CENTRIOLI: FUNZIONI E CARATTERISTICHE - SCIENZA - 2025

I centrioli sono strutture cilindriche composte da ammassi cellulari di microtubuli. Sono costituiti dalla proteina tubulina, che si trova nella maggior parte delle cellule eucariotiche.

Una coppia associata di centrioli, circondata da una massa informe di materiale denso chiamato materiale pericentriolare (PCM), costituisce una struttura chiamata centrosoma.

I centrioli sono strutture cilindriche costituite da gruppi di microtubuli. La maggior parte dei centrioli sono costituiti da nove serie di trii di microtubuli, disposti in un cilindro.

La funzione dei centrioli è quella di dirigere l'assemblaggio dei microtubuli, partecipando all'organizzazione cellulare (posizione del nucleo e disposizione spaziale della cellula), alla formazione e alla funzione di flagelli e ciglia (ciliogenesi) e alla divisione cellulare (mitosi e meiosi).

I centrioli si trovano nelle strutture cellulari note come centrosomi nelle cellule animali e sono assenti nelle cellule vegetali.

Difetti nella struttura o numero di centrioli in ciascuna cellula possono avere conseguenze considerevoli per la fisiologia di un organismo, producendo alterazioni nella risposta allo stress durante infiammazione, infertilità maschile, malattie neurodegenerative e formazione di tumori, tra gli altri.

Un centriolo è una struttura cilindrica. Una coppia di centrioli associati, circondati da una massa informe di materiale denso (chiamato "materiale pericentriolare" o PCM), forma una struttura composita chiamata "centrosoma".

Erano considerati poco importanti fino a pochi anni fa, quando si concluse che fossero i principali organelli nella conduzione della divisione e duplicazione cellulare (mitosi) nelle cellule eucariotiche (principalmente nell'uomo e in altri animali).

La cellula

L'ultimo antenato comune di tutta la vita sulla Terra era una singola cellula e l'ultimo antenato comune di tutti gli eucarioti era una cellula ciliata con centrioli.

Ogni organismo è costituito da un gruppo di cellule interagenti. Gli organismi contengono organi, gli organi sono costituiti da tessuti, i tessuti sono costituiti da cellule e le cellule sono costituite da molecole.

Tutte le cellule utilizzano gli stessi "mattoni" molecolari, metodi simili per la conservazione, il mantenimento e l'espressione dell'informazione genetica e processi simili di metabolismo energetico, trasporto molecolare, segnalazione, sviluppo e struttura.

I microtubuli

Agli albori della microscopia elettronica, i biologi cellulari osservavano lunghi tubuli nel citoplasma che chiamavano microtubuli.

Sono stati osservati microtubuli morfologicamente simili che formano le fibre del fuso mitotico, come componenti degli assoni dei neuroni e come elementi strutturali nelle ciglia e nei flagelli.

Un attento esame dei singoli microtubuli indicava che erano tutti composti da 13 unità longitudinali (ora chiamate protofilamenti) costituite da una proteina principale (costituita da una subunità α-tubulina e β-tubulina strettamente correlate) e da diverse proteine ​​associate a microtubuli (MAP).

Oltre alle loro funzioni in altre cellule, i microtubuli sono essenziali per la crescita, la morfologia, la migrazione e la polarità del neurone, nonché per lo sviluppo, il mantenimento e la sopravvivenza e di un sistema nervoso efficiente .

L'importanza di una delicata interazione tra i componenti del citoscheletro (microtubuli, filamenti di actina, filamenti intermedi e septine) si riflette in diversi disturbi neurodegenerativi umani correlati a dinamiche anomale dei microtubuli, tra cui il morbo di Parkinson e il morbo di Alzheimer.

Ciglia e flagelli

Cilia e flagelli sono organelli che si trovano sulla superficie della maggior parte delle cellule eucariotiche. Sono costituiti principalmente da microtubuli e membrana.

La motilità degli spermatozoi è dovuta agli elementi citoscheletrici mobili presenti nella sua coda, chiamati assonemi. La struttura degli assonemi è composta da 9 gruppi di 2 microtubuli ciascuno, motori molecolari (dineine) e le loro strutture regolatrici.

I centrioli svolgono un ruolo centrale nella ciliogenesi e nella progressione del ciclo cellulare. La maturazione dei centrioli produce un cambiamento nella funzione, che porta dalla divisione cellulare alla formazione del cilio.

Difetti nella struttura o nella funzione dell'assonema o delle ciglia causano nell'uomo molteplici disturbi chiamati ciliopatie. Queste malattie colpiscono vari tessuti, inclusi occhi, reni, cervello, polmoni e motilità degli spermatozoi (che spesso porta alla sterilità maschile).

Il centriolo

Nove triplette di microtubuli disposti attorno a una circonferenza (che formano un corto cilindro cavo) sono i "mattoni" e la struttura principale di un centriolo.

Per molti anni la struttura e la funzione dei centrioli furono ignorate, nonostante il fatto che negli anni Ottanta dell'Ottocento il centrosoma fosse stato visualizzato al microscopio ottico.

Theodor Boveri ha pubblicato un lavoro fondamentale nel 1888, descrivendo l'origine del centrosoma dallo sperma dopo la fecondazione. Nella sua breve comunicazione del 1887, Boveri scrisse che:

“Il centrosoma rappresenta il centro dinamico della cellula; La sua divisione crea i centri delle cellule figlie formate, attorno alle quali tutte le altre componenti cellulari sono organizzate simmetricamente … Il centrosoma è il vero organo di divisione della cellula, media la divisione nucleare e cellulare "(Scheer, 2014: 1) . .

Poco dopo la metà del XX secolo, con lo sviluppo della microscopia elettronica, il comportamento dei centrioli fu studiato e spiegato da Paul Schafer.

Sfortunatamente, questo lavoro è stato ignorato in gran parte perché i ricercatori stavano iniziando a concentrarsi sulle scoperte di Watson e Krick sul DNA.

Il centrosoma

Una coppia di centrioli, adiacenti al nucleo e perpendicolari l'uno all'altro, sono "un centrosoma". Uno dei centrioli è noto come "padre" (o madre). L'altro è noto come "figlio" (o figlia; è leggermente più corto, e ha la sua base attaccata alla base della madre).

Le estremità prossimali (alla connessione dei due centrioli) sono immerse in una "nuvola" proteica (forse fino a 300 o più) nota come centro di organizzazione dei microtubuli (MTOC), in quanto fornisce la proteina necessaria per la costruzione microtubuli.

Il MTOC è anche noto come "materiale pericentriolare" ed è caricato negativamente. Al contrario, le estremità distali (lontane dalla connessione dei due centrioli) sono caricate positivamente.

La coppia di centrioli, insieme al MTOC circostante, sono noti come "centrosomi".

Duplicazione di centrosomi

Quando i centrioli iniziano a duplicarsi, il padre e il figlio si separano leggermente e quindi ogni centriolo inizia a formare un nuovo centriolo alla sua base: il padre con un nuovo figlio e il figlio con un nuovo figlio suo (un "nipote"). .

Mentre si verifica la duplicazione del centriolo, anche il DNA del nucleo si duplica e si separa. Cioè, la ricerca attuale mostra che la duplicazione del centriolo e la separazione del DNA sono in qualche modo collegate.

Duplicazione e divisione cellulare (mitosi)

Il processo mitotico è spesso descritto in termini di una fase iniziale, nota come "interfaccia", seguita da quattro fasi di sviluppo.

Durante l'interfase, i centrioli si duplicano e si separano in due coppie (una di queste coppie inizia a muoversi verso il lato opposto del nucleo) e il DNA si divide.

Dopo la duplicazione dei centrioli, i microtubuli dei centrioli si estendono e si allineano lungo l'asse maggiore del nucleo, formando il "fuso mitotico".

Nella prima delle quattro fasi di sviluppo (Fase I o "Prophase"), i cromosomi si condensano e si avvicinano e la membrana nucleare inizia a indebolirsi e dissolversi. Allo stesso tempo si forma il fuso mitotico con le coppie di centrioli che ora si trovano alle estremità del fuso.

Nella seconda fase (Fase II o "Metafase"), le corde dei cromosomi si allineano con l'asse del fuso mitotico.

Nella terza fase (Fase III o "Anafase"), le catene cromosomiche si dividono e si spostano alle estremità opposte del fuso mitotico ora allungato.

Infine, nella quarta fase (Fase IV o "Telophase"), nuove membrane nucleari si formano attorno ai cromosomi separati, il fuso mitotico si sfalda e la separazione cellulare inizia a completarsi con metà del citoplasma che accompagna ogni nuovo nucleo.

Ad ogni estremità del fuso mitotico, le coppie di centrioli esercitano un'influenza importante (apparentemente correlata alle forze esercitate dai campi elettromagnetici generati dalle cariche negative e positive alle sue estremità prossimale e distale) durante l'intero processo di divisione cellulare.

Il centrosoma e la risposta immunitaria

L'esposizione allo stress influenza la funzione, la qualità e la durata della vita di un organismo. Lo stress generato, ad esempio da un'infezione, può portare all'infiammazione dei tessuti infetti, attivando la risposta immunitaria nell'organismo. Questa risposta protegge l'organismo colpito, eliminando l'agente patogeno.

Molti aspetti della funzionalità del sistema immunitario sono ben noti. Tuttavia, gli eventi molecolari, strutturali e fisiologici in cui è coinvolto il centrosoma rimangono un enigma.

Studi recenti hanno scoperto cambiamenti dinamici inaspettati nella struttura, posizione e funzione del centrosoma in diverse condizioni legate allo stress. Ad esempio, dopo aver imitato le condizioni di un'infezione, è stato riscontrato un aumento della produzione di PCM e microtubuli nelle cellule in interfase.

Centrosomi alle sinapsi immunitarie

Il centrosoma ha un ruolo molto importante nella struttura e nella funzione della sinapsi immunologica (SI). Questa struttura è formata da interazioni specializzate tra una cellula T e una cellula che presenta l'antigene (APC). Questa interazione cellula-cellula avvia la migrazione del centrosoma verso il SI e il suo successivo accoppiamento alla membrana plasmatica.

L'attracco del centrosoma nel SI è simile a quello osservato durante la ciliogenesi. Tuttavia, in questo caso, non avvia l'assemblaggio delle ciglia, ma piuttosto partecipa all'organizzazione del SI e alla secrezione di vescicole citotossiche per lisare le cellule bersaglio, diventando un organo chiave nell'attivazione dei linfociti T.

Il centrosoma e lo stress da calore

Il centrosoma è il bersaglio degli "chaperoni molecolari" (insieme di proteine ​​la cui funzione è di aiutare il ripiegamento, l'assemblaggio e il trasporto cellulare di altre proteine) che forniscono protezione contro l'esposizione a shock termici e stress.

I fattori di stress che influenzano il centrosoma includono danni al DNA e calore (come quello subito dalle cellule dei pazienti febbrili). Il danno al DNA avvia percorsi di riparazione del DNA, che possono influenzare la funzione dei centrosomi e la composizione delle proteine.

Lo stress generato dal calore provoca la modificazione della struttura del centriolo, la disgregazione del centrosoma e la completa inattivazione della sua capacità di formare microtubuli, alterando la formazione del fuso mitotico e prevenendo la mitosi.

L'interruzione della funzione dei centrosomi durante la febbre potrebbe essere una reazione adattativa per inattivare i poli del fuso e prevenire la divisione anormale del DNA durante la mitosi, soprattutto data la potenziale disfunzione di più proteine ​​dopo la denaturazione indotta dal calore.

Inoltre, potrebbe dare alla cellula più tempo per recuperare il suo pool di proteine ​​funzionali prima di riavviare la divisione cellulare.

Un'altra conseguenza dell'inattivazione del centrosoma durante la febbre è la sua incapacità di trasferirsi al SI per organizzarlo e partecipare alla secrezione delle vescicole citotossiche.

Sviluppo anormale dei centrioli

Lo sviluppo del centriolo è un processo piuttosto complesso e, sebbene una serie di proteine ​​regolatrici vi partecipino, possono verificarsi diversi tipi di fallimento.

Se c'è uno squilibrio nella proporzione delle proteine, il centriolo figlia può essere difettoso, la sua geometria può essere distorta, gli assi di una coppia possono deviare dalla perpendicolarità, possono svilupparsi più centrioli figlie, il centriolo figlia può raggiungere l'intera lunghezza prima tempo, o il disaccoppiamento delle coppie può essere ritardato.

Quando c'è una duplicazione sbagliata o sbagliata dei centrioli (con difetti geometrici e / o duplicazione multipla), la replicazione del DNA è alterata, si verifica instabilità cromosomica (CIN).

Allo stesso modo, i difetti del centrosoma (ad esempio, un centrosoma ingrandito o ingrandito) portano a CIN e promuovono lo sviluppo di più centrioli figlie.

Questi errori di sviluppo causano danni alle cellule che possono anche portare a malattie maligne.

Centrioli anormali e cellule maligne

Grazie all'intervento di proteine ​​regolatrici, quando vengono rilevate anomalie nello sviluppo dei centrioli e / o del centrosoma, le cellule possono attuare l'auto-correzione delle anomalie.

Tuttavia, se non si ottiene l'auto-correzione dell'anomalia, i centrioli anormali o con più figlie ("centrioli soprannumerari") possono portare alla generazione di tumori ("tumorigenesi") o alla morte cellulare.

I centrioli soprannumerari tendono a fondersi, portando al raggruppamento del centrosoma ("amplificazione del centrosoma" caratteristica delle cellule tumorali), alterando la polarità cellulare e il normale sviluppo della mitosi, con conseguente comparsa di tumori.

Le cellule con centrioli soprannumerari sono caratterizzate da un eccesso di materiale pericentriolare, interruzione della struttura cilindrica o lunghezza eccessiva dei centrioli e centrioli che non sono perpendicolari o mal posizionati.

È stato suggerito che i cluster di centrioli o centrosomi nelle cellule tumorali potrebbero fungere da "biomarcatore" nell'uso di agenti terapeutici e di imaging, come le nanoparticelle superparamagnetiche.

Riferimenti

1. Borisy, G., Heald, R., Howard, J., Janke, C., Musacchio, A., & Nogales, E. (2016). Microtubuli: 50 anni dalla scoperta della tubulina. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 17 (5), 322-328.
2. Buchwalter, RA, Chen, JV, Zheng, Y. e Megraw, TL Centrosome in Cell Division, Development and Disease. ELS.
3. Gambarotto, D., e Basto, R. (2016). Conseguenze di difetti numerici centrati nello sviluppo e nella malattia. In The Microtubule Cytoskeleton (pp. 117-149). Springer Vienna.
4. Huston, RL (2016). Una revisione dell'attività dei centrioli e dell'attività illecita durante la divisione cellulare. Advances in Bioscience and Biotechnology, 7 (03), 169.
5. Inaba, K. e Mizuno, K. (2016). Disfunzione dello sperma e ciliopatia. Medicina e biologia della riproduzione, 15 (2), 77-94.
6. Keeling, J., Tsiokas, L. e Maskey, D. (2016). Meccanismi cellulari di controllo della lunghezza ciliare. Celle, 5 (1), 6.
7. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A., Martin, KC (2016). Biologia cellulare molecolare. New York: WH Freeman and Company.
8. Matamoros, AJ e Baas, PW (2016). Microtubuli in salute e malattie degenerative del sistema nervoso. Brain Research Bulletin, 126, 217-225.
9. Pellegrini, L., Wetzel, A., Grannó, S., Heaton, G. e Harvey, K. (2016). Torniamo al tubulo: dinamica dei microtubuli nella malattia di Parkinson. Scienze della vita cellulare e molecolare, 1-26.
10. Scheer, U. (2014). Radici storiche della ricerca sui centrosomi: scoperta dei vetrini per microscopio di Boveri a Würzburg. Phil. Trans. R. Soc. B, 369 (1650), 20130469.
11. Severson, AF, von Dassow, G. e Bowerman, B. (2016). Capitolo 5 Assemblaggio e funzione del fuso meiotico degli ovociti. Argomenti attuali in biologia dello sviluppo, 116, 65-98.
12. Soley, JT (2016). Una panoramica comparativa del complesso centriolare dello sperma in mammiferi e uccelli: variazioni su un tema. Scienze della riproduzione animale, 169, 14-23.
13. Vertii, A. e Doxsey, S. (2016). Il centrosoma: una fenice organello della risposta immunitaria. Biologia monocellulare, 2016.
14. Vertii, A., Hehnly, H. e Doxsey, S. (2016). Il centrosoma, un organello rinascimentale poliedrico. Prospettive di Cold Spring Harbor in Biologia, 8 (12), a025049.
15. Attivazione dei linfociti T Opera originale del governo federale degli Stati Uniti - dominio pubblico. Tradotto da BQmUB2012110.
16. Alejandro Porto - Derivato del file: Aufbau einer Tierischen Zelle.jpg di Petr94. Schema di base di una cellula animale eucariotica.
17. Kelvinsong - Centrosome Cycle (versione dell'editor) .svg. Tradotto in spagnolo da Alejandro Porto.
18. Kelvinsong - Opera propria. Schema di un centrosoma, senza la cornice gialla.
19. Kelvinsong, Centriole-en, CC BY 3.0.
20. NIAID / NIH - Il photostream di NIAID Flickr. Micrografia di un linfocita T umano (chiamato anche cellula T) dal sistema immunitario di un donatore sano.
21. Silvia Marquez e Andrea Lassalle, Tubulina, CC BY 3.0
22. Schema semplificato dello spermatozoo.svg: lavoro derivato di Mariana Ruiz: Miguelferig.