Ciclo cellulare, mitosi e meiosi

Ciclo cellulare, mitosi e meiosi
1
Divisione cellulare


Quando le cellule raggiungono determinate
dimensioni devono arrestare l’accrescimento o
dividersi
La divisione cellulare negli eucarioti coinvolge due
processi: mitosi (che assicura che ogni nuovo nucleo
riceva lo stesso numero di cromosomi presenti nella
cellula madre) e la citocinesi (divisione del
citoplasma tra le due cellule figlie)
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Divisione cellulare
Organismi eucarioti
unicellulari si
riproducono in
modo asessuato per
MITOSI
Nei pluricellulari la
mitosi serve
all’accrescimento e
alla rigenerazione
dei tessuti
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MITOSI fasi
Dopo la replicazione del DNA all’interno del nucleo:
Condensazione e segregazione del DNA in due nuclei figli
Divisione del citoplasma (citodieresi)
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Ciclo cellulare fasi
Interfase (G1 + S + G2)
Mitosi
La mitosi rappresenta la fase conclusiva del ciclo cellulare
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Ciclo cellulare checkpoints
G2 checkpoint:
dimensioni cellulari, presenza di nutrienti,
duplicazione DNA completa? danni al DNA?
(riparazione del danno o… apoptosi)
M checkpoint:
Cromosomi allineati sulla
piastra del fuso? sono attaccati
alle fibre del fuso?
G1 checkpoint:
dimensioni cellulari, presenza
di nutrienti
Sintesi del DNA
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Prima che la cellula entri in mitosi il materiale genetico
viene duplicato (fase S) , ciascun cromosoma risulta
quindi costituito da 2 cromatidi
double strand
8
Corredo cromosomico
Cellula somatica: 2 corredi cromosomici (2n)
2 omologhi
Cr 1
Cr 2
Cr 3
Cr 4
Cr 5
Cr 6
…
Es.: nell’uomo 23 coppie di omologhi, uno di derivazione materna,
9
l’altro paterna
Cr 1
materno
4 cromosomi monocromatidici
paterno
Cr 2
Fase S
4 cromosomi dicromatidici
profase
Condensazione dei cromosomi
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profase
metafase
Scomparsa membrana nucleare
I cromosomi si allineano lungo il piano
equatoriale della cellula
Le fibre del fuso si attaccano ai cinetocori
dei cromosomi
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L’apparato del FUSO MITOTICO
+CINETOCORE assicurano la
corretta ripartizione dei cromosomi
nelle due cellule figlie
I due cromatidi fratelli adesriscono ai microtubuli
provenienti dai due poli opposti del fuso
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profase
metafase
anafase
Separazione dei cromatidi fratelli
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Segregazione dei cromosomi
cromosoma
microtubuli
microtubuli
cromosomi
14
profase
metafase
anafase
telofase
Decondensazione dei cromosomi
Ricompare la membrana nucleare
15
profase
metafase
anafase
telofase
citodieresi
16
Interfase
Profase
Anafase
Metafase
Telofase
17
MITOSI fasi:
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Nell’organismo pluricellulare adulto vi sono
CELLULE PERENNI che dopo essersi differenziate non
compiono piu’ il ciclo (neuroni)
CELLULE STABILI (p.es. gli epatociti) che normalmente non
compiono il ciclo ma hanno la possibilità di riprenderlo
CELLULE STAMINALI che continuamente compiono il ciclo
Schema ciclo cellulare
c. perenni
c. stabili
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Cellule staminali
Cellule non specializzate che possono subire diversi cicli di
replicazione e rinnovarsi per periodi di tempo molto lunghi
mantenendosi indifferenziate…
…possono essere indotte a differenziare in vitro o in vivo
dando origine a cellule specializzate (neuroni, cardiomiociti,
cellule pancreatiche che producono insulina…)
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Cellule staminali embrionali
(da blastocisti 4-5 giorni)
- danno origine a tutti i tipi cellulari dell’individuo (totipotenti)
- nell’uomo isolate e messe in coltura dal 1998
- Possono proliferare in vitro > 1 anno senza differenziare
21
Lo sviluppo embrionale si realizza attraverso la divisione
mitotica, il differenziamento cellulare e la morfogenesi
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Cellule staminali dell’adulto


Le cellule degli organismi pluricellulari nei diversi
tessuti sono differenziate in diversi tipi con funzioni
specifiche.
In ogni tessuto esiste una popolazione di cellule
staminali scarsamente differenziate, che si dividono
attivamente e che servono al rinnovamento del tessuto
stesso (per ripristinare cellule danneggiate es: midollo
osseo, muscolo)
23
24
Cellule staminali dell’adulto
 Tipicamente generano tipi cellulari corrispondenti ai tessuti da cui
provengono (cellule staminali muscolo: cellule muscolari)
 ma possono generare tipi cellulari diversi dai tessuti da cui provengono
(plasticità)
nel testicolo di mammifero adulto ci sono stem cells pluripotenti;
cell. staminali cervello: cellule del sangue e del muscolo scheletrico;
cell. staminali ematopoietiche: cardiomiociti, cellule neuronali, cell.
germinali maschili…
In vitro si mantengono per meno tempo rispetto alle s. embrionali
Più difficili da ottenere in quantità sufficienti, non sono totipotenti
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Tessuti dell’adulto
Cordone ombelicale
Blastocisti preimpianto
Applicazioni:
Bone Marrow
Transplantation
Patologie degenerative
(Parkinson, diabete)
Isolamento
Espansione in vitro
Differenziamento
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Riproduzione asessuata
Gli individui neoformati sono identici al genitore (cloni),
NON crea variabilità nella specie.
Nei procarioti
(obbligata)

In alcuni eucarioti 
(facoltativa)
SCISSIONE BINARIA
con modalità diverse:
(gemmazione, scissione, frammentazione, partenogenesi)
protozoi, celenterati, platelminti
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Riproduzione asessuata
per GEMMAZIONE in Hydra
(Cnidari).
L’idra è anche in grado di
riprodursi sessualmente come
evidenziato dalla presenza di
un uovo.
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Riproduzione Sessuata
Riguarda la maggior parte degli eucarioti,
richiede la partecipazione di due individui di
sesso diverso che contribuiscono entrambi al
patrimonio genetico dei discendenti
2n
Gli individui neoformati non sono mai
Identici ai genitori: ricombinazione e
riassortimento indipendente dei caratteri
parentali creano
VARIABILITA’ GENETICA
2n
n
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Corredo cromosomico
Cellula somatica: 2 corredi cromosomici (2n)
2 omologhi
Gameti: 1 corredo cromosomico (n)
1 omologo per coppia
Cr 1
Cr 2
Cr 3
Cr 4
Cr 5
Cr 6
…
Es.: nell’uomo 23 coppie di omologhi, uno di derivazione materna,
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l’altro paterna
Meiosi
Una sola duplicazione del DNA seguita da 2 successive divisioni
cellulari
Le due divisioni cellulari vengono indicate come prima e seconda
divisione meiotica (meiosi I, meiosi II), ciascuna suddivisa in
profase, metafase, anafase, telofase
Da una cellula diploide si originano quattro cellule aploidi
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I° DIVISIONE MEIOTICA (riduzionale)
materno
n
paterno
2n
condensazione cromosomi
crossing over
Segregazione indipendente omologhi
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II° DIVISIONE MEIOTICA (equazionale)
Si parte da una cellula 2n con cromosomi dicromatidici per arrivare a 4 cellule n
con cromosomi monocromatidici
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Crossing over (ricombinazione)
scambio di tratti di DNA (processo di rottura e saldatura) tra i cromatidi non fratelli di
due omologhi
Gameti parentali
Gameti ricombinanti
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Effetto del crossing over

La sequenza dei geni rimane invariata, quello che cambia è la
“combinazione” degli alleli di loci diversi lungo il cromosoma

I cromosomi ricombinanti sono diversi dai parentali
38
Crossing over
39
Assortimento indipendente
Per 2 coppie di omologhi= 22 possibili combinazioni
Nell’uomo 23 coppie di omologhi= 223 possibili combinazioni
(8 388 608)
Assortimento indipendente dei cromosomi parentali e
crossing over generano infinita variabilità nei gameti
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MEIOSI
Assortimento
indipendente
8
meiosi I
1
2n
meiosi II
n
8
8
8
1
1
1
n
n
n
8
1
n
n
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MEIOSI
Assortimento
indipendente
8
meiosi I
1
2n
meiosi II
n
8
8
8
1
1
1
n
n
n
8
1
n
n
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MITOSI e MEIOSI
a confronto:
• Appaiamento dei cr.
omologhi solo in meiosi
• Ricombinazione solo in
meiosi
• Mitosi = divisione
equazionale
• Meiosi = divisione
riduzionale
• Mitosi produce 2 cell
identiche, meiosi 4 cellule
diverse
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Confronto tra mitosi e meiosi
Mitosi
Meiosi
Sia nelle cellule somatiche che
nelle germinali
Solo nelle cellule germinali
Una sola replicazione del DNA
seguita da una singola divisione
cellulare
Cellule figlie (2n) identiche tra
loro e alla cellula parentale
Una sola replicazione del DNA
seguita da due divisioni
cellulari
Quattro cellule figlie (n) tutte
geneticamente diverse
Funzione di accrescimento,
ricambio cellulare e
riproduzione asessuata
Funzione di riproduzione
sessuata
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Gametogenesi ♂ e ♀
(Cellule germinali)
Normalmente
degenerano
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Gametogenesi ♂ e ♀
(Cellule germinali)
(Cellule germinali)
Normalmente
degenerano
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Spermatogenesi
processo che inizia
con la pubertà.
L’intero percorso di
maturazione da
spermatogonio
a spermatozoo
dura 65-75 gg
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Caratteristiche della spermatogenesi
Processo continuo, che parte dalla pubertà e
continua per il resto della vita
Vengono prodotti miliardi di spermatozoi nel
corso della vita
Da ogni spermatocita primario si ottengono 4
spermatozoi
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Gametogenesi ♂ e ♀
a confronto
Si moltiplicano per tutta la vita
Si moltiplicano solo fino ai primi mesi di
vita fetale
Dalla pubertà
Dalla pubertà
Scoppio follicolo
Profase I
Una sola cellula
uovo matura
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Ovogenesi
Nei primi mesi di vita fetale inizia meiosi,
blocco alla profase I
Dalla pubertà fino alla menopausa un
ovocita ogni 28 giorni riprende la
meiosi e completa la I° divisione
Solo se fecondato, l’ovocita secondario
completa il processo di meiosi e diventa
cellula uovo aploide
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Caratteristiche dell’ovogenesi
Processo DISCONTINUO in cui la produzione dei gameti
avviene ciclicamente e si interrompe con il sopraggiungere
della menopausa
- Da ogni oocita primario si ottiene una sola cellula uovo matura
- Alla nascita le ovaie contengono qualche milione di ovociti
primari (bloccati in profase I)
- Alla pubertà il numero è ridotto a circa 200.000
- Nel periodo di vita feconda una donna produce circa 400
ovociti secondari (12 x numero di anni fertili)
- Gli ovociti invecchiano insieme alla donna…..con l’età
aumenta il rischio di errori nella meiosi ♀
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Il rischio di avere un figlio affetto da s. di Down (trisomia 21) o
altre anomalie cromosomiche dovute ad errori meiotici aumenta
con l’aumentare dell’età materna
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Rischio sindrome di Down
Età materna al parto in
anni
Rischio
25
1/1376
30
1/960
35
1/424
40
1/126
45
1/31
46
1/24
47
1/17
48
1/16
49
1/9,5
56
57