Mitosi ciclo cellulare e sua regolazione Le cellule

Mitosi, ciclo cellulare e sua regolazione

Le cellule possono essere classificate in base alla loro capacità di crescere e di dividersi: • Cellule che hanno perso la capacità di dividersi (cellule neuronali, globuli rossi) • Cellule che normalmente non si dividono ma che possono essere indotte a dividersi (cellule epatiche) • Cellule che continuano a dividersi (oogoni, spermatogoni, cell. epiteliali, cell. staminali) • La durata del ciclo cellulare è variabile da 30 minuti a diversi mesi

Le fasi del ciclo cellulare

CONSIDERAZIONI GENERALI SUL CICLO CELLULARE • Di solito viene studiato su culture di cellule sincrone • La mitosi dura in genere da 1 a 2 ore • La fase di sintesi del DNA (S) in genere non dura mai meno di 4 ore • La variazione totale della durata del ciclo cellulare dipende dalla durata variabile della fase G 1

Durata delle fasi del ciclo cellulare in un eucariote superiore

PRIMA DI ENTRARE IN MITOSI LA CELLULA SI ASSICURA DI • AVERE UN DNA INTEGRO • AVER RAGGIUNTO UN PRECISO RAPPORTO NUCLEO/CITOPLASMA (accrescimento) • (PER GLI ORGANISMI PLURICELLULARI) CHE L’ORGANISMO NECESSITI DI QUELLA DATA MITOSI (fattori di crescita e altri stimoli mitotici) LE FASI DEL CICLO CELLULARE SI SUSSEGUONO ORDINATAMENTE IN MODO DA ASSICURARE CHE • IL CICLO CELLULARE PROSEGUA IN UNA SOLA DIREZIONE (cioè non torni indietro) • OGNI FASE SIA STATA COMPLETATA PRIMA CHE LA SUCCESSIVA ABBIA INIZIO • NON SI SIANO CREATE SITUAZIONI DI DANNO AL DNA • I CROMOSOMI SIANO RIPARTITI NEL MODO GIUSTO TRA LE CELLULE FIGLIE

Ciclo cellulare • La decisione di arrestare o di procedere nel ciclo è controllato da due classi di proteine – Protein kinasi – fosforila selettivamente le proteine bersaglio coinvolte nella regolazione del ciclo cellulare (CDKs) – Cicline- controllano la progressione attraverso il ciclo cellulare

Protein chinasi attivate ciclicamente • Fosforilazione attiva o inattiva proteine chiave per l’inizio o la regolazione della replicazione del DNA, della mitosi e della citocinesi • Protein-chinasi controllano la fosforilazione, Fosfatasi controllano la defosforilazione • Protein-chinasi sono presenti in tutte le fasi del ciclo cellulare ma sono solo attivate in determinate fasi • Cicline si legano alle chinasi (protein chinasi ciclinadipendenti) e le attivano • La concentrazione di cicline varia durante il ciclo cellulare

Controllo del ciclo cellulare Attivazione dell’anafase e della citocinesi Uscita da M Entrata in M G 2 Attivazione dell’apparato mitotico Formazione del fuso mitotico Completa divisione cellulare M G 1 Replicazione del DNA S Entrata in S Attivazione dei meccanismi di replicazione del DNA

• Il DNA è tutto duplicato? G 2 checkpoint • La cellula è grande abbastanza? Entrata in M G 2 S M G 1 checkpoint • La cellula è grande abbastanza? • L’ambiente è favorevole? Entrata • Il DNA è dannegiato? in S Due checkpoint nel ciclo cellulare

Cicline e Chinasi Ciclino-dipendenti (Cdk)

• I checkpoint assicurano che la cellula sia competente sia in grado cioè di passare allo stadio successivo del ciclo cellulare • Il meccanismo molecolare alla base dei checkpoint non è chiaro • Le proteine inibitorie di Cdk in G 1 sono attivate dal danno del DNA • Lo stop delle cellule in G 1 permette alla cellula di riparare il DNA prima della replicazione • Il blocco del ciclo cellulare rappresenta un meccanismo di protezione per la cellula

Meccanismi di blocco del ciclo cellulare • Produzione di proteine che inibiscono l’attività chinasica del complesso Cdk-ciclina • Blocco del meccanismo di replicazione del DNA • Fattori di trascrizione che inibiscono l’attività di geni fondamentali nel ciclo cellulare Mutazioni a carico di questi geni danno origine ad anomalie del ciclo cellulare -> Tumori

Gli Inibitori delle Cdk: p 16, p 18, p 21, ecc.

p. RB tiene “bloccata” la fase S del ciclo

P 53: il Guardiano del genoma • p 53 è un potente fattore di trascrizione. . • p 53 regola l’espressione di oltre 300 geni. • p 53 è una proteina nucleare di 55 k. Da

p 53: il Guardiano del Genoma Espleta le sua funzione in tre diversi modi: a) Innesca meccanismi che inducono una pausa tra una fase e l’altra del ciclo cellulare; b) Avviaprocessi di riparazione del DNA; c) Avvia processi di apoptosi. Nelle cellule tumorali p 53 può risultare: a. Perduto per delezione genica; b. Alterato da mutazioni inattivanti; c. Permanentamente repressi da meccanismi epigenetici (ipermetilazione) In caso di delezione o ipermetilazione la proteina p 53 non viene espressa nelle cellule tumorali; mentre nel caso di una mutazione, è presente ma incapace di svolgere la sua funzione fisiologica perché strutturalmente alterata. In cellule normali non sottoposte a stress p 53 è una proteina altamente instabile che in genere viene degradata per proteolisi subito dopo la sua stessa sintesi. Ha una emivita di circa 20 minuti. Allo stato stazionario la concentrazione di p 53 in queste cellule è molto bassa.

DANNO AL DNA I OS NECR p 53 blocco in G 1 p 53; MAPK; CKII; TNF; APO; ……. . p 21 Geni bersaglio p 53 +/- CORREZIONE CLONI MALIGNI Bax/Bcl-2/Bcl-2 Caspasi APOPTOSI DNA

Displasia (epitelio) • proliferazione non neoplastica • perdita di uniformità (variazione di forma e dimensioni) • mitosi • anaplasia = perdita di differenziazione

Neoplasia = nuova crescita • massa abnorme di tessuto la cui crescita non è coordinata con quella dei tessuti normali e persiste dopo la cessazione dello stimolo • all’origine di ogni neoplasia è la mancanza di risposta al normale controllo della crescita

Fattori di crescita Molecole proteiche stimolano la divisione e la crescita cellulare Agiscono attraverso l’interazione con recettori della membrana plasmatica, quindi agiscono solo su cellule bersaglio

I fattori di crescita possono indurre le cellule quiescenti (G 0) a dividersi

MITOSI Processo di divisione nucleare in cui i cromosomi duplicati vengono separati gli uni dagli altri fedelmente per dare origine a due nuclei ognuno con una copia di ciascun cromosoma La mitosi è un divisione equazionale Le due cellule figlie generate sono geneticamente uguali fra di loro e geneticamente uguali alla cellula madre Durante la mitosi la maggior parte delle attività metaboliche sono ridotte, le cellule non rispondono agli stimoli esterni La mitosi è in genere associata alla citocinesi = processo che comporta la divisione del citoplasma in due parti più o meno uguali

La dinamica del DNA nel corso della mitosi

Schema delle fasi della mitosi

Immagine al microscopio ottico di cellule vegetali in interfase o a diversi stadi della mitosi

Fasi della mitosi: profase, metafase, anafase, telofase A B C D

Il fuso mitotico in una cellula vegetale in anafase

LA MITOSI E’ SUDDIVISA IN 5 FASI

interfase • Si duplica il DNA e i cromosomi vengono ad essere così costituiti da 2 cromatidi identici, uniti a livello del centromero • Con la duplicazione del DNA devono anche essere sintetizzate molecole di istoni in quantità opportuna • Si duplicano i centrioli, che restano vicini tra loro a livello del centrosoma

La formazione dei cromosomi inizia in interfase (fase S) con la duplicazione

profase • Il DNA si condensa e i cromosomi divengono visibili come tali (la condensazione del DNA richiede la fosforilazione di istoni e di altre molecole, tra cui la condensina) • Si forma il cinetocore a livello dei centromeri • Le proteine della lamina vengono fosforilate e si depolimerizzano; anche molte proteine del poro si fosforilano e il poro si disaggrega: in tal modo l’involucro nucleare può essere allontanato ad opera dei microtubuli; inoltre si perde la connessione DNA-lamine • I microtubuli si riorganizzano e contribuiscono a disaggregare l’involucro nucleare (fosforilazione di MAP) • I centrioli iniziano ad allontanarsi verso i poli • Il citoscheletro di actina si riorganizza (fosforilazione della miosina e di altre proteine associate all’actina)

Profase: la condensazione del DNA il ruolo della condensina

Profase: la condensazione del DNA il ruolo della fosforilazione degli istoni La fosforilazione degli istoni nelle varie fasi del ciclo cellulare Istone H 3 normale Istone H 3 overespresso Istone H 3 mutante che non viene fosforilato

La lamina nucleare

La duplicazione dei centrosomi

prometafase • I microtubuli si legano al cinetocore da entrambi i lati del centromero • I microtubuli posizionano i cromosomi in piastra equatoriale • Si organizza il fuso mitotico nelle sue tre componenti principali: fibre cromosomiche, fibre polari, fibre dell’aster, con le relative proteine-motore

metafase • I cromosomi si allineano sul piano equatoriale • Controllo del perfetto allineamento e attivazione del complesso che promuove l’anafase

La struttura del cinetocore

Le proteine associate al cinetocore La fluorescenza evidenzia due delle proteine più abbondanti del cinetocore, CENP-A e CENP-B

La struttura del cinetocore del lievito

La dinamica dei microtubuli in mitosi

anafase • La coesina localizzata ai centromeri si disaggrega, consentendo la separazione dei due cromatidi fratelli • I microtubuli cromosomici si accorciano all’estremità (+), “tirando” i cromosomi verso i poli (motori di dineina) • I microtubuli polari si respingono nella zona di sovrapposizione (motori di kinesina) e si allungano, determinando un allungamento dell’intera cellula • I microtubuli dell’aster trattengono l’aster vicino alla membrana, ancorandolo (altre proteine motore) • Per effetto di queste azioni, la cellula si allunga mentre i cromosomi si allontanano verso i poli