Ciclo celular. Introducción. Prof. Iván Rebolledo

Transcripción

1 Introducción La característica más fundamental de las células, y por ende, de los seres vivos es su capacidad de autoreplicarse. Todas las células, en mayor o menor grado, se reproducen mediante una división que origina dos células hijas exactamente iguales a la célula parental. Estas células hijas deben crecer para poder dar origen a nuevas células hijas y así sucesivamente. Estos ciclos de crecimiento y división incluyen una serie de eventos ordenados que se denomina ciclo celular. Es importante mencionar que las células hijas, al igual que la célula parental poseen una cierta carga genética, representada por un cierto número de moléculas de ADN (en humanos es 46). A fin de asegurar que las células hijas dispongan de la misma cantidad de ADN, en algún momento del ciclo debe producirse una replicación del ADN. Así, al ocurrir la división celular cada célula hija recibirá la misma cantidad de ADN que la célula parental. Para asegurar la producción de células con genomas completos, el ciclo debe estar muy regulado y coordinado en todos sus eventos. Prof. Iván Rebolledo Esta regulación es efectuada por una serie de moléculas llamadas protein quinasas, que mediante fosforilaciones pueden activar o inhibir ciertas moléculas en momentos precisos durante el ciclo celular. Un ciclo celular, en la mayoría de las células eucarióticas, suele dividirse metodológicamente en fases. Se distinguen 4 fases, señaladas con las letras M, G-1, S y G-2. El significado de estas letras es: M, mitosis; G-1 (G del inglés gap) primer intervalo entre M y S; S (S del inglés synthesis) replicación del ADN y G-2, segundo intervalo entre S y M. La duración de cada fase es variable de pendiendo del tipo celular. Un tiempo promedio de 24 horas, la fase M dura 1 hora, G-1 unas 11 horas, S unas 8 horas y G- 2 unas 4 horas.

2 Otros tipos celulares pueden dividirse más rápidamente, como el caso de las levaduras que cubren todo el ciclo en 90 minutos. Aún hay otras que requieren de menos tiempo (30 minutos), como el caso de las células embrionarias (blastómeras) que resultan del cigoto. En este caso, solo ocurre una fase M seguida de una fase S, no hay fases G-1 ni G-2. Algunas células progresan contínuamente a través del ciclo celular a fin de cubrir las necesidades de un crecimiento del tejido o una renovación del mismo. Otras células abandonan el ciclo después de salir de M entrando a un estado de permanente diferenciación, esta fase es designada G-0 (ge cero). Estas células conservan la facultad de reingresar al ciclo al ser estimuladas adecuadamente. Puede saberse la fase en la que se encuentra una célula al detectarse su contenido de ADN. En G-1 poseen 2n, al final de S poseen 4n, en G-2 mantienen los 4n y después de la citocinesis reducen a 2n. (n, es el contenido haploide de ADN). Si consideramos que cada cromosoma es una molécula de ADN, una célula somática humana posee 46 moléculas de ADN. Después de la fase S tendrá 92 moléculas de ADN y al dividirse la célula retornará a su número original: 46. Regulación del ciclo El paso de las células por las fases del ciclo está regulado por señales externas del ambiente como por señales internas que coordinan los diferentes eventos que ocurren durante el ciclo. Un ejemplo de señal externa son los factores de crecimiento, que cuando están ausentes, las células se salen del ciclo a la fase G-0. En esta fase, las células están metabólicamente activas, aunque cesan su crecimiento y reducen la síntesis de proteínas. Acción de los factores de crecimiento en el punto de control en G-1 tardío.

3 Este punto de control fue descrito por primera vez en levaduras y se le llamó START, debido a que cuando las células pasaban por este punto, se iniciaban los eventos Ahora, se prefiere mencionarlo como punto de control en G-1. En este punto, la célula debe cumplir con los siguientes requisitos para avanzar a la fase S a) haber adquirido un tamaño celular apropiado; es lógico pensar que este requisito se logra por un aporte suficiente de nutrientes, dentro de los cuales mencionamos a los factores de crecimiento, Para entender estos conceptos observe el esquema de abajo, del cual se deduce que un daño en el ADN produce la P-53 que actúa en otro sector del ADN induciendo la producción de un ARNm para la P- 21, la cual inhibe la progresión del ciclo y, al mismo tiempo, la replicación del ADN. Las mutaciones en el gen de la P- 53 son las alteraciones genéticas más frecuentes en los cánceres humanos ADN dañado b) haber logrado una reparación apropiada del ADN, Si existe alguna alteración del ADN, la célula no puede avanzar a la fase S, pues cabría la posibilidad de duplicar un ADN defectuoso (como ocurre en las células cancerosas). Este requisito es mediado por la acción de una proteína conocida como P-53. ADN ARNm P-53 P-53 transcribe La proteína P-53 es un regulador transcripcional que funciona estimulando la expresión de una cinasa dependiente de ciclina (cdk) llamada P-21, que actúa como inhibidor de otras cdk y de una subunidad de la ADN polimerasa delta. Ciclo celular P-21 inhibe Replicación del ADN

4 De acuerdo con el esquema mostrado en la página anterior, podrá deducirse que al no existir el P-53, las células podrían avanzar en el ciclo celular y podrían replicar el ADN que está dañado. Un segundo punto de control se encuentra al final de la fase G-2. Este punto exige que, después de haber cruzado la fase S, todo el ADN se haya replicado. 2do. punto control: todo el ADN debe estar replicado Ciclo celular 3er. punto control: cromosomas dobles deben estar alineados 1er. punto control: ADN reparado y tamaño celular No se permite entrar en la fase M si hay algo de ADN no replicado. Esto es para asegurar que las células hijas dispongan del mismo contenido genético de la célula original, cuando se separen las cromátidas durante la anafase mitótica. Adicional a esta exigencia de una replicación completa, este punto de control también exige que se haya producido una adecuada reparación del ADN. Sin embargo, aún no se conocen los mecanismos moleculares que controlan este punto de control. Un tercer punto de control, se encuentra en la fase M, precisamente en la fase de la mitosis conocida como metafase, durante la cual debe asegurarse que los cromosomas dobles deben alinearse exactamente ecuatorial en el huso mitótico, a fin de asegurar una distribución equitativa de cromátidas a cada célula hija. La fase M depende de la fase S. Esta conclusión fue demostrada por experimentos realizados por Rao y Johnson (1970) al fusionar células en diferentes fases del ciclo. Cuando células en G-1 se fusionaron con células en S, sólo los núcleos de G-1 comenzaron a sintetizar ADN. Se dedujo que el citoplasma de las células en S contenían los factores que iniciaron la síntesis de ADN. Por el contrario, al fusionar células en fase G-2 con células en S, los núcleos de las G-2 fueron incapaces de sintetizar ADN aún en presencia de factores de replicación contenidos en el citoplasma de las células en S. Se dedujo que la síntesis de ADN en las células G-2 era impedido por algún mecanismo molecular hasta que se haya completado la mitosis.

5 Progresión por el ciclo celular mitosis mitosis mitosis Experimentos en levaduras, erizos de mar, ranas y mamíferos han concluido que en todos ellos existe un factor molecular que permite el paso de G-2 a M. interfase interfase Este factor fue conocido inicialmente como el factor promotor de la maduración (FPM) debido a que fue descubierto en ovocitos que ingresaban a la meiosis. Sin embargo, es importante tener en cuenta que no solo se encuentra en células germinales (meiosis) sino también en células somáticas (mitosis). Por tanto, este FPM actúa como un regulador general de transición entre G-2 y M. El siguiente paso fue el descubrimiento de las subunidades del FPM : cdc2 y ciclina. El cdc2 es un gen que codifica una proteín cinasa que puede fosforilarse. Cdc viene del inglés: cell division cycle. La ciclina es una proteína que se acumula durante la interfase y se degrada hacia el final de la mitosis. Estas acumulaciones y degradaciones son periódicas o cíclicas, de aquí vino su nombre. Concentración de la ciclina Experimentos en levaduras, erizos de mar, ranas y mamíferos han concluído que en todos ellos existe un factor molecular que se ha conservado a través de la evolución y que permite el paso de G-2 a M, este factor es la ciclina. En células de mamíferos la ciclina comienza a sintetizarse durante la fase S, se acumula y llega a formar un complejo con la cdc2 a través de las fases S y G-2. Como recordará, cada vez que una molécula se une a otra cambia su conformación, así la unión de la ciclina con el cdc2

6 provoca un cambio de conformación en este último, provocando unas fosforilaciones en aminoácidos muy específicos: la treonina 14, la tirosina 15 y la treonina 161. La molécula que se supone efectúa estas fosforilaciones es la wee 1 (ver esquema arriba). De estos aminoácidos fosfatados, la treonina 161 es el que da la actividad al complejo FPM y los otros dos (treonina 14 y tirosina 15) le conceden una inhibición. Por tanto, estos dos últimos deben ser eliminados, esto lo logra una fosfatasa llamada cdc25, que al quitar los fosfatos permite que la FPM logre su actividad permitiendo que la célula entre en mitosis (o meiosis). Una vez que el complejo FPM ha sido activado realiza los siguientes eventos que tienen que ver con los procesos de la mitosis: (a) Fosforila la histona H-1 que permite la condensación de la cromatina, (c) Fragmenta el RER y el Golgi para que las células hijas dispongan de una mitad de dichos organelos, y (d) Fosforila las tubulinas para que se inicie la formación de los microtúbulos que conforman el huso mitótico, al cual quedarán unidos los cromosomas conformados por dos cromátidas cada uno.

7 (c) Fragmenta el RER y el Golgi para que las células hijas dispongan de una mitad de dichos organelos, y (d) Fosforila las tubulinas para que se inicie la formación de los microtúbulos que conforman el huso mitótico, al cual quedarán unidos los cromosomas conformados por dos cromátidas cada uno. Además de producir todos los eventos mencionados, el cdc2 produce la degradación de la ciclina, hecho determinado por una proteólisis mediada por ubiquitina. Núcleo del proteosoma U biquitina Proteína reguladora Proteína que será degradada Qué es esto de la ubiquitina? Esta es una proteína de 76 aminoácidos que tiene la capacidad de unirse a una lisina de la proteína que se va a degradar. Múltiples ubiquitinas se unen a la proteína formando un complejo poliubiquitinado, que puede ser reconocido por un complejo proteico en forma de tonel, llamado proteosoma, en cuyo centro se encuentran los aminoácidos que determinan la proteólisis. La ubiquitina es liberada en el proceso siendo reutilizable para otras degradaciones proteicas. Importa mencionar aquí que la unión de la ubiquitina y la acción del proteosoma requieren de energía proporcionada por ATP. Seguimos con el proceso esquematizado en la figura de la página anterior, una vez que la ciclina ha sido degradada, el cdc2 pierde el fosfato que aún poseía en la posición 161 por acción de una fosfatasa, quedando totalmente inactivo. De esta forma quedará hasta que se inicie otro ciclo de síntesis de ciclina y se inicie de nuevo el proceso de fosforilaciones que determinará su activación.