Il ciclo cellulare è l'insieme delle fasi che costituiscono e delimitano la vita di una cellula . Questo ciclo è composto da più fasi di crescita in cui la cellula cresce e duplica il suo materiale genetico (interfase) e da una fase in cui si divide (mitosi) per dare origine a due cellule figlie identiche (nel caso della mitosi). Le cellule figlie riprodurranno questo ciclo e così via.
Le durate delle diverse fasi del ciclo cellulare potrebbero essere misurate in vitro in condizioni ottimali:
Con, a seconda della specie e dei tipi di cellule:
Il genoma degli eucarioti comprende un numero N di tipi di cromosomi . Questo numero varia da una specie all'altra.
Ogni cellula diploide contiene due cromosomi omologhi (con le stesse funzioni) per tipo - uno dal padre e uno dalla madre - in totale 2 volte N, abbreviato "2N", cromosomi.
Ogni cellula aploide contiene un solo cromosoma per tipo - una miscela di geni del padre e della madre ottenuti attraverso il processo di incrocio , vedi sotto - in totale 1 x N, abbreviato "1N" cromosomi.
I cromosomi prodotti dal processo di replicazione sono chiamati “ cromatidi ” o “cromatidi fratelli” e non riprendono il nome di “cromosoma” se non dopo la loro separazione in mitosi/anafase o meiosi/anafase2. Altre fonti usano il termine "cromatide" solo quando i centromeri dei cromosomi sono in contatto tra loro.
Il numero di cromatidi per tipo di cromosoma in una cellula è indicato da un numero, seguito dalla lettera C. Ad esempio, "4C" per 4 cromatidi per tipo di cromosoma.
Qualche esempio :
Nota: per motivi di chiarezza, le illustrazioni ei testi che seguono sono scritti come se ci fosse un solo tipo di cromosoma. Va ovviamente ricordato che si applicano a tutti gli N tipi di cromosomi.
L' interfase è quando la cellula vive e fa tutto ciò che è programmato (~ 90% del ciclo cellulare). Si prepara anche a dividere. Le fasi della divisione sono dettagliate di seguito:
La mitosi è quando la cellula si divide. La mitosi (divisione cellulare con o senza moltiplicazione cellulare) viene utilizzata principalmente per la crescita e la rigenerazione - mediante replicazione cromosomica e divisione cellulare - del tessuto cellulare di ciascun organo del corpo. Questa crescita va di pari passo con la differenziazione cellulare .
Durante la divisione mitotica, la cellula madre dà origine a due cellule figlie geneticamente identiche. Una delle cellule figlie rimane allo stadio di differenziazione dalla cellula madre, mentre l'altra acquisisce la sua proprietà funzionale durante questo processo. Un tessuto è quindi costituito da due tipi di cellule: quelle che assicurano la discendenza e quelle che assicurano la funzione. Ad esempio, le cellule staminali sono il prodotto di linee senza differenziazione, mentre le cellule funzionali sono programmate per morire. Questi sono gli ultimi lavori sulla cellula che hanno convalidato la teoria del dottor André Gernez , che risale al 1971-72. Le fasi della divisione sono dettagliate di seguito:
NB: esiste in realtà una fase intermedia di “prometafase” durante la quale si osserva la rottura dell'involucro nucleare, nonché la penetrazione di microtubuli cinetocorici e polari nella “zona nucleare” (è più facile non considerare questa fase) .
Lo scopo della meiosi è duplice: da un lato la miscelazione del genoma paterno e materno, garantendo così la massima variazione genetica, e dall'altro la produzione di cellule aploidi ad un cromatide per la riproduzione sessuale.
Durante la fecondazione una cellula 1N-1C si fonderà con un gamete di un altro organismo per produrre uno zigote 2N-2C.
A volte si parla di cellule "post-mitotiche" per designare cellule quiescenti o senescenti. Le cellule non proliferative negli eucarioti multicellulari generalmente entrano nello stato di quiescenza G0 dallo stato G1 e possono rimanere quiescenti per un tempo molto lungo, o anche indefinitamente (cosa che accade frequentemente nei neuroni). Questo è molto spesso il caso delle cellule completamente differenziate. La senescenza cellulare si verifica a seguito di degradazione o danneggiamento del DNA, danno che altrimenti comporterebbe la non vitalità della progenie cellulare (cancerogenesi, ecc.). Ci sono alcune cellule che entrano nella fase G0 per un periodo semipermanente, comprese alcune cellule del fegato, dei reni e dello stomaco. Tuttavia, molte cellule non entrano mai nella fase G0 e continuano invece a dividersi per tutta la vita dell'organismo (ad es. cellule epiteliali).
Didascalia:
I meccanismi di regolazione del ciclo cellulare si basano essenzialmente su due strutture proteiche complementari chiamate Cdk ( chinasi ciclo -dipendente ) e ciclina . Cdk è il componente base, ma, come suggerisce il nome, ha bisogno di una ciclina per attivare le sue funzioni. Cdk e cicline si combinano e formano complessi eterodimerici.
Esistono diversi tipi di Cdk e cicline. I primi sono identificati da numeri e i secondi da lettere. Per un complesso, si noterà, ad esempio: Cdk4 -CyclineD. Un Cdk può formare complessi con diverse cicline e viceversa. Ad ogni fase del ciclo cellulare corrispondono uno o più complessi Cdk-ciclina.
Un Cdk è formato da due lobi: il lobo N, costituito essenzialmente da fogli beta, e il lobo C, costituito essenzialmente da alfa eliche. All'intersezione dei due lobi si trova un sito catalitico dove avviene la fosforilazione , che attiva le proteine che svolgono un ruolo nel ciclo cellulare (frammentazione dell'involucro nucleare, compattazione dei cromosomi, replicazione del DNA, ecc.). Per questo, Cdk ha bisogno di cicline e varie proteine regolatrici. Il sito comprende due tasche giustapposte: una per ricevere il substrato (la proteina da fosforilare), l'altra per ricevere l' ATP . In sostanza, la fosforilazione avviene per trasferimento di fosfato-γ dall'ATP al substrato. L' ADP risultante e il substrato fosforilato vengono quindi rilasciati.
Nello stato inattivo, l'ingresso al sito catalitico è bloccato da due anse proteiche: il dominio PSTAIRE (dal nome delle iniziali degli amminoacidi costituenti) e l'ansa T ( T-loop ).
Durante l'associazione con la ciclina, l'ansa PSTAIRE subisce una rotazione che modella la tasca dell'ATP al fine di ottenere un adeguato orientamento del trifosfato durante la fosforilazione del substrato.
Allo stesso tempo, il T-loop viene spostato, esponendo alcuni amminoacidi CDK ( treonina 161, treonina 14 e tirosina 15) alle chinasi regolatorie.
Le cicline sono i principali attivatori del complesso Cdk-ciclina. Inoltre, sono regolati da una serie di chinasi e fosfatasi attivanti e inibenti, nonché da molecole inibitorie chiamate CKI (inibitore della chinasi ciclina-dipendente).
Chinasi attivatoreDurante la transizione avviene la trascrizione dei geni essenziali per G1 e l'ingresso in divisione. Questa trascrizione è stimolata da due vie di segnalazione:
Vengono trascritti i geni per le cicline D ed E così come le proteine p21 e p27 , inclusa la ciclina E sotto il controllo di E2F.
Questo passaggio è sotto il controllo del punto R, esso stesso sotto il controllo di diverse proteine: Rb , E2F , cdk2 , cdk4 . Nella fase G1, l'Rb non fosforilato si lega e inibisce E2F.
Durante il passaggio cycD / cdk4 e cycE / cdk2 iperfosforilato Rb (4 siti di fosforilazione), che rilascia E2F . L'E2F libero forma un eterodimero con la proteina DP. Insieme svolgono il ruolo di fattore di trascrizione e inducono geni bersaglio, consentendo la progressione alla fase S, durante la quale avviene la sintesi del DNA .
Questo passaggio è regolato dal complesso Cdk1-CyclineB.
All'inizio, la ciclina B si lega a Cdk1 che provocherà l'“apertura” del braccio consentendo l'accesso al sito ATPasico di Cdk1. Il complesso ciclina B-Cdk1 sarà fosforilato dall'enzima Wee1 su treonina 14 e tirosina 15 di Cdk1 che impedisce l'accesso dell'ATP al sito dell'ATPasi.
Quindi, l'enzima CAK fosforila il complesso sulla treonina 161 di Cdk1 che permette l'"apertura" del braccio consentendo al substrato l'accesso al sito substrato di Cdk1. Poiché l'accesso al sito dell'ATP è bloccato, Cdk rimane inattivo, quindi non può ancora fosforilare il substrato. A questo punto il complesso viene fosforilato 3 volte. Questo forma il pre-MPF.
Perché quest'ultimo diventi attivo e quindi induca il passaggio in mitosi , deve essere defosforilato sui residui 14 e 15 da Cdc25: questo provoca l'“apertura” del braccio consentendo l'accesso al sito dell'ATPasi. Infatti, il complesso fosforilato solo sul residuo 161 di Cdk1 forma l'MPF attivo.
L'ATP nel sito dell'ATPasi cede il suo gruppo fosfato al substrato che viene così fosforilato. A seconda della natura del substrato, questa fosforilazione inibirà o attiverà questo substrato.
Esiste quindi una vera competizione tra Wee1, che è una chinasi e che tenderà quindi a fosforilare sui residui 14 e 15 e quindi inattivare MPF, e Cdc25, che è una fosfatasi e che quindi tenderà a defosforilare i residui.14 e 15 e quindi attivare il pre-MPF in MPF attivo. C'è un ingresso nella fase di mitosi.
Wee1 è attivo quando non è fosforilato, mentre Cdc25 è attivo solo quando è fosforilato. Vi è quindi l'intervento di altre protein chinasi e fosfatasi .
Principio: la timidina radioattiva triziata (H3), va al nucleo, ed è incorporata solo nelle cellule il cui DNA incorpora nucleotidi, cioè cellule in fase S. L'interesse della timidina è che si incorpora nel DNA, ma non nell'RNA . Dopo aver sciacquato il terreno di coltura e quindi incubato, è possibile misurare la proporzione di cellule contenenti timidina radioattiva.
Principio: le cellule vengono incubate con un colorante di DNA fluorescente. La quantità di fluorescenza è proporzionale all'intensità della fluorescenza. Viene utilizzato un fluorimetro . Si può così calcolare la durata della fase G1. La durata di ogni fase si ottiene combinando le tre tecniche.
La regolazione del ciclo cellulare deve essere molto fine. Ad esempio, i tumori sono caratterizzati da una proliferazione anarchica dovuta all'interruzione del sistema di controllo del ciclo cellulare. Vedi oncogeni , che sono spesso geni che codificano per proteine responsabili del controllo del ciclo cellulare.
NB: Durante il ciclo cellulare sono presenti dei checkpoint che consentono alla cellula di verificare che non sia stata apportata alcuna modifica a livello genetico (errata replicazione del DNA) e strutturale (fuso mitotico malformato). Questi sistemi sono molto importanti per l'integrità del nostro patrimonio genetico. Questi punti di controllo possono impedire l'avanzamento del ciclo se le condizioni non sono soddisfatte e quindi portare la cellula all'apoptosi (morte cellulare programmata). Questi punti di controllo possono essere alterati e impedire qualsiasi regolazione del ciclo cellulare. C'è infatti una risposta istantanea e un'altra ritardata. In tutti i casi, entrambe le risposte sono abilitate. La cosiddetta risposta rapida funziona con le fosforilazioni mentre la cosiddetta risposta ritardata coinvolge un fattore di trascrizione.