IL CICLO CELLULARE
Le cellule si riproducono duplicando il loro contenuto e dividendosi in due
cellule figlie. A differenza degli animali, lo sviluppo delle piante è
principalmente post-embrionale: nuovi organi, come foglie, radici e
fiori, si originano continuamente da divisioni cellulari seguite da
crescita cellulare e differenziamento che avvengono durante il ciclo
vitale
dell’organismo.
Queste
divisioni
cellulari
avvengono
principalmente nei tessuti meristematici, costituiti da cellule
totipotenti che non smettono mai di dividersi per tutta la vita della
pianta. Solitamente però la maggior parte delle cellule che
costituiscono il corpo di una pianta vanno incontro a un processo di
differenziamento e non si dividono ulteriormente.
La riproduzione di una cellula è un processo chiaramente molto
complesso e l’insieme degli eventi connessi con tale fondamentale
funzione costituisce il ciclo cellulare: la serie di eventi che
definiscono il corso della vita di una cellula dal momento in cui si
origina per divisione della cellula madre al momento in cui si divide a
sua volta per generare due cellule figlie.
IL CICLO CELLULARE
Il ciclo cellulare mitotico racchiude quattro fasi sequenziali nelle quali
viene temporalmente distinta la replicazione del materiale genetico dalla
segregazione dei cromosomi duplicati nelle due cellule figlie. Periodi di
intervallo (fasi G) intercorrono tra la replicazione del DNA (fase S) e la
segregazione dei cromosomi (fase M). Il primo intervallo, noto come fase
G1, intercorre tra la precedente mitosi (che ha generato la cellula) e la
successiva fase S. Il secondo intervallo, o fase G2, è invece interposto
tra la fase S e la successiva mitosi (fase M). Quindi le cellule che si
trovano in una fase G2, sono distinguibili dalle cellule che si trovano
ancora in una fase G1 perché contengono un contenuto doppio di DNA.
1.
2.
3.
4.
5.
Interfase
E’ il momento più attivo per la cellula
Si attuano i normali processi cellulari, come anche la
replicazione del DNA
Due fasi Gap (G1 and G2)
Una fase di sintesi (S)
Una fase “time out” (G0) in cui inizia il differenziamento (per
es. divisione delle cellule cambiali)
IL CICLO CELLULARE
Gap 1
1. Durante G1 avvengono le attività cellulari necessarie alla sintesi dei
costituenti cellulari e la riacquisizione delle dimensioni di una cellula
adulta
2. Questa è la fase più variabile tra i tipi cellulari, G1 è lunga per
cellule che si dividono lentamente e è corta per le cellule che si
dividono rapidamente.
Gap 2
1. Durante G2 la cellula si prepara alla divisione mitotica, è una fase
solitamente breve. Sintesi delle tubuline del fuso mitotico e di altre
proteine che interagiscono con i cromosomi durante la
segregazione (fase G2).
2. Le cellule in G2 hanno un contenuto doppio di DNA
Gap 1 e 2
I principali punti di regolazione del ciclo cellulare sono posizionati
alle interfaccie delle fasi G1/S e delle fasi G2/M. Sono questi i punti
di regolazione che stabiliscono se le cellule vanno incontro a
successive divisioni o intraprendono un processo di
differenziamento.
Negli organismi eucariotici, un insieme di molecole attive all’interno
della cellula, le proteine chinasi-ciclina dipendenti (CDK), innescano
e regolano la sequenza di eventi chiave del ciclo cellulare. Si tratta di
una classe di chinasi che richiedono per l’attivazione un legame con
una proteina regolativa, la ciclina, e che riconoscono come bersaglio
altre proteine con una serina o treonina seguite da una prolina. Le CDK,
catalizzano il trasferimento del gruppo fosfato dell’ATP al residuo
laterale di serine e treonine e mediante la fosforilazione e la
defosforilazione, attivano o disattivano le proteine cellulari nei momenti
di transizione dalla fase G1 alla fase S e da G2 a M, attivando
rispettivamente la duplicazione del DNA e la mitosi. Nelle piante ci sono
sia alcune classi di CDK con funzioni omologhe rispetto a quelle
animali, sia alcune classi specifiche (CDKB). Le piante posseggono uno
elevato numero di cicline (molte più che negli altri organismi)
funzionalmente simili a quelle presenti nei mammiferi (cicline tipo A, B,
C, D e H). L’alto numero di cicline riscontrato nelle piante potrebbe
riflettere la maggiore plasticità di sviluppo dei vegetali rispetto agli
animali necessaria per rispondere a stimoli interni ed esterni.
REGOLAZIONE DEL CICLO CELLULARE
In uno schema abbastanza generale, le cicline tipo-A appaiono all’inizio della fase S e
sono coinvolte nella sua progressione per poi essere degradate nella fase di
transizione G2/M; le cicline tipo-B appaiono durante la fase G2 e presiedono il
controllo della fase G2/M e l’inizio della mitosi per poi essere degradate durante
l’anafase; le cicline di tipo-D regolano la transizione G1/S
La via degradativa delle cicline avviene per proteolisi attraverso il sistema ubiquitinaproteasoma (peptide di 76 amminoacidi, altamente conservato tanto nei procarioti quanto
negli eucarioti) che utilizza l’ubiquitina per marcare le proteine cha vengono quindi
indirizzate al proteosoma per essere degradate.
LE CICLINE (SUBUNITÀ REGOLATRICI DELLE CDK)
•Proteine di 30-55 Kda, chiamate "cicline" perché la loro abbondanza varia durante il
ciclo cellulare , ovvero "ciclano", con dei picchi in fasi particolari.
•Nelle piante sono noti moltissimi cloni codificanti per putative cicline = famiglia
multigenica.
•L'associazione fra cicline e CDK porta alla fosforilazione delle CDK, con attivazione
della loro attività chinasica. La regolazione dell'abbondanza delle cicline è
estremamente importante. Vengono regolate sia mediante regolazione della loro
sintesi sia mediante regolazione della loro degradazione. Molte hanno il
"destruction box", ovvero il dominio che media la degradazione via-ubiquitina; inoltre
molte hanno la sequenza PEST, che conferisce alle proteine che la portano un rapido
turn-over. Le cicline sono quindi molecole molto instabili.
•Sono note finora diverse classi di cicline classificate in base a caratteristiche del cyclin
box (A1, A2, A3, B1, B2, C, D).
REGOLAZIONE DEL CICLO CELLULARE DA PARTE DEL COMPLESSO
CICLINE/CDK
Le cicline di tipo-D (Cyc-D) svolgono un ruolo fondamentale
nella transizione G1/S e nel superamento del punto di
restrizione. Questa funzione si esplica principalmente nella
fosforilazione ed inattivazione di una proteina regolatrice molto
importante, chiamata Rb, la cui mutazione nell’organismo
animale, è associata alla formazione del retinoblastoma e di
altre neoplasie. A questo stadio del ciclo cellulare è
fondamentale l’attività dei fattori di crescita E2F coinvolti nella
trascrizione dei geni necessari per la transizione G1/S. La
CDK-A attivata dalla ciclina-D (complesso CDK-A-Cyc-D)
fosforila e inattiva la proteina Rb, che non è più in grado di
legare E2F; a questo punto E2F è libero di attivare la
trascrizione di geni che portano la cellula in fase S. Quando la
proteina Rb non è fosforilata lega il fattore di trascrizione E2F
bloccando l’espressione dei geni regolati da questo fattore.
REGOLAZIONE DEL CICLO CELLULARE DA PARTE DEL COMPLESSO
CICLINE/CDK
REGOLAZIONE DELLA DIVISIONE CELLULARE IN
ARABIDOPSIS
Le piante hanno un meccanismo di regolazione unico che permette di bloccare le
cellula anche in G2.
Nelle piante, il livello di CDK (Cyclin Dependent Kinases) fluttua durante il ciclo
cellulare , ed è correlato positivamente sia con la proliferazione cellulare sia con
la competenza delle cellule a dividersi.
Espressione della CDK di Arabidopsis (CDC2aAt):
•meristemi apicali di radice e germoglio (SAM e RAM);
•foglie molto giovani, in via di sviluppo;
•Non è espressa in foglie completamente distese;
•Nel SAM l'espressione di CDC2aAt corrisponde al pattern di attività mitotica
evidenziabile mediante incorporazione di timidina triziata;
•Nel RAM è quasi assente nel centro quiescente, ma espressa ad alto livello
nelle cellule adiacenti in rapida divisione. Nella zona appena sopra l'apice
radicale è espressa nel cilindro centrale e nel periciclo. Nel periciclo l'espressione
non è limitata alle zone in divisione (produzione di radici laterali), bensì
l'espressione è localizzata in tutto il periciclo, diminuendo man mano nelle zone
più vecchie della radice.
•Nei fiori ha un pattern di espressione "discreta" che è in accordo con le zone di
divisione.
MITOSI
La cellula madre forma due cellule figlie con lo stesso grado
di ploidia (divisione conservativa)
2n
2n
2n
n
n
MITOSI
n
MEIOSI
formazione di 4 cellule aploidi (n) a partire da una cellula
madre diploide (2n) (divisione riduzionale)
2n
n
I divisione
meiotica
n
II divisione
meiotica
n
n
n
n
MITOSI
INTERFASE
PROFASE
PROMETAFASE
CITOCINESI
METAFASE
ANAFASE
TELOFASE
Durante la mitosi avviene la divisione del nucleo e la divisione del citoplasma
(citodieresi). La mitosi ha il compito di garantire l’esatta ripartizione dei cromosomi
alle cellule figlie. La mitosi si divide in 4 sottofasi: profase, metafase,anafase e
telofase.
CITOSCHELETRO E CICLO CELLULARE
CITOSCHELETRO E CICLO CELLULARE
DURANTE IL CICLO CELLULARE
SI OSSERVANO DIVERSI
APPARATI CITOSCHELETRICI
ASSOCIATI A FUNZIONI DIVERSE
SVOLTE DURANTE LA MITOSI
1. APPARATO INTERFASICO DI
MICROTUBULI CORTICALI
2. BANDA PREPROFASICA
3. FUSO MITOTICO
1. FRAGMOPLASTO
G0
CITOSCHELETRO E CICLO CELLULARE
IN INTERFASE E NELLE CELLULE IN G0 I
MICROTUBULI SONO DISPOSTI NELLA
PERIFERIA DEL CITOPLASMA, SUBITO
SOTTO LA MEMBRANA PLASMATICA.
L’APPARATO DI MICROTUBULI CORTICALI SI
FORMA QUANDO LA CITOCHINESI E’
COMPLETATA E I MICROTUBULI DEL
FRAGMOPLASTO SI DISAGGREGANO. NELLE
CELLULE IN RAPIDO ALLUNGAMENTO I
MICR. CORT. SI RAGGRUPPANO IN FASCI
ALLINEATI PERPENDICOLARMENTE
ALL’ASSE DI ESPANSIONE CELLULARE.
L’ APPARATO INTERFASICO DI MICR. CORT.
SI FORMA DAI SITI DI NUCLEAZIONE SIA A
LIVELLO DELL’INVOLUCRO NUCLEARE CHE
IN PUNTI DISPERSI NEL CITOPLASMA
CORTICALE (CORTEX).
I MICR. CORT. SONO ANCORATI AL CORTEX
MEDIANTE PROTEINE CHE CONNETTONO
ANCHE I MICROTUBULI STESSI E LA
MEMBRANA PLASMATICA. QUESTO LEGAME
E’ RILEVANTE ANCHE PER LA STABILITA’ E
ORGANIZZAZIONE DEI MICROTUBULI
INTERFASICI. UNA DELLE PRINCIPALI
FUNZIONI DEI MICR. CORT. E’ IL CONTROLLO
DELLA DEPOSIZIONE DELLE FIBRILLE DI
CELLULOSA
CITOSCHELETRO E CICLO CELLULARE
LA BANDA PREPROFASICA COMPARE
POCO PRIMA DELL’INIZIO DELLA
PROFASE. SONO MICROTUBULI ED
C)
IL FUSO
MITOTICO E’
ACTINA
CO-ALLINEATI
FORMANO UN
LA ANELLO AL DI SOTTO DELLA
MEMBRANA PLASMATICA. AL CENTRO
DELLA B. PREP. SI TROVA IL NUCLEO.
LA SUA FORMAZIONE E’ DOVUTA A
CAMBIAMENTI DEL SISTEMA DEI MICR.
CORT. CHE DEPOLIMERIZZANO NELLE
ZONE CORTICALI E SI CONCENTRANO
E SI STABILIZZANO NELLA NASCENTE
B.PREP. LA B.PREP. SCOMPARE ALLA
FINE DELLA PROFASE MA LASCIA UN
SEGNALE MOLECOLARE DURATURO
NELLA CELLULA INFATTI PREDICE LA
POSIZIONE DEL SETTO DI DIVISIONE.
SEMBRA SIA DOVUTO ALLA
SCOMPARSA DI FILAMENTI DI ACTINA
NELLA ZONA OCCUPATA DALLA
BANDA PREPOFASICA MENTRE
PERSISTONO NEL RESTO DEL
CORTEX.
CITOSCHELETRO E CICLO CELLULARE
IL FUSO MITOTICO E’ LA STRUTTURA
CITOSCHELETRICA CHE ASSICURA LA
CORRETTA RIPARTIZIONE DEI CROMOSOMI NEI
DUE NUCLEI FIGLI. IL CENTROSOMA E’ UNA
STRUTTURA POSTA CENTRALMENTE NELLA
CELLULA ANIMALE, VICINA AL NUCLEO, CHE
COSTITUISCE IL CENTRO ORGANIZZATORE DEI
MICROTUBULI AL MOMENTO DELLA MITOSI I
CENTRIOLI SI DUPLICANO. IL CENTROSOMA
ASSOCIATO AI CENTRIOLI GENERA UN
COMPLESSO DI MICROTUBULI, DETTO ASTER.
L’INTERAZIONE TRA I DUE ASTER GENERA UNA
REPULSIONE TRA I CENTRIOLI CHE SI
DISPONGONO IN POSIZIONI OPPOSTE RISPETTO
AL NUCLEO INDIVIDUANDO L’ASSE DEL FUSO
MITOTICO. NEGLI ANIMALI NON E’ IMPORTANTE
IN QUALE DIREZIONE LE CELLULE SI DIVIDONO
IN QUANTO LA CORRETTA POSIZIONE AVVIENE IN
SEGUITO.
NELLE PIANTE E’ FONDAMENTALE IL CORRETTO
POSIZIONAMENTO DEI SETTI E L’ESPANSIONE
DIREZIONALE DELLE PARETI DURANTE
L’INTERFASE. LE CELLULE VEGETALI NON
PRESENTANO CENTROSOMI ED ASTER NEL FUSO
MITOTICO.
-
-
+
+
-
-
CITOSCHELETRO E CICLO CELLULARE
IL FUSO MITOTICO NELLE CELLULE VEGETALI PRESENTA
NUMEROSI CENTRI DI NUCLEAZIONE DEI MICROTUBULI,
PRESENTI GIA’ IN INTERFASE A LIVELLO DELL’INVOLUCRO
NUCLEARE QUINDI I POLI RISULTANO MENO DEFINITI
RISPETTO ALLA CELLULA ANIMALE.
LE CARATTERISTICHE DINAMICHE DEI MICROTUBULI E LE
PROTEINE MOTRICI SONO FONDAMENTALI PER
L’ASSEMBLAGGIO DEL FUSO.
I MICROTUBULI DEL FUSO SONO ORIENTATI CON L’ESTREMITA’
+ VERSO L’EQUATORE E QUELLA - VERSO I POLI.
DURANTE L’ANAFASE L’ALLONTANAMENTO DEI DUE POLI E’
DOVUTO AI MICROTUBULI INTERPOLARI CHE
POLIMERIZZANO ULTERIORMENTE E SCORRONO TRA LORO E
NON AI MICROTUBULI DELL’ASTER (MANCANTE)
MITOSI
CITOSCHELETRO E CICLO CELLULARE
NELLA CITOCHINESI AVVIENE LA RIPARTIZIONE DEL CITOPLASMA TRA LE DUE
CELLULE FIGLIE.
LE CELLULE ANIMALI INIZIANO LA CITOCHINESI DALLA PERIFERIA DEL PIANO
DI DIVISIONE MEDIANTE UN ANELLO ACTO-MIOSINICO CONTRATTILE CHE TIRA
LA MEMBRANA PLASMATICA VRSO IL CENTRO DELLA CELLULA. IL DIAMETRO
DELLA CELLULA SI RESTRINGE E LA SEPARAZIONE E’ COMPLETATA
DALL’APPORTO DI VESCICOLE CHE SI FONDONO CON LA MEMBRANA
PREESISTENTE.
NELLE CELLULE VEGETALI SI FORMA IL FRAGMOPLASTO, STRUTTURA
CITOSCHELETRICA SPECIALIZZATA CHE GUIDA LE VESCICOLE, PROVENIENTI
DAL GOLGI (POLISACCARIDI) AL PIANO DI DIVISIONE.
LA FUSIONE DELLE VESCICOLE PORTA ALLA FORMAZIONE DI UN
COMPARTIMENTO A FORMA DI DISCO, LA PIASTRA CELLULARE CHE SI
ESPANDE LATERALMENTE VERSO LA PERIFERIA FINO A FONDERSI CON LA
MEMBRANA PLASMATICA E LA PARETE PREESISTENTE DANDO ORIGINE ALLA
NUOVA PARETE DIVISORIA
FRAGMOPLASTO
•IL FRAGMOPLASTO GUIDA LE VESCICOLE
PROVENIENTI DAL GOLGI CONTENENTI I
POLISACCARIDI PER LA COSTRUZIONE DELLA
NUOVA PARETE.
•LA FUSIONE DELLE VESCICOLE PORTA ALLA
FORMAZIONE DELLA PIASTRA CELLULARE A
FORMA DI DISCO.
•LA PIASTRA CELLULARE SI ORIGINA NELLA ZONA
CENTRALE DIEL CITOPLASMA , IN TARDA
ANAFASE, A PARTIRE DA MICROTUBULI RESIDUI
DEL FUSO MITOTICO E DA FILAMENTI DI ACTINA
SINTETIZZATI EX NOVO
Stabilizzazione
struttura
Trasporto vescicolare ai margini
MEIOSI
MEIOSI E FORMAZIONE DELLE MICROSPORE
DIVISIONE MEIOTICA NEL SACCO EMBRIONALE
E FORMAZIONE DEL SACCO EMBRIONALE
