controllo del ciclo cellulare

De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 7
Replicazione del DNA
Preparazione alla divisione
Citodieresi
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 7
Durata del ciclo cellulare: 24 ore nei fibroblasti; 2
ore nel lievito; 30 minuti nei procarioti
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 7
Quando una cellula non
si divide per un periodo
di tempo lungo, esce dal
ciclo cellulare e va in
fase G0: neuroni e
cellule muscolari
stazionano per tutta la
loro vita in fase G0,
mentre altri tipi cellulari
restano per lunghi
periodi in G0 per poi
rientrare nel ciclo (es,
epatociti e fibroblasti)
Fase G1: integrazione dei segnali proveniente dall’esterno, es: fattori di crescita
Fase G2: integrazione dei segnali provenienti dall’interno della cellula, es: verifica
dell’integrità del genoma
La durata di queste due fasi è diversa nei vari tipi cellulari, tipicamente 9-11 ore G1 e 4
ore per G2; La fase M (mitosi) dura circa 1 ora; la fase S dura 8-10 ore.
Durante lo sviluppo embrionale il ciclo è molto rapido e G1 e G2 diventano quasi
indistinguibili.
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 7
Nei tessuti che rinnovano di continuo
si osserva una rigenerazione
continua per tutta la vita
dell’organismo. Da un lato le cellule
si dividono mentre dall’altro si
differenziano e muoiono
Nelle cellule dell’epidermide le cellule a contatto con la lamina basale di dividono. Una
delle due cellule figlie si differenzia, mentre l’altra rimane staminale (quella che rimane
in contatto con la lamina)
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 7
Il ciclo cellulare può essere descritto come un’alternanza dei cambiamenti della ploidia.
In G1 sono diploidi; in fase S la situazione è eterogenea; in G2 avranno il patrimonio
cromosomico raddoppiato (4n)
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 7
1) Checkpoint che controlla l’ingresso in fase S (transizione G1>S): controlla che il
DNA sia integro e che vi siano gli elementi nutrivi necessari per la crescita cellulare
(fattori di crescita). Se il checkpoint non viene superato la cellula esce dal ciclo e va
in G0.
2) Checkpoint che controlla l’ingresso in fase M (transizione G2>M): controlla che il
DNA non abbia subito danni o mutazioni (verifica della corretta dupicazione prima di
entrare in M)
3) Checkpoint che controlla il completamento della fase M (metafase > citodieresi):
controlla la corretta interazione tra fuso mitotico e cromosomi ed il loro appropriato
allineamento lungo la piastra metafasica
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 7
MPF
cdc2
Esperimenti con gli eterocarionti, con gli oociti di rana e con i mutanti condizionali di
lievito permisero di identificare un fattore regolativo in regolare alcuni importanti
passaggi del ciclo cellulare
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 7
Nel lievito tra i geni Cdc il più importante è Cdc2. I mutanti si bloccavano nella
transizione G1>S e G2>M. Questo gene è una serina treonina chinasi. Nell’uomo esistono
degli ortologhi di Cdc2 che possono “complementare” la mutazione nel lievito. Questo
dimostra che il macchinario del ciclo cellulare è evolutivamente conservato
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 7
Nel riccio di mare lo zigote va incontro a rapide divisioni cellulari. Durante il ciclo, due
proteine si accumulano durante l’interfase per poi scomparire durante la mitosi
(degradate). Per via di questa oscillazione legata al ciclo cellulare sono chiamate cicline
(A e B).
MPF è un complesso formato da due subunità: una catalitica (chinasica), omologa di
Cdc2; ed una regolativa richiesta per l’attività enzimatica che si accumula durante il
ciclo cellulare, omologa delle cicline
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 7
Il complesso chinasi-ciclina è il fattore che promuove la mitosi; senza la ciclina la chinasi
non è attiva. La chinasi è chiamata Cdk (Cyclin dependent kinase).
I complessi ciclina-Cdk che si formano prima della mitosi non sono attivi, ma l’attività
chinasica si innesca rapidamente al momento della mitosi.
L’attività di Cdk viene controllata da chinasi.
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 7
Cdk in assenza di ciclina forma una struttura (Tloop) che autoinibisce il sito catalitico di Cdk.
L’interazione con la ciclina apre il T-loop (preattivazione).
La treonina 161 che si trovava sul T-loop può
essere fosforilata da CAK (CdK activating kinase).
Questa fosforilazione allontana ulteriormente il Tloop dal sito catalitico e rafforza l’interazione con la
ciclina (piena attivazione).
Altri due aminoacidi sono importanti per la
regolazione di Cdk: treonina14 e tirosina15. Si
trovano vicino il sito catalitico e una loro
fosforilazione ha una azione inibitoria.
La fosforilazione di questi residui è ad opera della
chinasi Wee1. La deforilazione di questi residui è ad
opera della fosfatasi Cdc25.
Il dualismo tra Wee1 e Cdc25 è l’ultima verifica
prima dell’attivazione di MPF e della transizione
G2>M)
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 7
Il transito attraverso la mitosi si accompagna alla degradazione della ciclina (e il
conseguente spegnimento dell’attività chinasica di MPF) ad opera del sistema
ubiquitina-proteasoma.
Durante la mitosi il complesso multiproteico APC (Anaphase Promoting Complex)
promuove l’ubiquitinazione della ciclina B
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 7
Le proteine target di MPF:
Le lamine nucleari quando fosforilate depolimerizzano e consentono la vescicolazione
dell’involucro nucleare.
GM130 dell’Apparato di Golgi che provoca la frammentazione
MAP4 controlla la stabilità dei microtubuli e permette la formazione del fuso mitotico.
Ruolo nella compattazione della cromatina??? La fosforilazione delle condensine,
proteine coinvolte nell’organizzazione della struttura della cromatina
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 7
Nei mammiferi esistono diverse cicline e diversi Cdk.
In diverse fasi del ciclo si hanno diverse combinazioni ciclina / Cdk
Inoltre differenti complessi ciclina / Cdk sono in grado di modulare altri
processi biologici, come il differenziamento e la trascrizione
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 7
Un controllore fondamentale nella transizione
G1>S è costituito dal fattore di trascrizione E2F
che come eterodimero (E2F-DP1) si lega ai
promori di molti geni necessari per l’ingresso in
fase S (MYC, ciclina E, E2F).
E2F/DP1 può essere associato alla proteina RB.
RB ha una azione inibitoria sulla funzione di E2F.
RB recluta HDAC causando un compattamento
della cromatina ed una inibizione della
trascrizione da parte di E2F/DP1.
Quando la cellula deve progredire nel ciclo, RB
viene fosforilato da complessi Cdk/cicline
rilasciando così E2F/DP1.
Nella fase G0. RB non è fosforilato.
Mutazioni di RB (retinoblastoma) impediscono il
controllo limitato del ciclo cellulare e
contribuiscono alla trasformazione cancerosa.
RB è anche bersaglio di alcune proteine virali
(adenovirus, papillomavirus) che inducono la
proliferazione cellulare attivando E2F/DP1.
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia eLa
Genetica,
II Ed. –dei
Capitolo
7
rimozione
fattori
di crescita dal
terreno di coltura porta le cellule in fase
G0.
L’aggiunta di fattori di crescita nel
terreno stimola il rientro delle cellule nel
ciclo.
L’attivazione dei recettori per i fattori di
crescita causa una cascata di reazioni
che porta all’ attivazione trascrizionale di
alcuni geni (proto-oncogeni) come myc,
jun e fos, regolatori della sintesi
proteica e proteine del citoscheletro.
Queste proteine portano
successivamente alla trascrizione delle
cicline D che attivano Cdk4 che
fosforila RB inattivandolo.
Mutazioni o iperespressione della
ciclina D sono state osservate in diversi
tipi di tumore (linfomi e cancro al seno)
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 7
Quando il DNA è danneggiato (es, rottura del doppio
filamento di DNA causato da radiazioni ionizzanti) si
attiva la proteina ATM (atassia telangectasia).
ATM (ser-thre kinase) attiva altre chinasi, es: Chk2
(checkpoint kinase 2)
Queste chinasi a loro volta fosforilano, altre proteine
tra cui CDC25 e TP53.
CDC25 è la fosfatasi che attiva MPF. CDC25
fosforilata fuoriesce dal nucleo e la sua attività
fosfatasica viene indebolita. CDK non viene così
attivato, causando il blocco del ciclo.
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 7
In genere il livello di TP53 nelle cellule è molto basso per via della continua degradazione
da parte del proteasoma. TP53 viene ubiquinato dalla E3 ligasi MDM2.
Se TP53 è fosforilato da Chk2 viene allontanato MDM2 e TP53 si accumula rapidamente
nelle cellule
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 7
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 7
Uno dei target trascrizionali di TP53 è p21.
P21 si lega ai complessi Cdk/ciclina
inibendoli (fase G1 ed S) ed arrestando il ciclo
cellulare allo scopo di riparare il DNA.
Alcuni fattori extracellulari sono in grado di
bloccare il ciclo, es TGF β. Quando legato al suo
recettore attiva una via di trasduzione del segnale
che aumenta l’espressione di un inibitore del
complesso Cdk4/ciclinaD (CKI) detto p15 (INK4).
Questo causa l’ingresso della cellula in G0 (RB
non può più essere fosforilato). Mutazioni di
questo gene sono state individuate nel
melanoma
L’aumento della densità cellulare provoca un
arresto del ciclo (inibizione da contatto). In questo
caso viene espresso un altro CKI detto p27.
In genere tutti i CKI, avendo un dominio con una
struttura simile all’ATP, si legano nel sito di Cdk
che dovrebbe legare l’ATP, pregiudicandone
così la funzione.