Lezione 4 Ciclo cellulare mitosi e meiosi 1

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Lezione 4 Ciclo cellulare, mitosi e meiosi 1

Lezione 4 Ciclo cellulare, mitosi e meiosi 1

Divisione cellulare * Quando le cellule raggiungono determinate dimensioni devono arrestare l’accrescimento o dividersi

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

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

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): *

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);

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 (2 n) Cromatidi 2 omologhi Cr 1

Corredo cromosomico Cellula somatica: 2 corredi cromosomici (2 n) Cromatidi 2 omologhi 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 fase S Cr 2 materno paterno 4 cromosomi monocromatidici 4 cromosomi dicromatidici

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

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

prometafase Scomparsa membrana nucleare Le fibre del fuso si attaccano a strutture proteiche (cinetocori) che sono legate al centromero 9

metafase I cromosomi si allineano lungo il piano equatoriale della cellula I cinetocori dei

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

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

anafase Separazione dei cromatidi fratelli 12

anafase Separazione dei cromatidi fratelli 12

Segregazione dei cromosoma microtubuli 13 microtubuli cromosomi

Segregazione dei cromosoma microtubuli 13 microtubuli cromosomi

telofase Decondensazione dei cromosomi Ricompare la membrana nucleare 14

telofase Decondensazione dei cromosomi Ricompare la membrana nucleare 14

profase metafase anafase telofase citodieresi 15

profase metafase anafase telofase citodieresi 15

Interfase Anafase Profase 16 Metafase Telofase

Interfase Anafase Profase 16 Metafase Telofase

Cellule umane He. La in coltura metafase anafase interfase citocinesi Cellule He. La: carcinoma

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

He. La Henrietta Lacks (1 agosto 1920 - 4 ottobre 1951) Durante una biopsia

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 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 state 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?

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

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

* 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

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 1 Totipotenti: possono dare origine a qualunque cellula dell’organismo

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 24

Cellule staminali dell’adulto * Le cellule degli organismi pluricellulari nei diversi tessuti sono differenziate

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

Potenzialità differenziativa delle cellule staminali 2 Multipotenti: possono dare origine a più tipi cellulari Unipotenti: danno origine a un solo tipo cellulare Cellule staminali del midollo osseo Cellule satelliti del muscolo 26

Cellule staminali del midollo osseo Molte cellule del sangue hanno vita breve e devono

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

Cellule staminali del muscolo Cellula satellite Fibra muscolare In seguito a un danno alle

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 28 il danno tissutale

Cellule staminali applicazioni terapeutiche * BMT (trapianto di midollo osseo) terapia basata su cellule

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…) 29

Terapie cellulari basate sulle staminali (medicina rigenerativa) Tessuti dell’adulto Cordone ombelicale Blastocisti preimpianto Isolamento

Terapie cellulari basate sulle staminali (medicina rigenerativa) Tessuti dell’adulto Cordone ombelicale Blastocisti preimpianto Isolamento c. staminali ematopoietiche Espansione in vitro Differenziamento 30

Riproduzione asessuata Nei procarioti (obbligata) scissione binaria In alcuni eucarioti con modalità diverse: (gemmazione,

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) 31

Riproduzione asessuata eucarioti 1 Scissione, Frammentazione Partenogenesi: sviluppo dell’uovo non fecondato 32

Riproduzione asessuata eucarioti 1 Scissione, Frammentazione Partenogenesi: sviluppo dell’uovo non fecondato 32

Riproduzione asessuata eucarioti 2 Riproduzione asessuata per GEMMAZIONE in Hydra (Cnidari) L’idra è anche

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. 33

Vantaggi riproduzione asessuata *Non è necessaria la ricerca di un partner compatibile *Ogni individuo

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 della popolazione molto maggiore di quella sessuata 34

Tasso di crescita Specie ipotetica in cui ciascuna femmina dà origine a 4 figli

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 35 …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

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 36

Riproduzione Sessuata Riguarda la maggior parte degli eucarioti, richiede la partecipazione di due individui

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 37 2 n n 2 n

Corredo cromosomico Cellula somatica: 2 corredi cromosomici (2 n) 2 omologhi Gameti: 1 corredo

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. : in h. sapiens 23 coppie di omologhi, uno di derivazione materna, 38 l’altro paterna

Meiosi * Una sola duplicazione del DNA seguita da 2 successive divisioni cellulari *

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 39

I° Divisione meiotica (riduzionale) materno paterno Chr. 1 Chr. 2 2 n condensazione cromosomi

I° Divisione meiotica (riduzionale) materno paterno Chr. 1 Chr. 2 2 n condensazione cromosomi crossing over Segregazione indipendente omologhi 40 n

II° Divisione meiotica (equazionale) n Si parte da una cellula 2 n con cromosomi

II° Divisione meiotica (equazionale) n Si parte da una cellula 2 n con cromosomi dicromatidici per arrivare a 4 cellule n con 41 cromosomi monocromatidici n

Crossing over (ricombinazione) scambio di tratti di DNA (processo di rottura e saldatura) tra

Crossing over (ricombinazione) scambio di tratti di DNA (processo di rottura e saldatura) tra i cromatidi non fratelli di due cromosomi omologhi Gameti parentali Geni: A/B Alleli: A, a, B, b Gameti ricombinanti 42 Nella specie umana avvengono in media 1 -3 c. o. / coppia di omologhi

Crossing over (ricombinazione) 43

Crossing over (ricombinazione) 43

Effetto del crossing over * La sequenza dei geni lungo il cromosoma rimane invariata

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 44

Assortimento indipendente Per 2 coppie di omologhi = 22 possibili combinazioni Nell’uomo 23 coppie

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 45 crossing over generano infinita variabilità nei gameti

Mitosi e meiosi a confronto * Appaiamento dei cr. omologhi solo in meiosi *

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 cellule identiche, meiosi 4 cellule diverse 46

Confronto tra mitosi e meiosi Mitosi Meiosi Sia nelle cellule somatiche nelle germinali Solo

Confronto tra mitosi e meiosi Mitosi Meiosi Sia nelle cellule somatiche 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 (2 n) 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 47

Gametogenesi ♂ (Cellule germinali) Normalmente degenerano 48

Gametogenesi ♂ (Cellule germinali) Normalmente degenerano 48

Spermatogenesi spermatogonio Processo che inizia con la pubertà. Spermatocita primario L’intero percorso di maturazione

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 49

Caratteristiche della spermatogenesi Processo continuo, che parte dalla pubertà e continua per il resto

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 50

Gametogenesi ♀ mitosi (Cellule germinali) Normalmente degenerano 51

Gametogenesi ♀ mitosi (Cellule germinali) Normalmente degenerano 51

Ovogenesi Prima della nascita Tutti gli oogoni differenziano in oociti I. Nei primi mesi

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 52

Caratteristiche dell’ovogenesi Processo DISCONTINUO in cui la produzione dei gameti avviene ciclicamente e si

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 ♀ 53

Non disgiunzione meiotica e aneuploidie omologhi Oocita bloccato in profase I I due omologhi

Non disgiunzione meiotica e aneuploidie omologhi Oocita bloccato in profase I I due omologhi non vengono separati correttamente alla meiosi I 54

Il rischio di avere un figlio affetto da s. di Down (trisomia 21) o

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 55

Errori nella gametogenesi maschile * Nel maschio gli spermatogoni vanno incontro a mitosi per

Errori nella gametogenesi maschile * Nel maschio gli spermatogoni vanno incontro a mitosi per tutta la vita. Ad ogni replicazione cellulare c’è il rischio che avvenga una mutazione e se questa non viene riparata rimane fissata negli spermatozoi derivati da quello spermatogonio. * All’aumentare dell’età paterna aumenta la probabilità di mutazioni puntiformi nei figli imputabili a errori nella replicazione del DNA e mancata correzione degli stessi da parte dei sistemi cellulari

Gametogenesi ♂ e ♀ a confronto Si moltiplicano per tutta la vita Si moltiplicano

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 57