Facultad de Química, UNAM 1630 Genética y Biología Molecular Regulación del ciclo celular y cáncer Regulación de la Expresión Genética y Ciclo celular La proliferación y la progresión del ciclo celular están funcionalmente ligadas a los genes asociados con el control del crecimiento. La integración de señales positivas y negativas que regulan el crecimiento se puede observar en varios casos: Ciclos de mitosis y meiosis para la generación de gametos Estimulación de células quiescentes para que proliferen en sitios de cicatrización Salida del ciclo celular para que una célula prolifere o vaya a diferenciación. El destino de una célula está determinado por su programa genético y por las condiciones ambientales SOBREVIVIR Ciclo celular Evento celular que progresa desde un periodo de replicación del ADN cromosómico (Fase S, S=síntesis) hasta la segregación de los cromosomas en dos núcleos en la mitosis (fase M). Intercalados entre estos dos estadios hay dos periodos de reposo, el G1 y G2 (G = gap, intervalo o lapso). DIVIDIRSE Síntesis de proteínas de replicación Duplicación de los centriolos Condensación de cromatina 4-6 h Mitosis y Citocinesis 30 min Citocinesis.- Es la fase cuando el citoplasma se divide, creando dos células hijas DIFERENCIAR MORIR Replicación del DNA Síntesis de histonas 6-8h Crecimiento celular Síntesis de proteínas Síntesis de RNA 8-10h 1
La replicación del ADN nuclear ocurre durante una una fase especifica de la interfase: La Fase S Alternancia en el número cromosómico durante el ciclo Células en v faseg1 Las tres principales transiciones regulatorias o Checkpoints En la transición G2-M Completada la replicación. Daño al DNA G2/M Formación del huso Alineamiento de cromátidas M/A Punto de control o checkpoint para asegurar que se completen los eventos antes de que progrese el ciclo celular 4n 2n Las céluas en G1, pueden si no han iniciado la replicación del ADN, detener la progresión en el ciclo y entrar a un estado de reposo especial llamado G0, donde pueden permanecer por días, semanas y hasta años antes de volver a proliferar Células en v fase G2 y M Células en fase v S 2 da Fase de crecimiento El sistema de control esta regulado por factores de retraso que pueden parar el ciclo celular en puntos de control (checkpoints) determinados Státus de la replicación Daño al DNA Fase de síntesis G1/S 1 er Fase de crecimiento En la transición G1-S verifica la capacidad de la célula para completar la replicación. Tamaño de la célula Estátus nutricional Daño celular y al DNA Fact. crecimiento A nivel molecular, el ciclo celular está controlado por la actividad fluctuante espacial y temporal de complejos proteícos formados por una ciclina y una cinasa dependiente de ciclina Cdk1-CycB Cdk1-CycA Las ciclinas son proteínas cuya presencia varía durante el ciclo celular Cdk4-CycD Cdk6-CycD Punto de restricción Cdk2-CycA Cdk2-CycE La presencia de la ciclina está regulada por ubiquitinación y procesamiento en el proteasoma La función de las ciclinas es la ACTIVACIÓN de las CDKs (cinasas dependientes de ciclinas) 2
Mecanismo de acción de las ciclinas Cómo diferentes complejos ciclina-cdk desencadenan diferentes eventos durante el ciclo celular? Las ciclinas no solo activan a su correspondiente Cdk, sino que que dirigen a esta a una proteína blanco específica, como resultado cada complejo ciclina-cdk fosforila a un grupo específico de proteínas. Además de que el mismo complejo puede inducir diferentes efectos en diferentes estadios del ciclo celular, por que probablemente algunos substratos de las Cdks cambian durante el ciclo celular. Fosforilación de Ciclina-Cdk La ciclina se une en uno de los lados de la hendidura del sitio catalítico de la CDK e induce un cambio conformacional en la estructura terciaria. Estos cambios activan a la cinasa al realinear el sitio activo y prevenir el bloqueo estérico que se presentaba. Cambio estructural en la activación de Cdk Regulación de la actividad del complejo CDK-ciclina Por aumento o disminución de los niveles de ciclinas durante el ciclo celular Por la unión proteínas inhibidoras de Cdks (CKIs), principalmente en los complejos G1/S-Cdk y S- Cdk Proteólisis de ciclinas Fosforilación. Función de los complejos CDK-Cyc en regular la transición de la fase G1 a S La vía de retinoblastoma En respuesta a un estímulo mitogénico en células quiescentes, el complejo ciclina D-CDK4 o ciclina D-CDK6, son los que comienzan el ciclo celular. Factor de crecimiento La proteína Rb fosforilada se disocia de E2F Fosforilación de un par de aminoácidos en ell sitio activo inhibe la actividad del complejo ciclina- Cdk Los genes requeridos para la fase S no son transcritos El complejo Cdk4-CycD fosforila a la proteína de retinoblastoma (Rb) Ocurre transcripción Traducción Fosforilación de proteínas involucradas en la transición G1/S Enzimas y proteínas requeridas para la fase S 3
El factor de transcripción E2F Hay 8 isoformas de este factor transcripcional Tiene todos los dominios característicos de un factor transc. Dominio de Unión al DNA Dominio de Dimerización Dominio de Transactivación El elemento de reconocimiento a E2F en los promotores tiene la secuencia consenso: TTTGGCCC con algunas variantes El factor E2F regula la expresión de muchos genes: Enzimas / Proteínas involucradas en la síntesis de DNA Dihidrofolato reductasa Orc1 DNA polimerasa alpha Timidilato sintasa Reguladores del ciclo celular Cdk2 Ciclina A Ciclina E E2F Otros factores de transcripción c-myb c-myc Función de la proteína p53 en la regulación del ciclo celular. DNA dañado Activación En la transición G1-S o en la transición G2-M se verifica el status del DNA. Anaphase checkpoint Complejo APC /C (Anaphase Promotor Complex): Cataliza la ubiquitinación y destrucción de dos proteinas principales: la securina y las ciclinas M y S. Inhibición del complejo Cdk- Cyc Transcripción Si hay DNA dañado, se activa la proteína ATM que entonces activa a la proteína p53. 1) Si el daño no es muy extenso, p53 activa la transcripción de p21 que inhibe al complejo Cdk-Cyc. Degradación de cohesinas al inicio de anafase. La proteína Rb NO es fosforilada Detención del ciclo celular Apoptosis 2) Si el daño es muy extenso, p53 activa la vía que conduce a apoptosis (muerte celular programada) Securina: Proteína que protege a las proteínas (cohesinas) que mantienen unidas las cromátidas hermanas durante las primeras etapas de la mitosis 4
APC/C es activada por asociación de la subunidad Cdc20, la cual reconoce una secuencia específica de aminoácidos en la ciclina M y otras proteínas blanco. El sistema de control del ciclo celular consiste en una serie de complejos ciclina-cdks, las cuales regulan el ciclo celular verificando las condiciones ideales de proliferación. APC/C activa promueve la degradación de la securina que mantiene inactiva a la separasa, las cuales rompen en Scc1 En células animales la fosforilación por Cdks inhibe las separasas (separina) M-Cdk fosforila y activa a APC/C, que a su ves degradará a la Ciclina M para y por tanto su propia inactivación de M-Cdk Cáncer.- Conjunto de desordenes resultantes de la perdida del control del ciclo celular. Sus dos propiedades principales son: 1)División celular incontrolada Los tumores de las células somáticas se deben a una serie de mutaciones específicas que se acumulan. A causa de las mutaciones, las células pueden: Aumentar la capacidad proliferativa. Disminuir la susceptibilidad de una célula a apoptosis. Producir un incremento en la tasa general de mutación. 5
Una mutación súper-activa del oncogen es suficiente para promover cáncer. Se requieren dos mutaciones sobre el gen supresor para eliminar su actividad y promover cáncer. Mayor actividad (ganancia de función) Promueven ciclo celular Detienen ciclo celular Los proto-oncogénes codifican proteínas que regulan positivamente el ciclo celular o bloquean la apoptosis. Pueden convertirse en oncogenes cuando sufren una mutación. Este alelo mutante corresponde a una ganancia de función. Menor actividad (pérdida de función) Cuando los supresores tumorales, que regulan negativamente el ciclo celular o regulan positivamente la apoptosis, sufren mutaciones, puede ocurrir pérdida de función y se promueve la formación del tumor. Mutaciones en los genes de las proteínas controlan los procesos de proliferación, regulación del ciclo celular o apoptosis pueden provocar tumores. Tipo de función de la proteína silvestre Activa la progresión del ciclo celular Inhibe la progresión del ciclo celular. Induce la apoptosis. Inhibe la apoptosis. Participa/regula la reparación de DNA Resultado de la Ejemplo mutación Oncogen. Proteína Ras Ganancia de función. Gen supresor de tumores. Proteína de Pérdida de función. retinoblastoma. Gen supresor de tumores. Proteína p53 Pérdida de función. Oncogen. Proteína bcl-2 Ganancia de función. Gen supresor de tumores. Proteína ATM Pérdida de función Los oncogenes son formas mutadas de genes que controlan la señalización inducida por factores de crecimiento. Están activos aún en ausencia de estos factores de crecimiento e inducen proliferación celular. Son mutaciones autosómicas dominantes. Ej. ras, myc Ciclo Celular y Cáncer 6
Diferentes mecanismos para generar un oncogen Vía de señalización de Ras Proto-oncogen Mutación Oncogen Ras es una proteína asociada a receptores membranales de factores de crecimiento. Transduce señales desde la membrana plasmática para iniciar la proliferación. RAS MYC EFGR BCR-ABL El oncogen Bcr-Abl es producido por fusión de dos genes ANTES DE LA TRANSLOCACIÓN Dominio cinasa Vía de señalización de BCR-ABL1 La oncoproteína de fusión BCR- ABL1 presenta hiperactividad, dando una señal continua para que se active la proliferación celular. DESPUÉS DE LA TRANSLOCACIÓN Cromosoma Philadelphia Sustrato activado por fosforilación Proliferación celular Sobrevivencia LEUCEMIA 7
Genes supresores de tumores FUNCIÓN DE LA PROTEÍNA p53 COMO SUPRESORA DE TUMORES Su inactivación completa o AUSENCIA puede llevar al cáncer. SEÑALES HIPERPROLIFERATIVAS DAÑO AL DNA HIPOXIA REDUCCIÓN DE LA LONGITUD DEL TELOMERO Codifican para proteínas que normalmente operan limitando el crecimiento o división celular e incluso promoviendo la apoptósis p53 ACTIVO Y ESTABLE Ejemplos: Rb (retinoblastoma), BRCA (cáncer de mama), P53 (mama, vejiga, pulmón y colon). ARRESTO DEL CICLO CELULAR APOPTOSIS REPARACIÓN DEL DNA FUNCIÓN DE LA PROTEÍNA p53 COMO SUPRESORA DE TUMORES DNA dañado Activación Si hay DNA dañado, se activa la proteína ATM que entonces activa a la proteína p53. Transcripción 1) Si el daño no es muy extenso, p53 activa la transcripción de p21 que inhibe al complejo Cdk-Cyc. Inhibición del complejo Cdk- Cyc La proteína Rb NO es fosforilada 2) Si el daño es muy extenso, p53 activa la vía que conduce a apoptosis (muerte celular programada) Detención del ciclo celular Apoptosis 8