Biologia - Dispensa lezione 2

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
paramecium
Nei pluricellulari la mitosi serve all’accrescimento
e alla rigenerazione dei tessuti
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Divisione cellulare: fasi
Dopo la replicazione del DNA all’interno del nucleo:
Condensazione e segregazione del DNA in due nuclei figli
Divisione del citoplasma (citodieresi)
4
Ciclo cellulare fasi
Interfase (G1 + S + G2):
Periodo che intercorre tra
una mitosi e la successiva
Mitosi
La mitosi rappresenta la fase conclusiva del ciclo cellulare
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Prima che la cellula entri in mitosi il materiale genetico
viene duplicato (fase S); ciascun cromosoma risulterà
alla fine costituito da 2 cromatidi
Cromatidi
fratelli
double strand
6
Corredo cromosomico
Cellula somatica: 2 corredi cromosomici (2n)
2 omologhi
Cromatidi
fratelli
Cr 1
Cr 2
Cr 3
Cromosomi Cr 4
omologhi
Cr 5
Cr 6
…
Es.: nell’uomo 23 coppie di omologhi, uno di derivazione materna,
7
l’altro paterna
Cr 1
materno
4 cromosomi monocromatidici
paterno
Cr 2
Fase S
4 cromosomi dicromatidici
profase
Condensazione dei cromosomi
Formazione del fuso di microtubuli
8
profase
prometafase
Scomparsa membrana nucleare
Le fibre del fuso si attaccano ai cinetocori
dei cromosomi
9
profase
metafase
I cromosomi si allineano lungo il piano
equatoriale della cellula
I cinetocori dei cromatidi fratelli di ciascun
cromosoma sono attaccati ai microtubuli
che provengono dai poli opposti della
cellula
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L’apparato del fuso mitotico + cinetocore
(proteine che legano il centromero) assicurano
la corretta ripartizione dei cromosomi
nelle due cellule figlie
I due cromatidi fratelli adesriscono ai microtubuli
provenienti dai due poli opposti del fuso
11
profase
metafase
anafase
Separazione dei cromatidi fratelli
12
Segregazione dei cromosomi
cromosoma
microtubuli
microtubuli
cromosomi
13
profase
metafase
anafase
telofase
Decondensazione dei cromosomi
Ricompare la membrana nucleare
14
profase
metafase
anafase
telofase
citodieresi
15
Interfase
Profase
Anafase
Metafase
Telofase
16
Cellule non sincronizzate
citocinesi
metafase
anafase
Cellule umane HeLa (carcinoma cervice uterina) in coltura. La maggior parte delle cellule
sono in interfase. I microtubuli sono in giallo, il DNA in rosa.
17
18
Ciclo cellulare checkpoints
G2 checkpoint:
dimensioni cellulari, presenza di nutrienti,
duplicazione DNA completa? danni al DNA?
(riparazione del danno o… apoptosi)
Morte cellulare programmata
M checkpoint:
Cromosomi allineati sulla
piastra del fuso? sono attaccati
alle fibre del fuso?
G1 checkpoint:
dimensioni cellulari, presenza di
nutrienti/ eventualmente
quiescenza G0
Sintesi del DNA
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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
quiescenza
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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 dando origine a
cellule specializzate (neuroni, cardiomiociti, cellule
pancreatiche che producono insulina…)
21
Cellule staminali embrionali
da blastocisti 4-5 giorni (c.a. 30 cellule)
danno origine a tutti i tipi cellulari dell’individuo (totipotenti)
Ma anche nel liquido amniotico sono reperibili cellule staminali
pluripotenti e nel cordone ombelicale c. staminali ematopoietiche
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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)
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Cellule staminali del midollo osseo
(ematopoietiche)
Molte cellule del sangue hanno vita breve e devono essere ripristinate
continuamente. L’essere umano necessita approssimativamente 1011
24
nuove cellule ematopoietiche al giorno
Cellule staminali del muscolo
Cellula satellite
Fibra muscolare
In seguito a un danno alle fibre muscolari vengono prodotti dei segnali
locali che inducono le cellule satellite a proliferare, allo scopo di
generare una progenie cellulare sufficientemente numerosa per
riparare il danno tissutale
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Le cellule staminali adulte possono essere
unipotenti o multipotenti
Cellule satelliti
del muscolo
Cellule staminali
ematopoietiche
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Plasticità
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 c. staminali pluripotenti
 c. staminali del cervello danno origine a cellule del sangue e del
muscolo scheletrico
 cell.
staminali
ematopoietiche
possono
differenziare
in
cardiomiociti, cellule neuronali, cell. germinali maschili…
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Cellule staminali applicazioni
terapeutiche
BMT (trapianto di midollo osseo) terapia basata su cellule
staminali dell’adulto in uso da molti anni. Il primo trapianto
allogenico (da donatore) di midollo osseo
nell’uomo viene
eseguito nel 1959 da E. Donnal Thomas in un paziente affetto da
leucemia acuta
terapie di sostituzione cellulare in malattie degenerative
(Parkinson, diabete, distrofia muscolare, ricostruzione della pelle)
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Tessuti dell’adulto
Cordone ombelicale
Blastocisti preimpianto
Terapie cellulari
basate sulle staminali
Isolamento
c. staminali
ematopoietiche
Espansione in vitro
Differenziamento
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Riproduzione asessuata
Nei procarioti 
(obbligata)
SCISSIONE BINARIA
In alcuni eucarioti 
protozoi, celenterati,
platelminti, piante, alcuni
vertebrati (70 specie)
con modalità diverse:
(gemmazione, scissione, frammentazione,
partenogenesi)
30
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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Vantaggi riproduzione asessuata
Non è necessaria la ricerca di un partner compatibile
Garantisce
una
velocità
di
espansione
della
popolazione molto maggiore di quella sessuata
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Generazione n° individui
riprod. sessuata
n° individui
riprod. asessuata
I
2
1
II
4
4
III
8
16
E allora perché la maggior parte degli eucarioti non la utilizza?
Vantaggio riproduzione sessuata
Gli individui neoformati sono tutti diversi tra di loro
e diversi dai loro genitori.
Questo crea variabilità nelle popolazioni aumentando
il potenziale adattativo: in caso di cambiamento delle
condizioni ambientali è probabile che siano presenti
individui adatti alle nuove condizioni
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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 (crossing over)
e riassortimento indipendente dei cromosomi
creano
VARIABILITA’ GENETICA
2n
n
35
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,
36
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
39
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
Nella specie umana avvengono in media
1-3 c.o. / coppia di omologhi
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 cromosomi
parentali
41
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
42
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
43
Confronto tra mitosi e meiosi
Mitosi
Sia nelle cellule somatiche che
nelle germinali
Meiosi
Solo nelle cellule germinali
Una sola replicazione del DNA Una sola replicazione del DNA
seguita da una singola divisione seguita da due divisioni
cellulare
cellulari
Cellule figlie (2n) identiche tra
loro e alla cellula parentale
Quattro cellule figlie (n) tutte
geneticamente diverse
Funzione di accrescimento,
ricambio cellulare e
riproduzione asessuata
Funzione di riproduzione
sessuata
44
Gametogenesi ♂
(Cellule germinali)
Normalmente
degenerano
45
Spermatogenesi
processo che inizia
con la pubertà.
L’intero percorso di
maturazione da
spermatogonio
a spermatozoo
dura 65-75 gg
46
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
47
Gametogenesi ♀
mitosi
(Cellule germinali)
(Cellule germinali)
Normalmente
degenerano
48
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 ♀
51
Non disgiunzione meiotica e
aneuploidie
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
55
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
56