cap. 2. Regulación del Ciclo Celular
Autor:
Ricardo Antonio Giuliani
A fin de preservar su identidad biológica la Célula Eucariota debe ejercer un control riguroso sobre los parámetros morfológicos y bioquímicos de cada etapa del Ciclo de División Celular.
En dicho proceso se reconocen cuatro fases consecutivas: G1, S, G2, M, donde G significa “gap” o intervalo, S síntesis (de DNA) y M mitosis.
La fase G1 es el tiempo que transcurre entre “citokinesis” y fase S. Citokinesis es el proceso de división del citoplasma en dos células hijas y en fase S tiene lugar la síntesis de DNA (duplicación).
G1 es una etapa de fuerte crecimiento celular, que requiere factores de crecimiento y buen aporte nutricional, donde se registra síntesis de enzimas, proteínas estructurales y nuevas organelas.
En ese momento la célula debe decidir si progresa a fase S o pasa al estadio G0 de reposo mitótico (1,2).
Para atravesar el límite entre fases G1 y S el ciclo celular debe sortear el “punto de restricción”, que es un conjunto molecular integrado por Kinasas Dependientes de Ciclinas (Cdk) y otras proteínas (3,4,5).
En G1 la Célula se prepara para una nueva ronda replicativa. Para esto controla el microambiente y casi siempre aumenta de tamaño La duración de esta etapa depende de la disponibilidad en factores de crecimiento y nutrientes, del tipo celular y de las características de su microambiente.
Por lo general, cuando la célula ingresa en fase S el ciclo no se detiene hasta completar la Citokinesis. Si las condiciones ambientales son adversas para proliferar, las células que ya alcanzaron fase S, G2 o M completan el ciclo y se detienen en G1.
Si la proliferación es muy rápida G1 resulta indetectable y no se registra aumento de tamaño previo a fase S.
El Ciclo Celular responde a sofisticados dispositivos bioquímicos que operan de manera similar a un lavarropas automático, con “checkpoints” que detienen el proceso para realizar las verificaciones ambientales y estructurales que requiere cada etapa.
El PR marca el momento en que la Célula se compromete a ingresar a fase S y divide la fase G1 en región postmitotica (G1-pm) y pre-S (G1-ps). En G1-pm las carencias en factores de crecimiento o aminoácidos esenciales pueden conducir al estadio de quiescencia G0. Una vez ingresada en G1-ps la célula se torna resistente a la influencia de esos factores ambientales y queda programada para completar el ciclo reproductivo.
Las células en fases G1 y G0 son morfológicamente similares pero bioquímicamente diferentes. Algunas células, como ocurre con los neutrófilos, cuando completan su diferenciación entran en fase G0 irreversible. Otras como hepatocitos o linfocitos pueden abandonar la fase G0 estimuladas por hepatectomía, encuentro antigénico o citokinas específicas (3).
En fase S el DNA se duplica (2n a 4n) en tiempos acordes con la actividad transcripcional de la Célula: casi nula en embrionarias tempranas (minutos) y muy intensa en embrionarias tardías o somáticas (horas) (6).
A diferencia de las levaduras, que por tener carga simple (1n) de DNA se llaman “haploides”, las células eucariotas se llaman “diploides” por tener carga doble (2n) de DNA y duplicación de cromosomas (7,8).
En fase G2 la célula se dispone a ingresar a fase M y revisa prolijamente la estructura del DNA duplicado. Si encuentra errores pone en marcha la maquinaria de reparación del DNA y si los errores no son reparables la célula va a la apoptosis.
La fase M es relativamente breve, en ella se produce condensación de cromosomas, degradación de la envoltura nuclear, segregación de cromosomas a polos opuestos, regeneración de la envoltura nuclear (carioquinesis) y separación física de las células hijas (citokinesis).
En fase M se distinguen diversos momentos críticos: profase, prometafase, metafase, anafase, telofase y citokinesis.
En profase la cromatina se condensa y adopta formas llamadas cromosomas, que son muy ordenadas y visibles por microscopia óptica. En esta etapa es posible aplicar coloración Giemsa para marcación de bandas cromosomales (bandeo G).
En el proceso de condensación de cromosomas intervienen complejos proteicos muy ancestrales llamados “condensinas” tipos I y II, integrados por subunidades SMC2 y SMC4, miembros de la extensa familia de ATPasas SMC. SMC significa mantenimiento estructural de cromosomas. Las proteínas SMC forman complejo con moléculas reguladoras no-SMC (9).
Durante el ciclo celular las condensinas son reguladas de manera diferencial.
La condensina II se encuentra en interfase dentro del núcleo y está involucrada en el primer estadio de condensación cromosomal (profase). La condensina I permanece en el citoplasma y recién toma contacto con los cromosomas cuando la envoltura nuclear es desarmada (fin de la profase).
En prometafase y metafase ambas condensinas contribuyen al ensamble, condensación y total resolución de las cromátides hermanas (copias cromosomales).
Las condensinas I y II permanecen asociadas a las cromátides hasta que se separan
por completo en anafase.
Estas moléculas se alternan a lo largo del eje de las cromátides hermanas, pero se arreglan particularmente en la región centrómero/cinetocoro. La depleción de subunidades condensina provoca defectos estructurales que ocasionan alineamiento y segregación aberrante de cromosomas.
Al finalizar la profase el complejo Ciclina B1-Cdk1 fosforila la condensina I y provoca ulterior modificación en la condensina II. De esta manera la B1/Cdk1 coordina la acción de ambas condensinas en los estadios tardíos del ensamble cromosomal (10).
De todo este proceso resultan dos cromátides idénticas (hermanas) que permanecen adheridas entre sí a nivel de un elemento del DNA llamado centrómero.
El Centrómero articula los brazos corto y largo de cada cromosoma y está conformado por secuencias repetitivas llamadas “DNA satélite”. Dichas secuencias tienen afinidad por proteínas específicas llamadas “cen”.
Durante la mitosis los centrómeros se identifican como constricciones cromosomales.
A este nivel las cromátides hermanas permanecen unidas hasta el fin de la metafase.
Durante la división mitótica los centrómeros forman una estructura transitoria llamada Cinetocoro, que es el sitio al que se adhieren las fibras del huso mitótico.
De estas estructuras depende el aparato mitótico para el movimiento de las cromátides hijas a los polos celulares. A esto, que se conoce como “anafase”, le sigue la citokinesis o división celular.
El centrómero es crítico en meiosis, profase y metafase para formar el Cinetocoro, mantener unidas las cromátides hermanas y sostener el apareamiento de cromosomas homólogos. Las proteínas del huso mitótico se adhieren al Cinetocoro y traccionan las cromátides hacia los centriolos.
Un centriolo es una organela con forma de barril que se encuentra en la mayoría de las células eucariotas. Las paredes de cada centriolo están compuestas por nueve tripletes de microtúbulos, que son proteínas del citoesqueleto. La asociación de dos centriolos arreglados de manera perpendicular y rodeados de material amorfo constituye los que se conoce como centrosoma.
El centrosoma es una organela que sirve como centro organizador de microtúbulos y como regulador de la progresión del ciclo celular (11).
Durante la interfase los centrosomas están asociados a la membrana nuclear, durante la mitosis dicha envoltura se desintegra y los microtúbulos de los centrosomas interactúan con los cromosomas para construir el huso mitótico. El centriolo madre desempeña básicamente la tarea de construir cilias y flagelos (12).
El centrosoma es copiado solo una vez en fase S de cada ciclo celular y de esta manera cada célula hija hereda un centrosoma. Remarquemos que los centrosomas resultan del arreglo perpendicular de dos centriolos.
Durante la profase los centrosomas migran a los polos opuestos de la célula y proceden a formar el huso mitótico. El proceso de duplicación del centrosoma está regulado por Cdk2 pero difiere de los mecanismos de duplicación del DNA. El centriolo madre colabora en el provisionamiento de los materiales necesarios para el ensamble del centriolo hijo (13,14,15).
El Ciclo Celular responde a una maquinaria accionada por proteínas y moviliza procesos enzimáticos o transcripcionales mediante fosforilaciones o desfosforilaciones aplicadas sobre residuos críticos: tirosina, treonina o serina. (Ver Señalizaciones)
Las proteinas que fosforilan reciben el nombre de Kinasas y las que desfosforilan Fosfatasas. En general fosforilación implica movimiento o activación y desfosforilación lo contrario. Sin embargo el Fósforo en determinados sitios críticos puede provocar plegamientos bloqueadores de sitios enzimáticos y en estas condiciones actúa como inhibidor.
Las Kinasas que regulan cada ronda replicativa fosforilan residuos Serina (Ser) y/o Treonina (Thr) y se las conoce como Serin-Treonin Kinasas.
Para que estas enzimas adquieran plena actividad y especificidad sobre sus proteínas substrato, deben complejarse a algún miembro de una familia de proteínas activadoras llamadas Ciclinas, así llamadas por cambiar de tipo, actividad y concentración en cada etapa del Ciclo Celular. Las Ciclinas cuentan
con una región homóloga (Cyclin box) que sirve para unir y activar Cyclin Dependent Kinases (Cdk) (3).
Hasta ahora se han descrito en mamíferos 9 Cdk(s) y 16 Ciclinas (A,B1,B2,C,D1,D2,D3,E,F,G1,G2,H,I,K,T1 Y T2). No todos los complejos Ciclina/Cdk intervienen en la regulación directa del Ciclo Celular. También intervienen en transcripción, reparación del ADN, diferenciación y apoptosis.
Algunos complejos aparecen directamente involucrados en la maquinaria transcripcional, como ocurre con Ciclina C/Cdk8, Ciclina T/Cdk9 y Ciclina H/Cdk7.
Dichos complejos regulan la elongación transcripcional mediante fosforilación del Dominio Carboxi-Terminal de la subunidad más larga de la RNA-Polimerasa II. La Ciclina K se encuentra incluso complejada a la RNA-Polimerasa II (16).
La actividad de Kinasa puede ser regulada de manera positiva o negativa mediante fosforilación de Cdk(s) y las Ciclinas pueden ser degradadas cíclicamente mediante lisis proteosomal promovida por ubicuitinización. Precisamente la irreversibilidad de la degradación proteosomal es lo que imprime
direccionalidad al Ciclo Celular impidiendo su retorno a etapas anteriores.
A las Ciclinas que actúan a nivel G2/M se les llama “Ciclinas Mitóticas” y a las que regulan G1/S Ciclinas G1.
Ejemplo de un ensamble Ciclina-Cdk
Aquí se describe el ingreso a fase M motorizado por Serin-Treonin-Kinasa Cdc2 en Saccharomyzes
pombe o Cdk1 en humanos. El acople con Ciclina B es un paso crítico para activación de Cdc2 y
requiere fosforilación en Treonina (Thr) 161. La acumulación de complejos inactivos Cdc2/Ciclina B
ocurre de manera progresiva durante las fases S y G2 y alcanza nivel óptimo en las inmediaciones de
fase M. La fosforilación en Thr 161 está a cargo del complejo Cdk7/Ciclina H. La fase M se desencadena por efecto de la fosfatasa dual Cdc25, que activa a Cdc2 mediante desfosforilación de Thr 14 y Tirosina 15 (Tyr 15). La activación de Cdc2 habilita numerosas fosforilaciones en residuos Serina y Treonina de diversas proteínas. Este pone en marcha la disolución de la membrana nuclear por degradación de proteínas Laminina y Vimentina y genera una cascada amplificadora por ulterior activación de Cdc25. A medida que progresa la fase M la ciclina B es degradada vía ubicuitina/proteosoma y la enzima Cdc2/Cdk1 silenciada hasta el inicio de una nueva ronda de replicación celular. La evolución de la Kinasa Cdc2 y la ciclina B durante el ciclo celular, constituye un ejemplo paradigmático de los diversos ensambles Cdk/Ciclina que intervienen en el ciclo celular.
Cdc25 es una fosfatasa de doble especificidad que tiene la misión de desfosforilar tanto Tirosinas como Treoninas. La sigla cdc indica que se trata de una proteína afectada al control del ciclo celular. Cdc25 habilita el progreso a través de las fases de Síntesis de DNA y Mitosis Celular (17,18,19).
El ciclo celular está regulado por dos moléculas críticas: Ciclinas y Kinasas
Dependientes de Ciclinas (Cdk). Las enzimas Cdk permanecen inactivas hasta que forman complejo heterodimérico con una Ciclina. Las Cdks activan o inactivan otras proteínas mediante fosforilación en residuos Serin-Treonina específicos y ordenan de esta manera la progresión del ciclo celular.
Las Cdks se expresan de manera constitutiva mientras que las ciclinas van apareciendo y desapareciendo en función de los requerimientos de cada etapa del ciclo celular. La síntesis de Ciclinas responde a diversas señales extracelulares (20,21).
La percepción de una señal pro-mitótica extracelular activa la expresión de Ciclina D en fase G1, esta forma complejo activo con Cdk4 (pre-existente) y dicho complejo fosforila la proteína de susceptibilidad al Retinoblastoma (Rb).
Dicha fosforilación permite la disociación del complejo Rb/E2F/DP1 que bloquea la transcripción de varios genes: Ciclina E, Ciclina A, DNA polimerasa, Timidinokinasa. La Ciclina E forma complejo con Cdk2 que activa la transición de G1 a fase S. Luego la Ciclina B forma complejo con Cdk1 para activar la transición G2 a fase M (Mitosis). Dicho complejo provoca la degradación de la envoltura nuclear permitiendo el encuentro entre condensinas I y II, crítico para que ocurra el fenómeno de condensación cromosomal.
En suma, la proteína Rb es un modulador que permanece inactivo mientras está fosforilado y recupera su función cuando es desfosforilado.
La fosforilación de Rb es iniciada por complejos Ciclina D/Cdk4 y Ciclina D/Cdk6 y mantenida por Ciclina E/Cdk2. Rb debe permanecer fosforilado durante las fases S, G2 y M.
La actividad de las Cdks es modulada por dos familias de inhibidores:
Cip/Kip e Ink4.
La familia Cip/Kip exhibe alto grado de preservación evolutiva y esto ocurre con los genes que desempeñan tareas biológicas críticas. Respecto de Ink4/Arf, proteínas Cip/Kip inhiben un espectro mucho más amplio de complejos Ciclina/Cdk.
A pesar de las similitudes bioquímicas y estructurales que tiene los diversos miembros de familia Cip/kip, cada uno despliega funciones bastante específicas.
Por eso, en modelos knockout la deleción de un gen Cip/Kip exhibe un fenotipo significativamente diferente respecto del resto.
Pertenecen a esta familia los genes p21, p27 y p57: estas proteínas se ligan e inactivan complejos ciclina/Cdk deteniendo en G1 la progresión del ciclo celular.
La p21 es activada por p53 y la activación transcripcional de esta última es estimulada por daño al DNA (por radiación u otros mecanismos).
La p27 es activada por Transforming Growth Factor Beta (TGFβ) (23).
Pertenecen a la familia INK4a/ARF las proteínas p14, p15, p16, p18 y p19. La p16 se liga e inhibe Cdk4 y la p14 previene la degradación de p53. Todas ellas detienen en G1 el ciclo celular por inhibición de Cdk4 y Cdk6. INK4a y ARF son los respectivos acrónimos (en inglés) de Inhibidor de Kinasa 4 y Marco Alternativo de Lectura (23,24).
Los complejos ciclina/Cdk de G1 promueven también la ubicuitinización y degradación de inhibidores de fase S. Las fosforilaciones promovidas por los complejos Ciclina/Cdk cubren el doble propósito de activar los complejos pre-replicación y evitar la formación de nuevos complejos. Esto asegura que cada porción del genoma de una célula sea replicado solamente una vez.
Es importante destacar que una falla en este nivel implica el riesgo de que una célula herede más de una copia de un mismo gen, alterando lo que se llama “dosis de un determinado gen” o Copy Number Alteration.
Los complejos “mitoticos” Ciclina/Cdk que se sintetizan en fases S y G2 y permanecen inactivos hasta que la célula alcanza fase M (Mitosis). En ese momento del ciclo adquieren forma activa y comienzan a estimular proteínas involucradas en condensación de cromosomas y formación del huso mitótico.
En fase M también es activada una ubicuitin ligasa que forma parte del “complejo promotor de anafase” (APC), que tiene a cargo la degradación de proteínas estructurales vinculadas al cinetocoro. Además APC interviene en la progresión a telofase y citokinesis promoviendo la degradación de ciclinas mitóticas.
En el modelo eucariota Sacharomyces Cerevisiae, pudo evideciarse que el ciclo celular está regulado por un sistema tranascripcional semiautónomo, que actúa en concierto con los mecionados complejos Cdk/Ciclina. Durante el ciclo reproductivo intervienen casi mil genes, que se expresan fuertemente en determinadas etapas y permanecen silentes el resto del tiempo (20,25).
La articulación expresiva de muchos de ellos depende también de la expresión perdiódica de determinados factores transcripcionales (FT). En cada etapa alcanza su máximo nivel expresivo un determinado grupo de FTs y estos condicionan la expresión genética de la siguiente etapa. En el SC pudo demostrarse que las fosforilaciones inducidas por Cdk1 pueden modificar la localización y/o actividad de ciertos genes.
De todas maneras, durante el ciclo celular la expresión genética parece oscilar con cierto grado de independencia respecto de la maquinaria accionada por los complejos ciclina/Cdks (26,27,28).
REFERENCIAS
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2. Alberts B, Bray D, Lewis J et al (1994) Molecular Biology of the Cell. Third Edition.
3. Nigg EA. (1995) “Cyclin-dependent protein kinases: key regulators of the eukaryotic cell cycle” Bioassays 17(6) 471-480
4. Smith JA, Martin L (1973) “Do cell cycle?” Proc Natl Acad Sci USA 70(4) 1263-1267
5. Sherr CJ (1996) Cancer Cell Cycles. Science 274: 1672-1677
6. Wu RS, Bonner WM (1981) “Separation of basal histone synthesis from S-phase histone synthesis in dividing cells” Cell 27 (2Pt1) 321-330
7. Cameron IL, Greulich RC (1963) Evidence for an essentially constant duration of DNA synthesis in renewing epithelia of the adult mouse” J Cell Biol 18: 31-40
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23. Denicurt C, Dowdy SF (2004) Cip/Kip proteins: more than just CDK inhibitors. Genes Dev 18:851-855
24. Roussel MF (1999) The INK4 family of cell cycle inhibitors in cancer. Oncogenesis 18 (38) 5411-5317
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27. Ubersax J et al (2003) “Targets of the cyclin dependent kinase Cdk1” Nature 425: 859-864
28. Morgan DO (2007) “2-3” The Cell Cycle: Principles of Control. London New Science Press.
*capitulo extraído del libro: El Sistema Inmune: Genética, Biología Molecular, Clínica, Farmacología / Autores: Ricardo Antonio Giuliani y Eleno Martínez Aquino - 1a. Ed. - Ciudad Autónoma de Buenos Aires, Argentina.
Eritroferon S.R.L., 2011.
ISBN 978-987-27121-0-5
Ricardo Antonio Giuliani
A fin de preservar su identidad biológica la Célula Eucariota debe ejercer un control riguroso sobre los parámetros morfológicos y bioquímicos de cada etapa del Ciclo de División Celular.
En dicho proceso se reconocen cuatro fases consecutivas: G1, S, G2, M, donde G significa “gap” o intervalo, S síntesis (de DNA) y M mitosis.
La fase G1 es el tiempo que transcurre entre “citokinesis” y fase S. Citokinesis es el proceso de división del citoplasma en dos células hijas y en fase S tiene lugar la síntesis de DNA (duplicación).
G1 es una etapa de fuerte crecimiento celular, que requiere factores de crecimiento y buen aporte nutricional, donde se registra síntesis de enzimas, proteínas estructurales y nuevas organelas.
En ese momento la célula debe decidir si progresa a fase S o pasa al estadio G0 de reposo mitótico (1,2).
Para atravesar el límite entre fases G1 y S el ciclo celular debe sortear el “punto de restricción”, que es un conjunto molecular integrado por Kinasas Dependientes de Ciclinas (Cdk) y otras proteínas (3,4,5).
En G1 la Célula se prepara para una nueva ronda replicativa. Para esto controla el microambiente y casi siempre aumenta de tamaño La duración de esta etapa depende de la disponibilidad en factores de crecimiento y nutrientes, del tipo celular y de las características de su microambiente.
Por lo general, cuando la célula ingresa en fase S el ciclo no se detiene hasta completar la Citokinesis. Si las condiciones ambientales son adversas para proliferar, las células que ya alcanzaron fase S, G2 o M completan el ciclo y se detienen en G1.
Si la proliferación es muy rápida G1 resulta indetectable y no se registra aumento de tamaño previo a fase S.
El Ciclo Celular responde a sofisticados dispositivos bioquímicos que operan de manera similar a un lavarropas automático, con “checkpoints” que detienen el proceso para realizar las verificaciones ambientales y estructurales que requiere cada etapa.
El PR marca el momento en que la Célula se compromete a ingresar a fase S y divide la fase G1 en región postmitotica (G1-pm) y pre-S (G1-ps). En G1-pm las carencias en factores de crecimiento o aminoácidos esenciales pueden conducir al estadio de quiescencia G0. Una vez ingresada en G1-ps la célula se torna resistente a la influencia de esos factores ambientales y queda programada para completar el ciclo reproductivo.
Las células en fases G1 y G0 son morfológicamente similares pero bioquímicamente diferentes. Algunas células, como ocurre con los neutrófilos, cuando completan su diferenciación entran en fase G0 irreversible. Otras como hepatocitos o linfocitos pueden abandonar la fase G0 estimuladas por hepatectomía, encuentro antigénico o citokinas específicas (3).
En fase S el DNA se duplica (2n a 4n) en tiempos acordes con la actividad transcripcional de la Célula: casi nula en embrionarias tempranas (minutos) y muy intensa en embrionarias tardías o somáticas (horas) (6).
A diferencia de las levaduras, que por tener carga simple (1n) de DNA se llaman “haploides”, las células eucariotas se llaman “diploides” por tener carga doble (2n) de DNA y duplicación de cromosomas (7,8).
En fase G2 la célula se dispone a ingresar a fase M y revisa prolijamente la estructura del DNA duplicado. Si encuentra errores pone en marcha la maquinaria de reparación del DNA y si los errores no son reparables la célula va a la apoptosis.
La fase M es relativamente breve, en ella se produce condensación de cromosomas, degradación de la envoltura nuclear, segregación de cromosomas a polos opuestos, regeneración de la envoltura nuclear (carioquinesis) y separación física de las células hijas (citokinesis).
En fase M se distinguen diversos momentos críticos: profase, prometafase, metafase, anafase, telofase y citokinesis.
En profase la cromatina se condensa y adopta formas llamadas cromosomas, que son muy ordenadas y visibles por microscopia óptica. En esta etapa es posible aplicar coloración Giemsa para marcación de bandas cromosomales (bandeo G).
En el proceso de condensación de cromosomas intervienen complejos proteicos muy ancestrales llamados “condensinas” tipos I y II, integrados por subunidades SMC2 y SMC4, miembros de la extensa familia de ATPasas SMC. SMC significa mantenimiento estructural de cromosomas. Las proteínas SMC forman complejo con moléculas reguladoras no-SMC (9).
Durante el ciclo celular las condensinas son reguladas de manera diferencial.
La condensina II se encuentra en interfase dentro del núcleo y está involucrada en el primer estadio de condensación cromosomal (profase). La condensina I permanece en el citoplasma y recién toma contacto con los cromosomas cuando la envoltura nuclear es desarmada (fin de la profase).
En prometafase y metafase ambas condensinas contribuyen al ensamble, condensación y total resolución de las cromátides hermanas (copias cromosomales).
Las condensinas I y II permanecen asociadas a las cromátides hasta que se separan
por completo en anafase.
Estas moléculas se alternan a lo largo del eje de las cromátides hermanas, pero se arreglan particularmente en la región centrómero/cinetocoro. La depleción de subunidades condensina provoca defectos estructurales que ocasionan alineamiento y segregación aberrante de cromosomas.
Al finalizar la profase el complejo Ciclina B1-Cdk1 fosforila la condensina I y provoca ulterior modificación en la condensina II. De esta manera la B1/Cdk1 coordina la acción de ambas condensinas en los estadios tardíos del ensamble cromosomal (10).
De todo este proceso resultan dos cromátides idénticas (hermanas) que permanecen adheridas entre sí a nivel de un elemento del DNA llamado centrómero.
El Centrómero articula los brazos corto y largo de cada cromosoma y está conformado por secuencias repetitivas llamadas “DNA satélite”. Dichas secuencias tienen afinidad por proteínas específicas llamadas “cen”.
Durante la mitosis los centrómeros se identifican como constricciones cromosomales.
A este nivel las cromátides hermanas permanecen unidas hasta el fin de la metafase.
Durante la división mitótica los centrómeros forman una estructura transitoria llamada Cinetocoro, que es el sitio al que se adhieren las fibras del huso mitótico.
De estas estructuras depende el aparato mitótico para el movimiento de las cromátides hijas a los polos celulares. A esto, que se conoce como “anafase”, le sigue la citokinesis o división celular.
El centrómero es crítico en meiosis, profase y metafase para formar el Cinetocoro, mantener unidas las cromátides hermanas y sostener el apareamiento de cromosomas homólogos. Las proteínas del huso mitótico se adhieren al Cinetocoro y traccionan las cromátides hacia los centriolos.
Un centriolo es una organela con forma de barril que se encuentra en la mayoría de las células eucariotas. Las paredes de cada centriolo están compuestas por nueve tripletes de microtúbulos, que son proteínas del citoesqueleto. La asociación de dos centriolos arreglados de manera perpendicular y rodeados de material amorfo constituye los que se conoce como centrosoma.
El centrosoma es una organela que sirve como centro organizador de microtúbulos y como regulador de la progresión del ciclo celular (11).
Durante la interfase los centrosomas están asociados a la membrana nuclear, durante la mitosis dicha envoltura se desintegra y los microtúbulos de los centrosomas interactúan con los cromosomas para construir el huso mitótico. El centriolo madre desempeña básicamente la tarea de construir cilias y flagelos (12).
El centrosoma es copiado solo una vez en fase S de cada ciclo celular y de esta manera cada célula hija hereda un centrosoma. Remarquemos que los centrosomas resultan del arreglo perpendicular de dos centriolos.
Durante la profase los centrosomas migran a los polos opuestos de la célula y proceden a formar el huso mitótico. El proceso de duplicación del centrosoma está regulado por Cdk2 pero difiere de los mecanismos de duplicación del DNA. El centriolo madre colabora en el provisionamiento de los materiales necesarios para el ensamble del centriolo hijo (13,14,15).
El Ciclo Celular responde a una maquinaria accionada por proteínas y moviliza procesos enzimáticos o transcripcionales mediante fosforilaciones o desfosforilaciones aplicadas sobre residuos críticos: tirosina, treonina o serina. (Ver Señalizaciones)
Las proteinas que fosforilan reciben el nombre de Kinasas y las que desfosforilan Fosfatasas. En general fosforilación implica movimiento o activación y desfosforilación lo contrario. Sin embargo el Fósforo en determinados sitios críticos puede provocar plegamientos bloqueadores de sitios enzimáticos y en estas condiciones actúa como inhibidor.
Las Kinasas que regulan cada ronda replicativa fosforilan residuos Serina (Ser) y/o Treonina (Thr) y se las conoce como Serin-Treonin Kinasas.
Para que estas enzimas adquieran plena actividad y especificidad sobre sus proteínas substrato, deben complejarse a algún miembro de una familia de proteínas activadoras llamadas Ciclinas, así llamadas por cambiar de tipo, actividad y concentración en cada etapa del Ciclo Celular. Las Ciclinas cuentan
con una región homóloga (Cyclin box) que sirve para unir y activar Cyclin Dependent Kinases (Cdk) (3).
Hasta ahora se han descrito en mamíferos 9 Cdk(s) y 16 Ciclinas (A,B1,B2,C,D1,D2,D3,E,F,G1,G2,H,I,K,T1 Y T2). No todos los complejos Ciclina/Cdk intervienen en la regulación directa del Ciclo Celular. También intervienen en transcripción, reparación del ADN, diferenciación y apoptosis.
Algunos complejos aparecen directamente involucrados en la maquinaria transcripcional, como ocurre con Ciclina C/Cdk8, Ciclina T/Cdk9 y Ciclina H/Cdk7.
Dichos complejos regulan la elongación transcripcional mediante fosforilación del Dominio Carboxi-Terminal de la subunidad más larga de la RNA-Polimerasa II. La Ciclina K se encuentra incluso complejada a la RNA-Polimerasa II (16).
La actividad de Kinasa puede ser regulada de manera positiva o negativa mediante fosforilación de Cdk(s) y las Ciclinas pueden ser degradadas cíclicamente mediante lisis proteosomal promovida por ubicuitinización. Precisamente la irreversibilidad de la degradación proteosomal es lo que imprime
direccionalidad al Ciclo Celular impidiendo su retorno a etapas anteriores.
A las Ciclinas que actúan a nivel G2/M se les llama “Ciclinas Mitóticas” y a las que regulan G1/S Ciclinas G1.
Ejemplo de un ensamble Ciclina-Cdk
Aquí se describe el ingreso a fase M motorizado por Serin-Treonin-Kinasa Cdc2 en Saccharomyzes
pombe o Cdk1 en humanos. El acople con Ciclina B es un paso crítico para activación de Cdc2 y
requiere fosforilación en Treonina (Thr) 161. La acumulación de complejos inactivos Cdc2/Ciclina B
ocurre de manera progresiva durante las fases S y G2 y alcanza nivel óptimo en las inmediaciones de
fase M. La fosforilación en Thr 161 está a cargo del complejo Cdk7/Ciclina H. La fase M se desencadena por efecto de la fosfatasa dual Cdc25, que activa a Cdc2 mediante desfosforilación de Thr 14 y Tirosina 15 (Tyr 15). La activación de Cdc2 habilita numerosas fosforilaciones en residuos Serina y Treonina de diversas proteínas. Este pone en marcha la disolución de la membrana nuclear por degradación de proteínas Laminina y Vimentina y genera una cascada amplificadora por ulterior activación de Cdc25. A medida que progresa la fase M la ciclina B es degradada vía ubicuitina/proteosoma y la enzima Cdc2/Cdk1 silenciada hasta el inicio de una nueva ronda de replicación celular. La evolución de la Kinasa Cdc2 y la ciclina B durante el ciclo celular, constituye un ejemplo paradigmático de los diversos ensambles Cdk/Ciclina que intervienen en el ciclo celular.
Cdc25 es una fosfatasa de doble especificidad que tiene la misión de desfosforilar tanto Tirosinas como Treoninas. La sigla cdc indica que se trata de una proteína afectada al control del ciclo celular. Cdc25 habilita el progreso a través de las fases de Síntesis de DNA y Mitosis Celular (17,18,19).
El ciclo celular está regulado por dos moléculas críticas: Ciclinas y Kinasas
Dependientes de Ciclinas (Cdk). Las enzimas Cdk permanecen inactivas hasta que forman complejo heterodimérico con una Ciclina. Las Cdks activan o inactivan otras proteínas mediante fosforilación en residuos Serin-Treonina específicos y ordenan de esta manera la progresión del ciclo celular.
Las Cdks se expresan de manera constitutiva mientras que las ciclinas van apareciendo y desapareciendo en función de los requerimientos de cada etapa del ciclo celular. La síntesis de Ciclinas responde a diversas señales extracelulares (20,21).
La percepción de una señal pro-mitótica extracelular activa la expresión de Ciclina D en fase G1, esta forma complejo activo con Cdk4 (pre-existente) y dicho complejo fosforila la proteína de susceptibilidad al Retinoblastoma (Rb).
Dicha fosforilación permite la disociación del complejo Rb/E2F/DP1 que bloquea la transcripción de varios genes: Ciclina E, Ciclina A, DNA polimerasa, Timidinokinasa. La Ciclina E forma complejo con Cdk2 que activa la transición de G1 a fase S. Luego la Ciclina B forma complejo con Cdk1 para activar la transición G2 a fase M (Mitosis). Dicho complejo provoca la degradación de la envoltura nuclear permitiendo el encuentro entre condensinas I y II, crítico para que ocurra el fenómeno de condensación cromosomal.
En suma, la proteína Rb es un modulador que permanece inactivo mientras está fosforilado y recupera su función cuando es desfosforilado.
La fosforilación de Rb es iniciada por complejos Ciclina D/Cdk4 y Ciclina D/Cdk6 y mantenida por Ciclina E/Cdk2. Rb debe permanecer fosforilado durante las fases S, G2 y M.
La actividad de las Cdks es modulada por dos familias de inhibidores:
Cip/Kip e Ink4.
La familia Cip/Kip exhibe alto grado de preservación evolutiva y esto ocurre con los genes que desempeñan tareas biológicas críticas. Respecto de Ink4/Arf, proteínas Cip/Kip inhiben un espectro mucho más amplio de complejos Ciclina/Cdk.
A pesar de las similitudes bioquímicas y estructurales que tiene los diversos miembros de familia Cip/kip, cada uno despliega funciones bastante específicas.
Por eso, en modelos knockout la deleción de un gen Cip/Kip exhibe un fenotipo significativamente diferente respecto del resto.
Pertenecen a esta familia los genes p21, p27 y p57: estas proteínas se ligan e inactivan complejos ciclina/Cdk deteniendo en G1 la progresión del ciclo celular.
La p21 es activada por p53 y la activación transcripcional de esta última es estimulada por daño al DNA (por radiación u otros mecanismos).
La p27 es activada por Transforming Growth Factor Beta (TGFβ) (23).
Pertenecen a la familia INK4a/ARF las proteínas p14, p15, p16, p18 y p19. La p16 se liga e inhibe Cdk4 y la p14 previene la degradación de p53. Todas ellas detienen en G1 el ciclo celular por inhibición de Cdk4 y Cdk6. INK4a y ARF son los respectivos acrónimos (en inglés) de Inhibidor de Kinasa 4 y Marco Alternativo de Lectura (23,24).
Los complejos ciclina/Cdk de G1 promueven también la ubicuitinización y degradación de inhibidores de fase S. Las fosforilaciones promovidas por los complejos Ciclina/Cdk cubren el doble propósito de activar los complejos pre-replicación y evitar la formación de nuevos complejos. Esto asegura que cada porción del genoma de una célula sea replicado solamente una vez.
Es importante destacar que una falla en este nivel implica el riesgo de que una célula herede más de una copia de un mismo gen, alterando lo que se llama “dosis de un determinado gen” o Copy Number Alteration.
Los complejos “mitoticos” Ciclina/Cdk que se sintetizan en fases S y G2 y permanecen inactivos hasta que la célula alcanza fase M (Mitosis). En ese momento del ciclo adquieren forma activa y comienzan a estimular proteínas involucradas en condensación de cromosomas y formación del huso mitótico.
En fase M también es activada una ubicuitin ligasa que forma parte del “complejo promotor de anafase” (APC), que tiene a cargo la degradación de proteínas estructurales vinculadas al cinetocoro. Además APC interviene en la progresión a telofase y citokinesis promoviendo la degradación de ciclinas mitóticas.
En el modelo eucariota Sacharomyces Cerevisiae, pudo evideciarse que el ciclo celular está regulado por un sistema tranascripcional semiautónomo, que actúa en concierto con los mecionados complejos Cdk/Ciclina. Durante el ciclo reproductivo intervienen casi mil genes, que se expresan fuertemente en determinadas etapas y permanecen silentes el resto del tiempo (20,25).
La articulación expresiva de muchos de ellos depende también de la expresión perdiódica de determinados factores transcripcionales (FT). En cada etapa alcanza su máximo nivel expresivo un determinado grupo de FTs y estos condicionan la expresión genética de la siguiente etapa. En el SC pudo demostrarse que las fosforilaciones inducidas por Cdk1 pueden modificar la localización y/o actividad de ciertos genes.
De todas maneras, durante el ciclo celular la expresión genética parece oscilar con cierto grado de independencia respecto de la maquinaria accionada por los complejos ciclina/Cdks (26,27,28).
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*capitulo extraído del libro: El Sistema Inmune: Genética, Biología Molecular, Clínica, Farmacología / Autores: Ricardo Antonio Giuliani y Eleno Martínez Aquino - 1a. Ed. - Ciudad Autónoma de Buenos Aires, Argentina.
Eritroferon S.R.L., 2011.
ISBN 978-987-27121-0-5
