Transcript 23) ciclo cellulare.pptx

12/12/16
CICLO CELLULARE
Le cellule si riproducono svolgendo una sequenza
ordinata di eventi in cui duplicano il loro contenuto e poi
si dividono in due cellule figlie, per cui tutte le cellule
derivano da altre cellule. Questo ciclo di duplicazione e
divisione prende il nome di CICLO CELLULARE
CICLO CELLULARE
BIOTECNOLOGIE
12/12/16
FASI DEL CICLO CELLULARE
NELLE SPECIE UNICELLULARI
come batteri e lieviti, ciascuna
divisione cellulare produce un nuovo
organismo completo.
NELLE SPECIE PLURICELLULARI,
lunghe e complesse sequenze di
divisioni cellulari
sono necessarie
per produrre un nuovo organismo.
Anche nell adulto le divisioni
cellulari sono, di solito, necessarie
per sost i t ui r e le cellule che
muoiono.
12/12/16
Fasi del ciclo cellulare:
Il ciclo cellulare comprende DUE GRANDI FASI: la FASE
M, durante la quale la cellula si divide in due cellule figlie e
l INTERFASE che comprende il tempo che intercorre tra due
fasi M, cioè fra una divisione cellulare e la successiva.
L INTERFASE non rappresenta, un lungo periodo di riposo più
o meno lungo della cellula (necessario per aumentare il suo
volume), ma un periodo di delicati processi di preparazione
alla divisione.
L interfase comprende TRE STADI:
- stadio G1 (GAP 1)
- stadio S (SINTESI DNA)
- stadio G2 (GAP 2)
3
Lo stadio G1 è quello che occupa la maggior
parte della durata di tutto il ciclo cellulare.
Durante l interfase si ha l accrescimento e la divisione dei
componenti cellulari.
12/12/16
4
Dopo la fase M in cui si sono avute la Mitosi e la
Citochinesi le cellule figlie entrano nuovamente
nell interfase che inizia con lo stadio G1 durante la
quale riprendono a velocità elevata le attività
biosintetiche della cellula.
Esso termina nel momento in cui inizia la fase
S di sintesi del DNA.
Dopo la replicazione di tutto il DNA e cioè
dopo che tutti i cromosomi sono stati
duplicati in due cromatidi , perfettamente
uguali cromatidi fratelli , , la cellula entra
nello stadio G2
per un breve periodo di
tempo, al termine del quale inizia la mitosi.
12/12/16
2
In G1 vengono sintetizzate tutte le proteine, i
carboidrati, i lipidi della cellula e sintetizzati gli
organuli.
Nello stadio G2 i cromosomi si condensano (sono
visibili al microscopio ottico), avviene la
duplicazione dei centrioli.
5
12/12/16
6
1
12/12/16
La durata totale del ciclo può
variare da alcune ore ad anni a
seconda della cellula.
L interfase occupa circa il
90% del tempo.
La fase M
dura circa
1-2 h.
12/12/16
7
G0
Nella fase G0 le
cellule sono non
proliferanti in uno stato
di quiescenza che può
essere reversibile o
meno a seconda dei casi.
12/12/16
Table 18-1 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)
Durante tutto il ciclo e
soprattutto durante la
8
FASE G1 - FASE G0
fase G1 le
cellule
accrescono le proprie
dimensioni fino ad
arrivare alla divisione.
La fase G1 è importante per il controllo dell ambiente intra – ed
extracellulare. La sua lunghezza può variare molto in funzione
delle condizioni esterne e dei segnali che provengono da altre
cellule.
Se le condizioni non sono favorevoli, le cellule possono ritardare
molto questa fase e possono anche entrare in uno stato di riposo
specializzato: fase G0 in cui possono rimanere per giorni, mesi,
anni prima di riprendere la proliferazione cellulare.
Molte cellule rimangono permanentemente in G0 fino alla morte
dell organismo. Si tratta p.e. delle cellule del muscolo
scheletrico (il loro sistema di controllo del ciclo cellulare è stato
smantellato, i relativi geni (cicline – CDK) sono spenti
permanentemente, la divisione cellulare non avviene mai.
Altre cellule , p.e. epatiche, sono in G0 ma possono essere
stimolate, se il fegato è danneggiato, a dividersi.
12/12/16
9
12/12/16
10
CARIOTIPO UMANO (2N)
IN CHE MODO SI PUO
STABILIRE LO STADIO DEL
CICLO CELLULARE IN CUI SI
TROVA UNA CELLULA?
CROMOSOMI OMOLOGHI: SONO DIVERSI, UNO DI
DERIVAZIONE MATERNA, UNO DI DERIVAZIONE PATERNA
MISURA DEL CONTENUTO DI DNA.
SI TRATTANO
LE CELLULE CON MOLECOLE
CHE DIVENTANO FLUORESCENTI QUANDO
LEGATE AL DNA. LE FLUORESCENZA VIENE
RILEVATA DAL CITOFLUORIMETRO
12/12/16
11
12/12/16
12
2
12/12/16
Quando una cellula deve dividersi , duplica il proprio DNA e
quindi i cromosomi diventano così:
Cioè ciascun cromosoma omologo diventa a farfalla ,
formato da due cromatidi che sono IDENTICI xchè derivano
dalla duplicazione del DNA. Questi cromatidi si chiamano
FRATELLI
12/12/16
13
Untreated
12/12/16
cells
Una popolazione NON sincronizzata di cellule in crescita
quando trattata con DAPI presenta una distribuzione bimodale.
Quindi la misura della quantità del DNA delle cellule della
popolazione dà indicazioni sulla distribuzione delle cellule nelle
diverse fasi del ciclo cellulare.
12/12/16
14
12/12/16
16
Treated cells
15
FASE G1 - FASE G0
Contenuto di DNA cromosomico (C) umano durante il ciclo cellulare
In presenza di MITOGENI
(fattori di crescita)
molecole segnale
extracellulare, che possono
stimolare la cellula a
crescere e proliferare, la
cellula procede nel ciclo
cellulare verso la fase S.
Se le condizioni sono
favorevoli, le cellule in G1 o
G0, progrediscono
attraverso un punto di
impegno vicino alla fine di
G1 detto START (nei lieviti)
o PUNTO DI RESTRIZIONE
(nei mammiferi). Superato
questo punto, anche se i
segnali extracellulari che
stimolano la crescita e la
divisione cellulare vengono
rimossi, le cellule sono
impegnate nella replicazione
del DNA (S).
Quindi non bastano i nutrienti per la proliferazione
cellulare, ma occorrono specifici segnali extracellulari
12/12/16
18
3
12/12/16
Sistema di controllo
del ciclo cellulare
Deve coordinare crescita e
divisione cellulare con
segnali di origine
interna ed esterna.
start
Punti di controllo
(checkpoint)
del ciclo
cellulare:
Per lo start nei
mammiferi sono
importanti segnali
extracellulari:
MITOGENI
12/12/16
1)  Passaggio G1/S
2)  Passaggio G2/M
19
12/12/16
20
Sistema di controllo del ciclo
cellulare
Le cellula deve controllare e coordinare
due insiemi di proteine:
•  Quelle deputate a fabbricare i nuovi
componenti della cellula
•  Quelle deputate a distribuirle
correttamente tra le due cellule
12/12/16
Il ciclo cellulare è sotto il controllo di
segnali chimici presenti nel citoplasma
21
The Nobel Prize in Physiology - Medicine 2001
The Nobel Assembly at Karolinska Institutet
has awarded the Nobel Prize in Physiology
or Medicine jointly to Leland Hartwell,
Tim Hunt and Paul Nurse for their
discoveries of "key
regulators
of the cell cycle". Using genetic
and biochemical methods, they identified
the molecules CDK and cyclin that control
the cell cycle in eukaryotic organisms.
These fundamental discoveries have a
profound impact on many aspects of
biology and medicine.
12/12/16
http://www.nobelprize.org/
CDK and cyclin are key molecules that control
and coordinate DNA-synthesis, chromosome
separation and cell division. CDK and cyclin
together drive the cell from one cell cycle
23
phase to the next.
12/12/16
22
Un modo per regolare l attivita delle proteine
consiste nella FOSFORILAZIONE (effettuata da
proteine CHINASI) e nella
DEFOSFORILAZIONE (effettuata da proteine
FOSFATASI) .
Cuore del sistema di controllo del ciclo cellulare
è una famiglia di proteine CHINASI (in grado
di fosforilare specifiche proteine) note come
CHINASI DIPENDENTI DA CICLINA (CDK).
Es. Un aumento dell attività di Cdk all inizio della mitosi
porta all aumentata fosforilazione di proteine che
controllano gli eventi della mitosi (condensazione dei
cromosomi, demolizione dell involucro nucleare…..)
12/12/16
24
4
12/12/16
Come viene regolata l attività
delle CHINASI DIPENDENTI DA
CICLINA (CDK)?
Le Cdk sono
strettamente
dipendenti dalle
cicline per la loro
attività: hanno
attività chinasica,
quindi possono
fosforilare le
proteine bersaglio,
solo se sono
strettamente legate
ad una ciclina
Le proteine fondamentali per la
regolazione delle Cdk sono le
CICLINE, anche se esistono
numerosi altri enzimi e proteine
coinvolti in questo processo
12/12/16
25
12/12/16
26
Ci sono QUATTRO CLASSI DI CICLINE, ciascuna
definita dallo stadio del ciclo cellulare in cui si
lega alla Cdk e svolge la sua funzione
Tre di queste classi sono NECESSARIE IN
TUTTE LE CELLULE EUCARIOTICHE:
le cicline G1/S
le cicline S
le cicline M
Nelle cellule di lievito una singola Cdk lega tutte
le cicline, cambiando ciclina partner a stadi
diversi del ciclo.
Nei vertebrati ci sono quattro Cdk diverse.
Nella maggior parte delle cellule, una quarta
classe di cicline, le cicline G1, aiutano a
promuovere il passaggio attraverso lo Start o il
punto di restrizione alla fine di G1.
12/12/16
Ciascun complesso ciclina-Cdk fosforila una serie
diversa di proteine-substrato.
27
12/12/16
28
Come si degradano le cicline
Mentre i livelli di Cdk sono costanti nel ciclo
cellulare, le cicline subiscono un ciclo di sintesi
e degradazione durante ogni ciclo cellulare.
Due proteine UBIQUITINA LIGASI sono
importanti nella distruzione delle cicline.
12/12/16
29
12/12/16
30
5
12/12/16
I complessi ciclina-Cdk sono
completamente attivi dopo che le Cdk
sono state fosforilate da CHINASI CHE
ATTIVANO LE CDK (CAK)
12/12/16
31
12/12/16
32
PROTEINE INIBITRICI DELLE CDK (CKI)
stop
Il controllo puo avvenire in varie fasi del
ciclo cellulare. Questo puo essere bloccato
in risposta a vari segnali grazie
all intervento di PROTEINE INIBITRICI
DELLE CDK (CKI)
12/12/16
33
12/12/16
34
ATTIVAZIONE DI M-CDK MEDIANTE FEEDBACK POSITIVO
12/12/16
35
12/12/16
36
6
12/12/16
I RECETTORI TIROSIN CHINASICI ATTIVANO
LA PROTEINA RAS
(proteina monomerica che lega il GTP)
Anche G1/S-Cdk e G1-Cdk
12/12/16
37
12/12/16
38
39
12/12/16
40
41
12/12/16
42
FATTORI TRASCRIZIONALI
12/12/16
Meccanismi che controllano l inizio della fase S
nelle cellule animali
Il controllo G1 / inizio S è alterato spesso in cellule
cancerose portando ad una proliferazione incontrollata.
Regolazione G1-CDK nei mammiferi mediata da un
fattore trascrizionale E2F, che si lega al DNA nel
promotore di geni target e attiva l espressione di geni
tra cui quelli per le cicline G1/S e S.
La funzione di E2F è controllata dalla proteina
retinoblastoma (Rb), un inibitore della progressione del
ciclo cellulare.
In G1, Rb si lega ad E2F e blocca la trascrizione dei geni
target.
Se le cellule sono stimolate a dividersi da segnali
extracellulari, G1-CDK si attiva, fosforila Rb riducendo
l affinità di binding per E2F, attivando i geni per la fase
S.
12/12/16
7
12/12/16
L inizio della replicazione del DNA una sola
volta per ciclo cellulare
Il danno al DNA arresta il ciclo cellulare
Il danno al DNA può bloccare il ciclo cellulare sia in G1
che in G2.
Nei mammiferi, se il DNA è danneggiato, in G1 viene
attivato un fattore trascrizionale: p53, che stimola la
trascrizione di molti geni target.
Uno di questi geni codifica una proteina CKI detta p21
che si lega a G1/S-CDK e S-CDK inibendone l attività.
Nelle cellule non danneggiate, p53 è presente a livelli
bassi perché interagisce con Mdm2, una ubiquitina ligasi,
e viene quindi degradata nel proteasoma.
Il danno al DNA attiva delle proteine chinasi che
fosforilano p53 riducendo l affinità di binding per Mdm2.
Ciò fa diminuire la degradazione di p53 ,
attivazione di p21, blocco di G1/S-CDK e S-CDK,
blocco del ciclo cellulare
12/12/16
43
12/12/16
44
12/12/16
45
12/12/16
46
P53: IL GUARDIANO DEL GENOMA
12/12/16
47
12/12/16
48
8
12/12/16
P53: IL GUARDIANO DEL GENOMA
• p53 è un potente fattore di trascrizione.
UNICELLULARI: arresto
temporaneo del ciclo
cellulare
• p53 regola l espressione di oltre 300
geni.
PLURICELLULARI: le cellule vanno incontro a
MORTE CELLULARE PROGRAMMATA o
APOPTOSI. Questa decisione dipende
dall attivazione di p53 ed è questa funzione di
p53 che sembra essere importante come
protezione contro il cancro
• p53 è una proteina nucleare di 55kDa
12/12/16
Cosa succede se il DNA è molto
danneggiato da non poter essere
riparato?
49
12/12/16
50
APOPTOSI
In un organismo cellulare le cellule fanno
parte di una comunità. Quando non sono più
necessarie si suicidano fenomeno definito
morte cellulare programmata
o
apoptosi.
Si tratta di un processo attivo che richiede
energia, trascrizione genica e sintesi proteica e
risulta dal bilancio tra i segnali di morte e di
sopravvivenza.
APOPTOSI
A cosa serve l apoptosi?
12/12/16
51
12/12/16
52
Le cellule che subiscono un danneggiamento
esplodono, rilasciando i loro componenti cellulari e
causando spesso infiammazione:parliamo allora di
1)  Rimodellare le strutture dell organismo
Es. formazione delle zampe di Mus musculus
necrosi cellulare
2)  Eliminare strutture non più utili
Nell apoptosi le cellula muore in modo pulito . Si
frammenta il suo DNA e il citoscheletro collassa. La
sua membrana cellulare cambia l asimmetria
(esternalizzazione della fosfatidilserina) e attira i
macrofagi che la fagocitano.
Es. coda del girino (Pelophylax esculentus)
12/12/16
53
12/12/16
54
9
12/12/16
L apoptosi può essere innescata tramite due vie:
la VIA ESTRINSECA o recettoriale e la VIA
INTRINSECA o mitocondriale
12/12/16
55
Il doppio strato lipidico ha composizione asimmetrica
che differisce a seconda del tipo di membrana
Per quanto riguarda le caratteristiche biochimiche, la morte
programmata è caratterizzata dall esternalizzazione della
fosfatidilserina ad opera della flippasi e dall attivazione di enzimi
come le caspasi, proteasi iniziatrici ed effettrici, attivate in
seguito ad auto-clivaggio e responsabili, a loro volta, del
12/12/16 di substrati a valle
56
clivaggio
ESTERNALIZZAZIONE DELLA FOSFATIDILSERINA
12/12/16
57
12/12/16
58
59
12/12/16
60
L apoptosi è
mediata dalla
cascata
proteolitica
autoamplificante
di proteasi
chiamate
caspasi. E
necessario lo
stretto controllo
di questa cascata
essendo i suoi
effetti
irreversibili.
12/12/16
10
12/12/16
Le caspasi, oltre a degradare direttamente le proteine del
citoscheletro, attivano una DNasi citoplasmatica che
produce una caratteristica frammentazione del DNA:
PROFILO A SCALETTA
12/12/16
61
I tumori sono malattie genetiche
Differiscono dalle altre malattie genetiche perché sono causati
principalmente da mutazioni somatiche, che colpiscono singole
cellule in un organismo a completo sviluppo. Quasi tutti gli agenti
identificati come coresponsabili del cancro sono MUTAGENI.
12/12/16
GENI CHE REGOLANO LA DIVISIONE
CELLULARE
Quasi tutti i
tumori umani non
solo contengono
molte mutazioni
ma sono anche
INSTABILI
GENETICAMENTE:
mutazioni che
interferiscono con
una replicazione
accurata del
genoma.
12/12/16
63
Ø Geni il cui prodotto
proteico promuove
un aumento del
numero di cellule
(oncogeni)
Oncogeni
= acceleratori
Ø Geni il cui prodotto
proteico induce una
riduzione del numero
di cellule
(oncosoppressori).
Oncosoppressori
= freni
12/12/16
64
ONCOSOPPRESSORI: DEFINIZIONE
Mutazioni, modificazioni epigenetiche
ONCOGENI
Proto-ONCOGENI
ATTIVATI
62
Geni che, attraverso alterazioni genetiche, subiscono
una perdita di funzione. Agiscono quindi in maniera
recessiva (un singolo allele non e’ capace di produrre
l’effetto oncogenico). La maggior parte di questi geni
codifica per proteine coinvolte in vari meccanismi di
controllo della crescita e della sopravvivenza cellulare
ONCOSOPPRESSORI
Trasformazione neoplastica
12/12/16
65
12/12/16
66
11
12/12/16
PROTO ONCOGENI E GENI
ONCOSOPPRESSORI
MUTAZIONI DOMINANTI (RAS)
Si ritiene che gli oncogeni sono tutti quei geni che, attraverso un
guadagno di funzione, a seguito di mutazioni
attivanti,contribuiscono alla trasformazione e progressione
neoplastica. Il contributo agli stessi fenomeni da parte dei geni
oncosoppressori si realizza mediante una perdita di funzione, a
seguito di mutazioni inattivanti.
12/12/16
67
MUTAZIONI RECESSIVE (p53-Rb)
12/12/16
68
UN ESEMPIO DI
ONCOSOPPRESSORE: p53
TUTTI I RECETTORI TIROSIN CHINASICI
ATTIVANO LA PROTEINA RAS
(proteina monomerica che lega il GTP)
Circa il 95% dei tumori
presenta mutazioni nella
molecola p53
12/12/16
69
12/12/16
70
P53: IL GUARDIANO DEL GENOMA
Risulta mutato in una grande percentuale di tumori umani .
12/12/16
71
12