Biologia Molecolare

IL CICLO CELLULARE

Il ciclo cellulare è la serie di eventi che avvengono in una cellula tra una divisione cellulare e

quella successiva. La durata di un ciclo è di circa 24 ore, ed è caratterizzato da 2 fasi, l'interfase e

la mitosi. L'interfase è ulteriormente suddivisa in 3 fasi: la fase G1, nella quale si ha un'elevata

sintesi di proteine necessarie per la duplicazione del DNA; la fase S, nella quale avviene la

duplicazione del DNA e la sintesi di proteine istoniche; la fase G2, nella quale vengono

sintetizzate le proteine strutturali che successivamente consentiranno la separazione della cellula

madre in 2 cellule figlie. Anche la mitosi è costituita da più fasi: la profase, durante la quale si ha

la condensazione dei cromatidi; la metafase, in cui avviene la dissoluzione della membrana

nucleare e lo spostamento dei cromatidi verso la zona equatoriale della cellula; l'anafase, nella

quale i cromatidi fratelli si separano e migrano ai poli opposti della cellula; la telofase, durante la

quale si ha la formazione delle membrana nucleari attorno ai cromatidi separati e si ha la

separazione delle due cellule.

Nelle cellule eucariotiche, la progressione attraverso le varie fasi del ciclo cellulare risulta essere

finemente regolata dalle chinasi ciclina-dipendenti o CDK, una famiglia di proteine chinasi la cui

attività dipende dalla loro associazione con delle subunità proteiche regolative dette cicline,

sintetizzate col progredire del ciclo. Per far sì che il ciclo proceda in unica direzione, evitando la

ripetizione di fasi precedenti o salti a fasi successive, in ogni fase del ciclo cellulare vengono

disattivati i segnali di attivazione della fase precedente, mentre vengono sintetizzati ma inibiti i

segnali di attivazione della fase successiva.

Come detto precedentemente, le proteine fondamentali per il controllo del ciclo cellulare sono

le chinasi ciclina-dipendenti; esse sono circa 7 (numerate da 1 a 7), ed in particolare le chinasi 1,

2, 4 e 6 sono quelle preposte alla regolazione del ciclo cellulare; sono tutte e 4 presenti durante

tutto il ciclo, ma solo una di esse risulta attiva in ogni singola fase del processo di divisone

cellulare. Sono costituite da una subunità catalitica ad attività chinasica, nella quale legano ATP

ed il substrato da fosforilare, e da una subunità regolatoria legante la ciclina; in assenza di ciclina,

l'enzima chinasi non è attivo; ma il legame con la ciclina non è sufficiente ad attivare la chinasi;

esse, infatti, posseggono nel sito catalitico tre aminoacidi capaci di essere fosforilati: la treonina

160, situata nella parte alta del sito catalitico, e che prende il nome di treonina del tetto, e la

treonina 14 e la serina 15, che situate nella parte bassa del sito catalitico prendono il nome di

aminoacidi del pavimento; la fosforilazione della treonina del tetto, associata al legame della

chinasi alla ciclina, determina l'attivazione dell'enzima, mentre la fosforilazione degli aminoacidi

del pavimento determina l'inattivazione dell'enzima, anche in presenza di fosforilazione a livello

della treonina 160 e in presenza di legame con la ciclina. Il passaggio da una fase all'altra del ciclo

cellulare è determinata dalla defosforilazione dei siti di inibizione della chinasi della fase

successiva; l'inibizione degli enzimi delle fasi precedenti, invece, è ottenuta mediante la

fosforilazione della treonina 14 e della serina 15.

Si conoscono 8 cicline (denominate da A ad H), ed in particolare, quelle che intervengono nella

regolazione del ciclo cellulare sono, in ordine cronologico, la ciclina D, E, A e B. Esse

posseggono un dominio di circa 100 aminoacidi che lega la subunità regolatoria della chinasi.

Ogni chinasi può legare più di una tipologia di ciclina, così come una ciclina può legare più di

una tipologia di chinasi. In particolare, la ciclina D può legarsi sia alla chinasi 4 che alla chinasi 6,

costituendo il complesso ciclina D-chinasi 4/6; tale complesso agisce regolando la fase G1, e

quindi l'inizio del ciclo cellulare; la ciclina E lega esclusivamente la chinasi 2 (complesso ciclina

E-chinasi 2), regolando il passaggio dal punto di restrizione, ovvero il passaggio dalla fase G1 alla

fase S, e quindi regolando l'ingresso della cellula in fase S; la ciclina A lega anch'essa la chinasi 2,

regolando la fase S e la sintesi delle proteine di fase G2 (per tale motivo prende il nome di ciclina

di fase S); la ciclina B, infine, lega la chinasi 1, regolando la mitosi, e prendendo quindi il nome di

ciclina di fase M. Sono inoltre presenti enzimi ad attività fosfatasica, aventi lo scopo di eliminare

i gruppi fosfato inibitori, per attivare di volta in volta le chinasi; un esempio di queste fosfatasi è

la proteina Cdc 25.

Le cicline contengono anche un dominio di 24 aminoacidi di ubiquitinazione, chiamato

dominio PEST; l'aggiunta di ubiquitina accompagna la ciclina al proteosoma e quindi alla sua

degradazione. L'eliminazione delle cicline delle fasi precedenti risulta importante per poter

rendere ogni fase del ciclo cellulare irreversibile. Sono 2 i complessi che si occupano della

degradazione delle cicline, il complesso di degradazione SCF (fattore di clivaggio della fase S),

che si occupa della degradazione delle cicline D ed E, ed il complesso di degradazione APC

(complesso di promozione dell'anafase), che si occupa della ubiquitinazione delle cicline B ed A.

Oltre al legame con la ciclina ed alla fosforilazione della treonina del tetto e degli aminoacidi del

pavimento, un altro fattore è responsabile dell'attivazione o meno delle chinasi, ovvero proteine

binding inibitrici, che determinano l'inibizione dell'enzima; tra queste sono presente le proteine

INK e le proteine CIP. Le proteine più rappresentative delle INK sono la p14, la p15, la p16 e la

p19; sono proteine inibitrici della chinasi, poiché legandosi ad essa le impediscono il legame con

le cicline, occupando il dominio di legame per la ciclina di 100 aminoacidi che possiede la

chinasi; esse legano in particolare le chinasi 4/6 e 2, e sono quindi responsabili dell'inizio del

ciclo cellulare. Le proteine CIP, diversamente dalle INK, sono proteine inibitrici delle cicline; le

più note sono la p21, la p27 e la p59; agiscono quando la ciclina viene sintetizzata; la p21 e la

p27 legano sia cicline D ed E (inizio del ciclo cellulare), che cicline B ed A (fine del ciclo

cellulare), andando a regolare quindi tutto il ciclo.

Il segnale per l'ingresso della cellula in fase G1 è rappresentato da proteine, in particolare fattori

di crescita, che legandosi a recettori di membrana, attiveranno una cascata di eventi, come quelli

della MAP chinasi, che terminano con la finale fosforilazione dei fattori di trascrizione per la

sintesi di ciclina D. I fattori di trascrizione in questione sono la proteina myc e fos; il fattore di

trascrizione fos dimerizza con il fattore di trascrizione jun, per formare il complesso AP-1, che

determina l'espressione di diversi geni, tra cui quello che codifica per la ciclina D. E' presente,

inoltre, un'altra proteina, chiamata proteina del retinoblastoma PB, un oncosoppressore che

regola il ciclo cellulare; normalmente si trova in forma ipofosforilata, rappresentante la sua

forma attiva; con la sintesi di ciclina D, la proteina del retinoblastoma si converte nella sua

forma inattiva iperfosforilata, inibendosi. Nella sua forma attiva ipofosforilata, la RB blocca il

ciclo cellulare inibendo il fattore di trascrizione E2F, impedendogli di migrare nel nucleo ed

interagire con le sequenze enhancer del rispettivo gene. Il fattore di trascrizione E2F regola la

sintesi degli enzimi responsabili della duplicazione e la sintesi della ciclina della fase successiva del

ciclo cellulare, ovvero la ciclina E. Ne consegue che, successivamente alla sintesi di ciclina D, la

proteina RB si inattiva e lascia E2F libero di agire e di sintetizzare la ciclina E; quest'ultima

interagisce con la chinasi 2 già presente nel citosol e vi si lega, attivandola; a questo punto, la

chinasi 2 attiva sarà affine alla chinasi 4/6 della fase precedente del ciclo cellulare, la fosforila

sugli aminoacidi del pavimento e la inattiva. In questo istante si ha il superamento del

cosiddetto punto di restrizione, successivamente al quale il ciclo si autosostiene e non è più

dipendente dai fattori di crescita mitogenici. Il ciclo cellulare adesso si trova in fase G1 tardiva.

Superato il punto di restrizione, viene trascritto il gene per la ciclina, la ciclina di fase S; essa

viene sintetizzata allo stato inibito, cioè legata ad una particolare proteina inibitrice chiamata

proteina SIC; la fosforilazione di quest'ultima determina il distaccamento di SIC dalla ciclina e la

conseguente attivazione della ciclina A. La ciclina A ha il compito di attivare, per fosforilazione,

gli enzimi responsabili della duplicazione del DNA; inoltre, tramite attivazione del complesso

SCF, induce ubiquitinazione e quindi degradazione delle cicline D ed E. Oltre ad accompagnare

la cellula in fase S, il complesso ciclina A-chinasi 2 accompagna la cellula anche in fase G2; esso

attiverà, mediante fosforilazione, fattori di trascrizione per enzimi che sintetizzano proteine

strutturali, come quelli per la sintesi di fosfolipidi, actina, miosina ed altri. Analogamente, alla

ciclina E, inoltre, viene sintetizzata anche la ciclina della fase successiva, ovvero la ciclina B, in

forma inibita tramite l'azione di un'ulteriore proteina ad attività inibitoria, la proteine WEE, che

inibisce la ciclina B mediante fosforilazione sia della treonina 160 che della treonina 14 e della

serina 15. La rimozione dei gruppi fosfato dagli aminoacidi del pavimento avviene mediante

l'azione della fosfatasi Cdc 25 precedentemente citata, inizialmente inattiva in fase S;

l'attivazione della Cdc 25 è l'ultima azione del complesso ciclina A-chinasi 2, per azione di un

enzima ad attività chinasica chiamato Polo K, che fosforila Cdc 25, attivandolo; la Cdc 25 attiva

rimuoverà solamente i gruppi fosfato del pavimento, determinando l'attivazione della ciclina B,

cioè la ciclina di fase M.

La ciclina di fase M, per prima cosa, inibisce la ciclina precedente di fase S, fosforilandole il

pavimento; viene inibita inoltre la chinasi WEE, sempre per fosforilazione. Successivamente,

vengono attivati gli enzimi idrolitici che demoliscono l'integrità della doppia membrana del

nucleo cellulare. Viene inoltre sintetizzato il secondo complesso di ubiquitinazione, il

complesso di promozione dell'anafase APC. In questo istante, infatti, i cromatidi fratelli sono

tenuti uniti dalle proteine coesine, proteine appartenenti alla stessa famiglia delle condensine,

che polimerizzano per interazione testa-testa della loro struttura coil-coiled, dando origine ad

una particolare struttura a ciambella, nella cui cavità saranno alloggiati i 2 cromatidi; in