONE
CELLULARE
Oncosoppressore Patologia tumorale
Crescita indipendente da stimoli
Insensibilità allinibizione della crescita
Evasione dalla morte cellulare
Potenziale replicativo illimitato
Induzione dell’angiogenesi
Invasione e metastasi
PROPRIETÀ ACQUISITE ESEMPIO DI MECCANISMO
Attivazione dell’oncogene RAS
Perdita ddell’oncosoppressore Rb (Retinoblastoma)
Produzione di fattori di sopravvivenza
Riespressione della telomerasi
Produzione di fattori angiogenici (ad es. VEGF)
Inattivazione dell’E-caderina
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CANCRO – CARATTERISTICHE PRINCIPALI
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ONCOGENI VIRALI
TUMOR PREVENTION LONGEVITY
FERTILITY
TUMOR SUPPRESSION TOXICITY OF THERAPIES AGING
DEVELOPMENT Stress moderato/
costitutivo
Stress elevato/
acuto
PREVENZIONE- RIPARAZIONE
Arresto del ciclo cellulare Attività anti-ossidante Riparazione del DNA Metabolismo energetico
ELIMINAZIONE DELLE CELLULE DANNEGGIATE Apoptosi
Senescenza
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p53 - ATTIVAZIONE
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p53 - MUTAZIONI
p53 è una delle proteina più frequentemente mutate nel cancro E’ una proteina che lega il DNA regolando l’espressione genica
Le mutazioni di p53 sono particolarmnte pericolose perchè non solo ne inattivano la funzione di oncosoppressore, ma conferisono alla versione mutata proprietà oncogeniche
Approcci farmacologici mirano a “normalizzare” le funzioni di p53 mutata nei tumori, direttamente o indirettamente
