Introduzione alle fasi G1 e G2

In questo post, discuteremo cosa accade nelle fasi G1 e G2 del ciclo cellulare. La divisione cellulare comporta la creazione di più celle attraverso la duplicazione del contenuto di una cella e quindi la divisione di questa cella in due celle uguali e identiche. Queste celle sono identiche alla cella madre. È così che coltiviamo e sostituiamo le cellule danneggiate.

La chiave per una divisione cellulare di successo è mantenere identiche le cellule risultanti. Questo perché il mantenimento dell’integrità della cellula e del DNA contenuto all’interno è fondamentale per la sopravvivenza delle specie. Molti organismi muoiono a causa di mutazioni letali derivanti da una compromissione dell’integrità del DNA.

L’indizio di quanto sia importante l’integrità del DNA risiede nel numero di controlli di qualità che le cellule mettono in atto per garantire che possano proliferare con successo quando dovrebbero o quando non dovrebbero. Le cellule passano attraverso il ciclo cellulare e i controlli associati per garantire che ogni cellula creata sia in perfette condizioni. Il ciclo cellulare ha due fasi principali, la fase mitotica e l’interfase.

L’interfase è la fase più lunga del ciclo cellulare. La crescita cellulare è fondamentale per il ciclo cellulare e questo è lo scopo principale dell’interfase. Alla fine di questa fase, la quantità di DNA è doppia, i centrioli si sono replicati e la cellula è abbastanza grande per la divisione cellulare. L’interfase è suddivisa nelle fasi della prima crescita (G1), della sintesi (S) e della seconda crescita (G2) (figura 1). Le fasi di crescita sono, come potresti aver sospettato, per la crescita della cellula, durante la fase di sintesi la replicazione del DNA avviene in preparazione per la seconda fase di crescita.

Qui daremo uno sguardo al Fasi G (prima e seconda crescita) dell’interfase. Vedremo cosa accade in queste fasi, cosa segue e perché sono così importanti per la nostra comprensione della biologia.

Cosa succede in G1 del ciclo cellulare?

In alcuni casi, come la fame o quando il tessuto in fase di generazione ha raggiunto la dimensione desiderata, le cellule usciranno dal ciclo cellulare e rimarranno in una stasi chiamata G0 (figura 1). La maggior parte di queste cellule è in grado di rientrare nel ciclo cellulare in G1, in caso di necessità. Le cellule nervose normalmente non si rigenerano; rimangono in stasi.

In G1, le cellule compiono la maggior parte della loro crescita; aumentano di dimensioni e producono proteine e organelli necessari per le normali funzioni di sintesi del DNA. Qui vengono sintetizzate proteine e RNA e, soprattutto, vengono prodotti il centromero e gli altri componenti dei centrosomi. Le celle sono perfettamente funzionanti; oltre ad essere in missione in divisione possono anche svolgere le loro normali funzioni. Nei vertebrati e nei lieviti diploidi il numero di cromosomi è 2n in questa fase, mentre nei lieviti aploidi il numero di cromosomi è 1n.

In breve, la prima fase di crescita è il momento in cui subito dopo la nascita (nella mitosi) il cellula si sta preparando per la sintesi del DNA (nella fase S).

Cosa succede in G2 del ciclo cellulare?

Abbiamo esaminato cosa accade nella prima fase di crescita e cosa succede nella fase S si trova nell’articolo “Cosa succede nella fase S”, i dettagli sulla replicazione del DNA sono forniti in “Cos’è il DNA”. Facciamo ora un rapido viaggio attraverso la seconda fase di crescita, G2.

La seconda fase di crescita segue la fase S (sintesi). Superata la fase S, la cellula passa attraverso un punto di controllo della qualità dove (come in ogni punto di transizione del ciclo) viene verificata l’integrità del DNA. Dopo questo, la cellula entra nella seconda fase di crescita in cui l’involucro nucleare avvolge il nucleo. In questa fase si sono formati due centrosomi (per gentile concessione della prima fase di crescita); nelle cellule animali, questi centrosomi hanno due centrioli.

È importante notare che il DNA replicato nella fase S non si è ancora condensato nei cromosomi. Gli organelli necessari per la divisione cellulare (in fase M) vengono sintetizzati anche nella fase S. I microtubuli che verranno utilizzati per mobilitare i cromosomi nella fase M sono assemblati in G2.

Ora, tutti i compiti compiuti durante G2 possono essere raggiunti correttamente solo se gli eventi prima di G2 sono andati come pianificato. I pit stop chiamati checkpoint sono presenti al solo scopo di garantire che la cella abbia completato con successo tutte le attività che dovrebbe raggiungere dopo ogni fase.Il ciclo cellulare comprende tre punti di controllo, vale a dire, M / G1 (Uscita M), G1 / S (Invio S) e G2 / M (Invio M).

Punti di controllo

Il Exit M e Enter S Checkpoints

Prima che la cella entri nella fase G1 dell’interfase, passa attraverso il checkpoint Exit M. Qui la cellula viene controllata per assicurarsi che abbia completato la fase di mitosi e sia pronta per la prima fase di crescita. In particolare, le cellule vengono controllate per vedere se hanno completato la divisione cellulare e se i cromosomi si sono allineati correttamente e per assicurarsi che siano attaccati ai fusi.

Prima che la cellula si impegni nella fase S, passa attraverso il checkpoint G1 / S, chiamato anche Enter S, dove vengono controllati lo stato nutrizionale della cellula e l’integrità del DNA. Questo è un passaggio particolarmente importante per una cellula che sta per entrare nella fase S. Nel lievito, la dimensione della cellula viene utilizzata come proxy per determinare se è pronta per passare alla fase successiva.

Quando e come le cellule progrediscono attraverso il ciclo cellulare è strettamente controllato da una pletora di proteine regolatrici . Queste proteine si dividono in due gruppi chiamati cicline e chinasi dipendenti dalla ciclina (Cdks). L’attività dei Cdks fluttua insieme alle cicline. Le cicline sono proteine che regolano i tempi del ciclo cellulare. I loro livelli fluttuano nel ciclo cellulare, da qui il loro nome.

Nella fase avanzata della mitosi, Cdc14 (una fosfatasi) è tenuta in ostaggio nei nucleoli; ciò impedisce l’attivazione del fattore di specificità APC (Cdh1) necessario per la poliubiquitinazione delle cicline a valle. Ciò impedisce la necessaria diminuzione dell’attività del fattore promotore della maturazione (un complesso ciclina / CDK) che arresta la progressione in telofase.

La telofase è prolungata abbastanza a lungo da controllare che i cromosomi si siano separati correttamente. Una volta confermato, Cdc14 viene rilasciato. La cascata a valle associata porta a livelli abbassati dell’MPF che induce la progressione della cellula oltre la telofase, uscendo dalla fase di mitosi ed entrando in G1. Tutto ciò che accade nella telofase e la conseguente citochinesi è ciò a cui ci riferiamo come un’uscita dalla mitosi.

Dopo la fase di mitosi, la cellula entra nella fase G1. All’ingresso, i complessi di pre-replicazione del DNA si posizionano alle origini preparandosi per la replicazione del DNA nella fase S. La ciclina-CDK G1 (ciclina D / CDK2) disattiva Cdh1, attivando così l’espressione dei componenti ciclina-CDK della fase S (ad esempio ciclina E / CDK2). L’inibitore del complesso ciclina-CDK in fase S è fosforilato, contrassegnandolo per la degradazione da parte di 5 SCF / proteasoma. Questa azione lascia il complesso ciclina-CDK libero di avviare o spostare la cellula verso la fase successiva del ciclo, la fase S. Questa stessa cascata di segnali è abbastanza conservata tra i gruppi, ma le cicline specifiche e i loro CDK possono variare.

Il checkpoint G1 sembra essere il determinante per il destino della cellula nel ciclo cellulare. Se una cellula ottiene il semaforo verde al checkpoint G1, di solito fa il giro (completando il ciclo e dividendosi). Altrimenti, esce del tutto dal ciclo, entrando nella fase G0.

Enter M e il regolamento della fase G2

Il checkpoint Enter M influenza l’uscita dalla fase G2. Ad ogni transizione del ciclo cellulare, le cellule vengono continuamente controllate per l’integrità del DNA, dove (nel caso della transizione da S a G2) il DNA appena duplicato viene controllato per le mutazioni e fissato se necessario. Una volta superata questa fase di transizione, la cella è pronta per la fase G2. Anche le cicline e i complessi chinasi dipendenti dalla ciclina (CDK) controllano le transizioni qui, proprio come in G1.

L’attività delle cicline e dei loro CDK è regolata attraverso la fosforilazione (da una chinasi che attiva il CDK; CAK) e defosforilazione (mediante un KAP fosfatasi) di residui specifici (solitamente tirosina) del sito di legame ATP dei CDK.

Il controllo del punto di controllo Enter M è per lo più simile tra gli eucarioti, con la maggior parte delle cicline e dei loro CDK che hanno omologhi tra diversi gruppi eucariotici. Qui ci concentreremo sul lievito di fissione (Schizosaccharomycespombe) come esempio. Quattro proteine sono coinvolte nella regolazione dell’attività della protein chinasi del CDK nel lievito di fissione nel controllo dell’ingresso nella mitosi. Prima di continuare, vale la pena notare che il lievito di fissione ha solo un CDK mentre i vertebrati hanno una famiglia di CDK.

Nel lievito di fissione, la ciclina mitotica, Cdc13, forma un complesso con CDK per formare il fattore di promozione della maturazione (MPF). La proteina tirosina chinasi chiamata Wee1 agisce come un inibitore di questo complesso fosforilando la tirosina 15 della subunità CDK. Quindi un CAK fosforila una treonina attivante 161. Questa doppia fosforilazione inattiva la MPF, ritardando la progressione della cellula dalla fase G2 alla fase M. Una fosfatasi, Cdc25, arriva e defosforila la tirosina, attivando così l’MPF. L’MPF altamente attivo può ora alleviare la cellula e spostarla nella fase mitotica.

Ancora una volta la cellula entra in mitosi, si immerge e poi entra in G1.Qui, viene posta di nuovo la stessa domanda: “la cellula è destinata a un altro viaggio del ciclo cellulare o dovrebbe uscire?” Una volta presa la decisione, la cella passa o esce.

In che modo G1 è diverso da G2?

Ci auguriamo che tu abbia già valutato questo aspetto dalle sezioni precedenti. Ecco il succo di esso, l’intera interfase comprende la crescita e la divisione cellulare, questo lo sappiamo. Una differenza significativa tra le fasi di crescita è che la prima fase di crescita riguarda la crescita cellulare mentre G2 riguarda la divisione cellulare. È importante cogliere appieno i ruoli di queste lacune (descritte sopra).

Perché le fasi G1 e G2 dell’interfase sono così importanti per la nostra comprensione della biologia?

Lo scopo principale del ciclo cellulare è la divisione cellulare. Se le fasi di crescita non soddisfano i loro ruoli, quindi la cellula verrebbe dimezzata ad ogni divisione cellulare fino a quando non ci sarà più nulla da dividere. Questo perché la replicazione del DNA non sarebbe raggiunta con successo senza le proteine e gli organelli necessari sintetizzati nella prima fase di crescita.

Per sottolineare l’importanza di queste fasi daremo uno sguardo a cosa è successo ns se vanno male. Un famoso esempio di ciclo cellulare andato storto è il cancro. In poche parole, il cancro è una crescita cellulare incontrollata. Nel cancro, le cellule perdono la capacità di capire quando sono danneggiate e dovrebbero uscire dal ciclo e, preferibilmente, passare attraverso l’apoptosi (morte cellulare programmata).

Il cancro è il risultato di difetti nel controllo del ciclo cellulare (tumore soppressori e proto-oncogeni). Se i soppressori tumorali non riescono a rallentare il ciclo cellulare per i controlli dell’integrità cellulare, la cellula può procedere alla sintesi del DNA prima che sia pronta, con conseguente replicazione del DNA difettosa.

Affinché una cellula subisca la replicazione del DNA prima è pronto sarebbe disastroso. In che modo, chiedi? Le proteine che controllano i tempi del ciclo cellulare sono codificate dal DNA. Pertanto, se qualcosa va storto nella replica, è probabile che gli errori si accumulino e potenzialmente influenzino molte altre regioni di codifica tra le quali possono esserci altre regioni che codificano per ancora più regolatori. Ciò porterebbe al ciclo cellulare completamente fuori servizio, portando alla proliferazione delle cellule tumorali. Se queste cellule danneggiate invadono altri organi o tessuti, possono provocare la morte dell’individuo colpito.

Ora che siamo passati attraverso la tristezza e la rovina generale, concentriamoci su un problema specifico: il fallimento di G1. Innanzitutto, il G1 decide quando una cellula può dividersi in base alle condizioni ambientali, alla salute e alle dimensioni della cellula. Se questa decisione venisse presa, la salute della cellula non verrebbe controllata e, ancora una volta, le cellule danneggiate passerebbero alla fase S prima di essere pronte.

Supponiamo che la cellula proceda solo attraverso la prima fase di crescita va bene ma incontra un ostacolo in G2. Ciò significherebbe che i microtubuli, ad esempio, non si assemblano qui, il che significa che i cromosomi non sono mobilitati. Ciò porterebbe molto probabilmente alla non disgiunzione e, quindi, a cellule con un numero disuguale di cromosomi.

Gli spazi (1 e 2) sono essenziali per salvaguardare la replicazione del DNA e la mitosi. In che modo, chiedi? Torniamo alla replicazione del DNA andata male se la replicazione del DNA entra in condensazione prima che sia pronta si rompe. Inoltre, se la replicazione si verifica appena prima della mitosi, si ottiene una separazione ineguale del materiale genetico. Quindi è importante mantenere la replicazione e la mitosi separate dalle fasi G per preparare le cellule. La replicazione del DNA e la mitosi sono eventi così importanti che avere la possibilità G fasi e punti di controllo) per verificare l’integrità della cellula prima che si verifichino questi eventi è una precauzione necessaria.

Capire cosa accade in queste fasi è fondamentale per il nostro comprensione di cosa va storto nel cancro.

Conclusione

Questa è una panoramica introduttiva di Biologia delle fasi G del ciclo cellulare; non è affatto una copertura esaustiva di questo argomento complesso. Il ciclo cellulare è una parte così vitale dell’esistenza di tutti gli eucarioti. In quanto tale è importante che sia strettamente controllato (da soppressori di tumori e proto-oncogeni).

Le fasi di crescita sono, forse, le fasi più critiche del ciclo cellulare. Cosa succede in G1 del ciclo cellulare? G1 prepara le cellule appena uscite dalla mitosi per un altro ciclo di replicazione del DNA producendo le proteine e gli organelli necessari. G1 e G2, sebbene entrambe siano fasi di crescita sono diverse. Allora, cosa succede in G2 del ciclo cellulare? La seconda fase di crescita inizia a preparare le cellule con DNA appena replicato per l’ingresso nella fase di mitosi mettendo in atto gli organelli necessari per la mitosi.

Il ciclo cellulare è una parte vitale della persistenza continua di tutti gli eucarioti e procarioti.

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