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La divisione cellulare è fondamentale per tutti gli organismi viventi ed è necessaria per la crescita e lo sviluppo. Come mezzo essenziale di riproduzione per tutti gli esseri viventi, la divisione cellulare consente agli organismi di trasferire il loro materiale genetico alla loro prole. Per un organismo unicellulare, la divisione cellulare genera un organismo completamente nuovo. Per gli organismi pluricellulari, la divisione cellulare produce nuove cellule per lo sviluppo generale dell'organismo, oltre a produrre cellule sane per sostituire le cellule danneggiate da lesioni. La riproduzione degli organismi pluricellulari richiede la divisione cellulare per creare cellule riproduttive.
Per dividersi, una cellula deve prima duplicare e dividere il suo contenuto genetico in due cellule figlie. Questa serie di duplicazione e divisione è chiamata ciclo cellulare. I dettagli del ciclo cellulare variano da un organismo all'altro, ma le fasi fondamentali della divisione cellulare sono universali.
Circa il 78% della vita di una cellula viene trascorso nell'interfase, crescendo e preparandosi alla divisione cellulare. L'interfase stessa contiene tre sottofasi. Immediatamente dopo la divisione cellulare, una cellula appena formata entra nella porzione Gap 1 o G1 dell'Interfase. Durante G1, le cellule crescono attivamente e, in molti casi, si differenziano per svolgere funzioni specifiche. In questa fase, la cellula è sensibile ai segnali interni ed esterni per determinare se dividersi o meno. Alcune cellule, come i neuroni, non procedono alla divisione cellulare dopo la differenziazione e rimangono in G1 fino alla morte. Una volta che la cellula soddisfa i criteri per procedere alla divisione cellulare, entra nella fase di sintesi o S dell'interfase, durante la quale la cellula replica il suo intero genoma. Successivamente, la cellula entra nella fase Gap 2 o G2 per sintetizzare tutte le proteine necessarie per la divisione cellulare. Segue la fase di divisione cellulare.
Ci sono due tipi di divisione cellulare nelle cellule eucariotiche: mitosi e meiosi. Le cellule somatiche o non riproduttive producono cellule figlie attraverso la divisione mitotica. La mitosi è la divisione nucleare ed è composta da cinque stadi: profase, prometafase, metafase, anafase e telofase Durante la profase, le molecole di DNA duplicate si condensano in cromosomi strettamente impacchettati, mentre i microtubuli formano fusi. L'involucro nucleare si dissolve in prometafase. Durante la metafase, i cromosomi che sono collegati ai fusi si allineano lungo l'equatore delle cellule. Durante l'anafase, i cromatidi fratelli vengono tirati ai poli opposti della cellula. Infine, durante la telofase, si formano nuovi involucri nucleari attorno a entrambi i gruppi di cromosomi. Dopo che la divisione nucleare è completata, il citoplasma attorno a ciascun nucleo si separa l'uno dall'altro tramite citochinesi, risultando in due cellule figlie identiche.
L'altro tipo di divisione cellulare eucariotica è chiamata meiosi, che è specifica per le cellule riproduttive. La meiosi produce quattro cellule figlie, ciascuna con solo la metà del contenuto genetico della cellula madre. In questo processo la cellula duplica il suo DNA durante l'interfase e poi completa due divisioni cellulari successive dividendo le cellule da due a quattro cellule, rispettivamente. Queste successive divisioni cellulari sono chiamate meiosi I e meiosi II, entrambe costituite da tutti gli stadi dalla profase alla telofase. Lo scambio di materiale genetico tra gli insiemi di cromatidi non fratelli avviene durante la profase I in un processo chiamato crossing over. Le coppie di cromosomi omologhi sono allineate lungo l'equatore della cellula durante la metafase I e allontanate l'una dall'altra durante l'anafase I. I nuclei figli aploidi si formano durante la telofase I. La citochinesi si verifica comunemente prima della meiosi II, tuttavia, l'interfase non avviene quasi mai tra le due divisioni successive. La meiosi II è molto simile alla mitosi e separa i cromatidi fratelli. Alla fine della meiosi, si formano quattro cellule figlie aploidi. Queste cellule figlie sono chiamate gameti e formano gli spermatozoi o le cellule uovo.
La divisione cellulare è strettamente regolata esternamente e internamente. La regolamentazione esterna assicura la necessità della divisione. Ad esempio, le cellule del rivestimento dello stomaco si dividono frequentemente per soddisfare la continua necessità di nuove cellule per sostituire le cellule danneggiate. Allo stesso modo, i tessuti danneggiati possono sperimentare tassi più elevati di divisione cellulare per sostituire le cellule danneggiate, ma solo per un certo periodo di tempo, purché siano presenti i segnali esterni per dirigere la divisione cellulare. La regolazione interna della divisione cellulare garantisce la salute delle cellule figlie. Ci sono molti punti di controllo all'interno delle fasi del ciclo cellulare che regolano la transizione della cellula da una fase all'altra. Ad esempio, i meccanismi di controllo della qualità consentono alla cellula di passare dalla fase G1 a quella S solo se il DNA è intatto e adatto alla replicazione. Allo stesso modo, un checkpoint in G2 consente alle cellule di procedere alla mitosi (fase M) solo se il DNA è stato replicato completamente e accuratamente. Inoltre, un checkpoint di metafase assicura che i cromosomi siano attaccati ai fusi e allineati correttamente prima che l'anafase possa iniziare. Una cellula che fallisce in un checkpoint può essere bersaglio di apoptosi se la cellula non è in grado di correggere l'errore.
Alcune mutazioni consentono alle cellule di dividersi anche quando non c'è alcun segnale che dirige la divisione cellulare. Ad esempio, i geni oncosoppressori impediscono alle cellule di dividersi in modo incontrollato e la mutazione in questi geni allevia questa inibizione. Questa divisione cellulare aberrante, se non controllata, può causare la formazione di tumori e in alcuni casi portare al cancro. Essendo una delle principali cause di morte negli Stati Uniti, il cancro ha senza dubbio un impatto importante sulla società. Il rischio di cancro nel corso della vita aumenta con l'età poiché le mutazioni nel DNA si accumulano nel tempo, in particolare per i tumori al seno, ai polmoni, alla prostata e al colon1. Pertanto, la ricerca in corso sulla divisione cellulare è essenziale per migliorare l'individuazione, il trattamento e, infine, la prevenzione del cancro. Infatti, le attuali terapie per il trattamento del cancro sfruttano la conoscenza dei meccanismi di divisione cellulare, come i meccanismi di targeting coinvolti nella divisione cellulare. Ad esempio, i farmaci a base di platino come il cisplatino si legano al DNA e arrestano la replicazione del DNA, mentre i taxani come il paclitaxel si legano ai microtubuli e inibiscono il disassemblaggio del fuso arrestando così la divisione cellulare2.
La comprensione del ciclo cellulare e dei meccanismi di divisione cellulare è importante anche per comprendere e sviluppare trattamenti per le condizioni che colpiscono le cellule non in divisione. Attualmente, le lesioni al sistema nervoso o al cuore possono avere effetti debilitanti poiché i neuroni danneggiati e le cellule muscolari non possono essere sostituiti. Tuttavia, la lesione del tessuto nervoso è associata all'attivazione delle vie del ciclo cellulare nei neuroni e nelle cellule gliali di supporto. È interessante notare che l'inibizione di queste vie del ciclo cellulare riduce la formazione di cicatrici gliali e il danno secondario dopo la lesione. Pertanto, comprendere la regolazione del ciclo cellulare e della divisione cellulare è fondamentale per comprendere le condizioni sane e malate di tutti i sistemi di organi3.
Il ciclo cellulare si riferisce alla sequenza di eventi durante la vita tipica di una cellula, che coinvolge la crescita, la replicazione del DNA e la preparazione per la divisione cellulare. Per gli organismi che si riproducono sessualmente, la vita inizia come uno zigote, un uovo fecondato. Nel corso del tempo, quella singola cellula originale cresce e si divide in modo controllato per produrre un individuo complesso e multicellulare. Le cellule continuano questo processo, soprattutto per mantenere e riparare i tessuti durante l'invecchiamento.
Ora diamo un'occhiata più da vicino. Negli eucarioti, il DNA a doppio filamento è appositamente organizzato all'interno di un nucleo legato alla membrana per accogliere lo spazio limitato della cellula. Al primo livello di compattazione, il DNA è avvolto strettamente attorno a proteine specifiche chiamate istoni. Questa combinazione di particelle proteiche di DNA viene quindi ripetuta e impacchettata in array noti come nucleosomi, che, insieme al DNA linker, formano fibre di cromatina a spirale. Infine, altre proteine fibrose compattano ulteriormente la cromatina, impacchettando lunghi tratti di DNA in unità strettamente condensate. Riconosciuti come cromosomi, a seconda della fase di divisione cellulare.
Per prepararsi alla divisione, le cellule devono passare attraverso l'interfase, che è divisa in tre fasi. G1, S e G2. In G1, la prima fase di gap, una cellula figlia appena generata cresce di dimensioni e si prepara per la duplicazione del DNA nella fase successiva. Ora in S, la fase di sintesi, le cellule duplicano il loro DNA nucleare, che rimane impacchettato come cromatina. Le cellule duplicano anche i centrosomi, le strutture organizzative dei microtubuli che formano l'apparato del fuso mitotico. Infine, in G2, la seconda fase di gap, le cellule continuano a crescere, moltiplicare gli organelli e le proteine necessarie per la mitosi e ricostituire le loro riserve di energia. La cellula è ora pronta per entrare nel primo stadio della mitosi.
Composta da cinque stadi unici, la mitosi è una forma di divisione in cui il materiale genetico di una cellula viene suddiviso tra due cellule figlie. Per la prima volta durante la profase nell'uomo, la cromatina nucleica si condensa in cromosomi a forma di X, composti da coppie di cromatidi fratelli attaccati alle giunzioni del centromero. Contemporaneamente al di fuori del nucleo, i centrosomi migrano verso i lati opposti della cellula. Mentre lo fanno, i bastoncelli dei microtubuli iniziano a crescere da ciascuno. Sia verso l'interno che verso l'esterno della cella, formando un apparato fusiforme simile a una ragnatela. Successivamente, l'involucro nucleare si dissolve durante la prometafase, esponendo i cromosomi agli altri contenuti della cellula. Le strutture proteiche compaiono anche su entrambi i lati dei centromeri, una per ogni cromatide. Una volta che questi cinetocori si formano, i microtubuli interni che si estendono si fissano ad essi, con ogni cromatide fratello legato a un polo diverso.
La mitosi progredisce quindi verso la metafase, in cui l'apparato del fuso riorganizza i cromosomi in modo che siano orientati in modo simile in una fila fissa lungo l'equatore della cellula. Durante l'anafase, i microtubuli fissati con il cinetocoro si accorciano. E i cromatidi fratelli, ora indicati individualmente come cromosomi, vengono trascinati via. Queste e altre dinamiche dei microtubuli allungano anche la cellula. Infine, i cromosomi atterrano ai lati opposti della cellula durante la telofase. E l'apparato del fuso si scioglie. Il materiale genetico si allenta e sorgono due involucri nucleari, uno attorno a ciascun set di cromosomi. Durante la telofase, un processo distinto, tecnicamente non uno stadio della mitosi, chiamato citochinesi, divide anche la cellula. Pertanto, il risultato finale della mitosi è una coppia di cellule geneticamente identica al loro precursore.
Sfortunatamente, le mutazioni possono causare danni ai geni che controllano la regolazione del ciclo cellulare, il che porta alla divisione cellulare che procede incontrollata. In questo caso, ogni successiva divisione cellulare produce cellule figlie con ancora più danni... e la regolazione difettosa della crescita alla fine porta alla formazione di masse cellulari chiamate tumori.
In questo laboratorio, esaminerai le diverse fasi della mitosi utilizzando le cellule della punta della radice di cipolla. E poi esaminare cosa succede quando si perde il controllo del ciclo cellulare.
