Lezione 4
Ciclo cellulare, mitosi e meiosi
1
Divisione cellulare
* Quando le cellule raggiungono determinate
dimensioni devono arrestare l’accrescimento o
dividersi
* La divisione cellulare negli eucarioti coinvolge due
processi: mitosi (che assicura che ogni nuovo
nucleo riceva lo stesso numero di cromosomi
presenti nella cellula madre) e la citocinesi
(divisione del citoplasma tra le due cellule figlie)
2
Divisione cellulare
Organismi eucarioti unicellulari si riproducono in
modo asessuato per MITOSI
paramecium
Nei pluricellulari la mitosi serve all’accrescimento
e alla rigenerazione dei tessuti
3
Ciclo cellulare fasi
Interfase (G1 + S + G2):
Periodo che intercorre tra
una mitosi e la successiva
Mitosi
La mitosi rappresenta la fase conclusiva del ciclo cellulare
4
Divisione cellulare: fasi
Dopo la replicazione del DNA all’interno del nucleo (fase S):
* Condensazione e segregazione del DNA in due nuclei figli
* Divisione del citoplasma (citodieresi)
5
Prima che la cellula entri in mitosi il materiale genetico viene
duplicato (fase S); ciascun cromosoma risulterà alla fine costituito
da 2 cromatidi
double strand
Cromatidi
fratelli
6
Corredo cromosomico
Cellula somatica: 2 corredi cromosomici (2n)
2 omologhi
Cromatidi
Cr 1
fratelli
Cr 2
Cr 3
Cromosomi
omologhi
Cr 4
Cr 5
Cr 6
…
Es.: nell’uomo 23 coppie di omologhi, uno di derivazione materna,
7
l’altro paterna
Cr 1
materno
paterno
fase S
4 cromosomi monocromatidici
Cr 2
4 cromosomi dicromatidici
profase
Condensazione dei cromosomi
Formazione del fuso di microtubuli
8
Interfase
profase
profase
prometafase
Scomparsa membrana nucleare
Le fibre del fuso si attaccano a strutture
proteiche (cinetocori)
che sono legate al
centromero
profase
metafase
I cromosomi si allineano lungo il piano
equatoriale della cellula
I cinetocori dei cromatidi fratelli di
ciascun cromosoma sono attaccati ai
microtubuli che provengono dai poli
opposti della cellula
10
L’apparato del fuso mitotico + cinetocore
assicurano la corretta ripartizione dei
cromosomi nelle due cellule figlie
I due cromatidi fratelli aderiscono ai microtubuli
provenienti dai due poli opposti del fuso
11
profase
metafase
anafase
Separazione dei cromatidi fratelli
12
Segregazione dei cromosomi
cromosoma
microtubuli
13
microtubuli
cromosomi
profase
metafase
anafase
telofase
Decondensazione dei cromosomi
Ricompare la14membrana nucleare
profase
metafase
anafase
telofase
citodieresi
15
Interfase
Anafase
Profase
16
Metafase
Telofase
Cellule umane HeLa in coltura
metafase
anafase
interfase
citocinesi
Cellule HeLa: carcinoma cervice uterina. La maggior parte delle cellule
sono in interfase. I microtubuli sono in17 giallo, il DNA in rosa.
HeLa
Henrietta Lacks (1 agosto 1920 - 4 ottobre 1951)
Durante una biopsia le furono prelevate alcune cellule tumorali uterine. Le cellule di
Henrietta Lacks sono naturalmente 'immortalizzate', possono cioè essere coltivate in
vitro senza andare in senescenza. Hanno 82 cromosomi e l'enzima telomerasi
attivato, e ciò consente alle cellule di non invecchiare mai. Nel 1954 Jonas Salk
sviluppò un vaccino contro la poliomielite utilizzando queste cellule. Sono le prime
cellule umane coltivate in vitro. Attualmente vengono utilizzate in tutti i laboratori
del mondo per i più disparati scopi e la loro massa complessiva raggiunge le 10
tonnellate….
18
19
Ciclo cellulare checkpoints
G2 checkpoint:
dimensioni cellulari, presenza di nutrienti,
duplicazione DNA completa? danni al DNA?
(riparazione del danno o… apoptosi)
Morte cellulare programmata
M checkpoint:
Cromosomi allineati sulla
piastra del fuso? sono attaccati
alle fibre del fuso?
G1 checkpoint:
dimensioni cellulari, presenza di
nutrienti/ eventualmente
quiescenza G0
Sintesi del DNA
20
Apoptosi
Morte cellulare programmata
Interviene in caso di danneggiamento del DNA, ma anche in
processi di rimodellamento durante lo sviluppo degli
organismi, come il riassorbimento della coda delle larve di
anuro o nella formazione delle dita dei tetrapodi
21
* Nell’organismo pluricellulare adulto vi sono
* CELLULE PERENNI che dopo essersi differenziate non
compiono piu’ il ciclo (neuroni)
* CELLULE STABILI (p.es. gli epatociti) che normalmente non
compiono il ciclo ma hanno la possibilità di riprenderlo
* CELLULE STAMINALI che continuamente compiono il ciclo
c. perenni
22
c. stabili
Cellule staminali
Cellule non specializzate che possono subire diversi cicli di
replicazione e rinnovarsi per periodi di tempo molto lunghi
mantenendosi indifferenziate…
…possono essere indotte a differenziare dando origine a cellule
specializzate (neuroni, cardiomiociti, cellule pancreatiche che
producono insulina…)
23
Potenzialità differenziativa delle cellule
staminali 1
Totipotenti: possono dare origine a qualunque cellula dell’organismo
*
Nella blastocisti 4-5 giorni (c.a. 30 cellule)
*
danno origine a tutti i tipi cellulari dell’individuo
(nel liquido amniotico sono reperibili cellule staminali pluripotenti e nel
cordone ombelicale c. staminali ematopoietiche)
24
Cellule staminali dell’adulto
* Le cellule degli organismi pluricellulari nei diversi
tessuti sono differenziate in diversi tipi con funzioni
specifiche
* In ogni tessuto esiste una popolazione di cellule
staminali scarsamente differenziate, che si dividono
attivamente e che servono al rinnovamento del tessuto
stesso (per ripristinare cellule danneggiate es: midollo
osseo, muscolo)
25
Potenzialità differenziativa delle cellule
staminali 2
Multipotenti: possono dare origine a più tipi cellulari
Unipotenti: danno origine a un solo tipo cellulare
Cellule satelliti
del muscolo
Cellule staminali
del midollo osseo
26
Cellule staminali del midollo osseo
Molte cellule del sangue hanno vita breve e devono essere ripristinate
continuamente. L’essere umano necessita approssimativamente 1011
nuove cellule ematopoietiche al giorno
Cellule staminali del muscolo
Cellula satellite
Fibra muscolare
In seguito a un danno alle fibre muscolari vengono prodotti dei segnali
locali che inducono le cellule satellite a proliferare, allo scopo di
generare una progenie cellulare sufficientemente numerosa per
28
riparare il danno tissutale
Plasticità
Tipicamente le cellule staminali dell’adulto generano tipi cellulari
corrispondenti ai tessuti da cui provengono (cellule staminali muscolo:
cellule muscolari)
ma in alcuni casi possono generare tipi cellulari diversi (plasticità):
nel testicolo di mammifero adulto ci sono c. staminali pluripotenti
c. staminali del cervello danno origine a cellule del sangue e del muscolo
scheletrico
cellule
staminali
del
midollo
osseo
possono
differenziare
cardiomiociti, cellule neuronali, cellule germinali maschili…
29
in
Cellule staminali applicazioni
terapeutiche
* BMT (trapianto di midollo osseo) terapia basata su cellule
staminali dell’adulto in uso da molti anni. Il primo trapianto
allogenico (da donatore) di midollo osseo nell’uomo viene
eseguito nel 1959 da E. Donnal Thomas in un paziente affetto
da leucemia acuta
* terapie di sostituzione cellulare in malattie degenerative
(Parkinson, diabete, distrofia muscolare, ricostruzione della
pelle…)
30
Terapie cellulari basate sulle staminali (medicina rigenerativa)
Tessuti dell’adulto
Cordone ombelicale
Blastocisti preimpianto
Isolamento
c. staminali
ematopoietiche
Espansione in vitro
Differenziamento
31
Riproduzione asessuata
Nei procarioti
(obbligata)
scissione binaria
In alcuni eucarioti
con modalità diverse:
(gemmazione, scissione, frammentazione,
partenogenesi)
protozoi, celenterati,
platelminti, piante, alcuni
vertebrati (70 specie)
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Riproduzione asessuata eucarioti 1
Scissione, Frammentazione
Partenogenesi: sviluppo dell’uovo non fecondato
33
Riproduzione asessuata eucarioti 2
Riproduzione asessuata
per GEMMAZIONE in Hydra
(Cnidari)
L’idra è anche in grado di
riprodursi sessualmente come
evidenziato dalla presenza di
un uovo.
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Vantaggi riproduzione asessuata
Non è necessaria la ricerca di un partner compatibile
Ogni individuo che si riproduce trasferisce alla
progenie il 100% dei suoi geni
Garantisce
una
velocità
di
espansione
popolazione molto maggiore di quella sessuata
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della
Tasso di crescita
Specie ipotetica in cui ciascuna femmina dà origine a 4 figli
Generazione
I
n° individui
riprod. sessuata
2
n° individui
riprod. asessuata
1
II
4
4
III
8
16
…e allora perché la maggior parte degli eucarioti non la utilizza?
Vantaggio riproduzione sessuata
Gli individui neoformati sono tutti diversi tra di loro
e diversi dai loro genitori.
Questo crea variabilità nelle popolazioni aumentando
il potenziale adattativo: in caso di cambiamento delle
condizioni ambientali è probabile che siano presenti
individui adatti alle nuove condizioni
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Adattarsi all’ambiente senza ricorrere alla
riproduzione sessuata
I rotiferi bdelloidei si riproducono per via partenogenetica da 80 milioni di
anni. Esistono solo individui femminili che producono uova diploidi.
Come sono riusciti ad adattarsi ai cambiamenti ambientali senza ricorrere
alla riproduzione sessuata?
1) Entrano in dormienza dopo disidratazione per tornare attivi quando le
condizioni ambientali tornano favorevoli
2) Le due copie di un gene sui cromosomi omologhi non sono
perfettamente identiche e svolgono funzioni leggermente diverse,
coinvolte nell’adattamento a condizioni diverse
Riproduzione Sessuata
Riguarda la maggior parte degli eucarioti,
richiede la partecipazione di due individui di
sesso diverso che contribuiscono entrambi al
patrimonio genetico dei discendenti.
2n
Gli individui neoformati non sono mai
identici ai genitori: ricombinazione (crossing over)
e riassortimento indipendente dei cromosomi
creano
VARIABILITA’ GENETICA
2n
39
n
Corredo cromosomico
Cellula somatica: 2 corredi cromosomici (2n)
2 omologhi
Gameti: 1 corredo cromosomico (n)
1 omologo per coppia
Cr 1
Cr 2
Cr 3
Cr 4
Cr 5
Cr 6
…
Es.: in h. sapiens 23 coppie di omologhi, uno di derivazione materna,
40
l’altro paterna
Meiosi
*Una sola duplicazione del DNA seguita da 2 successive divisioni
cellulari
*Le due divisioni cellulari vengono indicate come prima e seconda
divisione meiotica (meiosi I, meiosi II), ciascuna suddivisa in
profase, metafase, anafase, telofase
*Da una cellula diploide si originano quattro cellule aploidi
41
I° Divisione meiotica (riduzionale)
n
materno
paterno
Chr. 1
Chr. 2
2n
condensazione cromosomi
crossing over
Segregazione indipendente omologhi
42
II° Divisione meiotica (equazionale)
n
Si parte da una cellula 2n con cromosomi dicromatidici per arrivare a 4 cellule n con
43
cromosomi monocromatidici
n
Crossing over (ricombinazione)
scambio di tratti di DNA (processo di rottura e saldatura) tra i cromatidi non fratelli
di due cromosomi omologhi
Gameti parentali
Gameti ricombinanti
44
Nella specie umana avvengono in media
1-3 c.o. / coppia di omologhi
Effetto del crossing over
* La sequenza dei geni lungo il cromosoma
rimane invariata (A, B, C…); quello che
cambia è la “combinazione” degli alleli di loci
diversi
lungo
il
cromosoma
(Ab
nei
ricombinanti piuttosto che AB dei parentali)
* I cromosomi ricombinanti sono diversi dai
cromosomi parentali
* Nei gameti gli alleli di geni diversi si
troveranno in combinazioni nuove rispetto a
quelle presenti nei genitori
45
Assortimento indipendente
Per 2 coppie di omologhi = 22 possibili combinazioni
Nell’uomo 23 coppie di omologhi = 223 possibili combinazioni (8 388 608!)
Assortimento indipendente dei cromosomi parentali e
crossing over generano infinita variabilità nei gameti
Mitosi e meiosi a confronto
* Appaiamento dei cr.
omologhi solo in meiosi
* Ricombinazione solo in
meiosi
* Mitosi: divisione
equazionale
* Meiosi: divisione
riduzionale
* Mitosi produce 2 cell
identiche, meiosi 4
cellule diverse
47
Confronto tra mitosi e meiosi
Mitosi
Meiosi
Sia nelle cellule somatiche che
nelle germinali
Solo nelle cellule germinali
Una sola replicazione del DNA
seguita da una singola divisione
cellulare
Una sola replicazione del DNA
seguita da due divisioni cellulari
Cellule figlie (2n) identiche tra
loro e alla cellula parentale
Quattro cellule figlie (n) tutte
geneticamente diverse
Funzione di accrescimento,
ricambio cellulare e riproduzione
asessuata
Funzione di riproduzione sessuata
48
Gametogenesi ♂
(Cellule germinali)
Normalmente
degenerano
49
Spermatogenesi
spermatogonio
Processo che inizia
con la pubertà.
Spermatocita primario
L’intero percorso di
maturazione da
Spermatocita secondario
spermatogonio
a spermatozoo
spermatidi
dura 65-75 gg
spermatozoi
50
Caratteristiche della spermatogenesi
Processo continuo, che parte dalla pubertà e continua per il
resto della vita
Gli spermatogoni si dividono per mitosi durante tutta la vita
Vengono prodotti miliardi di spermatozoi nel corso della vita
Da ogni spermatocita primario si ottengono 4 spermatozoi
51
Gametogenesi ♀
mitosi
(Cellule germinali)
(Cellule germinali)
Normalmente
degenerano
52
Ovogenesi
Prima della nascita
Tutti gli oogoni differenziano in oociti I.
Nei primi mesi di vita fetale tutti gli oociti I
iniziano la meiosi e si bloccano alla profase I
Dalla pubertà fino alla menopausa un ovocita
ogni 28 giorni riprende la meiosi e completa la
I° divisione
Solo se fecondato, l’ovocita secondario
completa il processo di meiosi e diventa
cellula uovo aploide
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Caratteristiche dell’ovogenesi
Processo DISCONTINUO in cui la produzione dei gameti
avviene ciclicamente e si interrompe con il sopraggiungere
della menopausa
- Alla nascita le ovaie contengono qualche milione di ovociti
primari (bloccati in profase I)
- Alla pubertà il numero è ridotto a circa 200.000
- Nel periodo di vita feconda una donna produce circa 400
ovociti secondari (12 x numero di anni fertili)
- Gli ovociti invecchiano insieme alla donna…..con l’età
aumenta il rischio di errori nella meiosi ♀
54
Non disgiunzione meiotica e aneuploidie
omologhi
omologhi
Oocita bloccato
in profase I
I due omologhi non vengono separati
correttamente alla meiosi I
55
Il rischio di avere un figlio affetto da s. di Down (trisomia 21) o
altre anomalie cromosomiche dovute ad errori meiotici aumenta
con l’aumentare dell’età materna
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Gametogenesi ♂ e ♀ a confronto
Si moltiplicano per tutta la vita
Si moltiplicano solo fino ai primi mesi di
vita fetale
Dalla pubertà
Dalla pubertà
Scoppio follicolo
Profase I
Una sola cellula
uovo matura
57
