Ciclo cellulare: mitosi, fasi e regolazione

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Genetica I - Argomenti Principali

• Introduzione all'evoluzione della genetica.
• Basi fisiche dell'eredità.
• Ciclo cellulare.
• Cromosomi, mitosi e meiosi.

Scoperte Chiave nella Genetica

• 1865: Mendel scopre le leggi dell'ereditarietà.
• 1900: "Riscoperta" dei lavori di Mendel.
• 1905: Garrod propone il concetto degli "errori metabolici" nell'uomo.
• 1913: Sturtevant costruisce la prima mappa genetica.
• 1944: Avery, MacLeod e McCarty dimostrano che il DNA è il materiale genetico.
• 1953: Watson e Crick identificano la struttura a doppia elica del DNA.
• 1966: Nirenberg, Khorana e Holley sviluppano la decifrazione del codice genetico.
• 1972: Cohen e Boyer descrivono la tecnologia del DNA ricombinante.
• 1977: Sanger e Maxam & Gilbert terminano la tecnologia del DNA.
• 1982: Viene sequenziato il DNA di una patologia umana.
• 1983: Il gene per la malattia di Huntington viene identificato.
• 1984: Viene inventata la PCR.
• 1985: Nasce GenBank, database di sequenze di DNA.
• 1986: Il gene per la distrofia muscolare viene estratto.
• 1987: Prima mappa genetica dell'uomo.
• 1988: Cromosomi artificiali di lievito (YAC) vengono usati per il clonaggio.
• 1989: Il gene per la fibrosi cistica viene clonato.
• 1990: Parte il Progetto Genoma Umano (PGU) e nasce la HUGO (Human Genome Organization).
• 1990s: Utilizzo del positional cloning.
• 1992: Termina la mappatura del genoma prevista dal PGU.
• 1994: Seconda mappa genetica dell'uomo.
• 1995: Prima mappa dei geni dell'uomo.
• 1996: Sequenza del primo genoma batterico (H. influenzae).
• 1997: Prima mappa fisica del genoma umano.
• 1998: Sequenza del genoma di C. elegans.
• 1999: Completata la sequenza del primo cromosoma umano (22).
• 2000: Viene creata la prima bozza del genoma umano.
• 2003: Viene completato il PGU: sequenza finale del genoma umano.
• 2007: L'Istituto J. Craig Venter crea la prima cellula batterica sintetica, chiamata Synthia.
• 2010: Viene approvato l'uso del primo vaccino contro papillomavirus.
• 2012: Viene pubblicata la sequenza del genoma del grano.
• 2014: Floyd Romesberg e colleghi espandono, in vitro, l'alfabeto genetico per includere due nucleotidi artificiali (dSSICS e dNaM).

Differenze Principali tra Cellule Procariotiche ed Eucariotiche

• Nucleo: Assente nelle cellule procariotiche, presente in quelle eucariotiche.
• Diametro cellulare: Generalmente piccolo (1-10 µm) nei procarioti, più grande (10-100 µm) negli eucarioti.
• Genoma: Nei procarioti, di solito una molecola di DNA circolare; negli eucarioti, multiple molecole di DNA lineare.
• DNA: Nei procarioti, non complessato con istoni (tranne in alcuni archeobatteri); negli eucarioti, complessato con istoni.
• Quantità di DNA: Relativamente piccola nei procarioti, relativamente grande negli eucarioti.
• Organelli circondati da membrana: Assenti nei procarioti, presenti negli eucarioti.

Organizzazione del DNA

• Eucarioti: Il DNA è legato a proteine chiamate istoni, formando la cromatina.
• Procarioti: Il DNA non è legato a proteine istoniche; i geni sono su un'unica molecola circolare di DNA, che rappresenta il cromosoma procariote.

Ploidia

• Il nucleo contiene la cromatina, che è un'associazione tra DNA e proteine.
• In alcune fasi del ciclo cellulare, i cromosomi sono visibili.
• L'insieme dei cromosomi definisce l'assetto cromosomico; il numero di assetti cromosomici definisce la ploidia.
• La ploidia si riferisce al numero di set cromosomici in una cellula.
• Negli umani, le cellule somatiche sono diploidi (2n = 46 cromosomi), mentre i gameti sono aploidi (n = 23 cromosomi).

Cellula procariotica

• Un solo cromosoma circolare.
• Divisione cellulare avviene per scissione binaria.
• La replicazione del cromosoma avviene in una posizione precisa, chiamata origine di replicazione.
• Durante la replicazione, le origini di replicazione si allontanano verso gli estremi opposti della cellula.
• In condizioni ottimali, le divisioni avvengono ogni 20 minuti.
• La maggior parte delle cellule eucariotiche contengono due serie di cromosomi.
• Una serie viene ereditata dal genitore maschile e l'altra da quello femminile.
• Gli esseri umani hanno 23 coppie di cromosomi.
• Un organismo diploide ha due serie di cromosomi organizzati in coppie omologhe.
• Il cariotipo è l'assetto cromosomico completo di un organismo.
• È rappresentato dall'immagine dei cromosomi in metafase allineati in ordine decrescente rispetto alla loro dimensione.

Cellule Aploidi e Diploidi

• Tutte le cellule di un individuo, ad eccezione dei gameti, sono cellule somatiche.
• Le cellule somatiche contengono 46 cromosomi.
• Le cellule somatiche hanno un corredo diploide, indicato come 2n.
• I gameti sono le cellule riproduttive, ovvero la cellula uovo e lo spermatozoo.
• I gameti contengono 23 cromosomi.
• I gameti hanno un corredo aploide, indicato come n.

Componenti del Cromosoma Eucariote

• Centromero: regione in cui il cromosoma si restringe e si forma il cinetocore.
• Telomero: protegge e stabilizza il cromosoma, localizzato alle estremità.
• Cinetocore: sito di attacco dei microtubuli del fuso.

Classificazione dei Cromosomi

• I cromosomi sono classificati in base alla posizione del centromero come metacentrici, submetacentrici, acrocentrici e telocentrici.

Ciclo Cellulare

• La durata del ciclo cellulare varia tra i diversi tipi cellulari.
• I fibroblasti impiegano circa 24 ore, le cellule intestinali circa 12 ore, e le fasi iniziali dello sviluppo embrionale poche ore.
• Le cellule muscolari e i neuroni perdono la capacità di dividersi una volta raggiunta la maturità.
• Le cellule epatiche possono riprendere a dividersi per rigenerare parti danneggiate.
• Le cellule dell'epidermide, dell'epitelio intestinale, dell'endotelio e le cellule staminali del midollo osseo si dividono continuamente.

Interfase

• La lunghezza dell'interfase differisce da una cellula all'altra.
• In una cellula di mammifero in divisione, l'interfase dura circa 10 ore in G1, 9 ore in S e 4 ore in G2.
• Il ciclo cellulare comprende le fasi G1 (crescita e metabolismo), S (sintesi e duplicazione del DNA), G2 (preparazione alla mitosi), e M (divisione cellulare).

Regolazione del Ciclo Cellulare e Cancro

• Le transizioni tra le diverse fasi del ciclo cellulare (G1, S, G2 e M) sono regolate da "punti di controllo" (checkpoint).
• Il checkpoint blocca l'avanzamento della cellula finché processi critici come la sintesi o la riparazione del DNA non sono completati.
• Due tipi di proteine hanno un ruolo importante nella progressione del ciclo: cicline e chinasi ciclina-dipendenti (CDK).
• I complessi formati tra cicline e CDK inducono la progressione del ciclo cellulare.

Variazioni del Contenuto di DNA durante il Ciclo Cellulare

• I cromosomi sono costituiti da una singola doppia elica di DNA (2C) dalla fine della fase M fino all'inizio della replicazione nella fase S.
• Dopo la replicazione, ogni cromosoma è costituito da due doppie eliche unite a livello del centromero, chiamate cromatidi (4C).
• Durante la fase M, i cromatidi fratelli si separano, dando origine a due cromosomi che vengono distribuiti equamente alle cellule figlie (2C).

Valore C (C-value)

• Quantità di DNA espressa in picogrammi nel nucleo di una cellula aploide.
• La dimensione di un genoma non è in relazione diretta con il numero di geni in esso contenuti.

Fasi della Mitosi (Fase M del ciclo cellulare)

• Profase: condensazione della cromatina, formazione del fuso mitotico, frammentazione degli organuli cellulari, scomparsa del nucleolo.
• Prometafase: scomparsa della membrana nucleare, ingresso dei microtubuli nel nucleo, organizzazione dei cinetocori.
• Metafase: allineamento dei cromosomi sulla piastra metafasica, aggancio dei microtubuli al cinetocore.
• Anafase: separazione dei cromatidi fratelli, migrazione ai poli opposti.
• Telofase: termine della migrazione, scomparsa dei microtubuli, riformazione della membrana nucleare, ricomparsa dei nucleoli.
• Citocinesi: introflessione della membrana e separazione delle cellule figlie.

Fuso Mitotico

• Funzione di separare i cromatidi fratelli durante la mitosi.
• È costituito da microtubuli che si organizzano a partire dai centrosomi.
• Contiene microtubuli del cinetocore, interpolari e astrali.

Meiosi: Concetti Preliminari

• La meiosi è un tipo di divisione cellulare che si verifica negli organi deputati alla produzione dei gameti.
• Determina un dimezzamento del numero di cromosomi e un rimescolamento dei genomi, aumentando la variabilità genetica.
• Le cellule somatiche sono diploidi (2n) e contengono coppie di cromosomi omologhi.
• I gameti sono aploidi (n).

Fasi della Meiosi

• Meiosi I: due divisioni cellulari successive separate da un'interfase durante la quale non avviene la duplicazione del DNA

• Profase I: I cromosomi omologhi si appaiano, avviene il crossing-over. E' divisa in 5 fasi: leptotene, zygotene, pachitene, diplotene e diacinesi.

• Metafase I: I cromosomi omologhi appaiati si allineano sulla piastra metafasica.

• Anafase I: Le coppie di cromosomi omologhi si separano e migrano verso i poli opposti (NO separazione dei cromatidi fratelli).

• Telofase I: Formazione di due cellule aploidi.

• Meiosi II:

• Profase II: Condensazione cromosomica.

• Metafase II: I cromosomi si allineano sulla piastra metafasica.

• Anafase II: I cromatidi fratelli si separano e migrano verso i poli opposti.

• Telofase II: Formazione di quattro cellule aploidi.

Divisioni Meiotiche e Separazione dei Cromosomi

• Durante le due divisioni meiotiche, si ha la separazione di cromosomi omologhi o di cromatidi fratelli.
• Al termine della meiosi I il numero cromosomico è dimezzato, ma il contenuto di DNA (2c) è ancora duplicato.
• Le cellule figlie alla fine della meiosi II sono apolidi e hanno contenuto di DNA 1c.
• La meiosi produce 4 cellule figlie aploidi (n), ognuna con una sola copia del paio di cromosomi della cellula madre.
• La I divisione meiotica è riduzionale perché dimezza il numero di cromosomi rispetto alla cellula madre.
• La Il divisione meiotica è equazionale perché il numero cromosomico rimane inalterato.

Variazione Genetica nella Meiosi

• Quindi al pachitene della profase I della meiosi si possono verificare CO (scambio fisico di segmenti tra cromatidi omologhi ma non fratelli).
• Quindi con la ricombinazione non si ha conservazione dei legami tra gli alleli di 2 geni concatenati, ma la conseguenza genetica del CO.
• Un secondo processo della nella meiosi che contribusce alla variazione genetica è data dalla distribuzione casuale di cromosomi che si verifica in anafase I, in seguito al loro allineamento casuale in metafase I

Gametogenesi

• Gli organosmi che fanno la riproduzione sessuale per produrre i gameti fanno questo processo tramite gametongenesi.
• Nella gametogenesi delle piante superiori vi è alternanza tra generazioni aploidi (gametofito) e diploidi (sporofito)

Crossing Over (CO)

• Crossing over scambia il materiale genetico tra la coppia di omologhi, e porta una variazione genetica.
• Alla fine avviene riproduzione di 4 cellule aploidi: 2 con cromosmi parentali e 2 con cromosmi ricombinanti.
• Quindi al pachitene della profase I della meiosi si possono verificare tali fenomeni di variazioni genetica.

Esplora il ciclo cellulare, mitosi e meiosi. Studia le fasi, i checkpoint e il ruolo dei complessi ciclina-CDK. Approfondisci la funzione dei telomeri e le differenze tra cellule somatiche e gameti.