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Usare la fluorescenza per seguire la divisione cellulare

La mitosi, la serie di eventi che porta una cellula a scindersi in due cellule figlie dotate dello stesso patrimonio genetico, è un punto chiave per qualunque cellula eucariotica ed è alla base dell'esistenza stessa di un organismo pluricellulare.

Ovviamente anche la proliferazione di batteri e funghi si basa su eventi di duplicazione e ripartizione del DNA nelle cellule figlie, ma presentano alcune particolarità distintive (dovute all'assenza di un nucleo e/o a fenomeni come la divisione cellulare asimmetrica) che non verrano qui trattate.
Va da sé che la mitosi è un processo altamente regolato dalla cellula e qualunque anomalia in questa fase avrà conseguenze negative anche a livello "superiore" che vanno dal tumore (proliferazione incontrollata) a deficit funzionali causati da penuria di cellule di un certo tipo (causata da riduzione nel processo proliferativo e/o differenziativo delle cellule pluripotenti a monte).

Lo studio del ciclo cellulare rappresenta quindi un'area chiave nella sperimentazione di nuovi farmaci. Le tecniche di indagine sono molteplici e vanno dalla "semplice" microscopia a luce visibile a quella a fluorescenza, fino all'indagine delle modificazioni molecolari che caratterizzano e definiscono ciascuna fase del ciclo.
Volendo schematizzare le fasi del ciclo cellulare possiamo scegliere due strade, una morfologica ed una funzionale. Nella prima modalità distingueremo le cellule in base alla integrità del nucleo e allo stato di condensazione dei cromosomi unito alla loro "posizione" cellulare. Distingueremo così una fase intermitotica (nota come interfase) e le fasi della mitosi vera propria in cui il DNA già replicato comincia a compattarsi originando le forme cromosomali classiche (profase) per poi migrare al centro della cellula guidato dai "fili" del fuso mitotico (metafase). Alla fine le copie duplicate si separeranno andando a localizzarsi alle due estremità della cellula (anafase) che poi si dividerà (telofase).
Possiamo osservare lo stesso processo "più da lontano" distinguendo le diverse fasi come quella tra una divisione e la successiva (fase G1 o G0 se tale fase è di lunga durata o permanente), duplicazione DNA (fase S), controllo cellulare e DNA (fase G2) e mitosi propriamente detta (fase M).

Le diverse fasi del ciclo cellulare viste al microscopio ottico 
Al microscopio ottico è possibile identificare e seguire il progredire delle diverse fasi.
Un grosso aiuto alla visualizzazione viene dall'uso di marcatori fluorescenti capaci di interagire con il DNA e/o con le proteine strutturali (ad esempio la tubulina) che fungono da "impalcature e funi di traino" per il movimento dei cromosomi. Un procedimento oramai classico è la tecnica nota come Fucci (Fluorescence Ubiquitination Cell Cycle Indicator) basata su una serie di sonde fluorescenti che colorano in rosso le cellule in G1 e in verde quelle in S/G2/M.

(credit: MBL life science)
Se non vedi il video clicca --> QUI
(All credit to Sakaue-Sawano of RIKEN, Japan)

La tecnica Fucci sfrutta due proteine fluorescenti, una rossa per rilevare la proteina CDT1, presente solo nella fase G1, e  una verde per vedere la geminin, presente invece nelle fasi S, G2 e M.
Il limite intrinseco al metodo è che non informa su quale sia esattamente la fase in cui si trova la cellula ma solo se è già avvenuta la divisione cellulare. 
Nota. Ci sono altri modi per identificare in che fase del ciclo si trova una cellula (morfologico e/o mediante citofluorimetria a flusso). 
Grazie al lavoro di ricercatori della università di Stanford i limiti di Fucci sono stati superati. La nuova tecnica, Fucci4, permette di identificare ciascuna delle fasi del ciclo cellulare grazie all'utilizzo di nuovi marcatori.
Nello specifico, i ricercatori hanno prodotto una serie di 26 mutazioni sulla proteina fluorescente rossa con il fine di generare un nuovo colore facilmente distinguibile nelle diverse fasi del ciclo. La procedura mutagenica è stata ripetuta su altri 3 marcatori fluorescenti e questo spiega il nome Fucci4 legato al numero di marcatori fluorescenti in uso)

Le differenze tra Fucci e Fucci4 (credit: extremetech.com) 
In estrema sintesi il marcatore blu "illumina" le cellule in fase G1 o S, quello giallo si accende solo in fase G1 (che quindi nella fase G1 si somma al blu), il marcatore classico verde copre le fasi S-M e infine la versione modificata del rosso (mMaroon1) si palesa solo durante la fase S.



Fucci4 promette di essere un valido strumento capace di monitorare più facilmente l'effetto sulla mitosi dei vari farmaci sperimentali disegnati per bloccare in modo specifico una o più di queste fasi.


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