Biologia Molecolare - Il ciclo cellulare

EUCARIOTI

La complessità dell'organizzazione del genoma e il numero di molecole di DNA da dividere (che

può essere anche molto grande) porta ad una complessità enorme del processo di divisione nucleare

e quindi dividere il nucleo diventa un processo tutt'altro che un qualcosa di banale e semplice.

Questo processo deve avvenire in maniera perfetta, non ci devono essere errori e quindi ci deve

essere un numero molto alto di controlli in modo tale che il genoma che si è precedentemente

replicato possa essere correttamente diviso alle cellule figlie senza alcun errore. Se ci sono errori a

livello di segregazione del materiale genetico le conseguenze possono essere molto gravi: possono

essere incompatibili con la vita della cellula o si possono formare aberrazioni cromosomiche che

possono portare alla formazione di cellule tumorali. Le cellule eucariotiche non si dividono

continuamente come le cellule procariotiche: i segnali per la divisione cellulare non sono correlati

con l'ambiente esterno di una singola cellula, ma con i fabbisogni dell'intero organismo. Gli

eucarioti contengono numerosi cromosomi per cui i processi della replicazione e segregazione del

DNA sono molto più complessi. Le cellule eucariotiche hanno un nucleo che deve essere suddiviso

in due nuclei figli ciascuno contenente un identico corredo cromosomico. Una volta diviso il nucleo

la citodieresi è una fase separata che divide il citoplasma e tutto ciò che in esso è contenuto. Mentre

ciò che è contenuto nel nucleo deve essere diviso in maniera perfetta, ciò che è contenuto nel

citoplasma può essere diviso anche in maniera meno controllata dal momento che gli organuli

(mitocondri, ribosomi, reticolo endoplasmatico, l'apparato di Golgi ecc) possono tranquillamente

essere riformati. Per la citodieresi non c'è un meccanismo complesso come per la divisione del

nucleo.

Per quanto riguarda la capacità di dividersi delle cellule, si possono individuare 3 categorie:

1. cellule che hanno perso la capacità di dividersi (in seguito a differenziamento) e che

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posseggono una estrema specializzazione strutturale (cellule neuronali e cellule muscolari)

2. cellule che normalmente non si dividono ma che possono farlo in seguito ad un appropriato

stimolo; escono dal ciclo cellulare e in seguito sono in grado di rientrarci (cellule del fegato)

3. cellule che possiedono normalmente un livello relativamente alto di attività mitotica

(spermatogoni, cellule epiteliali, cellule staminali ematopoietiche). Hanno la capacità di

dividersi un numero variabile di volte che dipende dai telomeri (orologio interno che regola

la divisione di questi tipi cellulari).

Per ciclo cellulare si intende l'insieme di tutti quegli eventi che si verificano da quando la cellula si

forma a quando la cellula si divide a formare due cellule figlie: rappresenta l'intera vita della cellula.

Il ciclo cellulare viene diviso in due grandi momenti: DIVISIONE MITOTICA (Fase M), in cui la

cellula divide il suo nucleo, e in INTERFASE (intervallo tra due divisioni mitotiche). La divisione

mitotica dura circa un'ora mentre l'interfase è molto variabile dal punto di vista temporale.

L'interfase si divide in 3 sottofasi : G1 (“G” sta per “gap”; intervallo G1), Fase S e G2 (intervallo

G2). L'intervallo G1 separa la Fase M dalla Fase S mentre l'intervallo G2 separa la Fase S dalla

Fase M. L'interfase può essere variabile a livello temporale ci sono cellule che non si dividono più e

si dice che escono dal ciclo cellulare e rimangono in fase G1 che è molto lunga e a volte non

possono neanche rientrare e viene definita fase G0 e quindi quando si parla di fase G0 si intende

una cellula differenziata che è rimasta bloccata in fase G1 e che molto probabilmente non tornerà

più nel ciclo oppure quelle cellule che sono uscite dal ciclo (perchè non si dividono più) ma

rientreranno solo dopo determinati stimoli (cellule del fegato). La fase G1 è una fase di transizione

tra la fase M e la fase S. Nella fase S avvengono tutti gli eventi di replicazione del DNA. Nella fase

G2 la cellula si prepara, una volta che il suo materiale genetico è stato duplicato e controllato nella

fase S, alla divisione mitotica e comincia a sintetizzare le proteine che serviranno poi durante la

divisione mitotica. Mentre la fase M a livello temporale rappresenta la minima parte dell'intero ciclo

cellulare, l'interfase è molto più lunga e il tempo è molto variabile da una cellula all'altra.

Questo ciclo cellulare ha dei momenti in cui avvengono dei controlli ben precisi che si dicono

PUNTI DI CONTROLLO DEL CICLO CELLULARE e sono principalmente 3. Un punto di

controllo è tra la fase G1 e la fase S, uno tra la fase G2 e la fase M e uno verso la fine della fase M. i

punti di controllo vengono indicati come: Ingresso in S (controlla che la cellula possa entrare nella

fase S), il secondo controlla che ci siano le condizioni per cui la cellula possa entrare in fase M e il

punto di controllo della fase mitotica controlla che i cromatidi dei cromosomi siano stati agganciati

bene alle fibre del fuso e quindi che la segregazione sia avvenuta in maniera corretta e la cellula

possa passare alla citodieresi. Il punto di controllo più importante è il primo e viene chiamato

PUNTO DI RESTRIZIONE ed è un momento della cellula in cui si controlla che ci siano tutte le

condizioni affinchè la cellula possa andare incontro a divisione cellulare. Se queste condizioni ci

sono, superato questo punto, la cellula non può più tornare indietro e deve soltanto andare avanti e

dividere il proprio nucleo. Se accade qualche evento catastrofico la cosa migliore che può fare la

cellula è andare incontro ad apoptosi: morte fisiologica della cellula, “morte pulita” perchè la

cellula non si lisa e quindi non c'è infiammazione. Se la cellula supera il punto di restrizione e si

danneggia il DNA (a causa di agenti esterni; il danno più grave in assoluto è la rottura del doppio

filamento ed è difficile da risolvere (e infatti per i danni apportati dai raggi UV ci sono dei sistemi

appositi: sistema di escissione nucleotidica) i danni per le rotture al doppio filamento sono più

complessi e se le rotture del doppio filamento sono tante la cellula non riesce a ripararle tutte) e

quindi la cellula muore per apoptosi (è l'ultima possibilità ma impedisce alla cellula di andare avanti

nella divisione e dare origine a cellule tumorali e metastatiche). Il secondo punto (punto di controllo

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in G2) è un punto in cui si controlla l'integrità del DNA (controlla se esso è stato completamente e

correttamente replicato). L'ultimo punto di controllo verifica se tutti i cromosomi sono legati

correttamente alle fibre del fuso; se c'è qualche cromatidio che non è stato legato correttamente, la

cellula aspetta che tutti siano agganciati correttamente. I punti di controllo rappresentano delle

pause all'interno del ciclo che servono a verificare le condizioni ottimali per poter andare avanti.

Il ciclo cellulare è stato studiato inizialmente studiato negli organismi

pluricellulari più semplici, principalmente nei lieviti (Saccaromisiae pombe,

soprattutto, e Saccaromisiae cervisiae). Dagli organismi semplici a quelli più

complessi si è visto che il meccanismo è molto più complesso e che le

proteine implicate nel controllo del ciclo cellulare sono molte di più. I punti di

controllo sono momenti in cui le proteine vanno a regolare e controllare lo

svolgersi del ciclo cellulare.

Le prime proteine che sono state identificate e svolgono una funzione chiave

nel ciclo cellulare sono state chiamate COMPLESSO MPF (Mythosis

Promoting Factor-FATTORE CHE PROMUOVE LA MITOSI). Questo

fattore è costituito da due elementi: chinasi ciclina dipendente (CdK) e una

ciclina. Le chinasi ciclina dipendenti sono in grado di fosforilare altre proteine

e sono attive solo quando sono legate alla ciclina altrimenti non sono in

condizione di agire. L'attività di questo complesso è fondamentale per il passaggio dall'interfase

alla fase mitotica. Si è osservato che poco prima e durante la mitosi era attivo questo complesso e

quindi c'era una correlazione tra l'attività di questo complesso e la fase mitotica. Si è visto che le

cicline venivano prodotte un po' prima rispetto all'attivazione del complesso ed erano necessari dei

cicli di produzione di queste cicline che servivano a far avanzare e concludere il ciclo cellulare.

Studi ulteriori hanno evidenziato che solo nel Saccaromisiae pombe c'è una sola chinasi ciclina

dipendente che è stata chiamata cdc2 e due classi di cicline (cicline G1 e cicline mitotiche). Le

cicline G1 si uniscono alla cdc2, la attivano e formano un complesso importante per il punto di

restrizione (per il passaggio da fase G1 a fase S). Dopo la fase S, nella fase G2, le cicline G1

vengono degradate da un proteasoma e si iniziano a produrre (già inizia in fase S) le cicline

mitotiche che sono in grado di legarsi con cdc2 e la rendono attiva verso altre proteine.

Quali sono le proteine bersaglio del primo complesso e quali quelli del secondo attivo in fase

G2? Essendo un complesso chinasico, esso fosforila altre proteine che possono essere fattori di

trascrizione che, in seguito a fosforilazione, si vanno ad attivare e si vanno a legare ai promotori dei

geni che codificano per quelle proteine che saranno necessarie in fase S (DNA polimerasi, proteine

coinvolte nella replicazione del DNA o altri istoni) o altre proteine fondamentali per la regolazione

della fase successiva del ciclo (complessi ubiquitina-ligasi che permetteranno la demolizione delle

cicline nella fase successiva). Questa regolazione del ciclo cellulare del Saccaromisiae pombe è

molto semplificata rispetto a quella degli eucarioti superiori (che è più complessa ma segue lo

stesso principio di base).

Quando un complesso ciclina-CdK è attivo, fosforila tutta una serie di proteine effettrici che

fosforilandosi si attivano permettendo alla cellula di passare alla fase successiva del ciclo cellulare.

Ciò vuol dire che queste proteine possono essere a loro volta delle chinasi -che possono andare a

fosforilare altre proteine che possono essere fattori di trascrizione- oppure sono esse stesse fattori di

trascrizione. Questo meccanismo di Saccaromisiae pombe è molto semplificato del controllo del

ciclo cellulare in cui c'è una sola CdK (indicata in rosso nella figura) delle cicline G1 che si legano

alla chinasi cdc2 nella fase G1 e sono determinanti per l'entrata nella fase S. Durante la fase S e

4 Di 10 all'inizio della fase G2 si forma un

complesso che si chiama complesso

SCF che porter&agrav