Fasi del ciclo cellulare

Un tipico ciclo cellulare eucariotico è illustrato da cellule umane in coltura, che si dividono approssimativamente ogni 24 ore. Come visto al microscopio, il ciclo cellulare è diviso in due parti fondamentali: mitosi e interfase. La mitosi (divisione nucleare) è la fase più drammatica del ciclo cellulare, corrispondente alla separazione dei cromosomi figlie e di solito termina con la divisione cellulare (citocinesi). Tuttavia, la mitosi e la citocinesi durano solo circa un’ora, quindi circa il 95% del ciclo cellulare viene speso in interfase—il periodo tra le mitosi. Durante l’interfase, i cromosomi sono decondensati e distribuiti in tutto il nucleo, quindi il nucleo appare morfologicamente uniforme. A livello molecolare, tuttavia, interfase è il tempo durante il quale sia la crescita cellulare e la replicazione del DNA si verificano in modo ordinato in preparazione per la divisione cellulare.

La cellula cresce ad un ritmo costante durante l’interfase, con la maggior parte delle cellule che si dividono raddoppiando di dimensioni tra una mitosi e la successiva. Al contrario, il DNA viene sintetizzato solo durante una porzione di interfase. La tempistica della sintesi del DNA divide quindi il ciclo delle cellule eucariotiche in quattro fasi discrete (Figura 14.1). La fase M del ciclo corrisponde alla mitosi, che di solito è seguita dalla citocinesi. Questa fase è seguita dalla fase G1 (gap 1), che corrisponde all’intervallo (gap) tra mitosi e inizio della replicazione del DNA. Durante G1, la cellula è metabolicamente attiva e cresce continuamente ma non replica il suo DNA. G1 è seguito dalla fase S (sintesi), durante la quale avviene la replicazione del DNA. Il completamento della sintesi del DNA è seguito dalla fase G2 (gap 2), durante la quale la crescita cellulare continua e le proteine vengono sintetizzate in preparazione alla mitosi.

Figura 14.1

Fasi del ciclo cellulare. Il ciclo di divisione della maggior parte delle cellule eucariotiche è diviso in quattro fasi discrete: M, G1, S e G2. La fase M (mitosi) è solitamente seguita dalla citochinesi. La fase S è il periodo durante il quale si verifica la replicazione del DNA. La cellula cresce (di più…)

La durata di queste fasi del ciclo cellulare varia considerevolmente in diversi tipi di cellule. Per una tipica cellula umana in rapida proliferazione con un tempo di ciclo totale di 24 ore, la fase G1 potrebbe durare circa 11 ore, la fase S circa 8 ore, G2 circa 4 ore e M circa 1 ora. Altri tipi di cellule, tuttavia, possono dividersi molto più rapidamente. I lieviti in erba, ad esempio, possono progredire attraverso tutte e quattro le fasi del ciclo cellulare in soli 90 minuti circa. Cicli cellulari ancora più brevi (30 minuti o meno) si verificano nelle cellule embrionali precoci poco dopo la fecondazione dell’uovo (Figura 14.2). In questo caso, tuttavia, la crescita cellulare non ha luogo. Invece, questi primi cicli cellulari embrionali dividono rapidamente il citoplasma dell’uovo in cellule più piccole. Non esiste una fase G1 o G2 e la replicazione del DNA avviene molto rapidamente in questi cicli cellulari embrionali precoci, che consistono quindi in fasi S molto brevi alternate a fasi M.

Figura 14.2

Cicli cellulari embrionali. I primi cicli cellulari embrionali dividono rapidamente il citoplasma dell’uovo in cellule più piccole. Le cellule non crescono durante questi cicli, che mancano di G1 e G2 e consistono semplicemente di brevi fasi S alternate a fasi M.

In contrasto con la rapida proliferazione delle cellule embrionali, alcune cellule negli animali adulti cessano del tutto la divisione (ad esempio, le cellule nervose) e molte altre cellule si dividono solo occasionalmente, come necessario per sostituire le cellule che sono state perse a causa di lesioni o morte cellulare. Le cellule di quest’ultimo tipo includono fibroblasti cutanei, così come le cellule di molti organi interni, come il fegato, i reni e i polmoni. Come discusso ulteriormente nella sezione successiva, queste cellule escono da G1 per entrare in uno stadio quiescente del ciclo chiamato G0, dove rimangono metabolicamente attive ma non proliferano più a meno che non siano chiamate a farlo da appropriati segnali extracellulari.

L’analisi del ciclo cellulare richiede l’identificazione delle cellule nelle diverse fasi discusse sopra. Sebbene le cellule mitotiche possano essere distinte microscopicamente, le cellule in altre fasi del ciclo (G1, S e G2) devono essere identificate da criteri biochimici. Le cellule in fase S possono essere facilmente identificate perché incorporano timidina radioattiva, che viene utilizzata esclusivamente per la sintesi del DNA (Figura 14.3). Ad esempio, se una popolazione di cellule umane in rapida proliferazione in coltura viene esposta alla timidina radioattiva per un breve periodo di tempo (ad esempio, 15 minuti) e quindi analizzata mediante autoradiografia, circa un terzo delle cellule sarà trovato per essere etichettato radioattivamente, corrispondente alla frazione di cellule in fase S.

Figura 14.3

Identificazione delle cellule di fase S mediante incorporazione di timidina radioattiva. Le cellule sono state esposte alla timidina radioattiva e analizzate mediante autoradiografia. Le celle etichettate sono indicate dalle frecce. (Da D. W. Stacey et al., 1991. Mol. Biol cellulare. 11: 4053.) (piu…)

Le variazioni di tali esperimenti di etichettatura cellulare possono anche essere utilizzate per determinare la lunghezza delle diverse fasi del ciclo cellulare. Ad esempio, si consideri un esperimento in cui le cellule sono esposte alla timidina radioattiva per 15 minuti, dopo di che la timidina radioattiva viene rimossa e le cellule vengono coltivate per diverse lunghezze di tempo prima dell’autoradiografia. Le cellule interfase marcate radioattivamente che erano in fase S durante il periodo di esposizione alla timidina radioattiva saranno osservate per diverse ore mentre progrediscono attraverso il resto di S e G2. Al contrario, le cellule mitotiche marcate radioattivamente non saranno osservate fino a 4 ore dopo l’etichettatura. Questo tempo di ritardo di 4 ore corrisponde alla lunghezza di G2 – il tempo minimo richiesto per una cellula che incorporava timidina radioattiva alla fine della fase S per entrare nella mitosi.

Le cellule nelle diverse fasi del ciclo cellulare possono anche essere distinte dal loro contenuto di DNA (Figura 14.4). Ad esempio, le cellule animali in G1 sono diploidi (contenenti due copie di ciascun cromosoma), quindi il loro contenuto di DNA è indicato come 2n (n designa il contenuto di DNA aploide del genoma). Durante la fase S, la replicazione aumenta il contenuto di DNA della cellula da 2n a 4n, quindi le cellule in S hanno contenuti di DNA che vanno da 2n a 4n. Il contenuto di DNA rimane quindi a 4n per le cellule in G2 e M, diminuendo a 2n dopo la citocinesi. Sperimentalmente, il contenuto di DNA cellulare può essere determinato mediante incubazione di cellule con un colorante fluorescente che si lega al DNA, seguita dall’analisi dell’intensità della fluorescenza delle singole cellule in un citometro a flusso o in un selezionatore di cellule attivato dalla fluorescenza, distinguendo così le cellule nelle fasi G1, S e G2/M del ciclo cellulare.

Figura 14.4

Determinazione del contenuto di DNA cellulare. Una popolazione di cellule è etichettata con un colorante fluorescente che lega il DNA. Le cellule vengono quindi passate attraverso un citometro a flusso, che misura l’intensità della fluorescenza delle singole cellule. I dati sono tracciati come cella (altro…)