Ciclo cellulare e mitosi

Ciclo cellulare

Le cellule eucariotiche, differentemente dalle procariotiche, non si dividono in base alle condizioni ambientali ma seguono le esigenze dell'organismo nel suo complesso, comunicate grazie ai fattori di crescita, ormoni che portano lo specifico segnale di divisione. La divisione eucariotica manifesta una grande complessità, derivante dalla complessità intrinseca del genoma; questo è inoltre associato alle proteine istoniche e non istoniche nella cromatina, aumentando ulteriormente la difficoltà della replicazione. I processi di mitosi e meiosi riguardano esclusivamente la suddivisione del materiale genetico e richiedono una precisione estrema, mentre i processi di citodieresi sono associati alla replicazione degli elementi citoplasmatici e non richiedono precisione: per esempio, se si verifica una divisione non equa di mitocondri, questi possono dividersi per scissione binaria e ripristinare il numero corretto.

Categorie di cellule

• Cellule molto specializzate (cellule nervose, muscolari, eritrociti) che non hanno capacità di dividersi.
• Cellule differenziate che non si dividono normalmente ma possono andare incontro a processi mitogenici in caso di particolari segnali (cellule del fegato, per questo esistono i trapianti per ablazione del lobo epatico tra persone vive in cui il fegato “cresce” per tornare a dimensioni fisiologiche).
• Cellule proliferanti come le cellule staminali che si trovano negli epiteli o quelle del midollo osseo (producono globuli rossi e bianchi) e le cellule germinali.

In proporzione, l’uomo ha più cellule che non si dividono rispetto a quelle che sono in grado di dividersi se non sussistono patologie. Le cellule invecchiano per una senescenza dei mitocondri, data dal danneggiamento del DNA mitocondriale (trascrive per gli enzimi della respirazione cellulare). Una ridotta produzione di ATP non permette il controllo post trascrizionale proteico e la riparazione del DNA dalle mutazioni. Con l’accumulo delle mutazioni si induce l’apoptosi, ovvero la morte cellulare programmata. L’organismo preferisce eliminare le cellule danneggiate rispetto che tenerle vive.

Le mutazioni possono interessare i protooncogeni, geni che regolano il ciclo cellulare, i quali si trasformano in oncogeni. Grazie alla divisione cellulare da una cellula se ne ottengono due. Il processo è massimo durante la fase embrionale e nei cancri. Durante la vita dell’organismo adulto si dividono 25 milioni di cellule al secondo.

Fasi del ciclo di divisione

Il ciclo di divisione è diviso in:

• M: Mitosi
• G1: Fase transizione post mitotica
• S: Sintesi di proteine e DNA
• G2: Fase transizione post sintesi

Le 4 fasi sono ugualmente importanti per il processo di divisione cellulare. Le fasi G non esistono nella prima settimana dello sviluppo embrionale quindi si seguono solo fasi S e M. La fecondazione avviene nella tuba di Falloppio e se l’embrione si sviluppasse eccessivamente nella tuba la donna avrebbe dei problemi. Per questo non sono previste le fasi di accrescimento prima della raggiunta dell’utero dalla blastocisti.

Esperimenti sul ciclo cellulare

Per la scoperta del ciclo cellulare furono fondamentali alcuni esperimenti:

1. Esperimento di Rao e Johnson: della fusione nucleare dimostra l’importanza di tutte e 4 le fasi del ciclo cellulare. Gli scienziati hanno fuso più cellule in fasi di divisione diverse.
   • Fase G1 e S: Quando prendevano una cellula in fase S e la fondevano con una cellula in G1 (post mitotica), entrambi i nuclei entravano in replicazione, quindi in G1 la cellula è sensibile agli input di duplicazione genomica.
   • Fase S e G2: Non succede nulla. La cellula in fase G2 non può effettuare la replicazione perché per ogni ciclo cellulare M, G1, S, G2 può avvenire una sola duplicazione.
   • Fase G1 e G2: Non succede nulla. I due nuclei rimangono fermi.
   • Fase M e G1 o S o G2: Entrambi i nuclei vanno in mitosi.
   Da questo esperimento si è dimostrato che la fusione citoplasmatica permette il passaggio di fattori ciclofase-specifici (proteine) che stimolano entrambi i nuclei.
2. Esperimento di Masui: Forniva agli oociti di rana Pipiens progesterone per stimolare il ciclo cellulare. Inoltre, prelevando del citoplasma da un oocita trattato e inserito ad un altro non trattato e immaturo, quest’ultimo entra nel ciclo cellulare. Il fattore che egli ipotizza esistere nel citoplasma viene chiamato MPF (maturation-promoting factor).
3. Lohka MJ, Hayes MK, Maller JL: Dimostrano che l’MPF non è limitato alle cellule mitotiche ma è presente anche nelle cellule meiotiche. Questo enzima è stato trovato sia negli spermatociti sia negli ovogoni. Maller nota che ad ogni mitosi embrionale la concentrazione di un fattore (proteina) aumenta vertiginosamente, per poi diminuire. Isolato questo fattore MPF è costituito da 2 subunità: ciclina e CDK (chinasi del ciclo). In fase M l’MPF ha concentrazione massima e poi decade. Questa ricaduta è data dalla degradazione della ciclina. Ogni fattore del ciclo è sempre costituito da una chinasi e da una ciclina; quest’ultima viene sintetizzata (attivando il fattore) e poi degradata (silenziamento della chinasi).

Regolazione del ciclo cellulare

L'intera vita della cellula, il ciclo cellulare, è il tempo che intercorre tra la nascita della cellula per divisione e la sua ulteriore mitosi in nuove cellule figlie; si divide, per convenzione, in diverse fasi, elencate in sequenza a partire dalla divisione:

• Fase M, di mitosi vera e propria. Dura all'incirca un'ora.
• Interfase, tra una divisione e l'altra, divisa ulteriormente in sottofase G0, G1, G1/S, G2.

I passaggi da una fase del ciclo all'altra sono regolati da dei complessi formati da una proteina chinasi/ciclina-dipendente, detta Cdk e una ciclina che funge da attivatrice della chinasi. Una volta attivata, il complesso può fosforilare altre proteine che consentono direttamente il passaggio alla fase successiva oppure fungono da fattori di trascrizione per alcune proteine effettrici, e ad ogni passaggio le cicline vengono eliminate da particolari complessi con attività di ubiquitina-ligasi per essere sostituite da quelle che attiveranno le Cdk per il passaggio successivo. Nel particolare:

• G1: cicline D1, 2, 3 e 4 e CDK 4 e 6
• G1/S: ciclina E e CDK 2
• S: ciclina A e CDK 2
• M: ciclina B e CDK 1 (questi due enzimi uniti costituiscono l’MPF)

Nel genoma umano sono stati identificati 21 geni codificanti per le Cdk e 29 geni per le cicline. L’espressione genica delle Cdk rimane invariata nel tempo mentre ciò che varia è l’espressione delle cicline. Ogni Cdk possiede un sito catalitico, un dominio di legame con la ciclina e una funzione specifica nell'attivare e regolare il ciclo cellulare.