Ciclo cellulare mitosi e meiosi 1 Divisione cellulare

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 (G 1 + S + G 2): 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 Cromatidi fratelli double strand 6

Corredo cromosomico Cellula somatica: 2 corredi cromosomici (2 n) 2 omologhi Cromatidi fratelli Cr 1 Cr 2 Cr 3 Cromosomi Cr 4 omologhi Cr 5 Cr 6 … Es. : nell’uomo 23 coppie di omologhi, uno di derivazione materna, 7 l’altro paterna

Cr 1 Cr 2 materno paterno 4 cromosomi monocromatidici Fase S 4 cromosomi dicromatidici profase Condensazione dei cromosomi Formazione del fuso di microtubuli Interfase profase 8

profase prometafase Scomparsa membrana nucleare Le fibre del fuso si attaccano a strutture proteiche (cinetocori) dei cromosomi 9

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 (proteine che legano il centromero) assicurano la corretta ripartizione dei cromosomi nelle due cellule figlie I due cromatidi fratelli adesriscono ai microtubuli provenienti dai due poli opposti del fuso 11

profase metafase anafase Separazione dei cromatidi fratelli 12

Segregazione dei cromosoma microtubuli cromosomi 13

profase metafase anafase telofase Decondensazione dei cromosomi Ricompare la membrana nucleare 14

profase metafase anafase telofase citodieresi 15

Interfase Profase Anafase Metafase Telofase 16

Cellule non sincronizzate citocinesi metafase anafase Cellule umane He. La (carcinoma cervice uterina) in coltura. La maggior parte delle cellule sono in interfase. I microtubuli sono in 17 giallo, il DNA in rosa.

He. La 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 trasmesse in vitro senza morire. 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

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Ciclo cellulare checkpoints G 2 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? G 1 checkpoint: dimensioni cellulari, presenza di nutrienti/ eventualmente quiescenza G 0 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

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 Schema ciclo cellulare c. perenni c. stabili quiescenza 22

Cellule staminali Cellule non specializzate che possono subire diversi cicli di replicazione e rinnovarsi periodi di tempo molto lunghi mantenendosi indifferenziate… …possono essere indotte a differenziare dando origine a cellule specializzate (neuroni, cardiomiociti, cellule pancreatiche producono insulina…) 23

Potenzialità differenziativa delle cellule staminali Totipotenti: possono dare origine a qualunque cellula dell’organismo Multipotenti: possono dare origine a più tipi cellulari Unipotenti: danno origine a un solo tipo cellulare Cellule satelliti del muscolo Cellule staminali ematopoietiche 24

Cellule staminali embrionali ¯da blastocisti 4 -5 giorni (c. a. 30 cellule) ¯danno origine a tutti i tipi cellulari dell’individuo (totipotenti) Ma anche nel liquido amniotico sono reperibili cellule staminali pluripotenti e nel cordone ombelicale c. staminali ematopoietiche 25

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) 26

Cellule staminali del midollo osseo (ematopoietiche) Molte cellule del sangue hanno vita breve e devono essere ripristinate continuamente. L’essere umano necessita approssimativamente 1011 nuove cellule ematopoietiche al giorno 27

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 riparare il danno tissutale 28

Plasticità Tipicamente generano tipi cellulari corrispondenti ai tessuti da cui provengono (cellule staminali muscolo: cellule muscolari) ma possono generare tipi cellulari diversi dai tessuti da cui provengono (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 in cardiomiociti, cellule neuronali, cellule germinali maschili… 29

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) 32

Riproduzione asessuata eucarioti Scissione, Frammentazione Partenogenesi: sviluppo dell’uovo non fecondato 33

Riproduzione asessuata per GEMMAZIONE in Hydra (Cnidari) L’idra è anche in grado di riprodursi sessualmente come evidenziato dalla presenza di un uovo. 34

Vantaggi riproduzione asessuata *Non è necessaria la ricerca di un partner compatibile *Garantisce una velocità di espansione della popolazione molto maggiore di quella sessuata 35

Specie ipotetica in cui ciascuna femmina dà origine a 4 figli Generazione n° individui riprod. sessuata I 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 37

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 Gli individui neoformati non sono mai identici ai genitori: ricombinazione (crossing over) e riassortimento indipendente dei cromosomi creano VARIABILITA’ GENETICA 2 n n 2 n 38

Corredo cromosomico Cellula somatica: 2 corredi cromosomici (2 n) 2 omologhi Gameti: 1 corredo cromosomico (n) 1 omologo per coppia Cr 1 Cr 2 Cr 3 Cr 4 Cr 5 Cr 6 … Es. : nell’uomo 23 coppie di omologhi, uno di derivazione materna, 39 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 40

I° DIVISIONE MEIOTICA (riduzionale) materno n paterno 2 n condensazione cromosomi crossing over Segregazione indipendente omologhi 41

II° DIVISIONE MEIOTICA (equazionale) Si parte da una cellula 2 n con cromosomi dicromatidici per arrivare a 4 cellule n con cromosomi monocromatidici 42

Crossing over (ricombinazione) scambio di tratti di DNA (processo di rottura e saldatura) tra i cromatidi non fratelli di due omologhi Gameti parentali Gameti ricombinanti Nella specie umana avvengono in media 1 -3 c. o. / coppia di omologhi

Effetto del crossing over ¯ La sequenza dei geni rimane invariata, quello che cambia è la “combinazione” degli alleli di loci diversi lungo il cromosoma ¯ 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 44

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 45

Adattarsi all’ambiente senza ricorrere alla riproduzione sessuata I rotiferi bdelloidei si riproducono per via partenogenetica da 80 milioni di anni. 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 46

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 Solo nelle cellule germinali nelle germinali Una sola replicazione del DNA seguita da una singola divisione seguita da due divisioni cellulare cellulari Cellule figlie (2 n) identiche tra Quattro cellule figlie (n) tutte loro e alla cellula parentale geneticamente diverse Funzione di accrescimento, ricambio cellulare e riproduzione asessuata Funzione di riproduzione sessuata 48

Gametogenesi ♂ (Cellule germinali) Normalmente degenerano 49

Spermatogenesi processo che inizia con la pubertà. L’intero percorso di maturazione da spermatogonio a spermatozoo dura 65 -75 gg 50

Caratteristiche della spermatogenesi Processo continuo, che parte dalla pubertà e continua per il resto della vita Vengono prodotti miliardi di spermatozoi nel corso della vita Da ogni spermatocita primario si ottengono 4 spermatozoi 51

Gametogenesi ♀ (Cellule germinali) mitosi (Cellule germinali) Normalmente degenerano 52

Ovogenesi Tutti gli oogoni differenziano in oociti I. Nei primi mesi di vita fetale tutti gli oociti I iniziano la meiosi Blocco 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 53

Caratteristiche dell’ovogenesi Processo DISCONTINUO in cui la produzione dei gameti avviene ciclicamente e si interrompe con il sopraggiungere della menopausa - Da ogni oocita primario si ottiene una sola cellula uovo matura - 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 Oocita bloccato in profase I I due omologhi non vengono separati correttamente alla meiosi I

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 56

Rischio sindrome di Down Età materna al parto in Rischio anni 25 1/1376 30 1/960 35 1/424 40 1/126 45 1/31 46 1/24 47 1/17 48 1/16 49 1/9, 5 57

Gametogenesi ♂ e ♀ a confronto Si moltiplicano per tutta la vita Si moltiplicano solo fino ai primi mesi di vita fetale Dalla pubertà Scoppio follicolo Profase I Una sola cellula uovo matura 58