Mitosi

Mitosi

Riproduzione cellulare

Che cos'è la riproduzione cellulare? La riproduzione cellulare è un meccanismo che tutte le cellule e gli esseri viventi hanno per generare nuove cellule. I meccanismi di riproduzione sono importanti perché, per quelle che sono le condizioni di vita sulla Terra, una cellula si deve originare semplicemente da una cellula pre-esistente, quindi non esiste la possibilità attualmente di fare un'origine abiotica della vita.

Che cosa fa la cellula prima di riprodursi, quindi di generare nuove cellule? Indipendentemente dai meccanismi di divisione specifici per i vari organismi, la cellula deve aumentare il suo volume. Una cellula che non ha il giusto rapporto superficie-volume non va incontro alla riproduzione.

Perché aumenta il suo volume? Perché deve sintetizzare tutte le macromolecole, ma anche gli organelli, da poter trasmettere alle cellule figlie (nel caso degli eucarioti). Le cellule figlie per poter vivere devono avere tutto il necessario per svolgere le proprie funzioni.

Qual è la cosa fondamentale che deve essere sintetizzata, al di là delle macromolecole, degli organelli, da tutte le cellule? Il DNA. Tra tutti questi meccanismi di sintesi, quello fondamentale è la sintesi del DNA. Quindi la divisione cellulare è preceduta alla riproduzione da una replicazione del DNA, sempre, in modo tale che le due cellule figlie abbiano il proprio DNA.

Quando la cellula ha aumentato il volume, ha sintetizzato tutte le macromolecole, gli organelli (eucarioti), e ha replicato il DNA, la cellula madre si divide in due cellule figlie. Questo indipendentemente dal meccanismo di riproduzione. Quando si parla di riproduzione cellulare si può utilizzare anche il termine divisione cellulare, in quanto, indipendentemente dal meccanismo, parto da una cellula madre e ottengo due cellule figlie. Poi a seconda del meccanismo possono essere anche di più, ma la cellula madre si divide in due parti e quindi parlo di divisione cellulare.

Scissione binaria nei procarioti

La riproduzione cellulare o divisione cellulare dei procarioti è quella che viene chiamata scissione binaria.

La scissione binaria è un meccanismo di divisione cellulare che prevede: parto da una cellula procariota che presenta il suo DNA, il suo cromosoma, libero nel citoplasma, nella regione chiamata nucleoide, che a un certo punto va incontro alla replicazione. La replicazione può ottenere due molecole di DNA identiche, che, grazie a delle proteine simili a quelle del nostro citoscheletro, viene separato in due parti uguali.

Si ottengono due cellule figlie che hanno lo stesso rapporto superficie-volume della madre e la stessa molecola di DNA della madre. Essendo il proprio DNA derivato da un evento di replicazione, le due cellule figlie sono dei cloni della cellula madre e sono identiche fra di loro perché hanno esattamente lo stesso DNA. La scissione coincide anche con la riproduzione dell'organismo, perché il procariota è unicellulare; quindi, se io origino un nuovo individuo, partendo da un unico genitore, ho una riproduzione che viene definita asessuata, un unico genitore che produce figli geneticamente identici, quindi dei cloni.

Questo è il meccanismo principale di riproduzione dei procarioti. Ovviamente produrre una popolazione che ha lo stesso identico DNA non è vantaggioso da un punto di vista evolutivo, perché se variano le condizioni ambientali in maniera drastica e loro non sanno rispondere, il risultato è l'estinzione. Quindi bisogna avere qualche meccanismo che crea una variabilità genetica, che modifica il DNA.

Gli organismi, come siamo noi, che si riproducono sessualmente, sono avvantaggiati perché hanno dei meccanismi che creano variabilità genetica. I batteri hanno selezionato, nel corso dell'evoluzione, dei meccanismi che non sono una vera riproduzione sessuata, ma che creano variabilità genetica. Uno di questi, per esempio, l'abbiamo visto quando abbiamo fatto l'esperimento di Griffith. La trasformazione è una capacità tipica delle cellule procariote di prendere il DNA dall'ambiente esterno ed inserirlo nel proprio cromosoma.

Questo, ovviamente, crea un cromosoma che è diverso rispetto alle cellule di partenza. Hanno anche altri meccanismi, chiamati coniugazione e trasduzione. Quindi vengono chiamati riproduzioni sessuate, ma non lo sono perché non ho due sessi distinti che hanno cellule specializzate per creare un nuovo individuo. Però è un meccanismo che vi crea variabilità genetica.

Mitosi e meiosi negli eucarioti

Quali sono i meccanismi invece di riproduzione cellulare tipici degli eucarioti? Sono due, la mitosi e la meiosi.

La mitosi è un tipo di riproduzione cellulare di divisione che è paragonabile alla scissione binaria in termini propri di risultati, anche se poi è un pochino più complicata perché la complicazione è dovuta al fatto che tutto il materiale genetico è all'interno del nucleo.

• Negli organismi eucarioti unicellulari la divisione cellulare mitotica coincide con la riproduzione dell’organismo (riproduzione asessuata).
• Negli organismi eucarioti pluricellulari la divisione mitotica è importante per la formazione, l’accrescimento e l’omeostasi dei tessuti.

La mitosi consiste nell'aumentare in dimensioni la cellula, nel replicare il DNA e poi separarlo in due parti uguali in due cellule figlie. La mitosi è una riproduzione cellulare che porta a ottenere due cellule figlie geneticamente identiche a quella di partenza. Quindi è una divisione che crea dei cloni.

La meiosi (organismi eucarioti pluricellulari o unicellulari) invece è una divisione cellulare un pochino più complicata che, partendo da una cellula madre, porta a ottenere quattro cellule figlie con un corredo cromosomico che è la metà di quello di partenza, geneticamente diverso e le cellule prodotte vengono chiamate gameti perché servono semplicemente per la riproduzione sessuata.

Nella meiosi si parte da una cellula madre che va incontro a due divisioni consecutive facendo una sola replicazione del DNA, quindi alla fine ottiene quattro cellule figlie che hanno una quantità di DNA che è la metà di quella di partenza.

Funzioni della mitosi e della meiosi

La mitosi la fanno gli organismi eucarioti unicellulari, gli organismi pluricellulari, animali e vegetali con diversi scopi. Per quanto riguarda gli organismi eucarioti unicellulari, come il lievito per esempio, quello che viene usato per la produzione del pane e delle bevande alcoliche, la mitosi coincide con la riproduzione dell'organismo un po' come la scissione binaria per gli eucarioti, ed è quindi una riproduzione asessuata.

Quindi la mitosi serve a questi organismi unicellulari per riprodursi. Il lievito è stato molto usato per studiare la mitosi, in quanto il lievito ha una divisione cellulare asimmetrica perché la cellula figlia è una piccola gemma; la cellula figlia si stacca piccolina poi si accresce successivamente in dimensioni.

Negli organismi eucarioti pluricellulari la mitosi serve per lo sviluppo, per l'accrescimento dell'organismo, dal momento in cui nasce fino a quando diventa adulto; l'aumento in dimensione è dato da divisioni mitotiche che portano poi ad aumentare la dimensione dei tessuti, degli organi e degli apparati.

Esempio: cellule della radice. La radice può crescere in dimensione grazie alle continue divisioni mitotiche.

La mitosi serve per l'omeostasi dell'organismo pluricellulare. Tutte le volte che un tessuto, un organo, un apparato va incontro a un danno, le cellule vengono sostituite, quindi si attivano le mitosi che porteranno a formare nuove cellule e quindi poter rigenerare il tessuto; l'esempio di una lucertola che se gli tagliate la coda è in grado ovviamente di rigenerare.

La meiosi serve semplicemente per formare cellule specializzate chiamate gameti che verranno usate per la riproduzione sessuata. La meiosi la fanno ovviamente anche le piante, con dei cicli vitali diversi, e gli organismi eucarioti unicellulari.

Per esempio il lievito, è un organismo particolare perché, oltre a dividersi per mitosi, quando riceve particolari stimoli, è in grado di andare incontro alla meiosi, formare delle cellule specializzate chiamate gameti per la riproduzione sessuata. I gameti possono essere, quando vengono prodotti, come quelli dell'uomo e di alcune piante, dove io riesco, da un punto di vista morfologico, a distinguere il gamete maschile da quello femminile, oppure, come nel caso degli organismi unicellulari, i gameti non si distinguono morfologicamente ma semplicemente da un punto di vista di comportamento genetico.

Regolano l'espressione genica in modo diverso, hanno comportamenti sessuali diversi. Il risultato è sempre lo stesso, nell'organismo unicellulare e quello pluricellulare, alla fine ho l'unione dei due gameti, la fusione dei due nuclei per formare una cellula che poi mi porta a ottenere l'intero individuo per divisioni.

Cellule somatiche, germinali e staminali

Il nostro organismo è fatto da cellule somatiche e cellule germinali. La suddivisione tiene conto del tipo di riproduzione cellulare che queste due categorie di cellule possono utilizzare.

Le cellule somatiche sono tutte quelle differenziate, che non si dividono più. Chi è che produce in realtà le somatiche per mitosi? Le staminali.

Le cellule staminali sono quelle che vanno incontro alla mitosi e che vi portano a formare le cellule somatiche che, regolando l'espressione genica, diventano differenziate. Quindi le cellule della trachea, quelle della vescica, del connettivo, le ossa, il muscolo scheletrico, sono cellule che sono state prodotte a partire da una staminale specifica per mitosi e riescono poi a regolare l'espressione genica.

La mitosi è una divisione cellulare caratteristica delle staminali che poi vanno incontro al differenziamento a formare le somatiche.

Poi abbiamo un gruppo rispetto di cellule che viene chiamata germinale (quindi abbiamo la linea germinale). Le linee germinali sono delle staminali anche loro, che possono andare incontro a mitosi. La mitosi serve a queste germinali per mantenere il serbatoio di germinali sempre costante. Quando scendono in numero per mantenerlo alto vanno incontro a mitosi, ma quando ricevono un segnale specifico vanno incontro invece a meiosi e quando vanno incontro a meiosi producono cellule specializzate che non si dividono più e che vengono chiamate gameti.

Questi gameti vengono usati per la riproduzione sessuata.

Quindi la linea germinale è una linea cellulare che può fare o la mitosi come scopo di mantenimento del numero di cellule germinali e quando devo andare a produrre gameti faccio la meiosi.

Chi è che fa la mitosi? La mitosi viene fatta in modo continuo sotto opportuni stimoli dalle cellule che vengono chiamate staminali. Una cellula staminale è una cellula che può riprodursi o differenziarsi in molti tipi di cellule.

Attualmente si riconoscono le seguenti 3 categorie:

• Cellule perenni (cellule differenziate come neuroni, muscolari cardiache)
• Cellule stabili (epatociti, linfociti, fibroblasti)
• Cellule che si riproducono per mitosi (cellule staminali)

Circa una ventina di anni fa, prima della scoperta delle staminali, si pensava che in realtà la capacità riproduttiva mitotica fosse caratteristica dei tessuti. Quindi la suddivisione di cellule perenni, stabili e in attiva mitosi in realtà era una suddivisione fatta da tessuti. C'erano i tessuti in attiva riproduzione come i tessuti epiteliali di rivestimento, quelli stabili come il tessuto epatico e quelli perenni come il muscolare e quello nervoso. Queste non si possono più dividere perché hanno cambiato l'espressione genica.

Quindi chi è che vi si divide? Si divide soltanto quella che viene chiamata staminale; in ogni tessuto ormai sono state trovate delle nicchie di cellule staminali. La quantità di cellule nella nicchia dipende dal tipo di tessuto, per esempio negli epiteli la nicchia è molto importante perché si usurano continuamente, in un muscolare e in un nervoso la quantità di staminali sono pochissime.

Quelle che si riproducono sono soltanto le staminali che poi differenziandosi danno le cellule somatiche o perenni, quindi si può sostituire il termine perenne con somatica differenziata.

Ci sono delle eccezioni: le cellule del fegato, i linfociti e i fibroblasti, (i fibroblasti sono le cellule che producono la matrice extracellulare), mantengono la capacità staminale. Di solito no, ma sotto un opportuno stimolo loro sono in grado di dividersi esattamente come fanno le staminali e poi di generare nuove cellule specializzate.

Il fegato ormai è noto da tempo perché si possono fare trapianti di fegato prendendo soltanto una piccola parte del fegato di un donatore che ha compatibilità con un ricevente e questo piccolo pezzetto di fegato può rigenerare il fegato intero all'interno del paziente perché gli epatociti hanno questa grande capacità. Le altre staminali sono le cellule germinali, quelle che possano poi portare alla formazione dei gameti.

Gene targeting e organismi knock-out

Il ricercatore Martin John Evans ha scoperto nel 1980 le staminali murine, poi sono state identificate anche nell'uomo e lui ha preso il premio Nobel per la medicina, non tanto per la scoperta delle staminali, quanto per la messa a punto di una tecnica che si basa proprio sull'utilizzo delle staminali che viene chiamata di gene targeting che vi permette di creare gli organismi knock-out.

Che cos'è il knock-out? È un organismo a cui è stato tolto completamente un gene. Questo è possibile farlo lavorando solo sulle staminali. Negli eucarioti, sia animali che vegetali, la rimozione selettiva di un gene era stata fatta in precedenza con tecniche molto complicate ma non portava agli stessi effetti che si raggiungono con le tecniche fatte su batteri, che sono unicellulari.

Da tantissimi anni si faceva il knock-out su lievito e sui batteri, ma era difficile farlo sugli eucarioti. La scoperta della staminale ha permesso la messa a punto di questa tecnica perché la staminale è facile da tenere in laboratorio, e è facile da manipolare in maniera simile a quella di una cellula batterica, quindi di un organismo unicellulare.

Quindi la staminale ha due capacità importanti: di andare incontro a mitosi, rigenerando il pool di cellule staminali e, quando riceve un opportuno stimolo, di dividersi per mitosi e contemporaneamente, mentre fanno mitosi, di attuare la regolazione dell'espressione genica e dare le cellule somatiche. Nell'adulto, una determinata staminale è in grado di differenziarsi o in una sola staminale, come fanno le cellule del fegato, oppure di andare incontro a una serie di differenziamenti.

Nei tessuti dell'adulto io ho queste staminali che quando vengono attivate per riformare le somatiche vanno incontro a mitosi, fanno divisioni mitotiche, ma tutte le volte che si dividono, formano cellule figlie, il DNA rimane identico, ma tutte le volte che si fa un passaggio, si comincia a produrre dei fattori di trascrizione specifici che cominciano a regolare le espressioni geniche e alla fine ottengo, attraverso questi passaggi mitotici, delle cellule figlie completamente differenziate e somatiche.

Meristemi e ciclo cellulare mitotico

Nelle piante non ho delle nicchie staminali a livello dei vari tessuti, ma le piante in realtà hanno dei veri e propri tessuti staminali chiamati meristemi, da cui si possono generare tutte le varie parti della pianta, quindi hanno delle capacità di rigenerazione molto superiori a quelle dell'uomo. Non solo, ma le nicchie staminali invecchiano con l'individuo, le staminali con l'andare dell'età perdono sempre di più la capacità di divisione e ovviamente la capacità di rigenerazione dei tessuti, è una caratteristica tipica degli animali che le piante non hanno, perché questi tessuti meristematici rimangono attivi per tutta la vita della pianta.

Indipendentemente dal fatto che sia una cellula vegetale che una cellula animale, la mitosi viene fatta ciclicamente.

Un ciclo cellulare mitotico genera 2 cellule figlie con patrimonio genetico identico alla cellula madre che a loro volta possono andare incontro a una nuova divisione cellulare. (Cosa che non può essere fatta con la meiosi.)

Quindi la meiosi produce cellule specializzate che alla fine non si possono più dividere. Per il modo con cui si realizza la mitosi, invece, la posso percorrere ciclicamente.

Infatti, per quanto riguarda la riproduzione mitotica, si parla anche di ciclo cellulare mitotico.

Da un punto di vista didattico, viene suddivisa in due grandi parti: una parte di preparazione, chiamata interfase, che è la parte più lunga di tutta la mitosi, e una piccola parte chiamata fase mitotica o M.

L'interfase è la fase di preparazione, è la fase di sintesi, dove io sintetizzo tutte quelle che sono le molecole, le macromolecole, gli organelli che mi interessano, replico il DNA, mentre nella fase M mitotica separo il materiale genetico e la cellula madre in due cellule figlie.

Le cellule somatiche differenziate si fermano, una volta che sono state prodotte, nella fase ciclo mitotico chiamata G1, G sta per gap, per intervallo. Quindi ci sono cellule, come le somatiche, che una volta sono state prodotte, finché non muoiono, rimangono in G1. Le staminali di solito sono fuori dal ciclo, dormono, sono quindi in una fase di quiescenza chiamata G0, e entrano nel ciclo soltanto dopo opportuni stimoli, sia interni alla cellula, che esterni.

Quando entrano nella fase G1, cosa fanno le staminali che devono formare le cellule figlie?

Nell'intervallo G1 cominciano a regolare l'espressione genica per prepararsi alla mitosi. Vengono attivati tutta una serie di geni, che portano poi la cellula a sintetizzare tutte le molecole, le macromolecole che servono per la divisione cellulare, cominciano ad aumentare il volume dei vari organelli, fino ad entrare nella fase S.

S sta per sintesi