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CICLO CELLULARE
- Rudolf Vurchow: 1858: Teoria cellula: quando una cell esiste, deve esserci
stata una cell preesistente come per gli altri esseri viventi = continuità della
vita.
- definizione: una serie di eventi che avvengono in una cellula tra una
divisione cellulare e quella successiva
*E’ un processo geneticamente controllato, costituito da una serie di eventi
coordinati e dipendenti tra loro
*Gli eventi molecolari che controllano il ciclo cellulare sono ordinati e
direzionali: ogni
processo è la diretta conseguenza dell'evento precedente ed è la causa di
quello successivo
*impo studiarlo xk Nel processo di trasformazione tumorale molti importanti
regolatori del ciclo cellulare sono trovati frequentemente mutati
- Perché l’informazione genetica sia correttamente trasmessa dalla cellula
madre alle cellule figlie, il genoma deve essere prima duplicato durante il
periodo di tempo denominato fase S. In seguito i cromosomi vengono segregati nelle due cellule figlie durante la fase M.
La fase M è a sua volta composta da due processi, strettamente collegati:
• la mitosi,durante la quale i cromosomi della cellula sono divisi tra le due cellule figlie
• citodieresi o citochinesi, che comporta la divisione fisica del citoplasma della cellula.
- INTERFASE: G1+S+G2
- 4 fasi. G1 crescita cell, S duplicazione DNA, G2 crescita cell, M divisione cell
Fase G1 (G=Gap)
• La fase più lunga del ciclo
– Altamente variabile a seconda del tipo cellulare
- la cellula monitora le sue dimensioni
• Periodo di crescita cellulare (la cellula riacquista le sue dimensioni normali)
–Sintesi di RNA e proteine
–Preparazione per la duplicazione del DNA
Fase S (S = synthesis)
• Durante la fase S avviene la Replicazione del DNA. Il DNA passa da 2n a 4n
–Tutte le proteine che servono a tale scopo vengono sintetizzate durante la fase G1
• Durante la fase S avviene anche la sintesi degli istoni e altre proteine della cromatina
Fase G2:
• Le cellule si predispongono per la divisione mitotica
–Produzione proteine specifiche (fuso mitotico, citodieresi) (crescita secondaria prima della mitosi.
–Controllo del DNA replicato (dell’avvenuta replicazione di tutti i cromosomi) al fine di correggere eventuali errori
- Anche qui corredo 4n
• Duplicazione del centrosoma (tarda S- inizio G2)
Fase M (M = Mitosis): profase, (prometafase), metafase, anafase e telofase + Citochinesi
Fase G0: fase di differenziamento terminale o senescenza.
Se le condizioni extracellulari sono sfavorevoli, per esempio, la cellula ritarda la progressione in G1 e può entrare in G0.
Queste cellule entrano in uno stato di quiescienza chiamato G0 e possono essere stimolate a lasciare G0 e a rientrare
nel ciclo cellulare.
Altri tipi cellulari non si dividono più (cellule terminalmente differenziate), sono usciti irreversibilmente dal ciclo
cellulare; le cellule nervose e quelle striate dei muscoli scheletrici, ad esempio, rimangono in questo stadio per tutta la
vita dell'organismo.
G
- DURATA CICLO varia molto, specie fase G1: differenza dipende dalla fase G1.
G1: 12-36 ore. S: 6-8 ore. G2: 3-4 ore. M: 1-2 ore.
La durata del ciclo cellulare varia col variare della specie, del tipo di cellula e delle condizioni di crescita:
epatocita 1 anno. Cell epiteliali intestinali: 12h. cell embrionali di rana: 30 min.
- Come si è studiato il ciclo cellulare?
Mentre la durata del ciclo varia a seconda del tipo cellulare anche nello stesso organismo, l’organizzazione di base del
ciclo cellulare e i componenti che lo regolano sono estremamente conservati tra gli eucarioti.
E’ quindi possibile studiare il ciclo cellulare e la sua regolazione in organismi semplici per avere un’immagine di ciò che
succede in organismi più complessi come l’uomo.
- strumenti per studiarlo? *MO* Somministrando ad una popolazione cellulare asincrona, particolari molecole
fluorescenti o radioattive che vanno a marcare il DNA neosintetizzato, è possibile identificare le cellule in fase S.
-REGOLAZIONE CICLO CELLULARE
Esistono dei punti nel ciclo cellulare, chiamati punti di controllo, a cui il ciclo può essere arrestato se gli eventi
precedenti non si sono completati
- CHINASI
Le chinasi sono degli enzimi che aggiungono gruppi fosfato ad altre molecole
In alcuni casi, il fine della fosforilazione è quello di attivare o fornire energia ad una molecola, in altri casi, la
fosforilazione di un substrato può inibire la sua attività. Nel nostro caso La fosforilazione di proteine controlla la
progressione attraverso il ciclo cellular.
* Due componenti chiave del sistema di controllo del ciclo cellulare: ciclina e Cdk.
Ci sn 4 classi cicline: Cicline della fase G1/S (Ciclina D, E); Cicline della fase S (Ciclina A); Cicline della fase M (Ciclina B)
*I complessi eventi macromolecolari del ciclo cellulare vengono regolati da un piccolo numero di protein chinasi etero
dimeriche, formate da una subunità catalitica (che aggiunge P) ed una subunità regolatrice.
*subunità regolatrici chinasi = cicline. concentrazione aumenta e diminuisce in fase con il ciclo cellulare. Le subunità
catalitiche chinasi = chinasi ciclina-dipendenti (Cdk). Non possiedono attività chinasica a meno che non siano associate
con una ciclina
CDK concentration
*Un complesso di ciclina con Cdk agisce come proteina chinasi x attivare processi a valle. Senza la ciclina Cdk è inattiva.
*L’attività del complesso ciclina-Cdk è modulato attraverso 2 distinti meccanismi:
1. Regolazione dei livelli di espressione delle Cicline.
I livelli di espressione Cicline oscillano durante ciclo cell. Mentre i livelli espressione delle Cdk restano costanti
2. Attraverso modificazioni del complesso Ciclina-Cdk
Il legame della Ciclina con Cdk non è sufficiente ad attivare l’attività catalitica del complesso e di conseguenza
le sue funzioni effettrici, ma intervengo altri modulatori come protein Chinasi, fosfatasi e proteine inibitrici del
complesso che ne determinano sia l’attivazione che l’inattivazione. ATTIVAZIONE complesso *Il legame della
Ciclina determina SOLAMENTE una parziale attivazione della Cdk *Una fosforilazione nel sito catalitico della Cdk ne
determina la completa attivazione. INIBIZIONE complesso * Il complesso attivo Ciclina-Cdk può essere inibito dal legame
con proteine inibitorie, oppure * Il complesso attivo Ciclina-Cdk può essere inattivato da una seconda fosforilazione
(fosforilazione inibitoria). Questa seconda fosforilazione è reversibile. ALTRI REGOLATORI del complesso: La
degradazione proteolitica mediata dal proteasoma è responsabile della regolazione dei livelli proteici di molti regolatori
del ciclo cellulare. Ad esempio può essserci ubiquitinizzazione della ciclina e sua degradazione.
Un esempio è dato da APC/C che promuove la transizione da metafase ed anafase: Il complesso APC/C detto
ciclosoma: è un ubiquitin ligasi, ma attiva specie durante fase M del ciclo cellulare, precisamente nel passaggio tra
metafase e anafaso, di cui è il vero determinante. Resta attivo durante inizio G1 per poi ser inattivate in fase G1 tardiva.
Processo: se i cromosomi si allineano correttamente nella placca metafasica, il fattore promotore della fase M fosforila il
ciclosoma attivandolo. Il complesso APC/C marca le proteine perché siano degradate. In questo caso la proteina marcata
per sua degradazione è la securina (la proteina freno che mantiene inattiva la proteasi separasi, la responsabile della
separazione dei cromatidi fratelli). Una volta degradata la securina, la separasi si attiva e degrada la coesina (quella che
mantiene insieme i cromatidi fratelli). Così i cromatidi si separano
- Le Cdk attivate dalle cicline sono delle proteine serina-treonina chinasi. Fosforilano substrati coinvolti nelle varie fasi
del ciclo. Ad esempio: fosforilano gli istoni e permettono la compattazione dei cromosomi; fosforilano la lamina
nucleare, disassemblandola e rompendo l’involucro nucleare; Altre proteine fosforilate sono quelle del citoscheletro,
che servono al macchinario della divisione.
CARIOTIPO
L'insieme delle caratteristiche di forma, dimensione, numero e proprietà dei cromosomi di una data cellula o di un dato
organismo, come appaiono durante la mitosi. Ogni specie ha un determinato numero di cromosomi e caratteristiche
morfologiche peculiari.
CROMOSOMI Costituiti da un filamento a doppia elica di DNA e da proteine
• i cromosomi sono spesso presenti in coppie. Le cellule che hanno coppie di cromosomi
omologhi (simili) sono dette diploidi (2n), mentre sono definite aploidi (n) quelle che possiedono
solo un cromosoma per tipo. •I cromosomi omologhi contengono lo stesso tipo di informazione
•Nell'uomo si hanno 23 coppie di cromosomi, di cui 22 sono cromosomi somatici non sessuali
ed una coppia di cromosomi diversi, i cromosomi sessuali.
NB: Quando una cellula eucariotica non è in divisione, il DNA presente in un cromosoma si trova in una massa intricata
di filamenti sottili, la cromatina. Prima della divisione nucleare, la cromatina si spiralizza e si condensa; ogni singolo
cromosoma diventa così ben visibile.
MITOSI
Processo di divisione cellulare che garantisce la conservazione e la distribuzione dello stesso numero di cromosomi da
una cellula madre alle due cellule figlie. Formazione di due cellule figlie geneticamente uguali alla cellula madre. Il
corredo cromosomico e’ diploide ma i cromosomi sono costituiti da un solo cromatide che viene duplicato in s.
*La mitosi produce sempre due cellule geneticamente identiche alla cellula madre e la maggior parte degli organelli
citoplasmatici si distribuisce casualmente nelle cellule figlie
*Due eventi chiave nel corso della divisione cellulare permettono la distribuzione del materiale genetico alle due cellule
figlie:
FASE S ciascuno dei cromosomi si riproduce integralmente = Ciascun cromosoma si duplica producendo due copie
identiche: i cromatidi fratelli.
FASE M Una copia di ciascun cromosoma si distribusce in ciascuna delle due cellule che si ottengono al termine della
divisione.
1. Profase:
*Condensazione della cromatina presente nel nucleo della cellula, seguita dalla formazione dei cromosomi.
Le condensine promuovono la condensazione della cromatina a formare i cromosomi. I cromosomi replicati
sono uniti fra di loro a livello di una regione chiamata centromero. Nei centromeri sono presenti complessi
proteici chiamati cinetocori. Le coesine mantengono uniti i cromatidi fratelli
* membrana nucleare si dissolve e i 2 centrioli, cominciano a migrare verso i poli della cellula, formando una
struttura a raggiera, il fuso mitotico.
NB: Il fuso mitotico è una struttura bipolare costituita da microtubuli.
I microtubuli si originano a livello di una regione chiamata centrosoma che si trova a ciascun polo del fuso.
Ciascun centrosoma è costituito da una matrice, il materiale pericentriolare, e da una coppia di strutture
proteiche chiamate centrioli. Il centrosoma si duplica all’inizio del ciclo cellulare attraverso il ciclo del
centrosoma. 3 classi di microtubuli: astrali, del cinetocore, interpolari
* L’attivazione del complesso ciclina M – Cdk promuove l’ingresso in mitosi fosforilando proteine bersaglio.
Le proteine fosforilate a loro volta promuovono:
Condensazione della cromatina; Formazione del fuso mitotico e l’attacco dei cromosomi al fuso
Disgregazione della membrana nucleare; Disgregazione del Golgi e del Reticolo Endoplasmico
Esempio: meccanismo di attivazione del complesso ciclina M- Cdk
2. Prometafase:
*Le fibre del fuso mitotico si agganciano ai cromosomi a livello di una regione chiamata centromero, dove sono
presenti delle strutture proteiche chiamate cinetocori
*I microtubuli originati da un polo della cellula possono legare solo un cinetocore di una coppia di cromatidi
fratelli
*La bi-orientazione è ottenuta attraverso un meccanismo di prova-errore
3. Metafase: I cromosomi si muovono verso l’equatore della cellula e si allineano formando la piastra equatoriale
*spindle assembly checkpoint: punto di controllo attivato dalLa presenza di cromosomi attaccati non
correttamente al fuso mitotico. Questo impedisce il proseguo della mitosi.
4. Anafase:
*I cromatidi fratelli (copie di cromosomi) si separano in 2 cromosomi indipendenti.
*Le copie vengono trainate dalle fibre del fuso e migrano alle estremità della cellula.
*REGOLAZIONE : Il complesso che promuove l’anafase (APC/C Anaphase promoting complex, cyclosome)
determina la separazione dei cromatidi fratelli, degradando le coesine, cioè le proteine che tengono uniti i
cromatidi fratelli.
Come si separono i cromatidi fratelli?
A_ cromatidi fratelli sono tenuti insieme da complessi proteici chiamati coesine
B_il funzionamento delle coesine viene regolato dalla securina
C_la securina previene la degradazione delle coesine da parte della separasi
D_ la securina è una delle proteine besaglio di APC/C che ne promuove la degradazione
La separazione fisica tra i due cromatidi fratelli è ottenuta attraverso l’azione di due distinti meccanismi che
operano a livello dei microtubuli: accorciamento microtubuli del cinetocore, allungamento microtubuli polari.
5. Telofase:
*I cromosomi si « despiralizzano » e tornano a formare la cromatina.
*La membrana del nucleo ed il nucleolo si riformano
6. citochinesi: divisione del citoplasma
*La membrana cellulare si contrae all’equatore della cellula per dividere la cellula in due (cellule animali).
*Si forma una membrana cellulare ed una nuova parete all’equatore della cellula (cellule vegetali).
*La separazione delle cellule animali avviene grazie alla formazione di un solco di scissione, cioè un’intaccatura
della membrana plasmatica. L’anello contrattile è costituito da Actina e Miosina. I filamenti di actina e di
miosina che costituiscono l’anello contrattile scorrono uno sull’altro per formare il solco di divisione. La contrazione di
queste due proteine genera la forza per formare il solco di scissione. L’orientazione del fuso mitotico determina il piano
di divisione della cellula. Alcune cellule sono in grado di orientare il fuso mitotico per dividersi in maniera asimmetrica
-------------------ALTRE INFO SU CDK MA GUARDA LIBRO
- La progressione attraverso queste fasi dipende dall’attivazione di una serie di ser/thr chinasi chiamate “cyclin
dependent kinases” (CDK).
- Le cicline sono un gruppo di proteine i cui livelli di espressione cambiano durante il ciclo cellulare.
- Le cicline legano le CDKs per formare un complesso enzimatico - il complesso ciclina-CDK.
- Alcune cicline possono legare più CDKs ed alcune CDKs possono legare più di un tipo di ciclina. Ogni differente
complesso enzimatico ciclina-CDK ha distinti bersagli di fosforilazione.
- La corretta progressione delle fasi del ciclo cellulare dipendono dalla sequenza di specifici complessi ciclina-CDK
- Un po’ di storia: diversi sistemi sperimentali sono stati usati per studiare le proteine che controllano il ciclo cellulare
Linee di cellule coltivate in vitro. Saccharomyces cerevisiae. Schizosaccharomyces pombe. Xenopus laevis
*in Xenopus laevis è stata dimostrata la presenza di fattori promotori della meiosi
* in Schizosaccharomyces pombe sono stati identificati alcuni geni che controllano le fasi del ciclo cellulare.
Tra questi, alcuni codificanti per cicline ed altri per chinasi ciclina-dipendenti
- Le fasi del ciclo sono controllate da complessi proteici formati da una ciclina e da una chinasi ciclina-dipendente
(CDK). Es.: il MPF mammifero è un complesso tra ciclina B e la CDK1 pag 784 fig 26.8, 26.13/14/16
- I meccanismi che controllano l’attivazione o l’inattivazione dei complessi ciclina-CDKs sono molteplici. Per
semplicità si possono distinguere in segnali mitogenici e antimitogenici
Mitogenici:
Fattori di crescita, Matrice extracellulare…..
Stimolano la proliferazione cellulare (quindi ciclo
cell) in funzione del contesto cellulare, tissutale e di organo.
Le proteine effettrici di questi segnali sono:
Recettori tirosina chinasici (RTKs)
Chinasi citoplasmatiche (PI3-kinase)
Fattori trascrizionali (E2F, c-Myc)
Antimitogenici:
TGF-β, interferon….
sopprimono la fosforilazione (R b)
inibiscono le CDKs
sopprimono la trascrizione (E2F, c-Myc)
- Il ruolo svolto dalla proteina retinoblastoma (RB)
- Tuttavia, la formazione di un complesso ciclina/CDK non è sufficiente perchè questo svolga le proprie funzioni
(fosforilazione di molti substrati). Occorre che il complesso sia attivato.
Es.: attivazione ed inattivazione del MPF di X.leavis. In altri casi l’attivazione dipende dalla rimozione di un inibitore
(CKDKI).
- La degradazione dell’inibitore Sic1, mediata da complessi Cyc/CDK G1 specifici, scatena la replicazione del DNA
- MPF fosforila le lamine nucleari ed avvia la dissoluzione dell’involcruo nucleare
- Quindi la regolazione del ciclo cellulare è il risultato di un fine bilancio tra fosforilazione e defosforilazione e tra
sintesi e degradazione proteica
- Ruolo di Rb e E2F
- I danni cellulari bloccano il ciclo in G1 e G2. pag 784 fig 26.24
-
Quando il danno è esteso, grave o comunque
non riparabile, la cellula si suicida (Apoptosi).
L’apoptosi è una morte programmata che, sia
dal punto di vista morfologico che funzionale,
è diversa da quella incidentale (Necrosi).
L’apoptosi da danno è regolata da p53