“Quanto durano le diverse fasi del ciclo cellulare?
Quanto durano le diverse fasi del ciclo cellulare?
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La replica è una delle caratteristiche distintive della materia vivente. L’insieme dei processi noti come il ciclo cellulare che sono intrapresi come una cellula diventa due è stato un tema di ricerca dominante nell’era molecolare con applicazioni che si estendono in lungo e in largo anche allo studio di malattie come il cancro che a volte è caratterizzato come una malattia del ciclo cellulare andato storto. I cicli cellulari sono interessanti sia per i modi in cui sono simili da un tipo di cella all’altro e per i modi in cui sono diversi. Per portare il soggetto in rilievo, consideriamo i cicli cellulari in una varietà di organismi diversi tra cui un procariote modello, per le cellule di mammifero in coltura tissutale e durante lo sviluppo embrionale nella mosca della frutta. In particolare, chiediamo quali sono i singoli passi che vengono intrapresi per una cella di dividere in due e quanto tempo questi passi prendere?
Figura 1: Viene mostrato il ciclo cellulare min 150 di Caulobacter, evidenziando alcuni degli eventi morfologici e metabolici chiave che si verificano durante la divisione cellulare. La fase M non è indicata perché in Caulobacter non esiste un vero apparato mitotico che viene assemblato come negli eucarioti. Gran parte della segregazione cromosomica in Caulobacter (e altri batteri) si verifica in concomitanza con la replicazione del DNA. Le fasi finali della segregazione cromosomica e soprattutto della decatenazione dei due cromosomi circolari si verificano durante la fase G2. (Adattato da M. T. Laub et al., Scienza 290:2144, 2000.)
Probabilmente il ciclo cellulare procariotico meglio caratterizzato è quello dell’organismo modello Caulobacter crescentus. Una delle caratteristiche interessanti di questo batterio è che ha una divisione cellulare asimmetrica che consente ai ricercatori di legare una delle due progenie a un vetrino di copertura del microscopio mentre l’altra figlia si allontana consentendo ulteriori studi senza ostacoli. Ciò ha dato origine a rappresentazioni accurate del ciclo cellulare ≈150 minuti (BNID 104921) come mostrato in Figura 1. I componenti principali del ciclo cellulare sono G1 (prima fase di Crescita, ≈30 min, BNID 104922), dove almeno qualche minima quantità di cella dimensioni aumento deve avvenire, in fase S (Sintesi, ≈80 min, BNID 104923) in cui il DNA viene replicato e G2 (seconda fase di Crescita, ≈25 min, BNID 104924) dove la segregazione del cromosoma si svolge leader di divisione cellulare (fase finale della durata di circa 15 min). Caulobacter crescentus fornisce un interessante esempio del modo in cui alcuni organismi vengono promossi allo status di “organismo modello’ perché hanno qualche caratteristica particolare che li rende particolarmente opportuni per la questione di interesse. In questo caso, la progressione del ciclo cellulare va di pari passo con il processo di differenziazione che fornisce fasi identificabili facilmente visualizzate rendendole preferibili ai biologi del ciclo cellulare rispetto, ad esempio, al batterio modello E. coli.
Il comportamento delle cellule di mammifero nella coltura tissutale è servito come base per gran parte di ciò che sappiamo sul ciclo cellulare negli eucarioti superiori. Il ciclo cellulare eucariotico può essere ampiamente separato in due fasi, interfase, quella parte del ciclo cellulare quando i materiali della cellula vengono duplicati e mitosi, l’insieme dei processi fisici che frequentano la segregazione cromosomica e la successiva divisione cellulare. I tassi di processi nel ciclo cellulare, sono per lo più costruiti da molti degli eventi molecolari come la polimerizzazione del DNA e dei filamenti citoscheletrici i cui tassi abbiamo già considerato. Per il tempo di ciclo cellulare caratteristico di 20 ore in una cella HeLa, quasi la metà è dedicata a G1 (BNID 108483) e quasi un’altra metà è la fase S (BNID 108485) mentre G2 e M sono molto più veloci a circa 2-3 ore e 1 ora, rispettivamente (BNID 109225, 109226). Lo stadio più variabile nella durata è G1. In condizioni di crescita meno favorevoli, quando la durata del ciclo cellulare aumenta, questo è lo stadio che è maggiormente interessato, probabilmente a causa del tempo necessario fino al raggiungimento di un checkpoint di dimensioni normative. Anche se diversi tipi di prove indicano l’esistenza di un tale checkpoint, è attualmente molto poco compreso. Storicamente, le fasi del ciclo cellulare sono state solitamente dedotte utilizzando cellule fisse, ma recentemente, biosensori geneticamente codificati che cambiano localizzazione in diverse fasi del ciclo cellulare hanno reso possibile ottenere informazioni temporali su cellule vive sulla progressione e l’arresto del ciclo cellulare.
Figura 2: Tempi di ciclo cellulare per diversi tipi di cellule. Ogni grafico a torta mostra la frazione del ciclo cellulare dedicata a ciascuna delle fasi primarie del ciclo cellulare. L’area di ogni grafico è proporzionale alla durata complessiva del ciclo cellulare. Le durate del ciclo cellulare riflettono i tempi minimi di raddoppio in condizioni ideali. (Adattato da” Il ciclo cellulare – Principi di controllo ” di David Morgan.)
In che modo la lunghezza del ciclo cellulare si confronta con il tempo impiegato da una cellula per sintetizzare il suo nuovo genoma? Un disaccoppiamento fra la lunghezza del genoma ed il tempo di raddoppiamento esiste in eucarioti dovuto l’uso dei siti multipli dell’inizio della replicazione del DNA. Per le cellule di mammifero è stato osservato che per molti tessuti con tempi di ciclo cellulare complessivi ampiamente variabili, la durata della fase S in cui si verifica la replicazione del DNA è notevolmente costante. Per i tessuti del topo come quelli trovati nel colon o nella lingua, la fase S variava in un piccolo intervallo da 6,9 a 7,5 ore (BNID 111491). Anche quando si confrontavano diversi tessuti epiteliali tra umani, ratti, topi e criceti, la fase S era compresa tra 6 e 8 ore (BNID 107375). Queste misurazioni sono state effettuate nel 1960 eseguendo una sorta di esperimento pulse-chase con la timidina nucleotide radioattivamente etichettato. Durante l’impulso corto, il composto radioattivo è stato incorporato solo nel genoma delle cellule in fase S. Misurando la durata della comparsa e poi scomparsa delle cellule etichettate in fase M si può dedurre quanto tempo S fase è durato Il fatto che la durata della fase S è relativamente costante in tali cellule viene utilizzato fino ad oggi per stimare la durata del ciclo cellulare da una conoscenza di solo la frazione di cellule in una data istantanea nel tempo che sono in fase S. Per esempio, se un terzo delle celle è visto nella fase di S che dura circa 7 ore, il tempo di ciclo cellulare è dedotto per essere circa 7 ore/(1/3) ≈20 ore. Oggi questi tipi di misurazioni sono per lo più eseguite utilizzando BrdU come marcatore per la fase S. Non siamo a conoscenza di una spiegazione soddisfacente per l’origine di questo tempo di replicazione relativamente costante e come sia correlato al tasso di DNA polimerasi e alla densità dei siti di inizio della replicazione lungo il genoma.
La diversità dei cicli cellulari è mostrata in Figura 2 e descrive diversi organismi modello e le durate e il posizionamento delle diverse fasi dei loro cicli cellulari. Un esempio estremo si verifica nel processo ipnotizzante dello sviluppo embrionale della mosca della frutta Drosophila melanogaster. In questo caso, la situazione è diversa dalle divisioni cellulari convenzionali poiché piuttosto che sintetizzare nuovi materiali citoplasmatici, la massa è essenzialmente conservata tranne che per la replicazione del materiale genetico. Questo avviene in modo molto sincrono per circa 10 generazioni e un ciclo di replicazione delle migliaia di cellule nell’embrione, diciamo tra il ciclo 10 e 11, avviene in circa 8 minuti come mostrato in Figura 2 (BNID 103004, 103005, 110370). Questo è più veloce dei tempi di replicazione per tutti i batteri, anche se il genoma è ≈120 milioni bp lungo (BNID 100199). Un esempio lampante della capacità delle cellule di adattare le loro dinamiche temporali.
