divisione cellulare: mitosi e meiosi

TEORIA CELLULARE

(Schwann 1839; Virchow 1855)

DIVISIONECELLULARE

Mitosi

Scissione

1) Tutti gli organismi sono composti da una o più cellule

2) La cellula è l’unità strutturale della vita

3) Le cellule possono avere origine solo da cellule preesistenti

Nuove cellule si formano per divisione cellulare che può essere molto

semplice, come quella che avviene nei batteri, o più complessa come la

mitosi che riguarda le cellule eucariotiche.

Meiosi

Scissione binaria di una cellula batterica

1 cromosomapresente in singola copia

1 cromosomapresente in singola copia

Duplicazione del DNA

Allungamento della

membrana cellulare e

della cellula, separazione

delle molecole di DNA

Strozzatura in posizione

centrale e scissione

Ruolo del mesosoma nella separazione dei cromosomi

Duplicazione del DNA

e aggancio

duplicazione del DNA

divisione mitotica

Interfase

Mitosi

1 cellula madre

2 cellulefiglie

Divisione di una cellula eucariotica: mitosi

La duplicazione del DNA

garantisce alla cellule figlie

la stessa quantità e lo stesso

tipo di DNA

?

duplicazione del DNA

mitosi

1 molecola di DNA per singolo cromosoma(monocromatidico)

1 molecola di DNA per singolo cromosoma(monocromatidico)

Duplicazione del DNA: cromosomi

monocromatidici e dicromatidici

2 molecole di DNA per singolo cromosoma(dicromatidico)

Cromosomi DNA/cromosoma

(2n)

(2n)

(2c)

(2c)

(4c)(2n)

Stessa quantità di DNA della c. madre

Il DNA si apre e ognuna delle due emieliche funge da stampo per la sintesi di una nuova emielica(complementarietà e antiparallelismo)

DUPLICAZIONE del DNA

stampostampo

Una molecola di DNA dà origine a due molecole

geneticamente identiche

emielicastampo

emielicaneosintetizzata

duplicazione

emielicastampo

cellulamadre

cellulefiglie

Le cellule figlie sono- geneticamente identiche tra loro- geneticamente identiche alla cellula madre che le ha generate

Cellule geneticamente identiche:-stessa quantità di DNA-DNA con la stessa sequenza

Scissione e mitosi sono processi di tipo conservativoScissione e mitosi sono processi di tipo conservativoScissione e mitosi sono processi di tipo conservativoScissione e mitosi sono processi di tipo conservativo

Cellulamadre

Cellule figlie

Identità genetica della progenie

processo conservativo in

quanto preserva l’identità

genetica della progenie.

Questo tipo di divisione per molti organismi rappresenta una

modalità di riproduzione e risulta essere svantaggiosa per la

sopravvivenza di una specie

La divisione cellulare implica un aumento del numero di cellule

1

2

4

8

Proliferazione

cellulare

La proliferazione cellulare è alla base di moltiprocessi

omeostasi di un tessuto

riparazionetessutidanneggiati

sviluppo

Ripresa della proliferazione che

porta alla riparazione del danno

La duplicazione del DNA e la mitosi sono fasi

del ciclo cellulare

G2

G1

SMCICLO

CELLULARE

CICLOCELLULAREMITOTICO

Interfase

Fase M

G1SG2

MitosiCitocinesi

Mitosi

Citocinesi

duplicazione centrosoma

duplicazione DNA

Fasi del ciclo cellulare

accrescimento

del citoplasma

(diminuisce il rapporto N/C)

- la cellula accresce il proprio citoplasma (N/C)

- duplica il centrosoma (tarda fase G1)

fase G1

quando la cellula decide di dividersi

MTOC: Centri Organizzatori dei Microtubuli

CENTROSOMA: piccola area di materiale granulare

localizzata vicino al nucleo e, quando presenti, ai

centrioli (2X orientati ad angolo retto)

In una cellula che contiene i centrioli, la duplicazione

del centrosoma può essere più facilmente visualizzata

attraverso la duplicazione dei centrioli

centriolo

centrosoma

Centrosoma

La duplicazione del centrosoma (centri di nucleazione) avviene in tarda fase G1

DuplicazioneDel centrosoma/centrioli

PROFASE della fase M: i centrosomi si separano e i microtubuli del citoscheletro in disgregazione formano il fuso

Fase S:

duplicazione del

centrosoma/centrioli

Fase G2: nuovi microtubuli

cominciano ad irradiarsi

nella regione contenente i

centrioli. Si formano gli

ASTER

PROFASE della fase M: i

centrosomi si separano e i

microtubuli del citoscheletro in

disgregazione formano il fuso

La duplicazione del DNA avviene in Fase S e genera molecole di DNA identiche tra loro

Alla fine della fase S ogni cromosoma sarà

dicromatidico

Singolo cromosoma contenente un’unica molecola di DNA (monocromatidico)

Singolo cromosoma contenente 2

molecole di DNA(cromosoma

dicromatidico )

DuplicazioneDuplicazioneDuplicazioneDuplicazione

(fase S)(fase S)(fase S)(fase S)

Fase G1

Fase S

Fase G2

Fase M

La duplicazione ed il compattamento predispongono per la corretta

ripartizione del DNA nelle due cellule figlie

Compattamento del DNA(cromosoma unità discreta)

Il cromosomadicromatidicocontiene molecole diDNA identiche

Profase Prometafase

Fasi della MitosiFasi della MitosiFasi della MitosiFasi della Mitosi

Metafase Anafase Telofase/citocinesi

-condensazione dei cromosomi e scomparsa del nucleolo

-disgregazione degli apparati membranosi citoplasmatici

-disgregazione del cictoscheletro

-separazione dei centrosomi (i microtubuli del citoscheletro in

disgregazione formano i microtubuli del fuso)

-disgregazione dell’involucro nucleare

PROFASE

Disgregazione dell’involucro nucleare:

microtubuli citoplasmatici e lamina nucleare

Profase ePrometafase

Ruolo dei microtubuli

Ruolo delle lamine

trazione e coesine dispongono i cromosomi in piastra equatoriale

Prometafase e Metafase

coesine

- il fuso prende contatto con i cromosomi- i cromosomi si dispongono in piastra equatoriale- fuso è soggetto a checkpoint

La trazione esercitata dai microtubuli, grazie

alla presenza delle coesine, dispone i

cromosomi in piastra equatoriale

trazione

Checkpoint del fuso:

controllo sull’allineamento dei cromosomi in piastra

MAD2 è localizzata a

livello dei cinetocori di

cromosomi non allineati

La giusta forza di tensione

sul cinetocore induce il

rilascio di MAD2

Progressione in anafase: attività del Fattore che Promuove l’Anafase

lega e inibisce

la separasi

PMPF attivofosforila e inibisce

la separasi

MPFdegradazione

Proteine del

cinetocore, non

essendo sotto

tensione, generano

un segnale di attesa

che mantiene

inattivo APC

Uscita dalla fase M

APC induce

degradazione

della securina

La separasi si

attiva e

degrada le

coesine

Citocinesi: un anello di actina contrattile divide la cellula

e distribuisce il citoplasma

GTP

GTP

GDP

Cinetocore e Proteine motrici:

ruolo di dineina e chinesina

Forze che permettono il movimento

dei cromosomi

Microtubulo del cinetocore

Microtubulo polare

Microtubulo astrale

Fuso mitotico e i microtubuli del fuso

-Le chinesine del cinetocore si dirigono verso l’estremità negativa del microtubulo - La catastrofina del cinetocore disgrega il microtubulo alla sua estremità positiva

Microtubuli associati al cinetocore : movimento del: movimento del: movimento del: movimento del

cromosoma verso il polocromosoma verso il polocromosoma verso il polocromosoma verso il polo

- I microtubuli polari si allungano e proteine motrici li fanno scorrere (l’uno sull’altro)

Attività dei microtubuli polari: separazione ed allon tanamento dei poli

chinesine

Attività microtubuli astrali: separazione ed allontan amento dei poli

citoscheletro(regione corticaledella membrana)

dineina

- La dineina, agganciata alla regione corticale citoscheletrica, si dirige verso l’estremità negativa dei microtubuli astrali i quali vengono tirati verso la membrana

Motori che portano aMotori che portano aMotori che portano aMotori che portano a

---- separazione dei cromosomi (1)separazione dei cromosomi (1)separazione dei cromosomi (1)separazione dei cromosomi (1)

---- allontanamento dei poli (2 e 3)allontanamento dei poli (2 e 3)allontanamento dei poli (2 e 3)allontanamento dei poli (2 e 3)

citoschelitro(regione corticaledella membrana)

dineinacatastrofina/chinesina

1

chinesina

subunitàdi tubulina

MT del cinetocore

MT polare

MT astrale

1) trazione (chinesina) accorciamento (catastrofina)2) scorrimento3) trazione

1

2

3

Durante le prime fasi dello

sviluppo, ad ogni ciclo di

divisione il citoplasma si

suddivide tra le cellule le

quali risulteranno sempre

più piccole

cicli di divisione cellulare in cui si osserva l’alternanza di due

fasi: faseS - faseM

Cicli cellulari atipiciCicli cellulari atipiciCicli cellulari atipiciCicli cellulari atipici

Segmentazione di un uovo fecondato

-Primi cicli di divisione della cellula uovo fecondata umana (S-M)

Le cellule delle ghiandole salivaridi Drosophila contengono cromosomi politenici giganti

-Cicli ripetuti di endoreplicazione ( cicli di fase S che si ripetono)

Tipo di divisione cellulare che porta al dimezzamento del numero di cromosomi di una cellula

1 cellula(2n)

Meiosi

4 cellule (n)

II Divisionemeiotica

I Divisionemeiotica

Corredo cromosomicoin duplice copia

Corredo cromosomicoin singola copia

Meiosi

corredo cromosomicoAPLOIDE

corredo cromosomicoDIPLOIDE

ogni cromosoma è presente in singola copia

ogni cromosoma è presente in duplice copia

Esempi di assetto cromosomico di una cellula eucariotica

(n) (2n)

Gli omologhi hanno la stessa dimensione, la stessa forma e portano i geni per gli stessi caratteri, nello stesso ordine lungo il cromosoma. La posizione occupata da un gene prende il nome di locus.

3 cromosomi non omologhi

3 coppie di cromosomiomologhi

A- A-

B-B-

SI divisione

II divisione

Meiosi

cellula destinataalla meiosi

La meiosi assegna un intero corredo aploide (una copia di

ciascuna coppia di cromosomi omologhi) ad ognuna della 4

cellule che produce

Cellula diploide(2n)

Cellule aploidi(n)

Interfase

(4 cromosomi dicromatidici)

ogni cellula riceve una copia della coppia di omologhi

MEIO

SI

divisioneriduzionale

divisioneequazionale

compattamento cromatina(cromosoma unità discreta)

duplicazione

Fase S

Separazione deicromosomi omologhi

Cellule aploidi

Cellule diploide

Meiosi I

Meiosi II

2n/2c 2n/4c

2n/4c

1n/2c

Separazione deicromatidi fratelli

di un singolo cromosoma dicromatidico, ogni cellula riceve un singolo cromatidio

(2 cromosomi dicromatidici)

(2 cromosomi monocromatidici)

1n/1c

I divisionemeiotica

II divisionemeiotica

Profase I

Metafase IAnafase ITelofase citoconesi I

Schema Schema Schema Schema didididi classificazioneclassificazioneclassificazioneclassificazione delledelledelledelle fasifasifasifasi chechecheche scandisconoscandisconoscandisconoscandiscono le due successive le due successive le due successive le due successive

divisionidivisionidivisionidivisioni MI e MIIMI e MIIMI e MIIMI e MII

Profase IIMetafase IIAnafase IITelofase citocinesi II

centrosomi

fuso

Bivalente/tetrade

2n

tetrade

PR

OFA

SE I

PR

OFA

SE I

PR

OFA

SE I

PR

OFA

SE I

METAFASE IMETAFASE IMETAFASE IMETAFASE I

ANAFASE IANAFASE IANAFASE IANAFASE I

TELOFASE ITELOFASE ITELOFASE ITELOFASE I

CITOCINESICITOCINESICITOCINESICITOCINESI

PROFASE IIPROFASE IIPROFASE IIPROFASE II

METAFASE IIMETAFASE IIMETAFASE IIMETAFASE II

ANAFASE IIANAFASE IIANAFASE IIANAFASE II

TELOFASE IITELOFASE IITELOFASE IITELOFASE II


I DIVISIONE MEIOTICAI DIVISIONE MEIOTICAI DIVISIONE MEIOTICAI DIVISIONE MEIOTICA

II DIVISIONE MEIOTICAII DIVISIONE MEIOTICAII DIVISIONE MEIOTICAII DIVISIONE MEIOTICA

Divisione cellulare, decondensazione, riorganizzazione involucro

Allineamento sulla piastra metafasica

Separazione omologhi/ cromatidi fratelli

centrosomi

fuso

Bivalente/tetrade

2n

tetrade

PR

OFA

SE I

PR

OFA

SE I

PR

OFA

SE I

PR

OFA

SE I

La profase I è una fase lunga e complessa

Migrazione dei centrosomi e formazione fuso

condensazione e sinapsi dei cromosomi omologhi

Compattamento cromosomi vescicolazioneinvolucro nucleare

Crossing-over:ricombinazione reciproca tra cromosomi omologhi

Formazione del complesso sinaptinemale e inizio appaiamento degli omologhi

L’elemento centrale e l’appaiamento si completano (tetrade)

Il complesso scompare(chiasmi)

Sottofasi della Profase I

Ricombinazione reciproca tra

cromosomi omologhi(crossing-over)

I cromosomi sono pronti per la metafase

Elementilaterall

elemento centrale

tetrade

Interdigitazione delle

fibre trasversali

Il complesso sinaptinemale(leptotene e zigotene)

Crossing-over: scambio di materiale genetico tra

cromatidi non fratelli (pachitene)

Nuove combinazioni di forme alleliche

scambio esaldatura

La ricombinazione è catalizzata dai noduli di ricombinazione

Complesso proteico multienzimaticoposto sul complesso sinaptinemalecontenente proteine di ricombinazione come Rad51

Estremità protrudenti e coesive

Ricombinazione di due frammenti derivanti da due molecole di DNA

Due molecole di DNA generano frammenti che ricombinano tra loro

In alcuni organismi la profase I corrisponde ad attiva sintesi di RNA

GVBD

sintesi di RNA per il materiale di riserva dell’uovo (anfibi: cromosomi a spazzola)

Negli ovociti di anfibi sono visibili numerosi nucleoli

tetrade Negli ovociti durante il pachitene si ha attiva trascrizione del NOR (1000-1500 nucleoli) e durante il diplotenesi ha la sintesi di RNA per il materiale di riserva dell’uovo (anfibi: cromosomi a spazzola)

Cromosomi a spazzola e sintesi RNA durante il diplotene(profase MI)

centrosomi

fuso

Bivalente/tetrade

2n

tetrade

PR

OFA

SE I

PR

OFA

SE I

PR

OFA

SE I

PR

OFA

SE I












Metafase e

AnafaseI/Metafase e

AnafaseII

Divisione cellulare, decondensazione, riorganizzazione involucro

Allineamento sulla piastra metafasica

Separazione omologhi/ cromatidi fratelli

Coppia di omologhiuniti a livello dei chiasmi

Metafase I

Cromosomadicromatidico

Coesine(Rec8)

XXX

X

X

X

X

X

Rec8/sgo1

Metafase mitotica

Metafase I meiotica

In Metafase I, la modalità con la quale i microtubuli del cinetocore

prendono contatto con i cromosomi cambia l’organizzazione dei

cromosomi in piastra equatoriale e predispone per la separazione

degli omologhi

2 cinetocori

2 microtubuli

4 cinetocori

2 microtubuli

La presenza dei chiasmi, resistenti alla trazione proveniente dai due poli, posiziona i cromosomi


Allineamento dei cromosomi sulla piastra





Separazione omologhi

Separazione cromatidi fratelli

Separazione dei cromosomi omologhi in anafase (I e II) dipende da

APC e dalla degradazione delle coesine

Progressione in Anafase: attività di APC

APC induce

degradazione

della securina

Rec8

La separasi si attiva e

degrada la coesina

telomerica Rec 8

Coesina telomerica

Rec 8

In MI, la proteina Sgo1 protegge la coesina centromerica Rec8 impedendone la degradazione

MI: Attivazione APC/separase e degradazione della

coesina telomerica Rec8: separazione degli omologhi

Coesina centromerica

Rec 8

MII: Attivazione APC/separase e degradazione della coesina

centromerica Rec8 : separazione dei cromatidi fratelli

INTERFASEINTERFASEINTERFASEINTERFASE

centrosomi

cromatidifratelli

fuso

Bivalente(sinapsi dicromosomiomologhi)

2n

Frammentazionedell’involucro nucleare bivalente

microtubulo delcinetocore

microtubulopolare

PR

OFA

SE I

PR

OFA

SE I

PR

OFA

SE I

PR

OFA

SE I












La meiosi produce 4 cellule aploidi

4 cellule aploidi

- Quale la necessità di dimezzare il numero di cromosomi di una cellula?

-Qual è l’evento biologico che sfrutta questo tipo di divisione?

-Quali i vantaggi?

-Quali i segnali che ne regolano la progressione?

fase aploide fase aploide

fase aploide

Meiosi gametica Meiosi sporofitica Meiosi zigotica

spore

cellulegerminali

(2n)

(2n)

(2n)

(n)

(n)

(n)

La riproduzione sessuata utilizza la meiosi per dimezzare il corredo cromosomico e quindi preservare, con la fecondazione, il corretto numero di cromosomi della specie

fase diloide

fase diloide

fase dilo

ide

fecondazione fecondazione fecondazione

Ai fini riproduttivi la meiosi ha due vantaggi:

- Dimezza il numero dei cromosomi

- Inserisce variabilità ossia crea diversità

Eventi meiotici che portano alla variabilità genetica

della progenie

1) crossing over

2) disposizione casuale dei cromosomi in piastra metafasica MI

?

A A

d D

Ogni cromosoma è

costituito da migliaia di

geni i quali occupano

posizioni ben definite

(loci genici)

Cromosomi omologhi

contengono gli stessi

tipi di geni

Loci omologhi

(2/cellula diploide)

contengono geni che

controllano lo stesso

carattere

Colore del manto

loci omologhi

loci non omologhi

Forme alternative di geni che controllano lo stesso carattere (alleli)

Gene/carattere, locus, allele

AA

Forme in cui il carattere si può manifestare il

carattere “colore del manto” (Forme alternative

di uno stesso carattere/gene)

caratterecolore del manto

neromarronebiancorossogrigio

-in una popolazione ogni gene può essere presente in più forme alleliche-una cellula diploide può contenere massimo 2 forme alleliche

A A A a

omozigote eterozigote

AA Aa

cromosomi omologhi:

due cromosomi (uno di origine paterna, l’altro di

origine materna) che contengono lo stesso tipo di

geni, non necessariamente identici (2 forme

alleliche o forme alternative dello stesso

gene/carattere)

Il crossing-over genera cellule con nuovecombinazione di forme alleliche Nuove combinazioni

di forme alleliche

Progenie con nuove caratteristiche (nuove combinazioni di forme alleliche)

4 possibili combinazioni di cromosomi materni e paterni/forme alleliche

2 coppie di omologhi

OPPURE

1 2 1 2

I Divisione meiotica

Disposizione casuale dei cromosomi sulla piastra metafasicagenera cellule con combinazioni di forme alleliche diverse

A a

B b

aA

b B

A B ab A ab

B

AB ab Ab aBAB ab Ab aB

II Divisione meiotica

Nell’uomo sono possibili: 2n combinazioni = 8.400.000 cellule diverse (n= 23, ossia numero cromosomi cellula aploide)

Quali sono i segnali che regolano laprogressione della meiosi?

Nel mondo animale la meiosi è gameticaNel mondo animale la meiosi è gameticaNel mondo animale la meiosi è gameticaNel mondo animale la meiosi è gametica

fase aploide

fase aploide

fase aploide

Meiosi gametica Meiosi sporofitica Meiosi zigotica

spore

cellulegerminali

(2n)

(2n)

(2n)

(n)

(n)

(n)

fase diloide

fase diloide

fase dilo

ide

fecondazione fecondazione fecondazione

Nella donna la fase meiotica della gametogenesi subisce due blocchi

ovogoni

Ovocita I(2n)

I blocco meiotico(diplotene/profaseI)

Meiosi

Mitosi

Ovocita II(n)

c. uovo(n)

II blocco meiotico(metafaseII)

Fase

embrionaleFase adulta

Fase

adulta

Elevati livelli di cAMP nell’ovocita mantengono il blocco in MI: funzione delle gap junction

cAMP

cAMP

cAMP

cAMP

cAMP e gap junction

>cAMP

cAMP

cAMP

cellulefollicolari

Il cAMP prodotto in maggior quantità

dalle cellule follicolari passa nell’ovocita

via gap junction

La risposta cellulare agli elevati livelli di cAMP è il blocco meiotico

Giunzioni tra cellule

•gap junction•two hemichannels (connexons)•each formed from 6 connexin molecules•rapidly turned over

Il blocco in MI (elevati livelli cAMP) viene rimosso dalpicco ovulatorio dell’LH

La ripresa della meiosi è dovuta alla chiusura/eliminazione delle gap-junction tra ovocita I e cellule follicolari (diminuzione cAMP)

(diplotene/Profase I )

chiusura dellegap junction

>cAMP

cAMP

cAMP

Progesterone

mPR

cellulefollicolari

(Metafase II )

Attivazione proteasi(Ca2+ dipendente)

Degradazione CSF

Sblocco APC

Ca2+

Degradazione MPF

Sblocco separasi

Progressione eCompletamentodella meiosi

Rec8

Il blocco in MII (attività CSF/MPF) viene rimosso

dall’incremento di Ca2+ indotto dalla fecondazione

divisione cellulare: mitosi e meiosi

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