Appunti di Biologia Cellulare (Donati+Bernacchioni)

Biologia Cellulare

PROF.SSE CHIARA DONATI + CATERINA BERNACCHIONI

3 marzo 2016

Nel corso tratteremo 4 argomenti:

▪ il ciclo cellulare (meccanismi molecolari della regolazione del ciclo cellulare che permettono alla

cellula non solo di controllare gli eventi che regolano il passaggio da una fase alla successiva ma anche

l’integrazione di segnali extracellulari che provengono dall’esterno o da altre cellule nel caso di

organismi multicellulari). Continuamente vengono scoperti nuovi meccanismi alla base del ciclo

cellulare, nuovi partner, nuovi effettori!

▪ meccanismi molecolari della sintesi proteica, Sapete che quando si para di meccanismi di regolazione

genica mentre nei Procarioti procede a livello trascrizionale; negli Eucarioti è molto più complessa e si

esplica a tanti livelli(controllo genomico, trascrizionale, post-trascrizionale, traduzionale e post-

traduzionale).

▪ cellule staminali: non è semplice definirle in modo esaustivo. Quando si parla di cellule staminali si

parla di potenza ovvero la capacità di originare delle cellule che poi andranno incontro ad un

cammino di differenziamento che porterà ad avere cellule differenziate a svolgere una particolare

funzione. Questa loro estrema potenza è un po’ un’arma a doppio taglio in quanto vi è un elevato

rischio nell’utilizzare queste cellule nel fare più cose; infatti il fine ultimo è un loro possibile utilizzo

nella terapia cellulare e per curare malattie ad oggi incurabili. Parleremo di cellule staminali

embrionali e adulte (che risiedono per tutta la vita) anche se la nicchia staminale cambia con la vita

dell’individuo infatti invecchiano anche loro.Queste cellule staminali adulte che stanno dentro la

nicchia staminale rendono conto della sostituzione delle cellule che vanno incontro a turn-over e

quindi garantiscono l’omeostasi di un individuo pluricellulare.

▪ Parleremo ancora di cellule staminali pluripotenti indotte: è del 2007 il Nobel a uno scienziato

giapponese il quale è riuscito a riprogrammare una cellula somatica, quindi differenziata tale che ha

riacquisito caratteristiche di staminalità(si comportano quasi come le staminali embrionali). Ciò offre

tutta una serie di vantaggi perché altrimenti tali cellule si potrebbero ottenere solo prelevandole dalla

massa interna della blastocisti e quindi chiaramente a quel punto l’embrione non è più vivo(problema

etico).

▪ differenziamento cellulare. Argomento correlato ai meccanismi di espressione genica. Sempre nel

2007 c’è stato un altro Nobel di uno scienziato che già dieci anni prima aveva fatto i primi esperimenti

di trapianto nucleare: aveva preso il nucleo di una cellula somatica di un anfibio, poi l’aveva inserita in

un ovocito nucleato ed era riuscito ad ottenere un individuo dimostrando che durante il

differenziamento (tranne rarissime eccezioni come i globuli rossi che espellono il nucleo) non si ha

alcuna perdita di geni, di materiale genetico, ma si ha solo un’espressione differenziale specifica che

rende conto dell’acquisizione del fenotipo differenziato.

Vedremo che ci sono dei geni che devono essere necessariamente espressi detti master genes che devono

entrare in gioco per far partire questo programma di differenziamento.

Ogni cellula deriva necessariamente e soltanto per divisione di una cellula preesistente (il famoso terzo

enunciato della teoria cellulare: omnis cellula e cellulae!). Di fatti ciò esprime un concetto che sta alla base

della continuità dei viventi.

Sempre secondo la teoria cellulare tutti gli organismi viventi sono costituiti da cellule che possiedono le

caratteristiche fondamentali della materia vivente. Sicuramente la capacità di autoriprodursi e quindi la

riproduzione è la caratteristica fondamentale della cellula.

Più o meno, ovvero considerando sia cellule procariotiche che eucariotiche le dimensioni delle cellule si

distribuiscono in un range compreso tra 1 e 100 micron (un batterio ha dimensioni di 1-2 micron, una cellula

eucariotica animale in media di 10-20 micron, quelle vegetali con le dovute eccezioni sono più grandi delle

animali).

Quando parleremo di ciclo cellulare vedremo quali sono stati i modelli sperimentali utilizzati per vedere i

registri che stanno alla base del controllo del ciclo cellulare e vedremo che sono stati utilizzati ampiamente gli

ovociti di anfibio: queste cellule nel corso del loro processo di maturazione vanno incontro a una crescita

sostenuta diventando cellule giganti in quanto questa crescita non è seguita da divisione cellulare, almeno

nelle fasi di maturazione quindi queste cellule accrescono la loro massa accumulando nel citoplasma riserve

di natura proteica che successivamente serviranno alla maturazione dell’embrione. Lo zigote andrà incontro a

una serie rapidissima di divisioni cellulari. Questi ovociti sono stati scelti dagli scienziati per studiare il ciclo

cellulare perché sono cellule facilmente maneggevoli ( ciò può sembrare banale ma in realtà ha delle

conseguenze importanti perché le dimensioni della cellula e quindi la crescita cellulare è uno dei fattori che

regolerà in modo importante la transizione tra le varie fasi del ciclo). Cioè un cellula che sta per dividersi tiene

conto delle sue dimensioni ovvero la crescita deve essere strettamente correlata con la divisione cellulare.

Quindi capite che dimensioni di un certo tipo cellulare devono rimanere costanti per quel tipo cellulare; ma ci

sono anche casi in cui c’è crescita senza divisione o divisione senza crescita ma in linea generale si tiene conto

della crescita della cellula prima che questa possa dividersi.

Ma perché le cellule sono così piccole?

Se si considerano ad esempio le cellule del topo o dell’elefante si vede che in realtà rientrano nello stesso

range di dimensioni più o meno, quindi evidentemente ci deve essere un parametro che impone quelle

dimensioni cellulari. Un parametro critico per le dimensioni cellulari è il rapporto superficie/volume che per

garantire l’omeostasi cellulare deve essere il più alto possibile. La superficie è rappresentata dalla membrana

plasmatica che definisce la cellula come un’unità distinta dall’ambiente e che regola il trasporto di soluti

dentro e fuori dalla cellula nelle due direzioni assicurando una composizione chimica diversa tra esterno e

interno della cellula.

Se pensate ad un soluto che si muove attraverso il doppio strato fosfolipidico per diffusione semplice, quando

esso si troverà vicino alla membrana plasmatica se consideriamo ad esempio che dovrà diffondere vicino al

nucleo, è chiaro che se questa cellula fosse estremamente voluminosa e quindi un rapporto

superficie/volume basso, il tempo che questo soluto impiegherà obbedendo alle leggi della diffusione non

sarebbe compatibile con quelle che sono le esigenze della cellula.

La cellula prima di dividersi si accresce ma poi torna alle dimensioni tipiche di quel tipo cellulare.

Da notare che le dimensioni della cellula che devono sempre rimanere piccole, possono cambiare per

svolgere una particolare funzione. In realtà dimensioni e forma sono strettamente dipendenti dalla funzione

che quella cellula svolge.

È chiaro che lo spermatozoo deve essere una cellula mobile per cui durante la spermatogenesi ovvero quel

percorso di differenziamento dopo la meiosi, diventerà una cellula di piccole dimensioni rispetto alla cellula

uovo(che non ha problemi di movimento). Sempre in merito al rapporto superficie/volume pensate alle

cellule assorbenti dell’intestino tenue, gli enterociti, che sono cellule polarizzate e nella porzione apicale

presentano delle estroflessioni della membrana plasmatica che prendono il nome di microvilli (al cui interno

c’è il citoscheletro costituito da filamenti di actina) strumentali a rendere massimo quel rapporto sup/vol per

rendere il più efficace possibile il processo di assorbimento.

CICLO CELLULARE

Lo possiamo immaginare coma la vita di una cellula, ovvero l’arco temporale in cui una determinata cellula

vive. È chiaro che per un organismo unicellulare dividersi equivale a produrre un nuovo organismo; questo

non è vero per organismi multicellulari dove sono richieste tantissime divisioni per generare un nuovo

organismo funzionante, inoltre in un organismo pluricellulare le divisioni cellulari devono continuare per

assicurare la sostituzione delle cellule che muoiono(turn-over cellulare) per cui continuano anche nella vita

adulta!

Generalmente il ciclo cellulare deve assicurare due processi: prima delle divisione è necessario che la cellula si

accresca e duplichi il suo genoma. Quindi dovrà duplicare il proprio DNA prima di segregarlo, ripartirlo in

quelle che saranno le due cellule figlie. Vedremo che questo ciclo cellulare prevede tutta una serie di eventi

strettamente regolati per garantire alle cellule figlie un genoma integro. Anche se alcuni cicli cellulari hanno

delle caratteristiche peculiari, possiamo dire che in tutti gli organismi la replicazione del DNA e la ripartizione

di questo sono due caratteristiche universali per tutti i viventi.

Nelle cellule eucariotiche i meccanismi di controllo che stabiliscono la transizione di fase del ciclo cellulare

sono gli stessi. Si è visto inoltre che alcune proteine umane, come le chinasi cicline dipendenti, messe nel

lievito funzionano perfettamente quindi vuol dire che questi meccanismi di controllo del ciclo cellulare non

solo sono universali ma sono comparsi un miliardo di anni fa (ovvero a quando risale la separazione dei lieviti

da quelle che poi sono diventate cellule umane) eppure questi meccanismi prevedono questi partner proteici

che funzionano perfettamente!

Il concetto evolutivo è permeante in uno corso di biologia per vedere come certe funzioni acquisite durante il

corso dell’evoluzioni siano state effettivamente conservate permettendoci di delineare una linea evolutiva

comune. La cellula non deve solamente replicare il DNA ma deve anche crescere quindi è necessario che ci sia

sintesi di macromolecole, proteine ecc..(quindi nuovamente crescita coordinata con la divisione cellulare).

Le cellule procariotiche si riproducono con una modalità di tipo asessuato e se le condizioni ambientali sono

appropriate (come disponibilità di nutrienti, temperatura e pressione adatte, assenza di specie

competitive)sono in grado in meno di una mezzora di dividersi(grazie al processo di scissione binaria) in due

cellule figlie che, a meno di mutazioni, sono identiche tra loro e identiche alla cellula madre che le ha

generate. Ciò vuol dire che ogni 30 minuti la popolazione di batteri si sdoppia: questo spiega come mai in

laboratorio se prendiamo un’aliquota di cellule batteriche e la mettiamo a crescere in una beuta contenente

del terreno liquido ad opportune temperature, la mattina dopo abbiamo milioni e milioni di cellule infatti il

terreno liquido che era limpido la sera, lo si ritrova torbido la mattina seguente!

Nel caso delle cellule eucariotiche ci sono sempre fase S(sintesi-replicazione del DNA) e fase M(prevede

mitosi che rende conto degli eventi nucleari quindi la segregazione delle due copie del genoma seguita da una

citocinesi ovvero la divisione del citoplasma). Nel ciclo cellulare eucariotico nuovamente duplicazione del

DNA, segregazione di queste due copie e divisione cellulare rappresentano le fasi principali del ciclo ma

vedremo come si rendono necessari degli intervalli detti fasi GAP tra fase S e M e viceversa. Questi GAP non

solo permettono alla cellula di effettuare la crescita ma anche di controllare che tutti gli eventi siano stati

portati avanti nella maniera opportuna cioè la cellula controlla che tutto sia andato bene e allora decide di

entrare o in fase S duplicando il DNA o in fase M ripartendo queste due copie nelle due future cellule figlie!

La corretta progressione attraverso le varie fasi del ciclo cellulare eucariotico deve servire a garantire che le

due cellule figlie ereditino un genoma integro, correttamente duplicato! Tenete presente che non è poca cosa

considerando l’enorme quantità di DNA presente nel genoma eucariotico.

Considerando la durata delle varie fasi se si osserva la fase S ovvero quella di duplicazione del DNA, in

generale occupa all’incirca metà del ciclo cellulare quindi una cellula passa tantissimo tempo a duplicare il

DNA; mentre la mitosi è molto più rapida. Di solito il ciclo cellulare è rappresentato da un diagramma di

questo tipo dove si può notare che la mitosi rappresenta una piccola fetta di torta rispetto alla fase S.

Come abbiamo già detto durante le fasi di intervallo la

cellula si accresce quindi sono fasi di attiva trascrizione e

traduzione: la cellula sintetizza proteine, duplica organelli,

e in generale si accresce. Questo è un parametro

importante per potersi poi dividere! Le fasi G1 e G2 sono

delle fasi importantissime per quanto riguarda il controllo

del ciclo: la cellula non soltanto si accresce ma arriva a dei

check points ovvero punti di controllo dove si ferma e ha

degli strumenti per controllare che tutto ciò che doveva

avvenire sia avvenuto nel modo appropriato. Ad esempio

in G1 c’ è il punto di restrizione o punto di start superato il

quale la cellula procede nella fase S.

Nel ciclo cellulare ci possono essere degli interruttori

biochimici che possono essere accesi o spenti(più avanti si

vedrà il meccanismo). Ma una volta che questi punti di

controllo sono stati oltrepassati non si può più tornare indietro.

Descriveremo il meccanismo cellulare con cui la cellula duplica UNA SOLA volta in fase S tutto il suo genoma e

non sarà possibile (si parla proprio di abilitazione alla duplicazione) duplicare nuovamente il DNA senza essere

tornati di nuovo alla G1.

Proprio perché sono sia fasi di crescita che di controllo, la fase G1 soprattutto è quella con la durata più

variabile. Quindi ripetendo, in cellule di un mammifero la mitosi impiega un’oretta anche meno, la fase S può

occupare dalle 8 alle 10 ore, la G1 è variabile nel senso che se le condizioni non sono favorevoli la cellula può

rimanere in G1 per un lungo periodo di tempo anche per anni ed entrare in una sorta di particolare G1 che

prende il nome di G0 che è uno stato specializzato di non divisione, come se la cellula fosse uscita dal ciclo.

Ci sono cellule terminalmente differenziate che vivono in G0 tutta la loro restante vita, altre che possono

uscire dalla G0 ed entrare in G1 e quindi rientrare in ciclo. Ma in ogni caso quello che vi deve essere chiaro è

che la fase G1 proprio per questo suo ruolo di controllo, proprio perché risente di tanti parametri come la

disponibilità di nutrienti, fattori di crescita presenti ecc può avere una durata molto diversa.

La fase M risente della mitosi vera e propria che si occupa della ripartizione del genoma e poi di una citocinesi

che tiene conto della divisione del citoplasma.

Mitosi

La mitosi è distinta in 4-5 fasi(alcuni parlano anche di prometafase):

-quando la cellula entra in profase c’è una profonda riorganizzazione della cromatina che si condensa, il

nucleolo scompare, mentre a livello del citoplasma comincia a formarsi il fuso mitotico a livello dei centri

organizzatori dei microtubuli (nelle cellule animali ciò è rappresentato dalla coppia di centrioli che si sono

precedentemente replicati durante la fase S: anche essi si duplicano con una modalità di tipo

semiconservativo proprio come quella del DNA. I due centrioli si duplicano nel centrosoma e questi

centrosomi allontanandosi tra loro in tarda G2 e all’inizio della profase permetteranno proprio l’inizio della

formazione del fuso mitotico).

-in prometafase si assiste alla disgregazione dell’involucro nucleare consentendo la completa formazione del

fuso mitotico e l’aggancio da parte dei microtubuli del cinetocore del fuso ai cromosomi.

-in metafase i cromosomi si dispongono all’equatore del fuso a metà strada tra i due poli grazie ai microtubuli

del cinetocore che a livello del centromero si attaccano ai cromosomi che in questa fase appaiono formati da

due cromatidi fratelli, uno la copia dell’altro(perché già la duplicazione è avvenuta in fase S) tenuti insieme a

livello di una costrizione primaria che si chiama centromero.

-in anafase precoce si ha accorciamento dei microtubuli del cinetocore (quindi quei microtubuli che per la

loro estremità positiva hanno agganciato il cinetocore a livello del centromero) e contemporaneamente

allungamento dei microtubuli polari (ovvero quelli più lunghi del fuso che non prendono contatto con i

cromosomi ma tendono a raggiungere il polo opposto del fuso senza mai raggiungerlo ma interdigitandosi).

Quindi i microtubuli polari si allungano , quelli del cinetocore si accorciano e ciò permette in anafase precoce

la sincrona separazione dei cromatidi fratelli.

-in anafase tardiva un singolo cromatidio, che ora possiamo chiamare cromosoma, ha raggiunto il rispettivo

polo del fuso

- in telofase comincia la decondensazione della cromatina, l’involucro nucleare, l’app del Golgi si riformano e

c’è la disgregazione del fuso mitotico che ha compiuto il suo dovere.

Inizia la citocinesi che divide in due il citoplasma grazie alla formazione di un anello contrattile, questo nel

caso di cellule prive di parete dove entrano in gioco i filamenti di actina e di miosina. Le cellule vegetali

possiedono la parete e quindi non è possibile che la cellula si strozzi in due dunque il meccanismo di citocinesi

è necessariamente diverso.

La maggior parte degli organismi eucariotici si riproduce con una modalità di tipo sessuato implicando una

combinazione dei genomi dei genitori che porta a generare una progenie diversa tra loro e dai genitori che li

ha generati! Le cellule di questi organismi normalmente hanno un assetto diploide quindi per ogni

cromosoma ci sono due rappresentanti, i famosi omologhi e la riproduzione sessuata dipende da una speciale

divisione cellulare che prende il nome di MEIOSI che porta alla produzione di cellule con un assetto