Il documento tratta il ciclo cellulare completo: proliferazione e morte cellulare., Dispense di Biologia

Scarica Il documento tratta il ciclo cellulare completo: proliferazione e morte cellulare. e più Dispense in PDF di Biologia solo su Docsity! Gli organismi pluricellulari complessi sono formati da miliardi di cellule che svolgono funzioni differenti, come difendere l’organismo da agenti patogeni, assorbire i nutrienti, sviluppare i nostri pensieri e così via. Tutte le cellule si sviluppano a partire da un’unica cellula, lo zigote o cellula uovo fecondata. Per far si che si sviluppi un organismo completo è necessario che lo zigote cresca e si divida per dare origine a più cellule (ciclo cellulare) e che queste ultime acquisiscano delle proprietà peculiari, così da andare a costituire i tessuti (differenziamento cellulare). Gli organismi unicellulari, come i procarioti, si dividono per scissione binaria. La cellula dapprima aumenta di dimensioni, replica il proprio dna e successivamente si formerà una strozzatura nella zona equatoriale della cellula che si accentuerà fino a dare origine a due cellule figlie, esattamente identiche alla cellula madre. Nei batteri la divisione cellulare è un processo piuttosto rapido, di circa 30 minuti, che corrisponde alla riproduzione dell’intero organismo. Negli eucarioti la divisione cellulare è più complessa e può essere di due tipi: • mitosi, cui vano incontro le cellule della linea somatica e le cellule della linea germinale non differenziate (ovogoni e spermatogoni) • meiosi, cui vanno incontro le cellule della linea germinale che hanno iniziato lo specifico percorso differenziativo (ovociti I e spermatociti I) Sia le cellule della linea somatica sia le cellule della linea germinale vanno incontro, prima della divisione cellulare, a una serie ordinata di eventi che si ripetono con la medesima sequenza. la serie ordinata di eventi che permette alle cellule di riprodursi è detto ciclo cellulare mentre Il periodo che separa una divisione cellulare dalla successiva è detto Interfase, suddiviso in fase G1, fase S, fase G2. Fase G1 Durante questa fase la cellula riceve i segnali che riceve dall’ambiente esterno e “decide” se replicare il proprio dna, decidendo dunque quali organelli sviluppare. Dal momento stesso che questa decisione viene presa in G1, non è più possibile evitare la divisione cellulare. Se la cellula prolunga la durata della fase G1, perché non sono presenti i necessari segnali per far partire la proliferazione, si dice che è uscita dal ciclo cellulare e che è entrata in una nuova fase (fase G0). Entrano in questa fase tutte quelle cellule altamente specializzate a cui non è richiesta un’ulteriore crescita. Se invece i tessuti sono sottoposti a continuo rinnovo, come quello epiteliale, alle cellule viene richiesta una continua divisione. Queste sono le cosiddette cellule staminali, la cui mitosi genera due cellule figlie che hanno a disposizione due alternative: rimanere cellule staminali o differenziarsi per poi morire. Fase s Durante la fase S avviene la replicazione del dna. Fase G2 Nella fase G2 la cellula continua a sintetizzare RNA e proteine, specializzate per la divisione cellulare. Verso la fine, le coesine si occupano di condensare la cromatina in strutture distinguibili, i cromosomi. Il ciclo cellulare (CAP. 7) riproduzione e ciclo cellulare Cellule diploidi -> i neuroni è comunque attivo il metabolismo La divisione cellulare che interessa le cellule della linea somatica e le cellule della linea germinale non ancora specializzate è detta mitosi. Questo tipo di divisione cellulare assicura la corretta ed equa ripartizione dei cromosomi dalla cellula madre alle cellule figlie. A tal fine, durante la fase s del ciclo cellulare, il dna viene duplicato così che poi ciascun cromosoma sia costituito da due ‘cromosomi’ identici, detti cromatici fratelli, dapprima tenuti insieme dalle coesine e poi destinati a separarsi per andare a costituire il materiale genetico di ciascuna cellula figlia. Affinché la segregazione dei cromatidi fratelli avvenga in modo corretto è inoltre necessario il processo di compattazione del dna, che avviene tra la fase G2 e la profase della mitosi. Il dna infatti durante l’interfase si trova sotto forma di cromatina, ma le coesine e le condensine si occupano di fargli assumere una forma distinguibile, quella del cromosoma appunto. L’apparato cellulare che nello specifico si occupa di separare i cromatidi fratelli è chiamato fuso mitotico, e i microtubuli, una delle specifiche fibre proteiche che costituiscono l’impalcatura della cellula (il citoscheletro) svolgono un ruolo fondamentale nella sua formazione. La mitosi I microtubuli I microtubuli sono strutture cilindriche cave, con un diametro di 25 nm, Particolarmente rigide. sono costituiti da 13 protofilamenti che si assemblano parallelamente e Ciascun di essi è dato dall’allineamento di dimeri di tubulina, costituiti dall’unione di due proteine globulari (alpha e beta tubulina). Il microtubulo è caratterizzato da una polarità. Presenta infatti: • l’estremità (-), a crescita lenta, dove si trovano le alpha tubuline • L’estremità (+), a crescita veloce, dove si trovano le beta tubuline Tale differenza di accrescimento è dovuta alle diverse caratteristiche delle due subunità di tubulina. Infatti la beta tubulina si lega al GTP e non ne permette l’idrolisi spontanea, mentre l’alpha tubulina si. Il GTP va dunque incontro a idrolisi spontanea liberando un gruppo fosfato e diventando GDP. In questo stato la subunità beta sovrastante non è in grado di rimanere legata e per questo se ne distacca. Al contrario le beta tubuline sono sempre disponibili per l’aggiunta di nuovi dimeri di tubulina. Nell’estremità - vi dunque un equilibrio tra i dimeri rimossi e i dimori aggiunti, mentre nell’estremità positiva l’accrescimento è costante. Il centro di organizzazione dei microtubuli, indicato con la sigla MTOC, si chiama centrosoma, e si occupa dell’allungamento dei microtubuli, che procede dunque dal centrosoma (localizzato vicino al nucleo) verso la periferia della cellula. Così come il dna, vengono duplicati in fase s. Durante la fase G1 è presente solo il centrosoma, costituito da due centrioli disposti perpendicolarmente l’uno sull’altro, che sono strutture cave la cui parete è formata da nove triplette di microtubuli. Successivamente, tra la fase G1 e la fase S, i centrioli si separano disponendosi ad angolo retto, per fungere in fase S da stampo ai nuovi centrioli, che si disporranno perpendicolarmente a loro. In fase G2 si avranno quindi quattro centrioli e due centrosomi. E’ fondamentale sottolineare che il passaggio da una fase all’altra non è un evento automatico, ma la transizione è sottoposta a continue verifiche per essere sicuri che le procedure caratteristiche di ogni fase siano state eseguite. queste verifiche sono denominate checkpoint o punti di controllo, e si attivano in sequenza temporale ordinata. Una cellula in questi checkpoint può quindi bloccare il ciclo cellulare e decidere se andare avanti (non può andare indietro) oppure portare la cellula alla morte. • transizione G1 - S Tra G1 e fase S c’è un punto chiamato punto di restrizione. Perchè lo studio è stato fatto nei lieviti, inizialmente il punto di restrizione veniva chiamato start. E’ il punto in cui la cellula decide se andare in fase S o meno. Infatti controlla che il dNA sia integro, che vi siano i fattori di crescita e quindi gli elementi nutritivi idonei e che ci siano gli adeguati segnali extra-cellulari. • transizione G2–M a questo Punto la cellula controlla che il dNA non abbia subito danni o mutazioni. Controlla in generale che la duplicazione sia avvenuta correttamente, quindi una sola volta e tutto. • transizione metafase- citodieresi A questo punto viene verificata la corretta interazione del fuso mitotico con i diversi cromosomi e il corretto allineamento di questi ultimi nella zona equatoriale. Il controllo in particolare consiste nell’attivazione di enzimi responsabili della conduzione dei vari processi al momento giusto. Ad esempio vengono attivati gli enzimi responsabili dell’avvio del processo di duplicazione solo e soltanto in fase S, non in G1 o G2. Alla fine del processo l’attività di queste proteine viene disattivata. Lo studio del controllo cel ciclo cellulare fu portato avanti sia perché è fondamentale nel campo della biologia cellulare di ase, sia perché ha importanti implicazioni nella lotta contro il cancro, che è una malattia che deriva dall’incapacità di una cellula di regolare la propria divisione. Nel 1970 Potu Rao e Robert Johnson eseguirono una serie di esperimenti di fusione cellulare, che hanno contribuito a definire il meccanismo che controlla il ciclo cellulare. Fusero una cellula della linea HELA, chiamata così perché isolata da un cancro alla cervice uterina di Henrietta LAcks, in fase M con una cellula di ratto canguro PtK2 che si trovava prima fase G1, poi S, poi G2. I cromosomi delle cellule in fase G1 e G2 mostravano entrambi una condensazione prematura ma a differenza di quelli di un nucleo in G1, i cromosomi G2 erano chiaramente doppi, in quanto la replicazione era già avvenuta. Anche nella cellula in fase S si osservò un’acceleramento nel processo di condensazione della cromatina, ma il DnA, essendo così sensibile durante la replicazione, andò incontro a frammentazione, assumendo un aspetto polverizzato. I risultati di questi esperimenti suggerirono che il citoplasma di una cellula mitotica conteneva dei fattori stimolatori capaci di indurre la mitosi in una cellula non mitotica. Numerosi esperimenti effettuati su ovociti di rana hanno permesso di fare luce sulla natura biochimica di questi fattori che inducono la cellula ad entrare in mitosi. Da questi esperimenti si evinceva che era una proteina, chiamata fattore di promozione della maturazione MPf, la responsabile dell’entrata della cellula in fase M Regolazione del ciclo cellulare MPf è composto da due subunità: • Chinasi Subunità con attività catalitica chinasica, cioè responsabile del trasferimento dei gruppi fosfato dall’ATP a specifici residui di serina e treonina di specifiche proteine, che dipende dalla subunità regolativa. • ciclina Subuità regolativa, chiamata ciclina proprio per indicare che la concentrazione di questa proteina regolatrice non è mai costante. Le chinasi sono delle proteine ciclino-dipendenti e per questo quando la concentrazione di cicli e è bassa sono inattive. Viceversa, se la quantità di cicline è sufficiente le chinasi vengono attivate e portano la cellula ad entrare in fase M. Dunque la progressione delle fasi del ciclo cellulare dipende da un enzima la cui sola attività è quella di fosforilare altre proteine, e l’attività di questo enzima (chinasi) è controllata da una subunità la cui concentrazione varia da uno stadio del ciclo cellulare all’altro. Le chinasi ciclino dipendenti inoltre, per essere attivate completamente, devono essere a loro volta fosforilate. E’ stato poi appurato che le chinasi ciclino dipendendi non sono coinvolte solo nella fase M, ma regolano le attività durante tutto i ciclo cellulare. Nei mammiferi sono stati identificati numerosi complessi chinasi-ciclino dipendenti, per cui le diverse fasi del ciclo sono caratterizzate dall’attività di diverse cdk legate a diverse cicline. • Fase G1 I momenti iniziali della fase G1 sono controllati dai complessi formati dalle cicline D (D1,D2,D3) e dalle chinasi Cdk4 e Cdk6. La fase più tardiva e la transizione G1-S è invece controllata dal complesso formato dalla CDk2 e la ciclina E • Fase S Il transito attraverso la fase S è permesso dal complesso ciclina A e cdk2. • Fase M La mitosi è invece promossa dal complesso cdk1 e ciclina B Chinasi ciclino dipendenti Nel caso della transizione G2/M questo il complesso MPF comprende in particolare la ciclina B. quest’ultima incomincia ad accumularsi a partire dalla fase S ma il complesso non si attiva se non al momento della transizione. l’interazione tra chinasi e ciclina B rappresenta solo una pre-attivazione. Infatti affinchè MPF si attivi sono necessarie anche una serie di fosforilazioni e defosforilazioni ai suoi residui di treonina. >> in particolare un’altra chinasi attivatoria, la cak, interviene inserendo un fosfato attivatore nella CDK. Tuttavia il complesso non è ancora attivo perchè contemporaneamente un’altra chinasi, la WEE1, interviene con un’altra fosforilazione sulla cDK. Per attivare completamente la CDK deve intervenire una fosfatasi, la cdc25, che ha il compito di eliminare il fosfato inibitore. (Fine fase G2) La M-cDK una volta attivata, va ad attivare (fosforilandole) altre molecole di fosfatasi attivatrice (cdc25), il che provoca un aumento esponenziale della concentrazione di MCDk. Inoltre la M—CDL promuove: • Fosforilazione dell’ istone H1, al fine di facilitare la compattazione del dna • Fosforilazione del centrosoma, per attivare la formazione del fuso mitotico • Fosforilazione delle lamine nucleari, per ‘degradare’ l’involucro nucleare in vescicole. Ora i cromosomi possono entrare in contatto con i microtubuli • Fosforilazione delle proteine della matrice del golgi poiché tutti questi processi devono essere eseguiti prima che la cellula entri in anafase (perché Per la segregazione dei cromosomi è fondamentale che sia stata completata la compattazione del dna e la formazione del fuso mitotico) è determinante la precedente fosforilazione di numerose molecole di cdc25, che infatti è responsabile dell’ aumento della velocità dell’intero processo. Se invece ci sono stati errori durante la duplicazione del dna si assiste all’inattivazione della cdc25, di conseguenza la cellula rimane bloccata in G2. ES: radiazione gamma provoca un danno al doppio filamento. Viene attivato il complesso aTM, che viene fosforilato da una chinasi. Questa chinasi attiva disattiva cdc25, che viene portata fuori dal citoplasma. 2 Transizione G2-M ATM l' una chinasi , Attivata DA Tali rotture . ↳ tostorila la ChK2 , (CHECKPoint Chinasi 2) Che E' costituita da (D(25 . =D GRAZIE AllA FOSFORil . CDC25 Viene portato trori Dal nucleo e il Ciclo Cellulare si arresta . & N MPF - insenatura ~ Ciclina RiposizionamentoDi - ATP = parziale Spostamento 2 residui : Thu 14 e Tyr 15 -Proteine Bersaglio DEL T-LOOP x Ciclina I PRE-ATTIVAZIONE & = Si Attiva la CHINGSi I 1) complesso si Attiva = T-100p - Regione INIBITORia WEE 1 . grazie AllA FOSFATASi Cd2-25 . (treonina) Auto-inibitoria CAK -> fostorila la Thu = rimuove il fostato ingombro Sterico che si trova sul inibitore. T-10OD Più precisamente in condizioni standard la p53 è rilevabile nelle cellule in quantità molto basse, in seguito alla continua azione degradativa esercitata su di essa dal proteosoma, a cui viene indirizzata a causa del fatto che viene continuamente ubiquitinata dall’enzima E3 LiGasi Mdm2. Un danno al DNa, in particolare al doppio filamento, porta all’attivazione di ATM, che a sua volta attiva fosforilandole le CHK2, le checkpoint chinasi 2. Queste Fosforilano a loro volta componenti che controllano il ciclo cellulare, quali la cdc25 (la fosfatasi che ha il compito di attivare MPF) e la p53, a seconda che il danno a una cellula in fase G2 o a una in fase G1. Quando p53 viene fosforilata Mdm2 non interagisce più con essa e quindi si ha un blocco della poli-ubiquitinazione con conseguente rapido aumento dei livelli di p53. A questo punto la p53 esplica la sua azione come fattore di trascrizione legandosi ai promotori di alcuni geni essenziali per il controllo del ciclo , del riparo del DNA e dell’apoptosi. Le cellule possono quindi decidere se arrestare il ciclo cellulare e attivare la risposta del riparo al fine di eliminare le mutazioni o,alternativamente, nel caso in cui il numero di mutazioni sia talmente elevato da rischiare un riparo incompleto e quindi aumentare la possibilità di fissare le mutazioni nel genoma, avviare il processo di morte per apoptosi. Per arrestare il ciclo cellulare allo scopo di riparare il DNa la p53 regola la trascrizione del gene p21, che codifica per una proteina che interagisce con i complessi CDk2-ciclina legandosi ad essi ed inibendoli. Una volta trascritti i geni che codificano per i fattori necessari alla duplicazione del DNa, ha inizio la fase S. Per prima cosa devono essere riconosciuti i punti di origine di replicazione, nei quali si sviluppa il complesso pre replicativo. La sua formazione avviene in fase G1 e la sua attivazione è mediata da una chinasi. Più precisamente si tratta del complesso S-cdk, ovvero del complesso formato dalla cdk2 e la ciclina A, e risulta inattivo in fase G1 e attivo solo al momento della replicazione. Le s-cdk attivano le elicasi, che iniziano a idrolizzare i legami a idrogeno che tengono uniti i due filamenti . Transizione G1/S 1 I u SE la divisione cellulare rappresenta il processo biologico che produce le cellule necessarie, esiste un altro processo biologico, la morte cellulare programmata, che elimina le cellule in eccesso, malfunzionanti o non più necessarie. Entrambe intervengono dunque sull’omeostasi tissutale del nostro organismo. Esempi di Fenomeni causati dalla morte cellulare sono la regressione della ghiandola mammaria dopo l’allattamento o la formazione degli spazi interdigitali durante lo sviluppo embrionale. Dunque la morte cellulare riveste, come la divisione, un ruolo centrale nello sviluppo degli organismi pluricellulari. Ciò può essere desunto anche dal fatto che esistono molte patologie innescate dal suo malfunzionamento. Ad esempio alcune malattie degenerative, come l’alzhaimer o il Parkinson, sono causate da un incremento della suscettibilità alla morte cellulare di alcuni tipi di neuroni. Il cancro, al contrario, è legato ad una mancata morte cellulare che causa un drammatico aumento di cellule neoplastiche. E’ importante distinguere la morte cellulare programmata, denominata apoptosi, dalla morte cellulare accidentale, denominata necrosi. La Necrosi è un processo passivo, che non necessita pertanto di energia, che avviene casualmente e interessa gruppi di cellule. La cellula in questo caso, in seguito alla rottura della sua membrana plasmatica, riversa il suo contenuto nell’ambiente circostante, provocando una risposta infiammatoria. L’apoptosi è invece un processo attivo che interessa singole cellule, durante il quale la cellula stessa attiva uno specifico programma che ne determina la morte. Si parla di suicidio cellulare. In questo caso l’integrità della membrana plasmatica viene mantenuta, evitando così la fuoriuscita del suo contenuto. Si assiste invece alla formazione di frammenti cellulari denominati corpi apoptotici che espongono sulla membrana plasmatica segnali specifici di fagocitosi in modo da essere eliminati rapidamente dalle cellule adiacenti. I due meccanismi di morte si manifestano dunque morfologicamente e assumono dei connotati ben distinti. Esiste poi un secondo meccanismo di morte cellulare programmata (di classe II) denominato Autofagia. Si tratta di un processo che consente alle cellule di riciclare il proprio contenuto e di rimuovere in modo selettivo i suoi organuli danneggiati. Morte cellulare programmata Apoptosi e necrosi L’esistenza di un programma genico specifico capace di regolare la morte cellulare è stata dimostrata da Due ricercatori eseguirono degli studi nello caenorhabditis eleganns, un nematode nel quale notarono un passaggio da un migliaio (1090) di cellule a 131 nel corso dello sviluppo. Scoprirono dunque i geni che controllano l’apoptosi e quindi gli enzimi responsabili della perdita di queste cellule. I geni sono stati denominati CED-9, CED-3, ced-4 e EGL-1. CED-9 è anti-apoptotico, mentre ELG-1,CED-4 e cEd-3 sono geni proapoptotici e lavorano in sequenza. Infatti CED-9 inibisce CED-4, mentre ElG-1 lo attiva e CED-4 a sua volta attiva CED-3. Nell’uomo gli omologhi di questi geni producono una famiglia di enzimi denominati CASPASI. Si tratta di enzimi caratterizzati dalla presenza di un residuo di cisteina (C) che sono in grado di riconoscere residui di acido aspartico (ASP) su cui operano poi dei tagli (Asi). Sono, quindi, cistein-proteasi specifiche per residui di acido aspartico. Queste si trovano nella cellula come precursori inattivi la cui attività proteolitica viene innescata in seguito al loro processamento, che viene scatenato da un segnale apoptotico. Più specificatamente si va a costituire, in seguito a dei tagli protolitici, un tetramero costituito da due subunità maggiori e due subunità minori. Una volta attivate le caspasi tagliano e modulano l’attività di diverse proteine tra le quali: • proteine chinasi dei contatti focali (Fak ad esempio): Il primo passaggio dell’apoptosi è infatti quello di interrompere il contatto con l altre cellule • lamine nucleari: Provocando una diminuzione del volume cellulare • Proteine del citoscheletro: determinando cambiamenti nella forma cellulare • La Dn-Asi: un’endonucleasi che si attiva grazie alle caspasi e che attacca il DNA dividendolo in frammenti • proteine deputate alla riparazione del DNA (come conseguenza) • proteine che controllano la traduzione • alcuni fattori di trascrizione • alcune chinasi La particolarità di questi enzimi è quella di essere in grado di processare altre caspasi, innescando così una cascata proteolitica che è alla base della rapidità e dell’efficacia del processo apoptotico. Ciò era già stato evidenziato nel nematode. Si distinguono dunque le caspasi iniziatrici e le caspaci esecutrici • Caspasi iniziatrici: 2,8,9,10 • Caspasi effetrici: 3,6,7 Le rimanenti caspasi, che sono quattro, sono caspasi infiammatorie Le caspasi