Appunti di Biologia Cellulare (Donati+Bernacchioni)

Biologia cellulare

Prof.sse Chiara Donati e Caterina Bernacchioni

3 marzo 2016

Argomenti del corso

• 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 parla 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.
• 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 inserito in un ovocito enucleato 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.

Teoria cellulare

Ogni cellula deriva necessariamente e soltanto per divisione di una cellula preesistente (il famoso terzo enunciato della teoria cellulare: omnis cellula e cellula!). Di fatto 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.

Dimensioni cellulari

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, poiché 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 una 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, 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.

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 a 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 superficie/volume per rendere il più efficace possibile il processo di assorbimento.

Ciclo cellulare

Lo possiamo immaginare come 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 della 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 un corso di biologia per vedere come certe funzioni acquisite durante il corso dell’evoluzione 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 mezz’ora 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):

• 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.