Citologia - riassunto capioli 9-10 di biologia cellula e tessuti olmo colombo PDF

Preview

Summary

riassunto capioli 9-10 di biologia cellula e tessuti olmo colombo...

Description

Dal processamento del trascritto della maggior parte dei geni strutturali origina un unico mRNA: questi geni sono detti semplici. Altrimenti sono detti complessi, da questi possono derivare mRNA costituiti da diverse combinazioni di esoni attraverso splicing alternativo. La gran parte dei geni è singola, ovvero sono presenti in copia unica per genoma aploide, vi sono però anche geni che costituiscono famiglie geniche. Le copie ripetute di questi geni si dispongono una di seguito all'altra con le estremità 5'-3' orientate nella stessa direzione (in tandem); esse non sono però adiacenti, ma sono separate da sequenze non trascritte dette spaziatori. La presenza di geni ripetuti è chiamata ridondanza. GENI REGOLATORI E SEQUENZE REGOLATIVE Determinano i siti dove avvengono particolari eventi della trascrizione, della maturazione dell'RNA, o della duplicazione del DNA. Negli eucarioti sono siti di controllo della trascrizione, che possono incentivarla o reprimerla, i geni intensificatori (enhancer) e i geni silenziatori,che si trovano a grande distanza dal gene. Tra le sequenze che identificano specifici siti funzionali vanno ricordati i siti di inizio della duplicazione, quelli che specificano i punti di taglio all'estremità 3' e di splicing del trascritto e le sequenze telomeriche. Queste sono sequenza ripetute migliaia di volte molto simili in tutti gli eucarioti. DNA RIPETITIVO Utilizzando la tecnica della cinetica di riassociazione, si è evidenziato che il DNA può essere distinto in tre gruppi in base al grado di ripetitività: -a sequenza unica (50-60%), ripetuto una o poche volte, sono i geni strutturali -mediamente ripetuto (25-50%), 100-alcune migliaia di volte, rRNA, tRNA, istoni, sequenze a funzione sconosciuta, sequenze regolative -altamente ripetuto, che può essere satellite (ha una composizione in basi diversa dal resto del DNA, quindi compare come una banda separata nella centrifugazione in gradiente di densità), minisatellite e microsatellite, ripetuto 40 000 000 CROMATINA E CROMOSOMI Il DNA è sempre legato a proteine istoniche e non, a formare una struttura che in intercinesi è chiamata cromatina. Essa è costituita da una serie di filamenti di DNA e proteine, detti cromosomi. Nella prima fase dell'intercinesi, ciascun cromosoma è costituito da un singolo filamento di DNA e proteine ed è troppo despiralizzato per essere distinto al microscopio. Dopo la duplicazione, esso è formato da due filamenti che si spiralizzano all'inizio della divisione e poi si separano durante l'anafase, ripartendosi nelle due cellule figlie. Il nucleo di una cellula contiene filamenti per

complessivi 2.17m di lunghezza, che sono soggetti a diversi gradi di compattazione per poter essere contenuti nel nucleo di 4-5 μm.

PROTEINE NUCLEARI Sono distinte in due categorie principali: -istoni, proteine basiche che si associano strettamente al DNA. In questi gli aminoacidi apolari costituiscono una regione globulare, mentre quelli basici formano una o due braccia che si estendono ai lati della regione globulare. Le varie classi di istoni si identificano con la lettera H seguita da un numero. Distinguiamo: gli istoni del core nucleosomico e gli istoni linker. Gli istoni subiscono modificazioni chimiche, come fosforilazione, acetilazione o metilazione, in rapporto alle varie funzioni del nucleo. -proteine non istoniche, che costituiscono una categoria eterogenea, sono per lo più cariche negativamente o neutre e possono essere sintetizzate in qualsiasi momento nel corso della vita della cellula. Possono essere distinte in cinque gruppi: ad attività enzimatica; che si associano all'RNA; che controllano il mantenimento strutturale dei cromosomi, SMC (condensine, coesine); fattori di trascrizione. RNA NUCLEARI Circa il 5% dell'RNA è localizzato nel nucleo. Appena trascritti gli RNA sono associati a proteine, formando ribonucleoproteine (RNP). Circa il 70% costituisce i precursori degli rRNA. STRUTTURA DELLA CROMATINA Appare come un materiale filamentoso o granulare composto da una porzione sparsa o poco colorabile- eucromatina- e da una granulare o sotto forma di zolle, compatta e ben colorabile, eterocromatina. La prima rappresenta il materiale genetico in fase di attività, la seconda, quello temporaneamente o permanentemente inattivo. FILAMENTO NUCLEOSOMICO Struttura a rosario, chiamata anche a filo di perle, rappresenta l'unità base della cromatina. È costituita da cilindretti di istoni che comprendono otto molecole di istoni: due dimeri di H2A e H2B e un tetramero di H3 e H4. Attorno all'ottamero istonico si avvolge un filamento di DNA lungo 146 coppie di basi che si avvolge ad elica e poi continua con un tratto rettilineo, privo di istoni, verso un ottamero successivo. L'insieme dell'ottamero, core, istonico e del DNA che lo avvolge si chiama nucleosoma, mentre il DNA che lega due nucleosomi successivi è detto DNA linker. Ciascun istone

del core possiede una coda N-terminale; queste terminazioni possono interagire con i gruppi fosfato dello stesso nucleosoma, con il DNA linker o con i nucleosomi vicini. Il filamento nucleosomico rappresenta la struttura primaria della cromatina che si può condensare in altre strutture di ordine superiore, secondarie o terziarie. Gli istoni linker, come l'H1, svolgono il ruolo di consolidare i vari livelli di compattazione della cromatina. Le proteine architettoniche con il filamento nucleosomico costituiscono un insieme dinamico in cui i vari livelli gerarchici della cromatina sono disassemblati e riassemblati in rapporto alla necessità di rendere accessibili certe sequenze di DNA a proteine cellulari coinvolte nell'espressione genica, nella replicazione e nella riparazione del DNA. Queste variazioni strutturali dipendono da modificazioni chimiche dei nucleosomi del core e dall'azione di complessi proteici, detti complessi di rimodellamento della cromatina. EUCROMATINA ED ETEROCROMATINA L'eucromatica è la porzione decondensata al cui livello si trova DNA trascrizionalmente attivo, mentre l'eterocromatina è più condensata e contiene sequenze che non trascrivono. A sua volta l'eterocromatina è distinta in: 

facoltativa, rappresenta regioni del genoma che sono state specificatamente inattivate

in determinate cellule o in precisi momenti della vita della cellula, ma non presentano alcuna differenza sostanziale nelle sequenze di DNA rispetto all'eucromatica. È tessuto-specifica, ed è l'espressione dell'inattivazione specifica di determinati geni che è alla base del differenziamento. Il differenziamento, quindi, non dipende da differenze nel DNA, ma solo dalla diversa espressione di determinati gruppi di geni, che in alcuni tessuti sono repressi, mentre in altri sono attivi. Un particolare esempio di eterocromatica facoltativa è il corpo di Barr, che si trova nelle cellule somatiche delle femmine dei mammiferi. Se in ciascuno dei due sessi i cromosomi sessuali fossero attivi, le cellule femminili avrebbero un'attività trascrizionale quasi doppia rispetto a quella delle cellule maschili. L'equilibrio è raggiunto durante lo sviluppo, quando negli individui femminili uno dei due X è permanentemente inattivato trasformandosi in una masserella di eterocromatina. Questo processo è detto compensazione di dosaggio. La scelta del cromosoma X da inattivare è casuale e avviene dopo che si sono formate nell'embrione numerose cellule. 

costitutiva, non può mai trasformarsi in eucromatina, corrisponde a regioni del

genoma che hanno una composizione diversa dal resto della cromatina, per la presenza di sequenze altamente ripetute, che non trascrivono quasi mai e di trasposoni. Si trova in aree cromosomiche particolari, come il telomero, il centromero o associata al nucleolo. È stato osservato che un gene normalmente trascritto nell'eucromatina, se viene sperimentalmente traslocato in vicinanza dell'eterocromatina costitutiva, viene represso. Questo fenomeno è

chiamato variegazione per effetto di posizione. Al contrario, alcuni geni sono espressi solo se si trovano in una regione eterocromatica.

TERRITORI CROMOSOMICI IN INTERCINESI Separando i singoli cromosomi con un citometro a flusso e utilizzando la reazione di polimerizzazione a catena, è possibile preparare sonde specifiche per ciascun cromosoma. Ibridando queste sonde con la FISH, fluorescent in situ hybridization, su nuclei intercinetici si è potuto dimostrare che i cromosomi occupano aree distinte dette territori cromosomici. La posizione di questi territori è diversa nei differenti tipi cellulari e sembra anche che possa cambiare durante il ciclo vitale di una stessa cellula. Generalmente, i cromosomi più piccoli sono situati verso il centro del nucleo, mentre quelli più grandi verso la periferia; anche la diversa densità genica influisce sulla disposizione dei territori cromosomici: i cromosomi più ricchi di geni occupano posizioni più interne rispetto a quelli con minore densità genica. STRUTTURA DEI CROMOSOMI METAFASICI In metafase i cromosomi raggiungono la loro massima compattazione. Studi sul DNA del lievito hanno messo in evidenza che per una corretta duplicazione e segregazione dei cromosomi è necessaria la presenza di tre elementi: il sito di inizio della replicazione del DNA, il centromero e i due telomeri (estremità del cromosoma). I cromosomi metafasici hanno forma di bastoncello; ciascun cromosoma è formato da due filamenti paralleli di cromatina condensata, chiamati cromatidi, fratelli se appartengono allo stesso cromosoma. Nella fase inziale i due cromatidi sono uniti a livello di una strozzatura detta costrizione primaria o centromero. I cromosomi differiscono per dimensioni e forma, quest'ultima determinata dalla posizione del centromero. CORREDO CROMOSOMICO Lo studio del corredo cromosomico si basa soprattutto sull'analisi dei cromosomi allo stadio di metafase. Le cellule sono trattate con alcaloidi (colchina, vinblastina) che distruggono le fibre del fuso mitotico bloccando la divisione. I cromosomi sono poi colorati con varie sostanze basiche o con le tecniche di bandeggio. In seguito, le piastre metafasiche sono fotografate e le immagini che riproducono il corredo cromosomico di una cellula sono utilizzate attraverso metodi di analisi al computer per ricostruire il cariotipo, l'insieme dei cromosomi di una cellula, allineati in ordine di lunghezza decrescente e in base alla loro forma. Nelle cellule somatiche il corredo cromosomico è costituito da coppie di cromosomi uguali per forma, dimensione e corredo genomico, detti cromosomi

omologhi, ereditati uno dal padre e uno dalla madre, e questo cariotipo è detto diploide, 2n. Nelle cellule che si sono divise per meiosi è invece aploide, n. Negli organismi in cui il sesso è determinato geneticamente, le cellule dei due sessi presentano cariotipi che differiscono per la morfologia di una coppia di cromosomi, sessuali o eterocromosomi, mentre gli omologhi delle altre coppie che non presentano differenze nei due sessi sono detti autosomi. Il sesso che presenta cromosomi sessuali diversi fra loro è detto eterogametico o digametico, il sesso con cromosomi uguali è invece omogametico. La formula diploide tipica di una specie si dice corredo cromosomico euploide; nell'uomo il corredo euploide è costituito da 46 cromosomi: 22 coppie di autosomi, una coppia di cromosomi sessuali. I corredi anomali per variazioni nel numero o nella morfologia dei cromosomi sono detti aneuploidi. Si tratta di variazioni che derivano da errori nel corso della formazione dei gameti o da altre cause, come anomale duplicazioni del DNA. Le alterazioni nel numero e nella forma dei cromosomi sono dette mutazioni o aberrazioni cromosomiche, se inoltre sono individuabili solo per gli effetti che hanno sul fenotipo, si dicono puntiformi, e coinvolgono uno o pochi geni. DISTRIBUZIONE DELLE SEQUENZE DI DNA I cromosomi politenici, giganti, derivano da successive duplicazioni di DNA non seguite da divisione nucleare. Ogni cromosoma appare attraversato trasversalmente da tratti colorabili, bande, alternati ad altri poco colorabili, interbande. Le bande corrispondono a zone dei cromatidi più spiralizzate, le interbande a zone meno spiralizzate. L'organizzazione dei cromosomi politenici ha dimostrato che le varie sequenze di DNA non sono distribuite a caso lungo i cromosomi, ma secondo un piano organizzativo preciso, caratteristico e costante per ciascun cromosoma. Che ciò valesse per tutti i cromosomi, è stato dimostrato attraverso tecniche di colorazione, bandeggio, con le quali i cromosomi metafasici assumono una tipica colorazione a bande alternate. Esistono diversi metodi di bandeggio, ciascuno dei quali evidenzia le particolari caratteristiche compositive delle diverse zone dei cromosomi: - bandeggio C, colora l'eterocromatina costitutiva -bandeggio T, colora le regioni telomeriche e subtelomeriche. È quindi stato dimostrato che ad una precisa successione di bande corrisponde una costante sequenza di geni. CENTROMERO E COESIONE TRA CROMATIDI FRATELLI Il centromero è una regione specializzata del cromosoma che unisce i cromatidi fratelli. Specifica l'assemblaggio di un complesso di proteine, posto a lato di ciascun cromatidio, chiamato cinetocore. Questo complesso partecipa alla coesione tra cromatidi fratelli, rappresenta il sito di

attacco per i microtubuli del fuso, controlla il corretto attacco del fuso e segnala l'eventuale arresto della divisione cellulare in caso di attacco improprio o incompleto. A livello del centromero si trova un'eterocromatina costitutiva molto compatta formata da DNA altamente ripetuto. Il cinetocore al microscopio elettronico appare costituito da una struttura discoidale a tre strati sovrapposti: uno esterno molto denso agli elettroni, la piastra esterna, sulla cui superficie si trova spesso un insieme di fibre detto corona, uno intermedio trasparente e uno interno denso agli elettroni, piastra interna. Nel cinetocore si trovano proteine che da un lato si legano ai microtubuli del fuso e dall'altro al DNA centromerico. Nella corona e nella piastra esterna sono state identificate proteine motore dei microtubuli come la dineina, la chinesina, capace di indurre la depolimerizzazione dei MT all'estremità +, la MCAK. La coesione tra cromatidi fratelli dipende in larga parte da un complesso proteico, detto coesina, formato da SMC1-3, che formano un anello che circonda il DNA. È presente un solo pool di coesine a livello del centromero, che viene rimosso nel passaggio dalla metafase all'anafase. Esiste poi la proteina shugoshin, che oltre a impedire l'eliminazione della coesina centromerica è in grado di rilevare la mancanza di tensione tra cromatidi fratelli a livello del centromero. TELOMERI Sono strutture specializzate che costituiscono le estremità dei cromosomi e sono importanti per la stabilità e la loro individualità. La delezione a livello del telomero induce la formazione delle sticky end e la conseguente anomala fusione terminale tra cromosomi diversi. Sul filamento 5'-3' si trovano sequenze altamente ripetute, a livello della terminazione 3' c'è un prolungamento di DNA a filamento singolo che interagisce con la telomerasi, necessaria per la peculiare duplicazione del telomero. Questo prolungamento si piega inserendosi nella regione telomerica a doppia elica e creando una struttura detta t-loop. Il telomero è caratterizzato da un'eterocromatina costitutiva. Essi funzionano come orologi mitotici. Nelle cellule somatiche, dove la telomerasi non è attiva, i telomeri diminuiscono progressivamente ad ogni fase S fino ad una lunghezza soglia, oltre la quale non è più possibile la formazione del t-loop. Questo fenomeno, chiamato senescenza replicativa, blocca permanentemente la cellula in G1. CAPITOLO 10- FUNZIONI DEL NUCLEO Il ciclo cellulare è il periodo che intercorre tra l'origine di una cellula da una divisione e il momento in cui questa, a sua volta, si divide. Come fase centrale si è soliti stabilire quella in cui la cellula duplica il proprio patrimonio genetico, fase S, prima la cellula ha attraversato un periodo durante il quale ha accresciuto il citoplasma, raddoppiando il volume, la fase G1. Dopo la fase S, la cellula continua la sintesi di

materiali citoplasmatici nella fase G2. A questo punto la cellula può dividersi, fase M. L'intero ciclo ha una durata compresa tra alcune ore e qualche giorno, in rapporto alla linea cellulare considerata. Generalmente, la fase più corta è la fase M, la più lunga la S. La fase G1 può anche mancare. G1, S, G2, rappresentano l'intercinesi, caratterizzata dalla presenza di un compartimento nucleare delimitato e ben individuabile. Le cellule dei tessuti labili hanno un ciclo caratterizzato da una regolare alternanza delle quattro fasi, è il caso degli epiteli. La fase G1 è contraddistinta da attivi fenomeni trascrizionali e da conseguenti sintesi proteiche. In fase S, la sintesi di nuovo DNA è accompagnata da sintesi di istoni che passano rapidamente nel nucleo andando a costruire nuova cromatina. Nella fase G2, il citoplasma sintetizza nuove proteine, sia di membrana sia destinate alla costruzione dell'apparato mitotico; è essenzialmente un periodo di preparazione alla successiva divisione. Le cellule che vanno incontro ad un profondo differenziamento, come le cellule nervose o muscolari, di solito sono incapaci di dividersi e formano i tessuti perenni o stabili. In questo caso il ciclo si blocca in G1, senza che vi sia duplicazione del materiale genetico; se si prolunga nel tempo indefinitamente prende il nome di fase G0. Queste cellule derivano da elementi ancora indifferenziati, blasti, che, dopo un certo numero di divisioni, iniziano il differenziamento, arrestandosi in fase presintetica. Variazioni della normale sequenza del ciclo cellulare si hanno nel corso della segmentazione dello zigote, nei blastomeri. Per questi ultimi, alla divisione cellulare non segue alcun accrescimento volumetrico; si dividono quindi rapidamente saltando la fase G1 e gran parte della G2. Infatti, le prime fasi dello sviluppo dell'embrione utilizzano le proteine e gli RNA sintetizzati in precedenza dalla cellula uovo. Molte cellule, dopo una serie di cicli, cessano di dividersi ed entrano in una fase di quiescenza, generalmente irreversibile. Si ritiene che ciò dipenda dall'inefficienza dei telomeri. Nei metazoi i gameti vanno incontro ad un particolare tipo di divisione, la meiosi, che consta di una fase S e due successive fasi M. CONTROLLO DEL CICLO CELLULARE Due sono i momenti chiave del controllo del ciclo: il passaggio dalla fase G1 alla fase S, che nei mammiferi è chiamato punto di restrizione, e il passaggio da G2 a M. Le molecole che controllano i vari eventi del ciclo cellulare sono proteinchinasi ciclinodipendenti, che fosforilano, attivandole, le varie proteine che danno inizio e regolano i processi principali delle varie fasi. Le Cdk funzionano solo se attivate dalle cicline, che presentano cicli regolari di sintesi e degradazione.

Negli eucarioti la duplicazione inizia a livello di determinate sequenze, siti di origine della replicazione, alle quali si lega un gruppo di proteine che costituiscono il complesso di riconoscimento dell'origine. A questo complesso si unisce una proteina regolatrice, e successivamente alcune DNAelicasi. Si forma così il complesso prereplicativo. La mitosi non inizia prima che la duplicazione si sia completata in modo corretto. Ciò è controllato dal punto di controllo della replicazione. Anche la separazione dei cromatidi fratelli è sottoposta ad un rigoroso controllo. Infatti, essa non avviene se tutti i cromosomi non sono correttamente attaccati al fuso. Esistono inoltre due punti di controllo del danno del DNA: alla fine della fase G1, che in caso di danni al genoma impedisce il passaggio alla fase S, e alla fine della fase G2, che impedisce l'inizio della mitosi. FASE G1 Nel corso di questa fase avviene la sintesi di RNA, grazie alle RNA-polimerasi. Nei procarioti esiste una sola RNA-polimerasi in grado di sintetizzare tutti gli RNA. Una volta che la polimerasi si è attaccata, l'enzima elicasi induce lo svolgimento della doppia elica, perciò la polimerasi può scorrere in direzione 3'-5' determinando la copiatura del gene. In tutti i geni il promotore esiste su una sola delle due eliche di DNA. La doppia elica si riavvolge subito dopo il...