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Advanced Biology

Introduzione alla divisione cellulare

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Cell Biology

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JoVE Science Education Cell Biology

An Introduction to Cell Division

4.2: Cell Cycle Analysis

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10:03 min

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April 30, 2023

Overview

La divisione cellulare è il processo attraverso il quale una cellula madre si divide e dà origine a due o più cellule figlie. È un mezzo di riproduzione per organismi unicellulari. Negli organismi multicellulari, la divisione cellulare contribuisce alla crescita, allo sviluppo, alla riparazione e alla generazione di cellule riproduttive (spermatozoi e uova). La divisione cellulare è un processo strettamente regolato e la divisione cellulare aberrante può causare malattie, in particolare il cancro.

L’introduzione di JoVE alla divisione cellulare coprirà una breve storia delle scoperte di riferimento nel campo. Discutiamo quindi diverse domande e metodi chiave, come l’analisi del ciclo cellulare e l’imaging delle cellule vive. Infine, mostriamo alcune applicazioni attuali di queste tecniche nella ricerca sulla divisione cellulare.

Procedure

La divisione cellulare è un processo attraverso il quale una cellula produce due o più cellule figlie. Gli organismi unicellulari, come il lievito, si riproducono per divisione cellulare, mentre gli organismi multicellulari, come noi, usano lo stesso processo per sviluppare, crescere e mantenere i nostri tessuti. La conoscenza di ciò che controlla la normale divisione cellulare è fondamentale per capire come l’interruzione di questo fenomeno possa avviare processi patologici.

Questo video presenta una breve storia delle scoperte nel campo della divisione cellulare, evidenzia le domande chiave poste dai biologi cellulari, esamina gli strumenti di spicco utilizzati e mostra alcune applicazioni attuali.

Iniziamo esaminando alcuni studi di riferimento che hanno gettato le basi della ricerca sulla divisione cellulare.

L’esistenza di cellule fu segnalata per la prima volta nel 1600 da Anton van Leeuwenhoek e Robert Hooke. Potenziati dalle innovazioni nella microscopia, hanno tirato indietro il velo sul mondo microscopico invisibile. La prima osservazione che le cellule potevano dividersi fu fatta nel 1830 da due botanici, Barthélemy Dumortier e Hugo von Mohl, che scoprirono che una cellula vegetale può dare origine a due dividendo. A seguito di questa scoperta, nel 1838, un botanico, Matthias Jakob Schleiden, e un fisiologo Theodor Schwann, osservarono somiglianze nelle cellule vegetali e animali. Ciò ha portato Schwann a postulare i due principi della teoria cellulare, in primo luogo: “tutti gli organismi viventi sono composti da una o più cellule”; secondo: “le cellule sono gli elementi costitutivi di base di tutta la vita”. Quasi vent’anni dopo, un medico di nome Rudolf Virchow pubblicò il terzo principio della teoria cellulare, che affermava: “tutte le cellule derivano da cellule preesistenti”.

Nel 1876, Walther Flemming, mentre osservava la divisione cellulare, osservò la separazione delle strutture filiformi. Pertanto, ha coniato il termine “mitosi”, derivato dalla parola greca mitos che significa filo. Più tardi, Edouard Van Beneden e Theodor Heinrich Boveri scoprirono che quei fili sono in realtà cromosomi, che vengono divisi con l’aiuto di microtubuli derivanti da strutture ora conosciute come centrosomi. Beneden, insieme a Oscar Hertwig e August Weismann, ha anche spiegato la meiosi, un diverso tipo di divisione che produce cellule come i gameti. Hanno dimostrato che la meiosi, a differenza della mitosi, comporta un ciclo di replicazione del DNA ma due cicli di divisione cellulare, con conseguente dimezzamento del numero cromosomico dal genitore alle cellule figlie.

Nella seconda metà del XX secolo, gli scienziati si interessarono alla regolazione del ciclo cellulare, un processo in cui una cellula passa attraverso una serie di fasi che portano alla sua divisione. Una delle scoperte più importanti in questo campo è arrivata nel 1972 da Leland Hartwell e colleghi. Usando ceppi di lievito, hanno dimostrato che ci sono geni che svolgono un ruolo importante nel guidare le cellule attraverso le fasi del ciclo cellulare, e il Dr. Hartwell li ha chiamati geni del ciclo di divisione cellulare o “cdc”.

Un’altra scoperta è arrivata nel 1983 da Tim Hunt, che stava studiando i ricci di mare. Ha identificato proteine che oscillano nella loro abbondanza in sincronia con le fasi del ciclo cellulare. A causa della loro natura oscillatoria, ha chiamato queste proteine come “cicline” e ora sappiamo che le cicline sono regolatori chiave del ciclo cellulare. Quattro anni dopo, Sir Paul Nurse e colleghi hanno dimostrato che i geni cdc, in particolare cdc2,erano altamente conservati tra lieviti e umani. Insieme, queste scoperte hanno aumentato significativamente la nostra comprensione della divisione cellulare, e quindi sono state meritatamente premiate con un premio Nobel nel 2001.

Ora che abbiamo esaminato alcuni punti salienti storici, esaminiamo alcune domande fondamentali che affrontano oggi il campo della divisione cellulare.

Inizieremo con forse la domanda più ampia nella divisione cellulare: quali geni e vie di segnalazione intracellulare regolano il ciclo cellulare? È noto che la duplicazione e la divisione sono controllate da una serie di interruttori biochimici che attivano o disattivano i processi del ciclo cellulare. I ricercatori stanno lavorando per far luce sulle molecole che influenzano la progressione o l’inibizione del ciclo cellulare.

I biologi sono anche interessati a identificare i fattori extracellulari che stimolano o inibiscono la divisione cellulare. Le cellule possono aumentare la divisione cellulare in risposta a segnali chimici esterni chiamati mitogeni. Gli scienziati stanno lavorando per capire quali segnali esterni stimolano o inibiscono la divisione cellulare.

La divisione cellulare anormale può portare ad un aumento o una diminuzione della proliferazione cellulare. L’aumento della proliferazione cellulare causa malattie come il cancro. I ricercatori hanno scoperto che le mutazioni in alcuni geni noti come oncogeni sono coinvolte nell’inizio del cancro. Inoltre, gli scienziati hanno anche scoperto diverse proteine che svolgono un ruolo fondamentale nella progressione del tumore. Tuttavia, diversi fattori che causano il tumore rimangono ancora sconosciuti e i biologi si sforzano duramente di rivelarli.

Ora che hai un’idea di alcune delle domande senza risposta, diamo un’occhiata ad alcuni strumenti di ricerca che i biologi usano per trovare risposte.

In una miscela di cellule che si dividono attivamente, la proporzione di cellule che esistono in ogni fase del ciclo cellulare può essere determinata dall’analisi del ciclo cellulare. Questo viene fatto con l’aiuto di coloranti speciali, come bromodeoxyuridine o BrdU. È un analogo della timidina e si incorpora nel filamento di DNA appena sintetizzato durante la replicazione del DNA. Quindi, etichetta solo le celle di fase S. D’altra parte, i composti fluorescenti come l’idoduro di propidio (PI) macchiano tutto il DNA, ma la quantità di PI legata può aiutare a distinguere tra le cellule in diverse fasi. Il passo finale è quello di analizzare le cellule colorate utilizzando la citometria a flusso e i dati ottenuti rivelano la distribuzione delle cellule tra le diverse fasi del ciclo cellulare.

I progressi nelle tecniche di imaging ora facilitano l’osservazione diretta della divisione cellulare. Gli scienziati possono ora colorare le cellule usando coloranti alla fluoresceina o eseguire manipolazioni genetiche per indurre l’espressione di proteine fluorescenti. Successivamente, possono osservare direttamente le cellule vive che si dividono usando la microscopia time-lapse.

Infine, gli scienziati hanno anche escogitato un modo per quantificare il numero di divisioni che specifiche cellule subiscono all’interno di una popolazione cellulare mista. Questo viene fatto utilizzando “coloranti di tracciamento quantificabili”. Questi coloranti sono utili perché il segnale che generano diventa più debole in quanto viene diluito attraverso la divisione cellulare. La diminuzione dell’intensità di fluorescenza può essere utilizzata per identificare le cellule in diverse generazioni. Inoltre, la differenza tra la più alta e la più bassa intensità di fluorescenza può fornire informazioni su quante volte le cellule hanno subito la divisione.

Ora che hai familiarità con alcuni approcci comuni allo studio della divisione cellulare, diamo un’occhiata a come vengono applicati questi metodi.

Come discusso in precedenza, i geni svolgono un ruolo importante nel controllo del ciclo cellulare. Qui, gli scienziati hanno studiato l’effetto della mutazione genetica sulla divisione cellulare nelle larve di Drosophila. Hanno eseguito incroci genetici per produrre mosche con mutazioni specifiche e quindi utilizzando l’analisi del ciclo cellulare hanno osservato gli effetti della mutazione all’interno del tessuto alare in via di sviluppo.

Utilizzando la microscopia a fluorescenza, gli scienziati possono anche osservare direttamente come i farmaci influenzano la divisione cellulare nel cancro. In questo esperimento, i ricercatori erano interessati a determinare come un potenziale farmaco, JP-34, influenzasse la divisione delle cellule tumorali. I risultati hanno mostrato che le cellule tumorali trattate con JP-34 hanno subito insufficienza mitotica e morte cellulare.

Infine, gli scienziati usano coloranti di tracciamento per identificare le differenze nei tassi di proliferazione cellulare. Qui, hanno impiegato un colorante tracciante quantificabile che etichetta le membrane cellulari per studiare le differenze nella divisione cellulare di varie cellule immunitarie. L’analisi dei dati della citometria a flusso ha rivelato che il tasso di proliferazione differisce tra i diversi tipi di cellule immunitarie.

Hai appena visto l’introduzione di JoVE alla divisione cellulare. In questo video abbiamo esaminato alcune delle principali scoperte nella divisione cellulare, le domande chiave poste dai biologi cellulari oggi, gli strumenti di spicco impiegati nei laboratori di divisione cellulare e le loro attuali applicazioni. Come sempre, grazie per aver guardato!

Transcript

Cell division is a process by which one cell produces two or more daughter cells. Unicellular organisms, like yeast, reproduce by cell division, whereas multicellular organisms, like us, use the same process to develop, grow, and maintain our tissues. Knowledge of what controls normal cell division is critical to understanding how disruption of this phenomenon can initiate pathological processes.

This video presents a brief history of discoveries in the cell division field, highlights key questions asked by cell biologists, reviews prominent tools being used, and showcases some present-day applications.

Let’s start by reviewing some landmark studies that laid the foundation of cell division research.

The existence of cells was first reported in the 1600’s by Anton van Leeuwenhoek and Robert Hooke. Empowered by innovations in microscopy, they pulled back the veil on the invisible microscopic world. The first observation that cells could divide was made in the 1830’s by two botanists, Barthélemy Dumortier and Hugo von Mohl, who discovered that one plant cell can give rise to two by dividing. Following this discovery, in 1838, a botanist—Matthias Jakob Schleiden— and a physiologist—Theodor Schwann—observed similarities in plant and animal cells. This led Schwann to postulate the two tenets of cell theory, first: “all living organisms are composed of one or more cells”; second: “cells are the basic building blocks of all life.” Nearly twenty years later, a physician named Rudolf Virchow published the third tenet of cell theory, which stated: “all cells arise from preexisting cells.”

In 1876, Walther Flemming, while viewing cell division, observed separation of thread-like structures. Therefore, he coined the term “mitosis,” derived from the Greek word mitos meaning thread. Later on, Edouard Van Beneden and Theodor Heinrich Boveri discovered that those threads are actually chromosomes, which are being divided with the help of microtubules arising from structures now known as centrosomes. Beneden, along with Oscar Hertwig and August Weismann, also explained meiosis—a different type of division that produces cells like gametes. They showed that meiosis, unlike mitosis, involves one round of DNA replication but two rounds of cell division, resulting in halving of the chromosome number from the parent to the daughter cells.

In the latter half of the twentieth century, scientists became interested in regulation of the cell cycle, a process in which a cell passes through a series of phases leading to its division. One of the most important discoveries in this field came in 1972 from Leland Hartwell and colleagues. Using yeast strains, they demonstrated that there are genes that play an important role in guiding cells through the cell cycle stages, and Dr. Hartwell named them as the cell division cycle genes or “cdc’s.”

Another discovery came in 1983 by Tim Hunt, who was studying sea urchins. He identified proteins that oscillate in their abundance in synchrony with the cell cycle phases. Due to their oscillatory nature, he named these proteins as “cyclins,” and now we know that cyclins are key regulators of the cell cycle. Four years later, Sir Paul Nurse and colleagues showed that cdc genes, in particular cdc2, was highly conserved between yeasts and humans. Together, these discoveries significantly increased our understanding of cell division, and thus were well deservedly rewarded with a Nobel Prize in 2001.

Now that we’ve reviewed some historical highlights, let’s examine a few fundamental questions facing the field of cell division today.

We’ll begin with perhaps the broadest question in cell division: what genes and intracellular signaling pathways regulate the cell cycle? It is known that duplication and division are controlled by a series of biochemical switches that activate or deactivate the cell cycle processes. Researchers are working to shed more light on the molecules that influence the progression or inhibition of the cell cycle.

Biologists are also interested in identifying the extracellular factors that stimulate or inhibit cell division. Cells may increase cell division in response to external chemical cues called mitogens. Scientists are working to understand what external cues stimulate or inhibit cell division.

Abnormal cell division can lead to increased or decreased cell proliferation. Increased cell proliferation causes diseases like cancer. Researchers have discovered that mutations in certain genes known as oncogenes is involved in initiation of cancer. In addition, scientists have also discovered several proteins that play a critical role in tumor progression. However, several tumor-causing factors still remain unknown, and biologists are striving hard to reveal them.

Now that you have a feel for some of the unanswered questions, let’s look at a few research tools biologists use to find answers.

In a mixture of actively dividing cells, the proportion of cells that exist in each phase of the cell cycle can be determined by cell cycle analysis. This is done with the help of special dyes, like bromodeoxyuridine or BrdU. It is a thymidine analog and incorporates itself in the newly synthesized DNA strand during DNA replication. Hence, it labels S phase cells only. On the other hand, fluorescent compounds like propidium idodide (PI) stain all of the DNA, but the amount of PI bound can help distinguish between cells in different phases. The final step is to analyze the stained cells using flow cytometry, and data obtained reveals distribution of cells amongst different cell cycle stages.

Advances in imaging techniques now facilitate direct observation of cell division. Scientists can now stain cells using fluorescein dyes, or perform genetic manipulation to induce expression of florescent proteins. Following this, they can directly observe live cells dividing using time-lapse microscopy.

Lastly, scientists have also devised a way to quantify the number of divisions that specific cells undergo within a mixed cell population. This is done by using “quantifiable tracking dyes.” These dyes are useful because the signal they generate becomes dimmer as it’s diluted through cell division. The diminishing fluorescence intensity can be used to identify cells in different generations. In addition, the difference between the highest and the lowest fluorescence intensity can provide insight into how many times the cells underwent division.

Now that you’re familiar with some common approaches to studying cell division, let’s look at how these methods are being applied.

As discussed earlier, genes play a major role in cell cycle control. Here, scientists studied the effect of genetic mutation on cell division in Drosophila larvae. They performed genetic crosses to produce flies with specific mutations, and then using cell cycle analysis observed the effects of the mutation within the developing wing tissue.

Using fluorescence microscopy, scientists can also directly observe how drugs affect cell division in cancer. In this experiment, researchers were interested in determining how a potential drug, JP-34, affected cancer cell division. Results showed that cancer cells treated with JP-34 underwent mitotic failure and cell death.

Finally, scientists use tracking dyes to identify differences in cell proliferation rates. Here, they employed a quantifiable tracking dye that labels cell membranes to study differences in cell division of various immune cells. The flow cytometry data analysis revealed that the proliferation rate differs between different types of immune cells.

You’ve just watched JoVE’s introduction to cell division. In this video we reviewed some of the major discoveries in cell division, key questions being asked by cell biologists today, prominent tools employed in cell division labs, and their current applications. As always, thanks for watching!

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