La regolazione del ciclo cellulare

LA REGOLAZIONE DEL CICLO CELLULARE

Il ciclo cellulare cioè come si duplica una cellula eucariotica, viene da noi studiato

sotto forma molecolare ovvero come l'interazione delle proteine e molecole regolatrici

di questo processo agiscono insieme. Mutazioni di geni che codificano per le proteine

porta a una disfunzione della regolazione del ciclo cellulare ed è una delle principali

cause del cancro.

La divisione cellulare è alla base di qualsiasi riproduzione:

Nuove cellule hanno origine solamente da altre cellule viventi

 Gli organismi unicellulari si riproducono semplicemente per divisione cellulare

 Gli organismi multicellulari vengono generati per innumerevoli divisioni che

 iniziano da una sola cellula, lo zigote

la divisione cellulare non termina con la formazione dell’organismo maturo (le

 cellule morte o invecchiate vengono rimpiazzate)

Le cellule degli organismi pluricellulari possono uscire più o meno permanentemente

dal ciclo cellulare (fase di quiescenza G ), seppur nel nostro organismo esistono diversi

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tipi di cellule che mostrano diverse capacità riproduttive:

1. Cellule estremamente specializzate non si dividono, una volta differenziate

permangono in tale stadio fino alla morte.

2. Cellule che normalmente non si dividono ma che possono essere indotte alla

divisione da stimoli appropriati (epatociti, in seguito ad epatectomia, linfociti in

seguito ad interazione con l’ antigene specifico )

3. Cellule altamente mitotiche (cellule germinali, cellule staminali epiteliali o del

sangue)

Cellule che proliferano tanto non hanno un'espressione fenotipica competa. Se si ha

uno stimolo mitogenico non fisiologico si può incorrere ad una repressione del

controllo della differenziazione.

Una cellula può andare incontro ad un solo ciclo cellulare, che è una serie ordinata di

eventi, divisa, per comodità di studio in una interfase e una fase M (mitosi

propriamente detta). Queste fasi prevedono il compattamento della cromatina in

cromosomi, la dissoluzione della membrana nucleare, la separazione dei cromatidi

fratelli, la citodieresi con la riformazione dell'involucro nucleare.

l'interfase è divisa in

Fase G1 di preparazione alla sintesi

 Fase S di sintesi

 Fase G2 di preparazione alla mitosi



La durata complessiva può variare, nell'uomo è di circa 24 ore.

Una cellula che è fermo dal punto di vista proliferativo è ferma nella fase G1, quindi

esce del cellulare andando in una fase detta quiescente o G0.

Se una cellula ha le caratteristiche della fase S o fase G2 deve obbligatoriamente

dividersi.

Attività di sintesi del ciclo cellulare:

Sintesi di RNA e proteine è attiva nella fase G1, e ferma nelle altre fasi, in

 quanto il DNA è impegnato a fare altro. l'unica eccezione è rappresentata dalle

proteine istoniche, in quanto hanno un ruolo nella compattazione del DNA in

cromatina. Quindi la trascrizione e la traduzione sono attività finemente regolata.

Esperimenti che hanno portato alla comprensione della genetica e dei prodotti dei geni

della regolazione del ciclo, lo studio su organismi semplici, quali Lievito e ovociti di

anfibio hanno semplificato la traslazione da questi organismi all'uomo.

Uno dei primi esperimenti che ha fatto capire che ci sono degli elementi diffusibili che

inducono il passaggio da una fase all'altra del ciclo cellulare tramite fusione di cellule

in coltura che si trovavano in fasi diverse del ciclo cellulare. Questa fusione

determinava il condizionamento di una cellula a opera dell'altra in modo tale da

portarla alla stessa fase, tramite la diffusione di elementi.

Ritaglio schermata acquisito: 06/05/2019 09:44

Il ciclo cellulare è unidirezionale: il condizionamento delle cellule non riporta la cellula

in una fase precedente del ciclo.

Studi per mezzo della funzione = esistenza di elementi diffusibili in grado di

condizionare il ciclo cellulare e l'unidirezionalità del ciclo

Gli studi più importanti però sono quelli fatti sul lievito.

Lo strumento cellulare utile a questo esperimento non è stato il lievito wild type, ma il

mutante temperatura sensibili, che esprimono il fenotipo mutato solo a determinate

temperatura.

Cosa succede se si passa da una temperatura permissiva (fenotipo selvatico) a una

temperatura restrittiva (fenotipo mutato)?

Il fenotipo mutato blocca il ciclo cellulare.

A cellule normali (o mutanti a TS a T permissiva) in varie fasi del ciclo. (B) cellule mutate a t non

permissive con ciclo bloccato: mutanti cdc.

Il passaggio successivo è capire quali sono questi geni grazie una libreria di cDNA di

lieviti selvatici per complementazione.

Cellule mutate a T permissiva → trasfezione con libreria plasmidica di DNA di lievito

normale → semina dei lieviti trasfettati e coltura a T non permissiva →isolamento dei

cloni che hanno complementato la mutazione →isolamento del plasmide e quindi del

gene normale.

Per analogia di sequenza sono stati trovati nel genoma umano geni regolatori del ciclo

cellulare: geni oncosoppressori e oncogeni.

Studi di biochimica su ovociti di rana→ quali sono e come funzionano i prodotti proteici

del ciclo cellulare

Gli ovociti di rana rimangono bloccati in G2 della prima divisione meiotica fino a che

non arriva uno stimolo ormonale a carico del progesterone, portando alla formazione

di un uovo maturo che può fecondare.

Iniettando in un ovocita bloccato in fase G2 della prima divisione meiotica il

citoplasma di un ovocita non bloccato in questa fase (che ha già subito uno stimolo

progestinico), indipendentemente da un ulteriore stimolo del progesterone, c'è un

fattore diffusibile che promuove il ciclo cellulare chiamato MPF (fattore che promuove

la maturazione, in seguito la m diventò mitosi, in quanto quel fattore diffusibile si

ritrova in altre cellule). Gli esperimenti successivi prevedevano l'iniezione del

citoplasma di cellule somatiche di mammifero bloccate in fase M, col risultato che

anche esse promuovevano la maturazione dell'ovocita. Quindi lo stesso esperimento

fu sottoposto tra due cellule di mammifero con lo stesso risultato.

Studi biochimici hanno permesso l'isolamento e lo studio dell'MPF. l'MPF è un

importante complesso proteico formato da due subunità: una catalitica, quindi con

funzione enzimatica costituita dalla chinasi ciclina dipendente e una subunità

regolatrice della subunità catalitica, costituta dalla ciclina.

Come fa un eterodimero a seguire l'andamento del ciclo cellulare ?

l'andamento ciclico del complesso MPF è dato da:

La funzione enzimatica del complesso, attività chinasica (fosforilazione di un

 substrato), che fluttua durante il ciclo cellulare

La concentrazione della componente regolativa (ciclina) che fluttua con il ciclo

 cellulare

Le fluttuazioni della ciclina coincidono con quelle dell'attività ciclica

 La concentrazione della CdK è costante durante tutto il ciclo



La concentrazione della ciclina è controllata attraverso un processo di degradazione:

la degradazione controllata delle cicline (che vengono sempre prodotte) è l'elemento

regolatore del ciclo.

Le cicline rappresentano le subunità ciclicamente degradate. Le CdK sono le subunità

ciclicamente attivate.

Il complesso proteico APC ( complesso che promuove l'anafase) media la

poliubiquitinazione della ciclina mitotica B, funzionando come uniquitina-ligasi, e

quindi l'uscita dalla mitosi. La specificità di questa azione è determinata dal cofattore

Cdh1.

Il complesso ciclina cdk di fase M controlla negativamente se stesso, fosforilando

l'APC, che si attiverà e andrà ad attaccare ubiquitina alla ciclina promuovendo la sua

degradazione. Subisce un controllo negativo su se stesso.

La ciclina mitotica B è sintetizzata continuamente durante il ciclo cellulare: la sua

oscillazione è controllata solo dalla degradazione.

La ciclina B viene poliubiquinata da APC dando così inizio alla fase G1 avanzata

quando la sua diminuzione permette un nuovo aumento del livello di ciclina B

e quindi dell’attività MPF necessaria ad un nuovo ciclo mitotico.

Se il complesso APC è fosforilato e quindi attivato ha due possibili molecole da

ubiquitina a seconda del cofattore a cui è legato che favorisce il legame questa o

quella molecola aumentandone l'affinità. Se ad APC è legato il cofattore cdc20

ubiquitina un'altra proteina la securina (Pds1) che porta alla attivazione della separasi

(una proteasi che digerisce le coesine essenziali proteine del fuso mitotico) che porta

alla degradazione della coesina Scc1 che promuove a sua volta la separazione dei

cromatidi fratelli all'inizio dell'anafase. Per questa funzione è necessario il cofattore

cdc20 (un'altra di quelle proteina identificata grazie ai mutanti temperatura sensibili di

lievito),

-APC è substrato dell’attività chinasica di CycB/Cdk1.

-APC fosforilato in alcune sue subunità si lega a Cdc20 e degrada la securina

innescando l’anafase.

-Cdc20 è sostituito da Cdh1 che comincia a degradare la ciclina B per l’uscita dalla

mitosi.

-APC/Cdh1 previene l’accumulo della ciclina B in tutta la fase G1.

-APC/Cdh1 viene inattivato all’inizio della fase S permettendo così un nuovo accumulo

di ciclina B

Il modello di controllo del ciclo cellulare in cellule di mammifero prevede diverse

combinazioni di varie cicline e varie Cdk.

I metodi per regolare i complessi ciclina cdk sono molteplici: principalmente

descriviamo quattro meccanismi molecolari.

Il legame della ciclina è necessario ma non sufficiente affinché il complesso funzioni:

devono essere presenti sulla cdk specifiche fosforilazioni attivanti da altre chinasi.

La dissociazione con la ciclina è favorita dalla sua degradazione, dalla associazione

con inibitori di CdK (CKI) e dalla fosforilazione inibitoria di altre specifiche porzione

della CdK.

Tutto questo è controllato da altre proteine regolatorie in un perfetto equilibrio.

Cdc25= fosfatasi che toglie il fosfato inibitore = oncogene

Wee1= chinasi che fosforila il fosfato inibitore = oncosoppressori

Sunto della lezione precedente

Abbiamo visto grazie agli esperimenti come i geni che codificano per molte proteine

che regolano diversi processi, come il ciclo cellulare degli eucarioti, sono

estremamente conservati anche nella sequenza nucleotidica, come l'etero dimero

formato da una subunità regolatrice (ciclina, chiamata così per i suoi picchi regolari

durante la regolazione del ciclo) e una subunità catalitica, una chinasi ciclina

dipendente (CdK). Seppure la ciclina svolge un ru