Introduzione alla divisione cellulare

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!