Lezione 17 Mitosi ciclo cellulare e sua regolazione [modalità
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La capacità di crescere è una caratteristica fondamentale degli esseri viventi Negli organismi unicellulari, la divisione cellulare fa aumentare il numero totale degli individui di una popolazione Negli organismi pluricellulari, la divisione cellulare fa aumentare il numero di cellule e quindi rende conto della crescita di un organismo e della sostituzione di cellule morte Una cellula che si divide genera due cellule figlie identiche (CLONI) alla cellula parentale dal punto di vista genetico. Il materiale genetico deve essere precedentemente duplicato prima di essere ripartito fra le due cellule figlie. Per fare questo la cellula attraversa una serie di fasi che costituiscono il CICLO CELLULARE Divisione cellulare nei procarioti SCISSIONE BINARIA ~ 20/30 min in condizioni ambientali favorevoli (temperatura, mezzo nutritivo, assenza di specie in competizione…) SETTO l’informazione genetica è stata equamente ripartita fra le due cellule figlie → CLONE = discendenza di cellule tutte uguali CICLO CELLULARE delle cellule eucariotiche INTERFASE periodo fra 2 mitosi consecutive FASE G1 (gap 1) non c’è duplicazione del DNA, trascrizione e traduzione attive 12-24 ore FASE S duplicazione del DNA, 6-7 ore FASE G2 trascrizione e traduzione attive, in preparazione alla mitosi centrosoma si duplica → aster → fuso primario FASE M MITOSI, meno di un’ora (indice mitotico) La lunghezza del ciclo cellulare (tempo di generazione) varia tra i diversi tipi cellulari G0 è una G1 prolungata tipica delle cellule che non si dividono G1 e G2 non sono distinguibili morfologicamente a) Profase, il nucleolo non è più evidente, la trascrizione non è attiva, inizia a formarsi il fuso mitotico, i cromosomi si condensano→ 2 cromatidi uniti dal centromero b) Prometafase, dissolvimento involucro nucleare, formazione del fuso mitotico completata c) Metafase: i cromosomi si dispongono all’equatore grazie ai microtubuli del cinetore del fuso mitotico d) Anafase precoce: i cromatidi si separano e) Anafase tardiva: ciascun cromatidio ha raggiunto i poli del fuso f) Telofase: cromatidi/cromosomi si despiralizzano, l’involucro nucleare e i nucleoli si formano, il fuso mitotico si disgrega Citocinesi Formazione del fuso mitotico centrosoma fibre dell’Aster centrioli a) Duplicazione della coppia di centrioli in fase S-G2 b) L’aster si divide in due, tra i due aster si allungano i microtubuli Sezione trasversale di centriolo struttura 9x3 Micrografia al TEM Fibre del fuso mitotico in metafase piastra metafasica microtubuli del cinetocore (fibre del fuso acrosomiche) centrioli microtubuli dell’aster materiale pericentriolare microtubuli polari Cromatidi fratelli e centromero Possibile meccanismo di movimento del cinetocore sui microtubuli del fuso Cellule animali. Solco di divisione: microfilamenti di actina Cellule vegetali. Piastra cellulare: deposizione di vescicole contenenti polisaccaridi della parete vegetale Punti chiave di controllo, detti PUNTI DI TRANSIZIONE del ciclo cellulare. Il sistema di controllo deve garantire che tutti i processi associati a ciascuna fase siano stati portati a termine e in modo corretto. Deve essere in grado di rispondere alle condizioni esterne. Modalità di controllo del ciclo cellulare Delicato equilibrio tra l’attività di proteine diverse, necessarie alla regolazione del progresso delle cellule nel ciclo. PROTEINA CHINASI CICLINA DIPENDENTI (CDK): sono enzimi che fosforilano una proteina bersaglio modificandone l’attività. Non sono sempre attive ma solo in associazione con cicline in particolari momenti del ciclo. CICLINE: sono proteine la cui concentrazione varia in maniera ciclica Cicline mitotiche, cicline G1, cicline S. I diversi complessi ciclina-CDK si prestano a costituire una serie di posti di blocco o di controllo localizzati nei principali punti di transizione del ciclo cellulare G1-S, G2-M, metafase-anafase. Il controllo si basa dunque sulla disponibilità delle cicline e sullo stato di fosforilazione del complesso ciclina-CDK. Natura dei meccanismi di controllo del ciclo cellulare: • disponibilità di un ancoraggio, affollamento della coltura • presenza-assenza di fattori di crescita Cellule trasformate tumorali ad es. perdono l’inibizione da contatto e continuano a crescere in multistrato, in vitro I FATTORI DI CRESCITA Sono molecole appartenenti alla grande famiglia dei mediatori chimici che stimolano la proliferazione cellulare in maniera selettiva. Sono perlopiù polipeptidi di peso molecolare non elevato, secreti da cellule specializzate DENOMINAZIONE Cellule stimolate a proliferare PDGF (platelet-derived growth factor) Cellule dei tessuti connettivi EGF(epidermal growth factor) Diversi tipi cellulari fra cui cellule dell’epidermide FGF (fibroblast growth factor) Cellule di derivazione mesodermica HGF (Hepatocyte growth factor) Epatociti Eritropoietina Cellule progenitrici dei globuli rossi Il complesso ciclina G1-CdK regola la progressione attraverso il punto di restrizione attraverso la fosforilazione della proteina Rb Transizione G2-M è indotta dall’attività di un complesso ciclina-CDK mitotico chiamato MPF (mitosis promoting factor) che fosforila proteine chiave coinvolte nei primi stadi della mitosi Il complesso che promuove l’anafase indirizza proteine specifiche alla degradazione ubiquitina-dipendente • Securina • Ciclina mitotica Meccanismi di checkpoints (meccanismi di controllo) del ciclo cellulare: se le condizioni della cellula non sono adatte, il ciclo cellulare viene temporaneamente arrestato. - Danni al DNA (controllo in vari punti: tarda G1, S, tarda G2) - Controllo della replicazione del DNA (proteine associate al DNA bloccano la defosforilazione finale del complesso ciclina mitoticaCDK) - Controllo dell’assemblaggio del fuso PUNTO DI RESTRIZIONE Apoptosi: morte cellulare programmata che prevede idrolisi di ATP, frammentazione nucleo, coinvolgimento del mitocondrio p53 «IL GUARDIANO DEL GENOMA» Riproduzione ASESSUATA o AGAMICA: Si ottiene una progenie geneticamente identica (CLONE) a meno di fenomeni di mutazione o cambiamenti occasionali del materiale genetico SESSUATA o GAMICA: richiede la partecipazione di due individui in quanto è affidata all’incontro di due cellule speciali i gameti prodotti nelle gonadi da un individuo di sesso maschile e da uno di sesso femminile La diversità genetica che dipende dall’insorgenza di mutazioni associata ai meccanismi di riproduzione sessuata offre un’enorme opportunità a livello evolutivo Meiosi permette mantenimento del numero costante dei cromosomi in organismi a riproduzione sessuata viene operata esclusivamente dalle cellule germinali per dimezzare il contenuto di DNA; 2n→n 2 divisioni precedute da 1 duplicazione del DNA: MEIOSI I RIDUZIONALE MEIOSI II EQUAZIONALE • Avvengono due successive divisioni, a partire da una cellula diploide si ottengono 4 cellule aploidi • Le 4 cellule aploidi contengono un solo cromosoma di ogni coppia di omologhi • Durante la meiosi si verifica la ricombinazione dell’informazione genetica dei cromosomi parentali, tanto che ogni cellula aploide prodotta ha una combinazione di geni potenzialmente unica MEIOSI loci Ogni cromosoma è costituito da migliaia di geni. I geni occupano posizioni definite chiamate loci genici. Questi due cromosomi non sono omologhi. Questi due cromosomi sono omologhi: questi sono alleli questi non sono alleli giallo verde …….anche se gli alleli controllano lo stesso tipo di carattere, non necessariamente contengono lo stesso tipo di informazione alleli che controllano il carattere colore del seme a) Meiosi gametica o terminale, avviene solo in cellule germinali (es.animali) b) Meiosi intermedia o sporofitica, organismo può esistere in forma diploide, sporofito e aploide, gametofito che darà origine a gameti (es. felci) c) Meiosi zigotica o iniziale, organismo è aploide, lo zigote che si forma dalla fecondazione si divide subito per meiosi (es. funghi) Profase I Tarda profase I Metafase I Profase II Metafase II Anafase II Anafase I 4 cellule Nella profase I si forma il complesso sinaptinemale che permette l’appaiamento fra 2 cromosomi omologhi SINAPSI, BIVALENTE, TETRADE (2 cromosomi omologhi appaiati, ciascuno costituito da due cromatidi) Tramite il crossing over avviene lo scambio di materiale genetico fra cromatidi omologhi non fratelli CHIASMI sono i punti a livello dei quali i cromosomi rimangono attaccati ed indicano i punti in cui si è verificato il crossing over Nella Metafase I un cromosoma prende contatto con le fibre del fuso provenienti da un solo polo Nell’Anafase I si separano i cromosomi omologhi Telofase I: si formano due cellule con corredo già aploide (n) La comparsa dei chiasmi nella profase I è la conseguenza visibile dell’avvenuto crossing over cromatidi ricombinanti cromatidi ricombinanti sono geneticamente diversi da quelli di origine Schema relativo al crossing-over Assortimento indipendente dei cromosomi omologhi Nell’anafase I è soltanto il caso ad attribuire un omologo della coppia ad una cellula piuttosto che ad un’altra Più elevato è il numero cromosomico del corredo genetico, minore è la probabilità che si ristabiliscano le combinazioni parentali originali 2n = Possibili combinazioni gametiche derivanti dall’assortimento casuale dei cromosomi paterni e materni alla meiosi n = numero aploide del corredo 223 possibili combinazioni cromosomiche diverse fra cromosomi materni e paterni nell’uomo! Confronto fra mitosi e meiosi •il DNA viene duplicato prima di ogni divisione mitotica, ciò non accade nell’intervallo che precede la Meiosi II •Nella Mitosi i due cromatidi nel cromosoma sono identici, nella Meiosi II sono diversi a causa del crossing over •Nell’Anafase I si separano i cromosomi omologhi non i cromatidi come nella Mitosi •Il numero di cromosomi che si allinea in metafase II è dimezzato rispetto a quello della metafase mitotica Informazioni relative al numero, forma, dimensioni dei cromosomi di una cellula: CARIOTIPO assetto cromosomico di un individuo cromosomi metafasici ben separati classificazione cromosomi in base alla posizione del centromero ♂ Cellule umane diploidi hanno un cariotipo costituito da 23 coppie di cromosomi → 46 colchicina Non-disgiunzione alla Meiosi porta ad ANEUPLOIDIA: condizione anomala in cui uno o più cromosomi mancano o sono in eccesso ANEUPLOIDIA + comuni TRISOMIA DEL 21 o Sindrome di Down Non disgiunzione dei cromosomi sessuali alla Meiosi Mendel e l’ereditarietà 1865 Linee geneticamente pure Teoria cromosomica dell’ ereditarietà (Sutton-Boveri, 1903) • I geni sono localizzati sui cromosomi e la trasmissione dei geni va in parallelo con quella dei cromosomi. • Le leggi di Mendel trovano il loro fondamento fisico nella meiosi. 1900 Riscoperta del lavoro di Mendel (De Vries, Correns, Von Tschermak) 7 Caratteri Studiati da Mendel Fenotipo: aspetto esterno Carattere Linee pure per un certo carattere Genotipo viola bianchi Fenotipo Semi lisci e semi rugosi Genotipo Fenotipo I caratteri sono controllati dai geni I geni non sono tutti uguali: ALLELI Il gene controlla la forma del seme ALLELE liscio Forma alternativa di un gene rugoso Allele dominante: carattere espresso nella generazione F1 Allele recessivo: carattere non espresso nella generazione F1 Individui Omozigoti contengono alleli identici Eterozigoti contengono le due forme alleliche Il carattere recessivo si manifesta solo in individui omozigoti per quel carattere Quando entrambi i caratteri sono presenti nello stesso individuo quelli dominanti mascherano i recessivi spermatozoo cellula uovo I gameti sono aploidi, cioè possiedono un cromosoma di ogni coppia di omologhi (n) e quindi ne consegue anche solo un gene di ogni singola coppia allelica. zigote Alla fecondazione, lo zigote avrà coppie di cromosomi omologhi, un componente di origine materna ed un altro paterna. Ogni coppia porterà geni allelici. Genotipo viola bianchi Fenotipo Durante la meiosi i due alleli vengono separati Legge della segregazione Omozigoti Eterozigoti Incrocio diibrido (2 caratteri) Due coppie di alleli Possibili combinazioni dei gameti Cosa avviene a livello cromosomico… Assortimento indipendente Leggi di Mendel Ci sono due modi con cui due differenti coppie di omologhi si possono allineare in piastra metafasica ed essere successivamente distribuiti nelle cellule figlie. La cellula con l’ orientamento di sinistra produrrà gameti ½ AB e ½ ab, quella con l’orientamento di destra produrrà ½ gameti Ab e ½ gameti aB. Il rapporto dei 4 possibili gameti è 1:1:1:1 Gli esperimenti di Mendel sono alla base della genetica moderna I caratteri ereditari sono determinati dai geni trasmessi durante la riproduzione Un individuo diploide contiene coppie di geni I geni che controllano un carattere possono presentarsi in 2 forme alleliche OMOZIGOTE ETEROZIGOTE Allele dominante: maschera quello recessivo 1909-Thomas Hunt Morgan e la Fly Room Mappe di cromosomi con distanze espresse in unità di mappa Frequenze di ricombinazione: N progenie ricombinante/ N progenie totale http://www.dnaftb.org/dnaftb/ geni concatenati occupano posizioni vicine sui cromosomi X BbVv Wild type (corpo grigio, ali normali) Genotipi BbVv wild type bbvv (corpo nero, ali corte) bbvv Bbvv bbVv corpo nero ali corte corpo grigio ali corte corpo nero ali normali Risultati attesi 575 575 575 575 Fenotipi osservati 965 944 206 185 fenotipi parentali fenotipi ricombinanti Dominanza incompleta X rr Generazione P RR Rr gameti R r R Generazione F1 r RR Rr Rr rr Generazione F2 Epistasi Un gene modifica l’azione di un altro gene Wild type: agouti (BB, Bb) bb: nero aa: albino indipendentemente dal genotipo degli altri loci, poiché aa blocca la produzione di tutti i pigmenti Alleli multipli: gruppi sanguigni In una popolazione possono essere presenti più alleli Il sesso è determinato dai cromosomi sessuali eterogametico Geni associati al cromosoma X: X-linked Femmina XAXA, XaXa, XAXa Maschio XAY, XaY (Emizigosi) Compensazione genica e corpo di Barr omogametico Maschio daltonico Femmina eterozigote X xc Y Maschio normale xC Y xC xc gameti xC xc gameti xC xC Femmina eterozigote X xc xc xC xC xc xc xC xc xC xc xC xc Femmina normale xC Y Femmina daltonica xc Femmina normale xC Y Femmina normale Y xc Y Y Y Maschio normale Maschio daltonico Visione normale Cecità ai colori Maschio normale Maschio daltonico
