Regulación del Ciclo Celular PDF

REGULACIÓN DEL CICLO CELULAR MSc. Erika Sofía Pérez Vélez Dr. Juvenal Hernán Paiva Palomino Regulación del ciclo celular La regulación del ciclo celular es un sistema complejo de mecanismos de control molecular que coordina la división celular y evita la proliferación...

REGULACIÓN DEL CICLO CELULAR MSc. Erika Sofía Pérez Vélez Dr. Juvenal Hernán Paiva Palomino Regulación del ciclo celular La regulación del ciclo celular es un sistema complejo de mecanismos de control molecular que coordina la división celular y evita la proliferación descontrolada. La regulación garantiza la integridad genética y contribuye al adecuado crecimiento y desarrollo celular. Pueden ser: ❖ Regulación Intracelular Los complejos ciclina-cdk , los puntos de control celular, las ❖ Regulación Extracelular proteínas reguladoras y factores externos son componentes clave de este proceso Regulación Intracelular A cargo de proteínas las cuales pueden activar o inhibir otras proteínas importantes en el ciclo celular Principales efectores de la regulación: Complejo cdk-ciclina Proteinas familias CIP e INK4 (proteínas inhibidoras de la proliferación celular) Complejo cdk-ciclina Formados por 2 tipos de proteínas, las cdk (cinasa dependiente de ciclina) y las ciclinas (que pasan por un ciclo de síntesis y degradación) Se conocen seis cdk pero sólo se ha caracterizado la función de cuatro de ellas (cdk 1, 2, 4 y 6) Se conocen 4 tipos de ciclinas (ciclinas A, B, D y E). La cdk fosforila aminoácidos específicos de algunas proteínas, pero sólo si esta unida a una ciclina. Se conocen 6 distintas combinaciones de cdk-ciclina que actúan en tiempos específicos durante el ciclo  Combinaciones de complejos CDK-ciclinas Complejo que regula la transición de la fase G1 a la fase S del ciclo celular. Complejo CDK4/6- La ciclina D se une a CDK4 o CDK6 y activa la quinasa. ciclina D Este complejo es responsable de fosforilar proteínas que permiten la entrada en la fase S, donde se sintetiza el ADN. Involucrados en la transición de la fase G1 a la fase S. Complejo CDK2-ciclina El complejo CDK2-ciclina E activa la iniciación de la replicación del ADN al fosforilar proteínas en la fase G1. E y CDK2-ciclina A El complejo CDK2-ciclina A continúa la replicación del ADN en la fase S y se involucra en la prevención de la replicación. Complejos CDK-ciclina más conocidos y regula la entrada y la progresión a través de la mitosis. Complejo CDK1-ciclina La ciclina B se acumula en la fase G2 y se une a CDK1, activándolo para iniciar la mitosis. B (Matriz Mitótica) Este complejo controla eventos como la condensación de los cromosomas, la fragmentación del núcleo y la segregación cromosómica. Complejo CDK1-ciclina Este complejo se forma en la fase S y G2, y está involucrado en la preparación para la mitosis. A (fase Prometáfica): Juega un papel en la organización y estabilidad de los microtúbulos del huso mitótico. Complejo CDK1-ciclina Complejo que regula eventos tempranos en la entrada de la mitosis, como la condensación cromosómica y la E (Inicio de la Mitosis) desintegración de la envoltura nuclear. Complejo CDK1-ciclina A (Transición G1/S en la Función en la regulación del paso de la fase G1 a la fase S durante la mitosis. Mitosis)  REGULACIÓN DEL CICLO CELULAR Tim Hunt Leland H. Hartwell Paul Nurse 1970 concepto de “Check point” 1976 CDK 1982 Ciclinas La actividad de las CDKs está regulada por 4 mecanismo 1. Fosforilación y desfosforilación de las CDKs 2. Degradación controlada de las subunidades de las ciclinas 3. Síntesis periódica de CDKs y Ciclinas 4. Acción de proteinasas inhibidoras de CDKs  Fosforilación y desfosforilación Fosforilación de la ciclina:La fosforilación de estas proteínas objetivo desencadena eventos celulares clave, como la progresión del ciclo celular de una fase a otra. Desfosforilación de la ciclina: Las fosfatasas, como la fosfatasa CDC25, desfosforilan la ciclina, eliminando los grupos fosfato previamente añadidos por las quinasas dependientes de ciclina. La desfosforilación de la ciclina inactiva el complejo CDK-ciclina, lo que permite que la célula avance a la siguiente fase del ciclo celular.  Degradación controlada de las subunidades de ciclina La ubiquitina es una molécula conservada y presente en todas las células eucariotas que se enlaza covalentemente a otras proteínas. La unión de muchas ubiquitinas marca a esa proteína para su degradación o para modificar su función. La degradación de las ciclinas está mediada por varios complejos, como el complejo APC/C (“anaphase promoting complex/cyclase”), que promueven la ubiquitinizaicón de las ciclinas en momentos concretos del ciclo celular y las marcan para su degradación.  Inhibidores del complejo Estas proteínas se han agrupado en dos: o Las proteínas INK4 (inhibidoras de cinasas 4: CDK - Ciclinas CDK4 y CDK6) o Las CIP (proteínas inhibidoras de todas las CDKs). Los miembros clave de la familia CIP incluyen p21, p27 y p57, que actúan como reguladores esenciales del CC y están involucrados en la prevención del crecimiento celular descontrolado y la supresión tumoral. p21: regula principalmente las fases G1 y S del CC. Se activa en respuesta a señales de daño en el ADN y estrés celular. p27: regula principalmente la fase G1 del CC. Se acumula en la fase G1 y se une a los complejos CDK-ciclina, inhibiendo su p53: "guardián del genoma“. Regula: el CC, la reparación del ADN y la actividad y bloqueando la entrada en la fase S. inducción de apoptosis. Cuando el ADN está dañado, p53 se activa y P57: se enfoca principalmente en bloquear la progresión del desencadena respuestas celulares, como detener la progresión del ciclo ciclo en las fases G1 y S en respuesta a señales de daño en el para permitir la reparación del ADN o inducir la apoptosis si el daño es ADN. irreparable.  Puntos de restricción Los PR del CC también pueden ser controlados por proteínas supresoras tumorales, que regulan negativamente la división celular y ayudan a prevenir la proliferación celular descontrolada. El PR se encuentra casi al final de G1 se conoce así puesto que si la célula lo pasa se encuentra “comprometida” irreversiblemente a entrar al CC, independientemente de lo que suceda en el exterior. Es muy importante entender, que este punto está principalmente controlado por el medio y depende de su capacidad de inducción.  PUNTOS DE CONTROL Conocido como punto “R” o “punto sin retorno”. Tiene que seguir con las fases S, G2, M. Punto de control en G1: ”punto de restricción" o "punto de control del tamaño“ Punto de control en Fase S: punto de control de ADN no replicado" o "punto de control de daño del ADN” Punto de control en G2: verifica si la replicación del ADN se ha completado correctamente y si no hay daños en el ADN Punto de control en la mitosis: verifica si los cromosomas están correctamente alineados en el plano ecuatorial y si están unidos a los microtúbulos del huso mitótico de manera apropiada  ❖ Los responsables intracelulares del paso a través de este Punto de punto son los complejos CDK4 y CDK6 –ciclina D, que “liberan” al factor de transcripción E2F de la proteína Rb por FOSFORILACIÓN. restricción ❖ E2F es una familia de factores de transcripción que desempeñan un papel crucial en la regulación del ciclo celular y la expresión génica.  ❖ Los responsables intracelulares del paso a través de este punto son los complejos CDK4 y CDK6 –ciclina D, que Punto de “liberan” al factor de transcripción E2F de la proteína Rb por FOSFORILACIÓN. restricción ❖ E2F es una familia de factores de transcripción que desempeñan un papel crucial en la regulación del ciclo celular y la expresión génica. Punto de restricción A su vez, E2F estimula la síntesis de: cdk2 y ciclina E (necesarios para el progreso de G1 a S) proteínas necesarias para la síntesis de ADN y de él mismo, p27 inactivando aún más Rb y disminuyendo la concentración de p27. La inactivación de Rb es mantenida a lo largo del ciclo por la concentración de distintos complejos CDK-ciclina pero, una vez que las ciclinas se degradan, el Rb es de nuevo activo, y une al E2F. p27: regula principalmente la fase G1 del CC. Se acumula en la fase G1 y se une a los complejos CDK-ciclina, inhibiendo su actividad y bloqueando la entrada en la fase S. La p16 inhibe la unión de la cdk y la ciclina, se interpone entre ellos, por lo que son inactivos, esto hace que el E2F no se puede liberar y en consecuencia no supera el punto de restricción Punto de control en G1 Participan en este puesto, el complejo cdk2-ciclina E, que como los implicados en el punto de restricción, también se encarga de inactivar a Rb y de favorecer el trabajo de E2F para que estén listas las enzimas necesarias para comenzar la síntesis de ADN en la fase S. Los encargados de la inhibición en este punto de control son un factor de transcripción y una CIP: la p53 y la p21, en ese orden. La p53 es uno de las más conocidos supresores de tumores, usualmente se encuentra en la célula pero es muy inestable en condiciones normales porque se encuentra unido a otra proteína llamada Mdm2, que funciona como un “marcador” para que la p53 se degrade. Pero, si existe una lesión en el ADN, distintas enzimas se activan, éstas ayudan a “separar” la p53 de su “marcador”, una mayor concentración de p53 estimula la síntesis de p21 (CIP) que se une a cdk2 y ciclina E, inhibiendo la acción del complejo. La célula entonces no puede entrar a S.  Punto de control S La fase S no tiene como tal un punto de control; sin embargo, es indispensable la presencia del complejo cdk2-ciclina A para que la síntesis de ADN se lleve a cabo. Como se explicó antes, durante la fase S el ADN se replica, para ello es necesario que se arme la “maquinaria” específica. Dentro de ellas hay un conjunto de proteínas conocido como complejo de reconocimiento del origen (ORC) que reconocen los orígenes de replicación. Durante la fase G1, se forma el ORC, posteriormente otras proteínas (como cdc6 y mcm) se unen para formar el complejo de replicación (pre-RC). El complejo cdk2-ciclina A se encarga de deshacerse de las proteínas del pre-RC y de unir las enzimas necesarias para la replicación (como la ADN polimerasa). Así se asegura que la “maquinaria” de replicación no vuelva a armarse hasta que se haya terminado el ciclo y la replicación sólo ocurra una sola vez  La securina: separación de las cromátidas hermanas durante (ANAFASE). La securina está estrechamente involucrada en el control de la actividad Punto de de las enzimas proteolíticas llamadas separasas, que son responsables de la separación de las cromátidas hermanas en los cromosomas duplicados control G2 El segundo punto de control se encuentra al final de G2. Los complejos cdk1- ciclina A y ciclina B permiten el paso a través de este punto. En conjunto la actividad de estos dos complejos se denominó Factor Promotor de la Mitosis (MPF).E El segundo punto de control se encarga de revisar: 1) que el material genético se haya duplicado completamente, 2) que el material genético no tenga errores y 3) que el medio extracelular sea adecuado. Los complejos cdk1-ciclina A y ciclina B, se encargan de inducir el ensamble del huso mitótico y en parte de asegurarse de que los cromosomas se unan a éste. Se encarga: Iniciar la condensación del material genético, activando un grupo de proteínas conocidas como cohesinas, Desensamblar la envoltura nuclear fosforilando las láminas nucleares, de armar nuevamente el citoesqueleto celular y de la reorganización del aparato de Golgi y el retículo endoplasmático etc. En este punto actúa también la p53, que como ya vimos detecta alteraciones en el ADN y desencadena a la activación de la p21 encargada de la inhibición de cualquier complejo cdk 1,2, 4 y 6-ciclina. complejo promotor de la anafase (APC). Punto de control de Mitosis Se encuentra entre la METAFASE Y ANAFASE. Se encarga de revisar que todos los cromosomas se hayan unido al huso mitótico y alineados en la placa metafásica. Si detecta errores en la unión al cinetocoro, inactiva el complejo APC- cdc20, lo que inhibe la liberación de la separasa, impidiendo que las cromátides hermanas se separen hasta que la señal desaparezca.  CONTROL EXTRACELULAR Factores y señales provenientes del entorno extracelular influyen en la regulación y progresión del ciclo celular en las células. Identificación de mitógenos Los mitógenos son señales extracelulares que estimulan la proliferación y el crecimiento de las células. RAS-GTP activado activa una serie de proteínas efectoras, incluidas las proteínas quinasas dependientes de mitógeno (MAPK) y las proteínas PI3 quinasas (PI3K). Via de RAS Via de MAPK JAK - STAT La mayoría de los mitógenos controlan la tasa de división celular actuando en la fase G1; liberan el control negativo del ciclo celular permitiendo la entrada a la fase S.  Activación de la vía RAS/MAPK y Inhibición Inhibición del del check check point point retroalimentación negativa inducido inducido por por estrés estrés de de aa Actúan uniéndose a receptores de membrana con impulsada por ERK señalización de RAS-MAPK señalización de RAS-MAPK actividad de tirosina-cinasas los cuales activan a la proteína G monomérica Ras cambiándola de su estado unido a GDP por GTP; esta activación desencadena una cascada de fosforilaciones a través de las proteínas MAPK (cinasas activadas por mitógenos). A su vez estas proteínas MAPK transmiten el estímulo a diversas moléculas efectoras (cinasas de proteínas o factores de trascripción). Esta cascada de fosforilaciones ocasiona la trascripción de genes tempranos (entre los que destacan los que codifican a las ciclinas de G1), algunos de estos genes a su vez activan la trascripción de otros genes denominados genes tardíos. De esta manera la vía de señalización RasMAPK transmite señales extracelulares al núcleo activando la maquinaria del ciclo celular. ERK: La activación de ERK comienza cuando una proteína de intercambio de nucleótidos RAS (GEF) activa la proteína RAS al convertir el GDP unido en GTP. RAS-GTP luego activa la cascada MAPK. RAS-GTP activa la quinasa RAF (Rapidly Accelerated Fibrosarcoma), que a su vez activa la quinasa MEK (MAPK/ERK Kinase). MEK activa ERK mediante la fosforilación de una serie de residuos de tirosina y treonina. ERK: (quinasa reguladora del señal extracelular) es una quinasa dependiente de mitógeno que desempeña un papel central en la vía de señalización MAPK DIFERENTES MECANISMOS DE ACTIVACION E INHIBICIÓN DE LA REGULACIÓN DEL CICLO CELULAR  MUERTE CELULAR La muerte celular es un proceso natural y esencial en el desarrollo, el mantenimiento y la regulación de los organismos multicelulares. Hay varios tipos de muerte celular que pueden ocurrir en diferentes circunstancias y con distintos mecanismos subyacentes. Apoptosis Necrosis Autofagia Senescencia APOPTOSIS La apoptosis es el mecanismo de autodestrucción celular que permite al cuerpo controlar el desarrollo y crecimiento de las células para descartar las que presenten anomalías o defectos peligrosos. Este proceso de muerte celular programada opera mediante señales celulares controladas genéticamente y posee una función preventiva importante en el organismo.  Este proceso puede darse de dos formas: Inducción negativa. Mediante el aislamiento de la célula destinada a morir, o sea, retirándole factores de crecimiento, perdiendo algún tipo de actividad supresora o cortando su contacto con las células que la rodean. Inducción positiva. Mediante la activación de proteínas u otro tipo de compuestos orgánicos que desencadenan la muerte celular, o incluso la recepción de señales conflictivas por la célula marcada para morir. En ambos casos, la apoptosis se da en términos ordenados y metódicos, no caóticos, siguiendo estrictos lineamientos de un suicidio celular, y dejando al sistema inmunológico lidiar con los “restos” de las células eliminadas.  Cisteín- ASPártico prote ASAS Activación de apoptosis Vía Extrínseca (Externa) de Apoptosis: La vía extrínseca se inicia cuando las células reciben señales externas, generalmente a través de ligandos unidos a receptores de muerte en la superficie celular. Un ejemplo común de esta vía es la vía del receptor de muerte Fas (CD95) y su ligando FasL. Cuando las células reciben la señal de FasL, el receptor Fas se agrupa y activa adaptadores que reclutan y activan caspasas. La activación de caspasas inicia la cascada de degradación celular controlada, que finalmente lleva a la fragmentación celular. Vía Intrínseca (Interna) de Apoptosis: La vía intrínseca es activada por señales internas que indican que la célula está bajo estrés, como daño en el ADN, falta de nutrientes, radiación u otras formas de estrés celular. En esta vía, las mitocondrias juegan un papel crucial. Cuando se activa, las mitocondrias liberan citocromo c, que se libera en el citoplasma. El citocromo c activa una estructura llamada apoptosoma, que a su vez activa la caspasa-9. La caspasa-9 activa a las caspasas ejecutoras, como la caspasa-3, y desencadena la cascada de degradación celular controlada.  CASPASAS Las caspasas humanas se pueden dividir en 2 grupos, basados en la similaridad de sus secuencias y en su función biológica: 1. Caspasas inflamatorias: Son las caspasas 1, 4, 5, 11, 12, 13 y 14. De este grupo se ha caracterizado en profundidad la estructura de la caspasa 1. Su función es principalmente la piroptosis, una forma de muerte celular programada que ocurre ante la infección por parte de un patógeno intracelular. 2. Caspasas implicadas en apoptosis: Encontramos dos tipos: Iniciadoras. Son las caspasas 2, 8, 9 y 10. Su función consiste en la iniciación de la señal de apoptosis. Efectoras. Son las caspasas 3, 6 y 7. Su función consiste en una proteólisis masiva que resulte en apoptosis.  NECROSIS La necrosis es un tipo de muerte celular no programada que ocurre como resultado de lesiones celulares graves, estrés extremo o condiciones adversas. A diferencia de la apoptosis, que es una forma de muerte celular programada y controlada, la necrosis es un proceso caótico y no regulado que puede tener consecuencias perjudiciales para el entorno celular y el organismo en general.  CARACTERISTICAS Y CAUSAS DE NECROSIS Características de la Necrosis: La necrosis se caracteriza por cambios morfológicos visibles, como inflamación, hinchazón, ruptura de la membrana celular y liberación de contenido celular en el entorno extracelular. La liberación de contenido celular puede causar inflamación local y activar respuestas inmunitarias en el organismo. Causas de la Necrosis: La necrosis puede ser el resultado de diversas causas, como daño físico, falta de oxígeno (isquemia), infecciones, toxinas, reacciones inflamatorias graves y otros tipos de estrés celular severo. Cualquier condición que dañe severamente la estructura y la función de la célula puede llevar a la necrosis. DIFERENCIA ENTRE APOPTOSIS Y NECROSIS Característica Apoptosis Necrosis Tipo de muerte celular Programada y controlada No programada y no controlada Encogimiento celular, Morfología celular Inflamación, hinchazón, ruptura celular fragmentación nuclear Rota, liberación de contenido en el Membrana celular Intacta, con blebs apoptóticos entorno No desencadena una respuesta Puede desencadenar una respuesta Respuesta inmunitaria inflamatoria fuerte inflamatoria fuerte Señales internas (desarrollo, daño Daño severo, isquemia, infecciones, Causas celular) inflamación Regulación celular, desarrollo, Indicador de daño celular grave, Importancia fisiológica eliminación de células dañadas condiciones patológicas Puede contribuir a la progresión de Desregulación asociada con Relación con enfermedades cardiovasculares, enfermedades autoinmunitarias y enfermedades accidentes cerebrovasculares, entre cáncer otras Desarrollo embrionario, Lesiones traumáticas, infecciones, Ejemplos eliminación de células dañadas isquemia  AUTOFAGIA La autofagia es un proceso celular altamente conservado y esencial que implica la degradación y el reciclaje de componentes celulares, como proteínas dañadas o en exceso, orgánulos envejecidos y otras estructuras celulares. A través de la autofagia, las células pueden eliminar materiales no deseados y recuperar nutrientes para mantener la homeostasis y la supervivencia. Mecanismo de la Autofagia: 1.Formación de Fagóforos: El proceso comienza con la formación de una estructura de doble membrana llamada fagóforo, que se forma a partir de una expansión de la membrana del retículo endoplasmático o el complejo de Golgi. 2.Fusión con Lisosomas: El fagóforo se cierra para formar un autófago, que luego se fusiona con un lisosoma. Los lisosomas contienen enzimas digestivas (hidrolasas) que degradan los contenidos del autófago. 3.Degradación y Reciclaje: Las enzimas lisosomales descomponen las proteínas y los componentes celulares dentro del autófago en sus componentes básicos, como aminoácidos y otros nutrientes. 4.Liberación de Componentes: Los productos de degradación resultantes son liberados al citoplasma y se pueden utilizar para la síntesis de nuevas moléculas y la producción de energía. FUNCIONES DE LA AUTOFAGIA y REGULACION Mantenimiento de la Homeostasis: La autofagia permite a la célula eliminar proteínas dañadas, orgánulos envejecidos y otros materiales no funcionales, lo que contribuye a mantener la homeostasis celular. Respuesta al Estrés: La autofagia puede activarse en respuesta a condiciones de estrés, como la privación de nutrientes o la falta de oxígeno, para proporcionar nutrientes y energía adicionales. Diferenciación Celular: En algunos casos, la autofagia puede desempeñar un papel en la diferenciación celular y el desarrollo tisular. La autofagia está regulada por una serie de proteínas y complejos, como la proteína ATG (autophagy-related gene) y la vía mTOR (mammalian target of rapamycin). La activación de la autofagia puede ser inducida por señales de estrés celular o nutrientes insuficientes.  SENESCENCIA La senescencia celular es un estado en el cual las células dejan de dividirse y entran en un estado de crecimiento celular irreversible, aunque aún permanecen metabólicamente activas por un tiempo. Este proceso está programado genéticamente y está asociado con el envejecimiento y el desarrollo de los organismos multicelulares. CARACTERÍSTICAS DE LA SENESCENCIA Detención de la División: Las células senescentes dejan de dividirse y no pueden continuar proliferando. Esta detención es permanente y no puede revertirse. Cambios Morfológicos: Las células senescentes pueden experimentar cambios morfológicos, como aumento de tamaño, forma irregular y acumulación de vesículas y gránulos en su citoplasma. Cambios en la Expresión Genética: La senescencia celular está regulada por la expresión diferencial de genes. Algunos genes que promueven la proliferación se silencian, mientras que otros relacionados con la inflamación y la respuesta inmunológica pueden activarse.  CARACTERÍSTICAS DE LA SENESCENCIA Acortamiento de Telómeros: Uno de los factores que contribuyen a la senescencia es el acortamiento gradual de los telómeros, las estructuras protectoras en los extremos de los cromosomas. A medida que los telómeros se acortan con cada división celular, la célula finalmente alcanza un estado en el que ya no puede dividirse. Relación con el Cáncer: La senescencia celular es un mecanismo natural para prevenir la proliferación celular descontrolada y la formación de tumores. Las células dañadas o con potencial cancerígeno pueden entrar en senescencia para detener su proliferación. videografía https://www.youtube.com/watch?v=oj2dFmuFcFk https://www.youtube.com/watch?v=9MbYGGTMx3U  BIBLIOGRAFÍA Lodisch H, et al. Biología celular y molecular. 7ª Edición. Buenos Aires: Ed. Médica Panamericana; 2015. Karp G. Biología Celular y Molecular. 8ª Edición. México: Ed. McGraw-Hill – Interamericana; 2019. Kumari R, Jat P. Mechanisms of Cellular Senescence: Cell Cycle Arrest and Senescence Associated Secretory Phenotype. Front Cell Dev Biol. 2021;9:645593. Jiménez LF; Merchant H. Biología Celular y Molecular. 1ª Edición. México D.F: Ed. Pearson Educación de México; 2003. Alberts B, et al. Biología Molecular de la Célula. 5ª Edición. Barcelona: Ed. Omega; 2008 Nurse, P. Universal Control Mechanism Regulating Growth and Division. Nature, 1990; 344(6266):503–508. Hofmann K. The Evolutionary Origins of Programmed Cell Death Signaling. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2020;12(9):a036442. https://doi:10.1101/cshperspect.a036442 Hipervinculos: https://www.youtube.com/watch?v=kQu6Yfrr6j0 (MITOSIS) https://www.youtube.com/watch?v=lXisSVgRI6s (MITOSIS) https://www.youtube.com/watch?v=9MbYGGTMx3U&t=316s (Muerte celular) https://www.youtube.com/watch?v=nBt6RNGZW34 (meiosis) Apoptosis celular - (Vía extrínseca, intrínseca, fase de ejecución, morfología) –YouTube (APOPTOSIS) https://biomodel.uah.es/citogene/horwitz/mshinto1.htm http://bcs.whfreeman.com/webpub/biology/pierce%20essentials%203e/Catalog_html/animations.html