Le fasi del ciclo cellulare
Con “ciclo cellulare” si indica quell’insieme di fasi cellulari ossia eventi ordinati ed altamente controllati che porta alla divisione e corretta proliferazione delle cellule eucariotiche, con la sola eccezione delle cellule perenni, quali i neuroni e le cellule muscolari, che in condizioni normali non si moltiplicano mai.
Il ciclo cellulare può essere suddiviso in tre fasi differenti (interfase, mitosi o meiosi e citodieresi), durante le quali la cellula cresce di dimensioni modificando in modo appropriato i propri organuli ed il proprio genoma, monitora l’integrità del genoma, replica il DNA, si riproduce e separa fisicamente in due parti il citoplasma (Fig. 1).
La durata del ciclo cellulare è differente a seconda della specie, del tipo di cellula e delle condizioni di crescita.
Interfase
L’interfase è quel periodo che separa una mitosi dall’altra. Si suddivide a sua volta in:
- fase G1 del ciclo cellulare, dall’inglese gap ovvero “intervallo”. Essa è caratterizzata da eventi genomici precoci che condizionano le cellule ad entrare in fase di divisione o, al contrario, ad arrestarsi ed andare incontro a morte cellulare programmata (apoptosi), e da eventi genomici tardivi che preparano le cellule a terminare il percorso durante questa fase e ad entrare nella successiva fase S, la fase di replicazione del DNA. In questa fase infatti avviene la trascrizione del DNA in RNA messaggero per la sintesi delle proteine.
La durata della fase G1 varia a seconda del citotipo, e condiziona anche la durata dell’intero ciclo cellulare. Le altre fasi, infatti, hanno una durata pressoché simile in tutte le cellule. Nelle cellule che si riproducono frequentemente come le cellule labili (es. cellule epiteliali), la fase G1 ha la durata media di 15-20 ore, mentre in quelle che si riproducono occasionalmente, cioè le cellule stabili (es. gli epatociti) ha una durata molto più lunga.
- fase S (sintesi) che ha la durata media di 6-8 ore ed è una fase di preparazione alla divisione cellulare. E’ infatti indispensabile per far sì che il corredo cromosomico venga ugualmente distribuito tra le due cellule figlie. In questa fase la cellula replica il suo DNA sotto il controllo di enzimi sintetizzati nella fase G1. Il numero di cromosomi raddoppia e la cellula passa dall’avere un assetto diploide all’avere un assetto tetraploide.
- fase G2 del ciclo cellulare: in questo periodo, successivo alla fase di sintesi, vengono sintetizzate gran parte delle strutture microtubulari che formano l’apparato mitotico, e molte componenti di membrana funzionali per la divisione della cellula in due cellule figlie identiche.
Fase G0
In alcuni casi il ciclo cellulare si arresta nella fase G1, senza che ci sia la duplicazione del materiale genetico. E’ il caso delle cellule che ricevono uno stimolo anti-proliferativo ed entrano in questo stato prolungato di non divisione chiamata fase G0. In caso di stimoli specifici provenienti dall’esterno, queste possono rientrare nel ciclo cellulare e ricominciare a dividersi, ad esempio per sostituire cellule perdute per morte cellulare accidentale o a causa di una lesione del tessuto. In altri casi, possono arrestarsi in G0 e svolgere una funziona specifica irreversibilmente. E’ il caso ad esempio dei neuroni e delle cellule muscolari, che fanno parte dei tessuti perenni.
Allo stesso modo, molte cellule, dopo una serie di cicli vitali, cessano di riprodursi ed entrano in una fase di quiescenza (simile alla fase G0) che le porterà a senescenza e morte cellulare.
Mitosi e meiosi
La mitosi è la divisione della cellula somatica in due cellule figlie con patrimonio genetico identico alla cellula madre. Essa consta di cinque fasi: profase, prometafase, metafase, anafase, telofase. E’ una fase piuttosto breve e permette di ottenere da una cellula diploide un’altra cellula diploide, grazie alla precedente duplicazione del DNA in fase S (Fig. 2).
Nella cellula germinale, invece, dalla cellula diploide si ottengono quattro cellule aploidi, con un corredo genetico dimezzato rispetto alla cellula madre. Per questo motivo la riproduzione cellulare avviene attraverso la meiosi (Fig. 3), processo in cui si hanno due divisioni cellulari: la prima è detta riduzionale, mentre la seconda equazionale.
Nella prima divisione meiotica, da una cellula diploide si generano due cellule aploidi, ma ancora formate da cromosomi costituiti da due cromatidi (in questa fase si separano i cromosomi omologhi). Nella seconda fase invece, si dividono i cromatidi fratelli.
Le quattro cellule finali hanno un patrimonio genico diverso fra loro. Questo accade per la diversa combinazione di cromosomi di provenienza materna e paterna e per il meccanismo del crossing-over in cui si ha lo scambio diretto di materiale genico fra cromosomi omologhi. Questi due meccanismi garantiscono la variabilità genetica alla base dell’evoluzione degli eucarioti.
Citodieresi
La citodieresi o citocinesi, è il processo nel quale si suddivide il citoplasma, con la formazione di un solco di membrana. La citodieresi segue la telofase della mitosi e, in genere, porta alla formazione di cellule figlie uguali.
Checkpoint del ciclo cellulare
Nelle fasi G1, G2 ed M si trovano interposti i cosiddetti punti di restrizione, o checkpoint. In corrispondenza di essi, in determinate circostanze, si può verificare un arresto del ciclo cellulare. Il passaggio da una fase all’altra del ciclo non è un evento automatico, ma anzi in questi checkpoint ci sono continue verifiche affinché non ci siano errori. Se ogni fase del ciclo non è completata correttamente, il ciclo si arresta.
Questo può avvenire se vi sono stati danni a carico del genoma, o se non sono stati sintetizzati tutti i fattori necessari per la transizione nella fase successiva. In presenza poi di un danno grave al DNA non riparabile, le cellule possono essere indirizzate verso l’apoptosi.
Il primo checkpoint (R1) controlla l’ingresso nella fase S (transizione G1 → S). Qui la cellula si assicura che il DNA sia integro, che vi siano gli elementi nutritivi necessari per la crescita cellulare e che nell’ambiente extracellulare vi siano i fattori di crescita idonei. Se vi sono stati danni al DNA, la cellula procede con la riparazione fino a nuovo stimolo (fase G0 o quiescenza cellulare).
Il checkpoint R2 controlla l’ingresso nella fase M (transizione G2 → M). Se c’è stata un’errata formazione dei cromatidi o se sono riscontrati ancora danni al DNA, la cellula non precede alla mitosi.
Infine, il checkpoint R3, che controlla il completamento della fase M (metafase → citodieresi) opera affinché sia controllata la progressione della mitosi, in particolar modo l’interazione tra le fibre del fuso mitotico ed i diversi cromosomi ed il loro corretto allineamento nella zona equatoriale della cellula.
Fonti:
- Cristina Cavazzuti, Daniela Damiano, Biologia, Zanichelli editore 2019
- Ettore Olmo, Roberto Colombo, Biologia della cellula, EdiErmes
- Immagine in evidenza: www.mantis.cz/mikrofotografie
