La proliferazione cellulare dipende dall’azione coordinata di due grandi insiemi di apparati: da un lato i sistemi biosintetici che accrescono massa e duplicano i componenti, dall’altro i meccanismi meccanico-strutturali che organizzano e ripartiscono cromosomi e organelli nella divisione. Il controllo del ciclo cellulare sincronizza questi apparati attraverso una sequenza ordinata di “interruttori” biochimici in grado di attivare o disattivare intere vie molecolari. Tali interruttori orchestrano gli eventi chiave, tra cui la replicazione del DNA, la condensazione e segregazione dei cromosomi e la citochinesi, in modo che ciascun passaggio avvenga solo quando il precedente è stato completato.

Il sistema di controllo regola la progressione del ciclo attivando e spegnendo ciclicamente proteine e complessi che promuovono l’ingresso in fase S, l’entrata in mitosi e la citochinesi. Il principio operativo è la modulazione dello stato fosforilativo: chinasi e fosfatasi modificano proteine bersaglio determinandone lo stato funzionale. Un gruppo specializzato di chinasi, onnipresente nelle cellule in proliferazione ma attivo solo in finestre temporali definite, costituisce il cuore del sistema. Queste chinasi richiedono l’associazione con subunità regolatorie denominate cicline per acquisire attività catalitica; perciò sono dette proteine chinasi dipendenti da cicline, o Cdk (Cyclin-dependent kinases) (Figura 07.03-01).

A differenza delle Cdk, le cicline oscillano di concentrazione durante il ciclo cellulare. L’assemblaggio temporizzato dei complessi ciclina–Cdk e la loro attivazione impulsiva generano onde di fosforilazione che innescano le transizioni principali, come l’ingresso in fase S o in fase M (Figura 07.03-02). La rapida disattivazione successiva ristabilisce l’ordine e impedisce regressioni improprie.

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Controllo del ciclo cellulare tramite Cdk e cicline

La progressione lungo il ciclo cellulare è sotto il controllo di proteine chinasi dipendenti dalle cicline (Cdk). Per diventare attive, le Cdk devono legare una subunità regolatrice detta ciclina. Questa attivazione richiede anche una reazione di fosforilazione della Cdk. Il complesso attivo ciclina-Cdk va poi a fosforilare le proteine cellulari necessarie per l’avvio di particolari tappe del ciclo cellulare. La ciclina serve anche a indirizzare le Cdk alle rispettive proteine bersaglio da fosforilare.

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Regolazione dell’attività delle Cdk

L’attività delle Cdk è regolata dall’accumulo di cicline. La formazione di complessi attivi ciclina-Cdk avvia vari eventi del ciclo cellulare, tra cui l’entrata nella fase S e nella fase M. La figura mostra la variazione della concentrazione della ciclina e dell’attività di proteina chinasi delle Cdk responsabili del controllo di entrata in fase M. L’aumento della concentrazione della ciclina necessaria (chiamata ciclina M) contribuisce alla formazione del complesso attivo ciclina-Cdk (M-Cdk), che spinge la cellula a entrare in fase M. Nel corso del ciclo cellulare l’attività enzimatica di tutti i tipi di complessi ciclina-Cdk prima aumenta e poi diminuisce, ma la concentrazione della Cdk non varia.

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Ciclina e Cdk esistono in più varianti che si combinano per attivare stadi distinti del ciclo. La ciclina M, associandosi con la sua Cdk specifica, forma M-Cdk, il complesso che guida la cellula dall’ultima parte della G₂ alla fase M (Figura 07.03-02). Le cicline S e G₁/S, legando Cdk appropriate, formano S-Cdk e G₁/S-Cdk, promuovendo rispettivamente l’avvio della replicazione e il superamento delle ultime soglie in G₁ (Figura 07.03-03). In momenti più precoci, le cicline G₁ si associano a Cdk che sostengono la progressione in G₁ costituendo complessi G₁-Cdk, spesso indotti da segnali mitogenici extracellulari nelle cellule animali. Le corrispondenze tra cicline e Cdk sono riassunte nella (Tabella 07.03-01).

Ogni complesso ciclina–Cdk attivo fosforila un repertorio specifico di substrati, provocando effetti funzionali distinti:

• G₁-Cdk fosforila regolatori della trascrizione che sbloccano programmi genici per la biosintesi di nucleotidi e la preparazione alla duplicazione del DNA;
• G₁/S-Cdk e S-Cdk avviano e stabilizzano la replicazione agendo su proteine di “licensing” dei replicatori, prevenendo riavvii multipli nello stesso ciclo;
• M-Cdk promuove condensazione cromosomica e riorganizzazione della cellula per la mitosi, includendo fosforilazioni su componenti del fuso e su proteine del rivestimento nucleare.

L’attivazione di gruppi differenti di bersagli rende ogni complesso responsabile di una transizione specifica e irreversibile.

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Regolazione dell’attività delle Cdk

L’attività delle Cdk è regolata dall’accumulo di cicline. La formazione di complessi attivi ciclina-Cdk avvia vari eventi del ciclo cellulare, tra cui l’entrata nella fase S e nella fase M. La figura mostra la variazione della concentrazione della ciclina e dell’attività di proteina chinasi delle Cdk responsabili del controllo di entrata in fase M. L’aumento della concentrazione della ciclina necessaria (chiamata ciclina M) contribuisce alla formazione del complesso attivo ciclina-Cdk (M-Cdk), che spinge la cellula a entrare in fase M. Nel corso del ciclo cellulare l’attività enzimatica di tutti i tipi di complessi ciclina-Cdk prima aumenta e poi diminuisce, ma la concentrazione della Cdk non varia.

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Diversi complessi ciclina-Cdk

Cdk diverse si associano a cicline differenti per promuovere vari eventi del ciclo cellulare. Per semplicità sono raffigurati soltanto due tipi di complesso ciclina-Cdk: uno induce la fase S, l’altro induce la fase M.

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L’abbondanza di ciascuna ciclina è determinata dall’equilibrio tra produzione e degradazione. In prima approssimazione, la dinamica può essere descritta come \( \frac{d[\text{ciclina}]}{dt} = v_{\text{sintesi}} - v_{\text{degradazione}} \), con un incremento graduale legato a programmi trascrizionali specifici, seguito da cadute rapide per proteolisi mirata (Figura 07.03-03).

La distruzione sincrona delle cicline M e S a metà della fase M dipende da un complesso ubiquitina–ligasi di classe E3, l’APC/C (Anaphase Promoting Complex/Cyclosome), che poliubiquitina queste cicline indirizzandole al proteasoma (Figura 07.03-04). La rimozione della ciclina fa regredire la Cdk allo stato inattivo, favorendo la transizione all’uscita dalla mitosi. Accanto ad APC/C, altre E3 (per esempio il complesso SCF) contribuiscono in fasi precedenti alla rimozione di inibitori o di cicline di G₁, affinando la tempistica della progressione.

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Diversi complessi ciclina-Cdk

Cdk diverse si associano a cicline differenti per promuovere vari eventi del ciclo cellulare. Per semplicità sono raffigurati soltanto due tipi di complesso ciclina-Cdk: uno induce la fase S, l’altro induce la fase M.

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L’attività di alcune Cdk dipende dalla degradazione della ciclina

L’attività di alcune Cdk dipende dalla degradazione della ciclina. L’ubiquitinazione della ciclina S o M da parte dell’APC/C destina le cicline alla distruzione nei proteasomi. La perdita della ciclina rende inattive le corrispondenti Cdk.

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Sebbene l’accumulo delle cicline sia graduale, l’attività dei complessi ciclina–Cdk spesso si accende in modo brusco (Figura 07.03-02). Ciò dipende da circuiti di fosforilazione/defosforilazione che fungono da interruttori bistabili. Le Cdk sono soggette a:

• fosforilazione attivante nel “T-loop” da parte di chinasi attivanti Cdk (CAK);
• fosforilazioni inibitrici su residui specifici a opera di chinasi come Wee1;
• defosforilazione di tali siti inibitori da parte di fosfatasi, quali Cdc25, che sbloccano l’attività Cdk (Figura 07.03-05).

Circuiti di feedback positivo (per esempio M-Cdk che potenzia Cdc25 e inibisce Wee1) generano risposte ultrasensibili e temporizzano l’ingresso in mitosi come evento collettivo e coordinato.

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Regolazione dell’attività delle Cdk

L’attività delle Cdk è regolata dall’accumulo di cicline. La formazione di complessi attivi ciclina-Cdk avvia vari eventi del ciclo cellulare, tra cui l’entrata nella fase S e nella fase M. La figura mostra la variazione della concentrazione della ciclina e dell’attività di proteina chinasi delle Cdk responsabili del controllo di entrata in fase M. L’aumento della concentrazione della ciclina necessaria (chiamata ciclina M) contribuisce alla formazione del complesso attivo ciclina-Cdk (M-Cdk), che spinge la cellula a entrare in fase M. Nel corso del ciclo cellulare l’attività enzimatica di tutti i tipi di complessi ciclina-Cdk prima aumenta e poi diminuisce, ma la concentrazione della Cdk non varia.

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Affinché la M-Cdk sia attiva devono essere rimosse le fosfatasi inibitorie

Non appena il complesso ciclina M-Cdk si forma esso viene fosforilato in due siti adiacenti da una proteina chinasi inibitoria chiamata Wee1 (per semplificare qui viene mostrata solo una fosfatasi inibitoria). Questa modifica porta M-Cdk in uno stato inattivo fino a che questi gruppi fosfato non vengono rimossi da una proteina fosfatasi attivatrice detta Cdc25. Non è ancora chiaro come venga controllata la tempistica del passaggio cruciale di innesco dell’attività fosfatasica di Cdc25 qui mostrato.

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Oltre allo stato fosforilativo, l’attività delle Cdk è modulata da proteine che le inibiscono (CKI). Questi inibitori possono impedire la formazione del complesso o bloccarne il sito catalitico, risultando particolarmente efficaci nella fase G₁, dove dilatano la finestra temporale prima della duplicazione del DNA (Figura 07.03-06). Nelle cellule animali, famiglie di CKI come CIP/KIP (per esempio p21 e p27) e INK4 (per esempio p16) integrano segnali di danno al DNA o condizioni extracellulari sfavorevoli, consentendo arresti reversibili e proteggendo l’integrità del genoma.

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L’attività di una Cdk può essere bloccata dal legame di un inibitore

In questo caso la proteina inibitoria (chiamata p27) lega un complesso ciclina-Cdk attivato. Questo legame impedisce alla ciclina di fosforilare le proteine bersaglio richieste per il passaggio dalla fase G₁ alla S.

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Come illustrato nella (Figura 07.03-08), il sistema di controllo interviene in punti-chiave per garantire che gli eventi avvengano in ordine corretto e in presenza di condizioni interne ed esterne adeguate. Alcuni esempi:

• Transizione G₁–S: l’ingresso in fase S è impedito quando nutrienti e segnali mitogenici sono insufficienti o in presenza di danno al DNA; l’azione degli inibitori delle Cdk consolida il blocco (Figura 07.03-06);
• Transizione G₂–M: l’attivazione di M-Cdk è soppressa inibendo la fosfatasi necessaria alla rimozione delle fosforilazioni inibitrici, prevenendo l’ingresso prematuro in mitosi (Figura 07.03-05);
• Fase M: l’assetto del fuso e l’allineamento dei cromosomi sono monitorati da segnali che mantengono l’APC/C inattivo finché i cinetocori non sono tutti correttamente attaccati, ritardando così la degradazione della ciclina M e la progressione verso l’anafase (Figura 07.03-04).

Questi blocchi, riassunti nella (Figura 07.03-07), consentono decisioni integrate sulla prosecuzione o sul rinvio della divisione. Il risultato è un avanzamento ordinato, robusto e adattabile alle condizioni cellulari ed extracellulari.

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Sistema di controllo del ciclo cellulare

Il sistema di controllo del ciclo cellulare comprende dei punti di controllo che assicurano che i processi chiave del ciclo avvengano nella successione corretta. Il sistema di controllo del ciclo cellulare è qui rappresentato come la manopola di un congegno che può ruotare in senso orario, innescando particolari processi quando raggiunge punti di transizione ben precisi del quadrante. Questi processi soggetti al controllo sono la replicazione del DNA nella fase S e la segregazione dei cromosomi duplicati nella mitosi. Il sistema di controllo può fermare il ciclo temporaneamente in specifici punti di transizione (in fase G₁, G₂ ed M) se le condizioni intracellulari o extracellulari non sono favorevoli.

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L’attività di una Cdk può essere bloccata dal legame di un inibitore

In questo caso la proteina inibitoria (chiamata p27) lega un complesso ciclina-Cdk attivato. Questo legame impedisce alla ciclina di fosforilare le proteine bersaglio richieste per il passaggio dalla fase G₁ alla S.

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Affinché la M-Cdk sia attiva devono essere rimosse le fosfatasi inibitorie

Non appena il complesso ciclina M-Cdk si forma esso viene fosforilato in due siti adiacenti da una proteina chinasi inibitoria chiamata Wee1 (per semplificare qui viene mostrata solo una fosfatasi inibitoria). Questa modifica porta M-Cdk in uno stato inattivo fino a che questi gruppi fosfato non vengono rimossi da una proteina fosfatasi attivatrice detta Cdc25. Non è ancora chiaro come venga controllata la tempistica del passaggio cruciale di innesco dell’attività fosfatasica di Cdc25 qui mostrato.

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L’attività di alcune Cdk dipende dalla degradazione della ciclina

L’attività di alcune Cdk dipende dalla degradazione della ciclina. L’ubiquitinazione della ciclina S o M da parte dell’APC/C destina le cicline alla distruzione nei proteasomi. La perdita della ciclina rende inattive le corrispondenti Cdk.

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Meccanismi di arresto del ciclo cellulare

Il sistema di controllo del ciclo cellulare usa diversi meccanismi per fermare il ciclo in specifici punti di transizione.

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