Biologia cellulare 07: Microtubuli e divisione cellulare

Queste sono le note della lezione 7 del corso di biologia cellulare di Harvard Extension.

La lezione 6 ha introdotto i microtubuli e questa lezione discuterà il loro ruolo nella divisione cellulare. Ecco un video introduttivo:

Panoramica del ciclo cellulare

Il ciclo cellulare – il processo di divisione cellulare e replicazione – è governato da una serie di interruttori biochimici chiamati sistema di controllo del ciclo cellulare.

Il ciclo cellulare è diviso in fasi che sono divise in fasi – le persone si riferiranno alle “4 fasi” ma poi ce ne sono in realtà 5, e le persone usano anche altre parole per raggruppare quelle fasi insieme e altre parole per suddividerle. Ho fatto del mio meglio per riassumere la relazione tra questi termini nella seguente tabella. (modificato / ampliato da Wikipedia):

The il contenuto di ogni fase è magnificamente riassunto in questa eccezionale immagine Wikimedia Commons di Kelvinsong:

Le cellule umane che si dividono più velocemente possono completare un ciclo cellulare in circa 24 ore (G1: 9h, S: 10h, G2: 4h, M: 30 min). Il lievito può terminare un ciclo in 30 minuti e le cellule di Drosophila che si dividono più velocemente impiegano appena 8 minuti.

I controllori principali di questo processo includono le cicline, che regolano la chinasi dipendente dalla ciclina o CDK. Ricordiamo che le chinasi sono proteine che fosforilano altre proteine. La fosforilazione di CDK dei suoi obiettivi consente alla mitosi di procedere. Per essere precisi, il fattore di promozione della maturazione o MPF è un complesso eterodimerico obbligato composto da ciclina B e CDK, che svolge la sua azione fosforilante solo quando sono presenti entrambe le proteine.

Ruolo dei microtubuli

I microtubuli sono fondamentali per tutto il ciclo cellulare: organizzano i componenti cellulari e li dividono in due. Ecco una serie di video del ciclo cellulare che evidenziano il ruolo dei microtubuli:

Negli animali, le cellule quiescenti e persino le cellule in interfase di solito hanno un solo MTOC, chiamato centrosoma, che funge da hub centrale per tutti i microtubuli nella cellula. Un centrosoma è composto da due centrioli come mostrato di seguito (grazie ancora a Kelvinsong):

I due centrioli si disimpegnano l’uno dall’altro e si replicano durante la fase S, quindi si separano per formare ‘poli’ opposti della cella durante la fase M, in modo che ora ci siano due MTOC, ognuno dei quali alla fine sarà l’unico MTOC di una nuova cella (un’altra immagine di Kelvinsong boss):

Durante la mitosi, quindi, si hanno i due ‘poli’ della cellula, ciascuno con microtubuli ancorati all’estremità (-) e con le loro estremità (+) sovrapposte, che puntano al centro della cellula, come mostrato qui (Wikimedia Commons image by Lordjuppiter):

Tutto questo è chiamato un apparato mandrino, e l’area in cui i microtubuli dei due MTOC si sovrappongono è chiamata la ” zona di interdigitazione. A volte sentirai ogni MTOC e la sua serie di microtubuli simili a ricci chiamati aster mitotici.’

I microtubuli durante questa fase si dice che rientrano in tre categorie:

1. I microtubuli astrali puntano verso l’esterno, verso la corteccia cellulare, per ancorare l’intero apparato del fuso lungo l’asse di divisione cellulare.
2. I microtubuli di cinetocoro si attaccano al cinetocoro dei cromatidi.
3. I microtubuli polari, orientati paralleli l’uno all’altro ma in direzioni opposte, sono cruciali per spingere l’apparato del mandrino a parte durante la mitosi. (Infatti, i microtubuli polari sono presenti anche prima e aiutano a spingere i centrosomi a parte durante la profase).

Se preferisci le foto ai diagrammi, ecco come appare l’intero apparato del mandrino, con cromatidi in blu, microtubuli in verde e i kinetocori come punti rossi:

I microtubuli diventano molto più dinamici durante la mitosi: più gamma-tubulina favorisce una più facile nucleazione, ma XMAP215, uno stabilizzatore dei microtubuli, viene fosforilato e quindi inattivato durante la mitosi, lasciando la chinesina-13 libera di catastrofizzare i microtubuli. Le fortune sono fatte e perse rapidamente. L’emivita di un microtubulo durante la mitosi è di circa 15 minuti, rispetto ai 30 minuti durante l’interfase. Le persone studiano la dinamica dei microtubuli usando FRAP: aggiungi un microtubulo fluorescente, candeggina e vedi quanto velocemente si sta verificando il rimontaggio in base a quanto presto riappare la fluorescenza. + Suggerimenti svolgono anche un ruolo importante nell’aiutare e assemblare i microtubuli.

Kinesin – 5 ha due teste polari che si legano a microtubuli opposti e cercano di camminare verso l’estremità (+) di ciascuno. Questo spinge i due microtubuli a parte e fornisce la forza trainante per la separazione dei MTOC.

Il DNA centromerico ha una bassa entropia informativa e istoni speciali che differiscono dall’altra cromatina. I centromeri sono una parte del genoma che non raccogli quasi mai nel sequenziamento di nuova generazione, anche a profondità davvero elevate. Questo perché i centromeri servono a uno scopo diverso rispetto a gran parte del resto del genoma: la sequenza è favorevole all’interazione con le proteine centromeriche e l’attaccamento al cinetocoro. Le coesine sono proteine che tengono insieme i due cromatidi fratelli. Ci riferiremo alle proteine del cinetocoro come aventi due strati, il cinetocoro interno e il cinetocoro esterno.

Durante la prometafase, i cromosomi si muovono avanti e indietro. Le kinesine ancorano i cromosomi ai microtubuli cinetocore oltre la punta dove la Kinesin-13 sta depolimerizzando i microtubuli, aiutati da una carenza di dimeri di tubulina disponibili. Una combinazione di proteine motorie, proteine interagenti microtubuli e tapis roulant serve a spostare i cromosomi. Nel frattempo, dynein e dynactin-le proteine del motore che camminano verso la fine ( – ) – lavorano sui microtubuli astrali, tirando i MTOC verso la periferia della cellula. In metafase, i cromatidi vengono ad essere allineati lungo la ‘piastra metafase’.

Durante questo processo l’involucro nucleare si dissolve e quindi l’importazione nucleare diventa irrilevante. Ran-GEF localizza vicino ai cromosomi e genera alte concentrazioni di Ran-GTP che fornisce energia per alcuni processi necessari (?).

Le cellule hanno un meccanismo per rilevare la tensione nei microtubuli che indica i loro cromatidi di attacco prima che la mitosi possa procedere. Assicurarsi che ogni cromatide sia correttamente ancorato è fondamentale per evitare l’aneuploidia.

A proposito, altri elementi citoscheletrici oltre ai microtubuli svolgono anche un ruolo chiave nel ciclo cellulare. Nella citocinesi, l’actina forma un anello contrattile e, con l’aiuto delle proteine motorie della miosina II, stringe la cellula in due.

Importanza degli organismi modello

La scoperta dei processi regolatori del ciclo cellulare si basava fortemente su alcune caratteristiche essenziali degli organismi modello più diffusi.

Saccharomyces cerevisiae (lievito in erba) e Schizosaccharomyces pombe (lievito di fissione) possono esistere come aploidi o diploidi. Questo è importante perché nella fase aploide, una mutazione può eliminare un gene – non è necessario colpire entrambi gli alleli. E nel lievito, molte mutazioni, specialmente nei geni Cdc__ (cell division control), dipendono dalla temperatura, dove una proteina con una mutazione missense può ancora funzionare correttamente a temperature “permissive” ma perde la sua funzione nativa a temperature “non permissive”. Ciò consente di studiare il fenotipo knockout (alla temperatura non permissiva) pur avendo la comodità di poter propagare facilmente gli organismi (alla temperatura permissiva). L’intero genoma di S. cerevisiae è disponibile come librerie plasmidiche, rendendo possibile lo screening per il quale il plasmide salva il fenotipo di un dato mutante. È così che sono stati scoperti molti dei geni che regolano il ciclo cellulare.

In S. cerivisiae, il germogliamento fa parte della fase G1, e una volta che la cellula figlia raggiunge una certa dimensione, in un momento chiamato “START”, i due si impegnano ad entrare in S e, infine, a completare il ciclo cellulare. Le cellule di mammifero hanno il proprio punto di impegno chiamato punto di restrizione o R, in G1, che è analogo a START.

I mutanti Cdc28 sensibili alla temperatura non germogliano alla temperatura non permissiva. Il gene Cdc28 codifica l’omologo del lievito della nostra chinasi dipendente dalla ciclina (CDK) che, quando e solo quando complessata con la ciclina, può fosforilare altre proteine per regolare la loro partecipazione alle fasi del ciclo cellulare. I mutanti sensibili alla temperatura alla temperatura non permissiva rimangono bloccati incapaci di germogliare ed entrare nella fase S. Invece, si comportano come cellule di tipo selvaggio prive di nutrienti: crescono abbastanza grandi da passare l’INIZIO ma poi non continuano.

Xenopus (una specie di rana) si è rivelato fondamentale per la comprensione del ciclo cellulare, perché la sua riproduzione coinvolge un numero molto elevato di cellule (cioè abbastanza materiale di partenza per Western blot, ecc.) che sono perfettamente sincronizzati (cioè tutti sono nella stessa fase del ciclo cellulare nello stesso momento. (Confronta con il lievito, ad esempio, dove le cellule non saranno tutte nella stessa fase allo stesso tempo). Anche l’uovo stesso è grande e facile da lavorare, e più cicli cellulari seguono la fecondazione. Nelle rane, le uova iniziano la divisione meiotica ma poi si arrestano nella fase G2 per 8 mesi mentre crescono in dimensioni e immagazzinano cose che saranno necessarie per la crescita dopo la fecondazione.

Filamenti intermedi

Oltre ai microfilamenti e ai microtubuli, le cellule eucariotiche hanno anche una miriade di “altre” proteine citoscheletriche chiamate filamenti intermedi (IFs). Anche se più diversi di microfilamenti e microtubuli, IFs non sono solo un termine catch-all per ‘qualsiasi altro filamento’ – piuttosto, sono un gruppo di proteine correlate. Generalmente si estendono attraverso il citoplasma e l’involucro nucleare interno, sono non polari e non hanno proteine motorie ad essi associate. Hanno una grande resistenza alla trazione e sono molto stabili, con un tasso di cambio lento e non molto guasto, anche se la fosforilazione può promuovere il loro smontaggio. Ecco alcuni esempi popolari:

• Le cheratine si trovano nelle cellule epiteliali, nelle cellule mesodermiche e nei neuroni. Forniscono forza e sono disponibili in forme acide e basiche. Ognuno può formare il proprio filo, ma la maggior parte dei SE consiste di due fili: uno di base e uno acido, una sorta di torsione l’uno intorno all’altro. I capelli e le unghie sono fatti di cheratina ‘dura’ ricca di cisteina per i legami disolfuro che fornisce l’immensa forza. Permanenti e raddrizzamento si basano sulla riduzione dei legami disolfuro, rimodellare i capelli e poi riformare i legami disolfuro. Hai anche cheratina ‘morbida’ nella tua pelle.
• Le desmine come la vimentina si trovano nelle cellule mesenchimali (ossa, cartilagini e grassi).
• I neurofilamenti sono negli assoni neuronali e regolano il loro diametro, che a sua volta determina la velocità di propagazione del potenziale d’azione.
• I lamini sono entrambi i più diffusi e si ritiene che siano più simili all’antenato filogenetico di tutti gli altri IF. Forniscono supporto strutturale per la membrana nucleare. Potrebbero aiutare lo spazio fuori i complessi poro nucleari e anche organizzare il DNA.

Infine, un video di sintesi: