Mitosis y su regulación

• Biología Celular – Bloque 3: Regulación Celular, Unidad Didáctica 11: Ciclo Celular

Guion de la Unidad Didáctica 11

• 11.1 Descubrimiento de los Factores de División Celular. Levaduras
• 11.2 Ciclo Celular Eucariota
• 11.3 Reguladores de la Progresión del Ciclo Celular
• 11.4 Acontecimientos de la Fase M

Introducción a las Levaduras

• Un hongo unicelular con una pared celular rígida, relativamente inmóvil
• Son los eucariotas más simples en la elaboración del pan y la cerveza
• Las levaduras han proporcionado un modelo crucial para el estudio de aspectos fundamentales de la biología eucariota
• Dos ejemplos son Saccharomyces cerevisiae y Saccharomyces pombe
• S. pombe se denomina así por la cerveza africana de donde fue aislada, y tiene forma de bastón
• Se pueden dividir por gemación y fisión
• La célula de levadura exhibe características típicas de las células eucariotas

Fisión y Gemación en Levaduras

• Fisión en Levadura (Schizosaccharomyces pombe) implica las fases G1, S, G2 y M del ciclo celular, comenzando en un punto "START"
• Gemación en levadura (Schizosaccharomyces pombe) también sigue las fases G1, S y M del ciclo celular, iniciando en un punto "START."

Genoma de las Levaduras

• El genoma contiene 12 millones de pares de bases de ADN y alrededor de 6000 genes
• Su ADN genómico está organizado en 16 cromosomas lineales
• El citoplasma contiene citoesqueleto y orgánulos subcelulares, incluyendo mitocondrias, pero no cloroplastos
• Las levaduras fueron los primeros organismos eucariotas cuyo genoma completo se secuenció
• Se dividen cada 2 horas y pueden crecer fácilmente, dando lugar a colonias a partir de una sola célula
• Las levaduras mutantes han sido importantes para la comprensión de procesos fundamentales en eucariotas
• Estos procesos incluyen la replicación del ADN, transcripción, procesamiento del ARN, ensamblaje de proteínas y regulación de la división celular
• Entre 2001 y 2013, se otorgaron cuatro premios Nobel por descubrimientos relacionados con la investigación con levaduras

Investigadores Clave y sus Contribuciones

• Leland Hartwell utilizó Saccharomyces cerevisiae en estudios genéticos del ciclo celular de 1970-71, aislando células de levadura con genes mutados que controlan el ciclo celular
• Hartwell identificó genes involucrados en el control del ciclo celular, denominados genes CDC (genes del ciclo de división celular)
• Uno de estos genes, CDC28, controla el primer paso en la progresión a través de la fase G1 del ciclo celular
• Hartwell también identificó la función fundamental de los "checkpoints" en el control del ciclo celular, los cuales monitorean que todos los pasos en la fase anterior hayan sido ejecutados correctamente
• Paul Nurse identificó el regulador clave del ciclo celular, el gen cdc2, entre 1976-80
• Nurse descubrió que en la levadura de fisión (Schizosaccharomyces pombe) el gen cdc2 controla la división celular (transición de G2 a M)
• Posteriormente, demostró que cdc2 tenía la misma función que el gen CDC28 en la levadura de panificación
• El gen cdc2 controla las transiciones de G1 a S y de G2 a M.
• En 1987, Nurse aisló el gen humano correspondiente, llamado CDK1, y la función de la CDK se ha conservado a través de la evolución
• El gen CDK1 codifica una proteína que es miembro de una familia llamada quinasas dependientes de ciclina (CDK)
• Estas moléculas funcionan uniendo grupos fosfato a otras proteínas (fosforilación)
• Hoy en día se han encontrado media docena de moléculas CDK diferentes en humanos
• Tim Hunt descubrió las ciclinas, proteínas que se unen a las moléculas CDK.
• Las ciclinas regulan la actividad de la CDK y seleccionan las proteínas diana para ser fosforiladas.
• Las proteínas recibieron el nombre de ciclinas debido a su variación cíclica en cantidad durante el ciclo celular.
• El descubrimiento de Hunt de que las ciclinas se degradaban durante la mitosis resultó ser otro mecanismo de control fundamental en el ciclo celular.
• Los mecanismos moleculares fundamentales que controlan el ciclo celular están altamente conservados a través de la evolución y operan de la misma manera en levaduras, insectos, plantas, animales y humanos

El Premio Nobel en Fisiología o Medicina 2013

• Randy W. Schekman descubrió genes que codifican proteínas que son reguladores clave del tráfico vesicular
• Schekman identificó genes que controlan el transporte a diferentes compartimentos y a la superficie celular

Mutantes del Ciclo Celular

• Los mutantes crecen normalmente a temperatura permisiva
• Los mutantes pierden la función génica a temperaturas restrictivas
• Se han identificado miles de mutantes del ciclo celular

Genes de Ciclo Celular y Cáncer

• Las CDK son enzimas que son quinasas dependientes de ciclina que controlan la actividad de otras proteínas por fosforilación
• CDC28 es una CDK descubierta en la levadura Saccharomyces cerevisiae que controla varios pasos en el ciclo celular de S. cerevisiae
• CDC2 es una CDK descubierto en la levadura Schizosaccharomyces pombe que controla varios pasos en el ciclo celular de S. pombe, también designa una CDK particular en células de mamífero.
• CDK4 es una CDK de células de mamífero importante para la transición de G₁ a S.
• CDK2 es una CDK de células de mamífero importante para la transición de G₁ a S.
• Las ciclinas son proteínas necesarias e influyentes para la actividad de las CDK
• Ciclina D es una ciclina de células de mamífero importante para la transición de G₁ a S.
• Ciclina E es una ciclina de células de mamífero importante para la transición de G₁ a S.
• Ciclina A es una ciclina de células de mamífero importante para la fase S.
• Ciclina B es una ciclina de células de mamífero importante para la transición de G₂ a M. E2F es un factor de transcripción de células de mamífero importante para la transición de G₁ a S.
• RB es una proteína de mamífero que inhibe E2F
• p21 es una proteína de células de mamífero que inhibe la actividad de la CDK
• p16 es una proteína de células de mamífero que inhibe la actividad de las CDK.
• p53 es un factor de transcripción de células de mamífero que activa la transcripción de genes de reparación del ADN así como la transcripción de p21
• RAD9 es una proteína que inhibe la transición de G₂ a M de S. cerevisiae en respuesta al daño del ADN
• E6 es una proteína del virus del HPV que inhibe p53
• E7 es una proteína del virus del HPV que inhibe Rb

• 70 genes del ciclo celular han sido identificados a partir de mutantes sensibles a la temperatura

Regulación y Coordinación del Ciclo Celular

• La división celular debe ser finamente regulada y coordinada con el crecimiento celular y la replicación del ADN
• La progresión a lo largo del ciclo celular está controlada por una serie de proteínas quinasas
• La función de las proteínas quinasas se ha conservado desde las levaduras hasta los mamíferos
• En eucariotas superiores, la división celular está controlada por factores de crecimiento
• Esos factores de crecimiento controlan la proliferación celular permitiendo coordinar la división de las células individuales con las necesidades totales del organismo

Ciclo Celular Eucariota

• Los procesos del ciclo celular deben estar altamente coordinados

Procesos del Ciclo Celular

• Crecimiento celular
• Replicación del ADN
• Distribución de los cromosomas duplicados a las células hijas
• División celular
• El ciclo celular de células eucariotas toma aproximadamente 24 horas en cultivo
• Dos fases diferenciadas se aprecian en el microscopio óptico: interfase y mitosis
• La parte más llamativa del ciclo corresponde a la separación de los cromosomas y división celular o citocinesis

Citometría de Flujo

• Es una técnica de análisis del número, tamaño y forma de una suspensión celular
• También sirve para cuantificar el número de células de determinadas poblaciones celulares marcadas específicamente con sustancias fluorescentes, y aislar poblaciones celulares
• Es especialmente útil para el estudio de poblaciones normales y patológicas de células sanguíneas y de médula ósea
• El citómetro tiene un sistema fluídico de transporte de muestras, un sistema óptico de iluminación de las partículas mediante láser (argón), y un detector electrónico que convierte la luz en señal digital
• Las células pasan en un capilar muy fino de modo que pasan de una en una
• Cuando pasan las celulas, el rayo impacta y se produce una distorsión del rayo
• El sistema cuantifica el número de eventos (células) impactados por el láser, analiza la forma y complejidad interna
• El grado de alteración cuando el láser atraviesa los límites celulares produce una dispersión frontal (FSC, forward scatter, relacionada con el tamaño de la célula).
• La complejidad interna de las células produce dispersión lateral u ortogonal (SSC, side scatter)
• Las células granulares o complejas producen un mayos SSC
• Otra posibilidad es marcar una población celular con un fluorocromo
• Un fluoro cromo muy utilizado es el yoduro de propidio que absorbe a 540 a 580 nm y emite a 600 a 660 nm
• Las células en estadios diferentes del ciclo celular se diferencian por su cantidad de ADN
• Las células en G1 son diploides (2n), donde n designa el contenido de ADN haploide
• Durante la fase S, la célula pasa de 2n a 4n mediante la replicación del ADN
• En la fase G2 y M, la célula tiene una cantidad 4n de ADN que se reduce a 2n tras la citocinesis.
• La cantidad de ADN se puede determinar experimentalmente incubando las células con yoduro de propidio y cuantificando su intensidad con citometría de flujo

Regulación del Ciclo Celular

• La progresión de las células a través del ciclo de división celular se regula por señales extracelulares del medio, así como por señales internas que supervisan y coordinan diversos procesos
• Esta coordinación depende de un sistema de puntos de control que previenen la entrada a la siguiente fase si los eventos no se han completado correctamente

Reguladores de la Progresión del Ciclo Celular

• El ciclo celular de todos los eucariotas está controlado por un conjunto de proteínas quinasas conservadas que inducen el paso de un estado del ciclo celular al otro
• El factor promotor de la mitosis(MPF) es un dímero constituido por la ciclina B y por una proteína quinasa Cdk1 La ciclina B es necesaria para la actividad catalítica de Cdk1
• El complejo Cdk1-ciclina B tiene diferentes niveles de regulación
• Una vez activado, Cdk1 fosforila proteínas diana que inician la fase M
• La actividad de Cdk1 provoca la degradación de la ciclina B, que ocurre por proteólisis mediada por ubicuitina
• La ubicuitilación de B es mediada por una ubicuitina ligasa llamada complejo de promoción de anafase/ciclosoma (APC/C)
• APC/C se activa como consecuencia de la fosforilación por la Cdk1/ciclina B
• Las CDK tiene familias de ciclinas y quinasas dependientes de ciclinas tienen uniones especificas
• Existe una regulación por factores de crecimiento
• La síntesis de la ciclina D se induce en respuesta la estimulación por factores de crecimiento
• Esto se señala a través de la vía Ras/Raf/MEK/ERK, donde ciclina D se sigue sintetizando mientras estén los factores de crecimiento
• Rb y E2F hacen una regulación al ciclo celular

Proteínas y Función

• Regulación por Rb y E2F
• En estado poco fosforilado Rb se une a miembros de la familia E2F reprimiendo la transcripción
• La fosforilación de Rb por complejos Cdk4,6/ciclinaD provoca la disociación de E2F en fase G1 avanzada y activa la expresión de genes diana, incluyendo ciclina E
• Esta codifica proteínas necesarias para la continuación del ciclo celular
• En la fase G1 temprana, los complejos Cdk2/ciclina E se encuentran inhibidos debido Cdk p27
• El paso por el punto de restricción induce la síntesis de ciclina E con la activación de E2F.
• La replicación del ADN se inicia mediante la actividad de las proteínas MCM helicasa
• DDK y las proteínas activadas por Cdk2/ciclina E activan las proteínas MCM
• La alta actividad de las Cdks evita que las proteínas MCM vuelvan a asociarse a los ORC durante la fase S
• G2 y M con lo que los complejos de pre-replicación solo pueden volverse a formar durante G1.
• Cuando Cdk2 se activa, fosforila p27 para degradarlo, esto da lugar a la activación plena de los complejos Cdk2/ciclina E y a la entrada en la fase S
• Las proteína cinasas ATR y ATM se activan en complejos de proteínas reconocen ADN dañado.
• La ubiquitina ligasa APC/c también se inhibe por Cdk2, para que los niveles elevados de ciclina se mantengan en S y G2
• ATR y ATM fosforilan y activan las proteínas quinasas de los puntos de control, los inhibidores de lesiones de ADN (Chk1 y Chk2).
• Chk1 y Ch 2 fosforilan e inhiben a la proteína fosfatasa Cdc25 para activar Cdk1 y Cdk2 dando lugar a la detención en los puntos de lesiones al ADN en G1, S y G2
• La fosforilación estabiliza p53 resultando en una incremento rápido de p53 con la presencia de lesiones ADN
• Esos activadores p53 activan inhibidores de Cdk p21 que inhiben a Cdk1 y Cdk2 para detener el ciclo celular

Acontecimientos de la Fase M

• Se divide en 4 etapas: profase, metafase, anafase y telofase
• Profase: Los cromosomas se condensan y los centrosomas se desplazan a los lados opuestos del núcleo, comenzando la formación del huso mitótico. La ruptura de la envuelta nuclear permite a los microtúbulos del huso anclarse a cinetócoros de los cromosomas
• Pro-metafase: Los cromosomas se agitan hacia adelante y hacia atrás entre centro somas para finalmente quedar anclados en la zona media del huso (metafase)
• Anafase: Las cromátidas hermanas se separan y van a los polos opuestos del huso
• Telofase: Se reconstituyen las envueltas nucleares y los cromosomas se descondensan
• Al final de esta fase se da la citocinesis dando lugar a dos células hijas
• La fase de la mitosis esta también regulada por las proteínas quinasas como el complejo Cdk1/ciclina B y las cinasas Aurora y Tipo polo
• Se induce la mitosis mediante la fosforilación de la condensinas
• Esta actividad induce cambios, el núcleo y citoplasma, las coherinas y las laminas de las vueltas
• Las cohesinas están activadas por la cohesina y condensinas
• Los componentes son miembros de las familias SMC o structural maintenance of chromatine
• Mantienen la unión entre las cromátidas
• Las células en la fase M las condensinas tiene un cinasas Aurora B y polo tipo
• Las cohesinas son sustituidas por condensinas
• Las condensación dan condensación a las cromáticas
• Cdk1/ciclina Bfosforila las laminas nucleares
• La fosforilación de las láminas causa que se disocien en dímeros libres de laminina
• Las proteínas integrales de la membrana van al retículo endoplásmico en células
• La citocinesis produce la mitosis y da lugar a dos células hijas
• Pasa una anafase tardías y es por la inactivación de Cdk1
• Se da la contracción de anillos de filamentos y cinesas Aurora y otras por los tipos polo
• El aparato esta mediado por la fosfolización de proteínas ,y se forma
• Para la citocinesis los microtúbulos de la fase S se han de separar hacia los polos opuestos del núcleo
• Para la separación se alargan y reclutan proteínas y formas huso
• La maduración del centrosoma , la célula separa y el huso tiene cinasas , que son el aurora A
• Una rotura de la vuelta tiene microtúbulos de cinetocoros que permite una prometafase
• La progresión hacia la anafase esta la acción ubiquitina de la ciclina B
• Los cinetocoros libres dan lugar a las ensamblaje por proteínas y inhiben APC/C
• Para activa a APC/C se debe alinear los cromosomas con sus correspondientes
• Ubicuitiliza la ciclina B, dando lugar a su degredación y a la inactivación de Cdk1
• Para ubictilitazarla ha de unírsele a una securina para activación de la a separada – La separasa rompe el enlace y se produce la anafase
• Una célula ha de llegar a cinesas aurora para la degradación.

Este cuestionario abarca las fases de la mitosis y los mecanismos reguladores. Examina el rol del Factor Promotor de la Mitosis (MPF), la degradación de la ciclina B, y la función del complejo Cdk1/ciclina B. Evalúa la comprensión de la prometafase, anafase y telofase.