La riproduzione cellulare - Ciclo cellulare, mitosi e meiosi
Henrietta Lacks e le cellule HeLa
Henrietta Lacks morì nel 1951 per un tumore
al collo dell’utero. Nella vita Henrietta non
uscì mai dal Maryland e dalla Virginia, ma le
sue cellule sono ancora oggi utilizzate in tutto
il mondo e sono state addirittura spedite nello
spazio.
George e Margaret Gey del John Hopkins
Hospital di Baltimora, Maryland, isolarono
cellule da una biopsia del tumore di
Henrietta e si accorsero che queste cellule,
una volta messe in coltura, crescevano molto
più velocemente di qualsiasi altra cellula
avessero mai visto. Pochi mesi dopo
Henrietta morì e lo stesso giorno George Gey
annunciò in televisione della fantastica
scoperta delle cellule HeLa (in onore di
Henrietta), che avrebbe potuto portare un
giorno a scoprire la cura per debellare il
cancro.
Capire il ciclo di divisione cellulare e il suo controllo è importante per capire il cancro, ma la
divisione cellulare è alla base della crescita, della riproduzione e dello sviluppo di ogni organismo
Gli eventi che devono susseguirsi perché una cellula si divida
- Presenza di un segnale riproduttivo (originato all’interno o all’esterno della cellula)
- La replicazione del DNA (… per fare in modo che le nuove cellule abbiano un corredo
genetico completo)
- La segregazione
(distribuzione ordinata del DNA alle due cellule figlie)
- La citodieresi (la separazione delle due cellule figlie)
I procarioti si dividono per scissione binaria
La cellula eucariotica si divide per mitosi o meiosi
Le cellule figlie sono identiche alla
cellula genitrice, sia per la quantità
sia per il tipo di DNA.
Tipica delle cellule somatiche
Le cellule figlie non sono uguali
ai progenitori; in quanto la
quantità di materiale genetico è
dimezzata ed è diverso.
Produce quindi diversità
genetica
Tipica delle cellule germinative
implicate nella riproduzione
sessuale
Alcune cellule si dividono molto rapidamente e in continuazione (es. sviluppo durante i primi stadi
embrionali)
Altre cellule non si dividono affatto (es. neuroni del cervello)
I segnali per la divisione sono controllati!
Il ciclo cellulare
Periodo compreso tra una divisione
cellulare la successiva
Suddiviso in mitosi/citodieresi e
interfase
L’interfase ha 3 sottofasi
G1 – ogni cromosoma è una singola
molecola di DNA (differenze di
lunghezza di G1 sono responsabili
della diversa lunghezza dei cicli
cellulari). Cellule che non si dividono
possono entrare in una fase di
quiescenza (G0)
S – avviene la replicazione del DNA.
Ogni cromosoma viene duplicato e
risulta ora formato da 2 cromatidi
fratelli
G2 – la cellula sintetizza le strutture
necessarie per la mitosi
La regolazione del ciclo cellulare
L’avanzamento del ciclo cellulare dipende dall’attività di proteine
chinasi ciclina-dipendenti (Cdk)
Le Cdk sono attivate dal
legame con le cicline
La prima Cdk fu individuata nell’uovo
di riccio di mare (maturation
promoting factor – MPF).
Coinvolta nel passaggio tra G1 e S
Punto di restrizione (R)
Le successioni delle fasi
del ciclo cellulare sono
finemente regolate
I differenti complessi ciclina-Cdk
funzionano come punti di controllo del
ciclo cellulare (checkpoint)
Ci sono 3 punti di controllo in interfase e
1 in mitosi (G1-Cdk; S-CdK; G2-M-Cdk; M-Ckd)
Diversi complessi
ciclina-Cdk
regolano la
progressione del
ciclo
Le cicline sono
transitorie nel
ciclo cellulare
Prima della mitosi il DNA viene impacchettato in cromosomi estremamente compatti
I cromosomi sono i portatori dell’informazione
genetica negli eucarioti
Composti da cromatina (DNA e proteine
associate)
Cromatina sotto forma di lunghi e sottili
filamenti parzialmente srotolati: aspetto
granulare al microscopio
Al momento della divisione cellulare cromatina
si condensa e i cromosomi diventano visibili
I nucleosomi
Organizzazione di un cromosoma eucariotico in mitosi.
Il nucleosoma, formato da DNA e istoni, è la struttura fondamentale
Cromosomi mitotici al SEM
Durante l’interfase il DNA la cromatina che forma ogni cromosoma è meno
impacchettata e consiste di una singola molecola di DNA.
In questa fase il DNA è accessibile alle proteine per la sua replicazione e
trascrizione
Durante la fase S, il DNA si duplica, ed ogni cromosoma risulta ora così costituito
da 2 molecole di DNA (cromatidi fratelli)
Quando si forma il cromosoma mitotico, molto compatto, il DNA non è più
accessibile a fattori di replicazione e trascrizione
La mitosi
Cromosomi e microtubuli
Profase
Anafase
Prometafase
Telofase
Metafase
Citodieresi
Movimento dei cromosomi durante
l’anafase
Proteine motrici associate al complesso del
cinetocore consentono lo spostamento del
cromosoma in direzione della terminazione
– del microtubulo; contemporaneamente.
Azione è accoppiata a disassemblaggio di
subunità di tubulina con conseguente
accorciamento dei microtubuli del
cinetocore
La citodieresi è la divisione del citoplasma
Cellula animale
Cellula vegetale
Il sommario del ciclo cellulare
La divisione non regolata è alla base del cancro
Perché le cellule HeLa si riproducono così bene in laboratorio?
In tessuti normali il tasso di divisione cellulare è compensato dal
tasso di morte cellulare. Le cellule HeLa continuano a crescere
perché hanno uno sbilanciamento genetico che favorisce la
riproduzione cellulare rispetto alla morte. Henrietta fu infettata dal
papilloma virus umano, che ha favorito la divisione delle cellule della
cervice uterina. Inoltre in queste cellule è over-espresso il gene di
un enzima chiamato telomerasi che mantiene il DNA intatto,
prevenendo la morte cellulare. Questa combinazione determina lo
straordinario tasso di crescita delle cellule HeLa.
La meiosi
… è una divisione cellulare che riduce (dimezza) il numero di cromosomi
Le cellule somatiche dell’uomo hanno 46 cromosomi, costituiti da 23 coppie di omologhi
(uno di origine paterna, l’altro materna) – corredo cromosomico diplode (2n)
I cromosomi omologhi contengono l’informazione per gli stessi caratteri, ma
l’informazione non è necessariamente identica
Per garantire il successo della riproduzione sessuata (fusione di gameti maschile e
femminile), ogni gamete deve avere un corredo cromosomico aploide (n), e ristabilire il
corredo 2n nello zigote
Il cariotipo umano. 23 coppie di cromosomi (2n)
Appaiamento dei cromosomi omologhi e crossing-over
Nella profase I i cromosomi
omologhi sono uniti da un
complesso sinaptinemale
Una tetrade meiotica con due chiasmi
La meiosi in sintesi
La meiosi consiste di 2 divisioni nucleari
successive – meiosi I e meiosi II (senza
duplicazione del DNA tra una e l’altra).
Con la meiosi I si disgiungono i cromosomi
omologhi
Con la meiosi II si separano i cromatidi fratelli
Nel frattempo in meiosi I avviene il crossing
over con scambi di materiale genetico tra
cromatidi non-fratelli
Risultato: da 1 cellula 2n si ottengono 4
cellule n geneticamente differenti e uniche
La meiosi è alla base della riproduzione sessuata
Questo tipo di riproduzione è molto dispendiosa (richiede la produzione di gameti, la ricerca del partner,
il nutrimento dell’embrione), ma premia decisamente la discendenza che, avendo caratteri nuovi
avrà maggior probabilità di adattarsi ai cambiamenti dell’ambiente.
Ma da dove viene questa maggior variabilità dei caratteri?
Ormai la risposta dovrebbe essere semplice: « dalla meiosi», ed in particolare:
- dall’assortimento indipendente dei cromosomi omologhi (è il caso che decide quale degli
omologhi finisca in una cellula o nell’altra con la meiosi I)
- Il crossing over durante la profase I
Questi processi sono naturalmente anche alla base della variabilità individuale nella nostra specie
Gametogenesi
Cenni su fecondazione e sviluppo embrionale
La fecondazione consiste di 4 fasi:
- Lo spermatozoo prende contatto con l’uovo
- Lo spermatozoo (o soltanto il nucleo) penetra all’interno dell’uovo
- L’uovo subisce un processo di attivazione – cambiamenti che danno inizio allo
sviluppo embrionale
- I nuclei (pronuclei) di uovo e spermatozoo si fondono
Zigote
Cellula totipotente
Le fasi dello sviluppo embrionale
- Segmentazione
Una serie di rapide mitosi senza periodi di crescita cellulare
- Gastrulazione
Processo embrionale che consiste di movimenti e differenziamento cellulari utili all’individuazione
dei foglietti (tessuti) embrionali: ectoderma, endoderma, mesoderma
- Organogenesi
Formazione dei vari tessuti e organi dai tre foglietti embrionali
Film segmentazione e gastrulazione
Lo sviluppo embrionale dell’uomo
Lo sviluppo embrionale dell’uomo nella terza e quarta settimana di gravidanza
Corrisponde alle fasi di gastrulazione, neurulazione e prime fasi di organogenesi
Dopo la gastrulazione (2a e 3a settimana di
gravidanza), inizia a formarsi la notocorda che
induce la formazione della placca neurale e
successivamente del tubo neurale.
Alla 5a sett. Si differenziano porzione
anteriore, media e posteriore dell’encefalo
Tutti gli organi (organogenesi) continuano a
svilupparsi durante il secondo mese di
gravidanza. Si sviluppano i muscoli e
l’embrione acquista capacità di movimento e
l’encefalo inizia a mandare impulsi semplici.
Dopo i primi 2 mesi di gravidanza l’embrione
viene definito feto.
Embrione
umano alla 6a
settimana di
gravidanza
Alla fine del I trimestre il feto misura ca 5,6 cm,
pesa 14 g e mostra le tipiche sembianze umane.
