Riproduzione
ASESSUATA o AGAMICA: Si ottiene una progenie geneticamente identica
(CLONE) a meno di fenomeni di mutazione o cambiamenti occasionali del
materiale genetico
tipica dei procarioti ed eucarioti unicellulari
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
tipica di piante e animali (eucarioti pluricellulari) ma anche di alcuni eucarioti
unicellulari
La diversità genetica associata ai meccanismi di
riproduzione sessuata offre un’enorme opportunità a
livello evolutivo
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
Ambiente svolge un’importante funzione di regolazione della crescita delle
popolazioni batteriche
→ CLONE = discendenza di cellule tutte uguali
Riproduzione delle cellule eucariotiche
CELLULE SOMATICHE si riproducono AGAMICAMENTE
DIVISIONE CELLULARE o MITOSI, previa duplicazione del DNA,
ripartisce l’informazione genetica in due cellule che sono identiche fra di loro e uguali
a quella che le ha generate (2n)
CELLULE GERMINALI
si dividono per MEIOSI
Un evento duplicativo del DNA seguito da due divisioni
→ 4 cellule con corredo cromosomico APLOIDE (n) GAMETI
cellule tipiche di individui con RIPRODUZIONE SESSUATA
CICLO CELLULARE in 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 sintesi di DNA 6-7 ore
FASE G2 trascrizione e traduzione attive, in preparazione alla mitosi
centrosoma si duplica → aster → fuso primario
FASE M MITOSI o DIVISIONE CELLULARE
G0 è una G1 prolungata tipica delle
cellule che non si dividono
G1 e G2 non sono distinguibili
morfologicamente
Rappresentazione del ciclo cellulare negli eucarioti
Natura dei meccanismi di controllo del ciclo cellulare:
• Fattori fisici (disponibilità di un ancoraggio, affollamento della coltura)
• Fattori chimici (presenza-assenza di fattori di crescita, la densità
cellulare)
a meno che non intervenga la trasformazione → cellule tumorali
Cellule cancerose ad
es. perdono l’inibizione
da contatto e
continuano a crescere in
multistrato, in vitro
Checkpoints del ciclo cellulare
es. danno al DNA, non corretto assemblaggio delle fibre del fuso
PUNTO DI RESTRIZIONE
Il fuso mitotico è una struttura del citoscheletro degli eucarioti coinvolto nella mitosi e nella meiosi. La sua
funzione è di separare i cromosomi e tutto il materiale della cellula madre durante la divisione cellulare (sia
mitosi che meiosi) per dar origine alle cellule figlie. Consiste in un fascio di microtubuli uniti alla fine ma separati
a metà, di forma vagamente ellittica.
Il centriolo è un organello a struttura cilindrica cava (lunga circa 0,5 micron e larga 0,2) la cui parete è
formata da nove triplette di microtubuli ed è dotato di appendici all'estremità distale.
I centrioli si trovano in coppia e solitamente sono disposti tra di loro a formare un angolo retto. Assieme ad un
materiale elettrondenso che li circonda, chiamato "materiale pericentriolare" (centrosoma), il più importante
"centro organizzatore dei microtubuli" (MTOC) della cellula. Svolgono una funzione essenziale durante la
mitosi, in quanto sono coinvolti nell'assemblaggio del fuso mitotico.
Le coppie di centrioli si differenziano in un centriolo più anziano (madre), vecchio di almeno due cicli cellulari, e
un figlio, che risale almeno al ciclo cellulare precedente. Durante la fase S i centrioli si duplicano, ma restano
uniti in un unico centrosoma. All'inizio della profase le due coppie si separano migrando ai poli opposti della
cellula e dando origine a due centrosomi distinti.
Aster
L’aster è composto da microtubuli che si irradiano dal centrosoma. Questa struttura compare nella profase e
scompare nella telofase, ingrandendosi soprattutto nella metafase.
Fibre del fuso
Le fibre del fuso compaiono, come l’aster, nella profase e scompaiono nella telofase. Queste fibre si
propagano dai due poli della cellula e possono essere distinte in base alla loro posizione e al loro rapporto
con cromosomi e poli cellulari. Le fibre dette continue si irradiano da un polo ad un altro, mentre le fibre
interzonali presenti solo in anafase tra i due gruppi di cromosomi. Le fibre del fuso sono composte da
microtubuli ed hanno per questo polarità e capacità di polimerizzare e depolimerizzare, per permettere
l’allungamento della cellula e la divisione dei cromatidi fratelli. Più nello specifico, l’accorciamento delle fibre
cromosomiche permette la divisione dei cromatidi, mentre l’allungamento di quelle continue l’allungamento
della cellula.
Formazione del fuso mitotico
centrosoma
fibre dell’Aster
centrioli
a) Duplicazione della coppia di centrioli
b) L’aster si divide in due, tra di essi si allungano i microtubuli
c) La separazione continua e i microtubuli che si estendono fra gli aster formano il fuso
Fibre del fuso mitotico in metafase
piastra metafasica
microtubuli del cinetocore
(fibre del fuso acrosomiche)
centrioli
microtubuli
dell’aster
materiale
pericentriolare
microtubuli
polari
immagine al microscopio a fluorescenza
Mitosi:
•PROFASE
•METAFASE
•ANAFASE
•TELOFASE
Cromatidi fratelli e centromero
fotografia al SEM
Cellule animali.
Solco di divisione:
microfilamenti di
actina
Cellule vegetali. Piastra cellulare:
deposizione di vescicole contenenti
polisaccaridi della parete vegetale
Meiosi
permette mantenimento del numero costante dei cromosomi
in organismi a riproduzione sessuata
Negli organismi superiori 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
PROFASE I
Si suddivide in 5 stadi:
leptotene, in cui il materiale genetico si condensa a formare strutture bastoncellari in forma di filamenti sottili,
allungati, non scissi longitudinalmente;
zigotene, durante il quale avviene la sinapsi dei cromosomi omologhi a formare una struttura denominata
tetrade. L'appaiamento dei cromosomi omologhi avviene grazie ad una struttura submicroscopica proteica, il
complesso sinaptinemale;
pachitene: precoce, in cui si completa l'appaiamento degli omologhi, avanzato, in cui i cromosomi si
accorciano, si inspessiscono e avviene il crossing-over, che però ancora non si nota;
diplotene: in questo stadio i cromosomi omologhi di ciascun bivalente cominciano a separarsi (desinapsi),
soprattutto a livello del centromero, per la progressiva scomparsa del complesso sinaptinemale. Tuttavia i due
cromatidi di ciascuna coppia di omologhi restano in contatto grazie a connessioni chiamate chiasmi, segni visibili
dell'avvenuto crossing-over;
diacinesi, nel corso del quale i cromosomi completano la loro condensazione e sono chiaramente visibili. Ormai
è ben formata la tetrade o bivalente e avviene la dissoluzione della membrana nucleare e del nucleolo.
Durante la profase I, inoltre, si sviluppa il fuso, costituito da due coppie di centrioli, situate ai poli opposti della
cellula, da cui fuoriescono fibre di microtubuli. Tali fibre agganciano i cromosomi mediante il cinetocore, una
piastra proteica situata a livello del centromero. La profase I può durare per giorni o anche più a lungo e occupa il
90% del tempo richiesto per quasi tutta la divisione meiotica.
PROFASE I
sinapsi: appaiamento dei cromosomi omologhi
crossing over: scambio di materiale genetico
chiasmi: siti dove è avvenuto il crossing over
dove i cromosomi omologhi rimangono uniti
Comparsa dei chiasmi nella profase 1 è la conseguenza visibile dell’avvenuto
crossing over
cromatidi
ricombinanti
cromatidi ricombinanti sono geneticamente diversi da quelli di origine
Schema relativo al crossing-over
Nella profase I si forma il complesso sinaptinemale o SINAPSI coinvolge 2
cromosomi omologhi che si appaiano
TETRADE (4 cromatidi appaiati)
Tramite crossing over si ottiene scambio di materiale genetico fra cromatidi
omologhi non fratelli → aumento variabilità genetica
CHIASMI sono i punti di attacco dei cromosomi dove si è già verificato il
crossing over
Nella Metafase I un solo cinetocore per cromosoma prende contatto con le
fibre del fuso
Nell’Anafase I si separano i cromosomi omologhi
Telofase I: si formano due cellule con corredo già aploide (n)
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!
MITOSI
costanza del materiale genetico
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
MEIOSI
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
Non-disgiunzione alla Meiosi porta ad ANEUPLOIDIA:
condizione anomala in cui uno o più cromosomi mancano o sono in eccesso
TRISOMIA DEL 21 o Sindrome di Down
Non disgiunzione dei
cromosomi sessuali
alla Meiosi
La sindrome di Klinefelter è causata dalla presenza di una o più copie extra del
cromosoma X nelle cellule di un maschio. Extra materiale genetico dal cromosoma
X maschile interferisce con lo sviluppo sessuale, impedendo i testicoli di funzionare
normalmente e riducendo i livelli di testosterone.
I maschi con la sindrome di Klinefelter hanno tipicamente una copia extra del
cromosoma X in ogni cellula, per un totale di due cromosomi X e un cromosoma Y
(47, XXY).
Triple X sindrome (chiamata anche 47, XXX o trisomia X):
Questa sindrome risultati di una copia extra del cromosoma X in ciascuna delle
cellule di una femmina. Femmine con trisomia X hanno tre cromosomi X, per un
totale di 47 cromosomi per cellula. Il QI medio delle donne con questa sindrome è
di 90, mentre il QI medio dei loro fratelli normale è di 100 loro statura in media è più
alto per le femmine normali. Sono fertili ei loro figli non ereditano la condizione.
Sindrome di Turner:
Ciò si traduce in cui ognuno di cellule della femmina ha un cromosoma X normale
ed il cromosoma sesso è mancante o alterata. Il materiale mancante genetico
influenzi lo sviluppo e provoca i tratti caratteristici della condizione, tra cui bassa
statura e sterilità.
Circa la metà degli individui con sindrome di Turner hanno monosomia X (45, X).
TECNOLOGIA DEL DNA
RICOMBINANTE
Ha reso possibile il CLONAGGIO dei GENI permettendo di
• ISOLARE
•
•
AMPLIFICARE
SEQUENZIARE
frammenti di DNA
Perché manipolare i geni?
1) Per facilitare lo studio dell’espressione genica e della regolazione
fisiologica;
2) per identificare il prodotto di un gene e/o per ottenerne la sovraespressione;
3) per studiare la relazione fra struttura e funzione delle proteine;
4) per identificare componenti cellulari che interagiscono con particolari
sequenze di acidi nucleici o con particolari domini proteici
CLONAGGIO-PROCEDURA
• ISOLAMENTO del gene
• INSERZIONE del gene in un VETTORE PLASMIDICO
• INTRODUZIONE del vettore plasmidico IN CELLULE VIVENTI
per propagarlo
Le fasi più delicate sono quelle del taglio e dell’unione di sequenze
di DNA in modo preciso….
…..tutto ciò si ottiene con l’ausilio di ENZIMI
CLONAZIONE GENICA
Batterio
1
Si isola un plasmide
3
Cromosoma Plasmide
batterico
DNA
ricombinante
(plasmide)
2
Si inserisce
un gene nel
plasmide
Si isola
il DNA
Gene prescelto
4
Batterio
ricombinante
5
DNA
Si introduce il plasmide nella
cellula prescelta
Si clona la cellula che possiede il
gene prescelto
Copie
di proteine
Copie
di geni
Il gene per la
resistenza
alle malattie
è inserito
nelle piante
2
Cellula contenente il
gene prescelto
Clone della
cellula
La proteina consente
alla neve
di formarsi anche a
temperature maggiori
Il gene modifica i batteri e li rende in La proteina viene usata per sciogliere
i coaguli nella terapia contro gli infarti
grado di eliminare i rifiuti tossici
Cosa serve per un clonaggio
Tappe caratteristiche:
VETTORI DI CLONAGGIO
Esistono diversi tipi di vettori di clonaggio, ciascuno con vantaggi e
svantaggi, ma tutti presentano alcune caratteristiche comuni:
•
•
•
•
•
sono generalmente di piccole dimensioni,
sono facilmente estraibili dalle cellule e quindi purificabili,
possiedono un cosiddetto marcatore selettivo, ossia una proprietà
che può essere utilizzata per selezionare i batteri che hanno
incorporato il vettore di clonaggio (es. gene resistenza antibiotici),
sono capaci di replicarsi autonomamente, ossia in modo
indipendente dalla replicazione del cromosoma della cellula ospite,
posseggono una zona in cui può essere inserito il DNA esogeno
(questa zona è detta polylinker).
VETTORI DI CLONAGGIO
I vettori di clonaggio più comunemente utilizzati per clonare geni sono i:
• Plasmidi
• Batteriofagi (virus che infettano cellule batteriche)
• Cosmidi (cosmidi sono degli elementi genetici che, pur
comportandosi come dei plasmidi, contengono sequenze di DNA
specifiche di un batteriofago che sono utili per alcuni esperimenti di
clonaggio)
• Cromosomi artificiali (vettori più specializzati e complessi, chiamati
che si comportano come dei veri e propri cromosomi (anche se sono
stati “costruiti” in laboratorio) o in cellule di E. coli (BAC = Bacterial
Artificial Chromosome) o in cellule di lievito (YAC = Yeast Artificial
Chromosome).
Cellule e organismi ricombinanti sono utilizzati
per ottenere prodotti genici su larga scala
• Le applicazioni della clonazione genica includono la
produzione di prodotti genici su larga scala per usi
medici e altri usi.
• I batteri si sono spesso dimostrati gli organismi
migliori per sintetizzare un prodotto proteico.
• Alcune volte è preferibile o necessario utilizzare le
cellule eucariotiche di lieviti e mammiferi.
La tecnologia del DNA sta cambiando l’industria
farmaceutica e la ricerca biomedica
• La tecnologia del DNA ha avuto un enorme impatto
sull’industria farmaceutica e sulla medicina umana.
• Le sue tecniche sono ampiamente utilizzate per
produrre farmaci e per la diagnosi delle malattie.
Terapie ormonali
•
L’insulina e l’ormone della crescita umani sono stati i primi prodotti
farmaceutici ottenuti con l’uso della tecnologia del DNA ricombinante.
•
Prima del 1982, le principali fonti di insulina erano i tessuti di suini e
bovini prelevati nelle macellerie.
Diagnosi e cura delle malattie
•
In campo medico la tecnologia del DNA sarà, probabilmente, sempre
più usata per diagnosticare le malattie.
• Oltre alla sua evidente importanza nell’identificazione degli alleli
associati alle malattie genetiche, si rivela infatti utile nel localizzare le
infezioni.
Vaccini
•
Grazie alla tecnologia del DNA i ricercatori sono in grado si sintetizzare
anche nuovi vaccini.
• Un vaccino è una variante o un derivato innocuo di un agente
patogeno (di solito un batterio o un virus) ed è utilizzato per prevenire
una malattia infettiva.
PCR
Per ottenere molte copie di una specifica sequenza di DNA
si utilizza comunemente la tecnica PCR
Quando il campione di DNA è
scarso o impuro, la reazione a
catena della polimerasi
(Polymerase Chain Reaction, o
PCR) è un metodo più
appropriato per ottenere un
grande quantitativo
di un particolare gene.
Molecola
iniziale
di DNA
1
2
4
8
Numero di molecole di DNA
