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TEMA 10. EL CICLO CELULAR 1. Visión general, técnicas de estudio y ciclos celulares especiales 2. El sistema de control del ciclo celular: principios generales 3. Reorganización celular durante la división celular solapam...

TEMA 10. EL CICLO CELULAR 1. Visión general, técnicas de estudio y ciclos celulares especiales 2. El sistema de control del ciclo celular: principios generales 3. Reorganización celular durante la división celular solapamiento inicio G2 G1 S (de “síntesis”) Figure 17-3 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Técnicas de estudio y duración de las fases Duración de las fases del ciclo celular (tiempos obtenidos a partir de células Citometría de flujo y marcaje fluorescente de DNA con Ioduro de Propidio proliferantes de mamífero en cultivo) M: M Phase Marcaje con precursores BromodesoxiUridina (BrdU) de la síntesis de DNA + inmunocitoquímica Cultivos celulares Videomicrografía (3H-T) + autorradiografía 2 https://www.youtube.com/watch?v=L61Gp_d7evo Ciclos celulares especiales  Ciclos celulares en el embrión temprano - Tras la fecundación se suceden ciclos de 30 minutos - Los blastómeros reducen su tamaño en cada división - En 1 o 2 días se forma un renacuajo del tamaño aproximado del ovocito Cada ciclo consiste en una fase S rápida que alterna con la fase M (no hay fases G1 ni G2 y, no se produce crecimiento celular) See a salamander grow from a single cell in this incredible time-lapse https://www.youtube.com/watch?v=SEejivHRIbE  Células en G0 Células post-mitóticas: estado diferenciado permanente irreversible, ej. neuronas, fibras musculares Células senescentes: senescencia replicativa (límite de Hayflick), factores endógenos (tipo celular, especie biológica), factores exógenos (daño genómico por estrés oxidativo); irreversible Cellular senescence A) Primary mouse A B embryonic fibroblast cells (MEFs) before senescence. Spindle-shaped. B) MEFs became senescent after passages. Cells grow larger, flatten shape and expressed senescence-associated β-galactosidase (blue areas), a marker of cellular senescence. Células quiescentes: división ocasional para reemplazo tras daño tisular; estado reversible y regulado por señales; células madre adultas  Ciclos que aumentan la ploidía celular Células multinucleadas: varios núcleos comparten el citoplasma como resultado de la acitocinesis tras la mitosis Fibras multinucleadas de músculo Osteoclastos Células cancerosas esquelético por fusión de mioblastos Células poliploides: los cromosomas no se reparten tras su duplicación, quedando en el mismo núcleo (endomitosis o mitosis abortiva) Célula poliploide (Megacariocito) Células con cromosomas politénicos o cromosomas plumulados: las hebras de DNA copiadas no se separan al no producirse mitosis sino endorreduplicación, formándose cromosomas con múltiples cromátidas adosadas lateralmente  Ciclos que reducen la ploidía celular (división por meiosis en la gametogénesis)  El sistema de control del ciclo celular: principios generales (Hartwell, Hunt y Nurse, Nobel en Medicina 2001) Funciona como un temporizador que permite la progresión de las etapas del ciclo siguiendo una secuencia Es capaz de responder y adaptarse a factores externos e internos PUNTOS DE CONTROL Está basado en dos familias de proteínas: Complejo Ciclina-Cdk Fosforila y activa a la Cdk Fosforila en Ser o Thr a proteínas clave en los eventos celulares del ciclo Figure 17-14 Molecular Biology of the Cell  Las ciclinas fueron identificadas como proteínas que se levaduras acumulan durante la interfase y se degradan rápidamente hacia el final de la mitosis MPF (M-phase Promoting Factor): un complejo Cdk-ciclina que controla el inicio de la mitosis El inicio de la actividad del MPF requiere un cierto umbral de concentración de ciclina; su pico de actividad se produce al inicio de la fase M La concentración de la Cdk mitótica es constante (no aparece en el gráfica) Modelo del punto de control G2-M (de inicio de la mitosis)  Las actividades de los complejos Cdk-ciclina y el complejo APC controlan el ciclo celular Punto de control: - de la mitosis - de la transición metafase-anafase - del ensamblaje del huso mitótico Complejo Promotor de la Anafase (ciclosoma) es una ligasa de ubiquitina E3, regula la progresión del ciclo mediante proteólisis  Distintas señales regulan el ciclo celular en cada punto de control Los factores de crecimiento regulan la progresión del ciclo celular a través del punto de restricción (G1), induciendo la síntesis de ciclinas tipo D Temperatura G0 Edad, longevidad Características intrínsecas del tipo celular Un complejo sistema de control del ciclo celular asegura su progresion sin errores Mutaciones  Oncogenes  Genes supresores Mutaciones de tumores Asignatura: RPyDC  Genes que regulan la proliferación celular Proto-oncogenes / Oncogenes: funcionan en dominancia por mutaciones de ganancia de función  Genes que regulan la proliferación celular Genes supresores de tumores: funcionan en recesividad, por pérdida de función de ambos alelos The pathway that controls cell cycling via Rb protein. All the components of this pathway have been found to be altered by mutation in human cancers (products of proto- oncogenes, green; products of tumor suppressor genes, red; E2F shown in blue because it has both inhibitory and stimulatory actions, depending on the other proteins that are bound to it). In most cases, only one of the components is altered in any individual tumor. (A) A simplified view of the dependency relationships in this pathway; see Figure 17-30 for further details.  Reorganización celular durante la división celular Anaphase Promoting Complex (Spindle assembly checkpoint) 1) La rotura de la envoltura nuclear se produce como consecuencia de la fosforilación de las proteínas de la envoltura nuclear por el complejo Cdk-ciclina mitótico (Cdk1-ciclina B) Figure 12-20 Molecular Biology of the Cell Robson et al., Cancer Biology and the Nuclear Envelope (2014) pp 165-185  Al final de la mitosis las fosfatasas revierten el estado fosforilado de las proteínas de la EN y comienza su ensamblaje por fusión de vesículas/túbulos con las regions periféricas de los cromosomas ya descondensadas Ran-GTP y las NUPs actúan como marcadores posicionales y dirigen la reimportación de proteínas 2) Los complejos SMC (Structural Maintenance of Chromosomes) regulan la cohesión y la compactación de las cromátidas hermanas actividad ATPasa Están formados por: - 1 heterodímero de 2 subunidades Smc - 2 o más subunidades no-Smc (kleisinas) región bisagra Cohesina forma uniones intermoleculares (entre el DNA de las dos cromátidas) cohesión de las cromátidas hermanas Condensina forma uniones intramoleculares (entre sitios de la misma molécula de DNA): condensación y resolución cromosómica 15 3) El ciclo del centrosoma está sincronizado con el ciclo celular - La maduración de la matriz pericentriolar es clave en la formación del huso Aurora Plk1 Interfase Mitosis Conduit et al. (2015) Nat Rev Mol Cell Biol 16:611-624 1) duplicación 4) separación 2) elongación 3) maduración 16 4) El huso mitótico organiza la segregación y reparto de los cromosomas Los centrosomas dirigen la formación de un huso mitótico bipolar, formado por microtúbulos y MAPs específicas, que regulan su dinámica PROMETAFASE Se forman 3 sistemas de microtúbulos que contribuyen a generar las fuerzas que dirigen la orientación, individualización y reparto de los cromosomas METAFASE 5) Los cinetocoros nuclean y regulan la polimerización de una población de microtúbulos del huso mitótico, generando fuerzas de arrastre de los cromosomas Figure 17-36 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)  6) En la segregación de los cromosomas durante la anafase intervienen 2 tipos de fuerzas, resultantes de la dinámica de las 3 poblaciones de microtúbulos Figure 17-46 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 19 7) Durante la división celular ocurre una reorganización estructural compleja de los orgánulos celulares para su reparto entre las células hijas Fragmentation of the Golgi ribbon during G2–mitosis Schematic representation of the steps leading to breakdown of the Golgi complex in mitosis. The mammalian Golgi complex in S-phase forms a ribbon next to the centrosome (red cylinders) and the nucleus (blue). In G2, the interconnected ribbon is converted into isolated stacks. This step is necessary and sufficient for entry into mitosis (prophase). In prophase, the isolated Golgi stacks undergo further disassembly into the Golgi “blobs” and “haze” 20 La fragmentación del complejo de Golgi es necesaria para que la célula supere el punto de control de formación del huso mitótico y progrese de metafase a anafase, constituyendo punto de control adicional del ciclo celular y maduración del centrosoma vesiculación del Golgi GOLGI CHECKPOINT (+) (dirige la formación del huso mitótico) 21 8) La citocinesis se inicia durante la anafase con la aparición de un surco de segmentación, consecuencia de la formación de un anillo contráctil de actina-miosina II actina miosina  Muerte celular programada (Apoptosis) En el adulto, unos 70 billones de células mueren al día por apoptosis y un número equivalente se forman por mitosis La apoptosis es necesaria para:  Morfogénesis embrionaria  Recambio celular en los tejidos: renovación y regeneración tisular  Eliminación celular selectiva de: Células infectadas, Células con daño en DNA Células auto-reactivas del sistema inmune Exceso celular tras una respuesta inmune Déficits en hormonas y factores de crecimiento Las alteraciones de la apoptosis conllevan la aparición de numerosas enfermedades Durante la apoptosis, ocurren cambios bioquímicos y morfológicos siguiendo un patrón característico que conducen al desmantelamiento de las estructuras celulares Asignatura: RPyDC TEMA 10 LECTURAS RECOMENDADAS Alberts et al., 2010, 5/6ª ed., Omega/Garland Science - Cap. 17. El ciclo celular Becker et al., 2008, 6/7ª ed., Pearson/B. Cummings - Cap. 19. Ciclo celular, replicación del DNA y mitosis Karp, 2010, Cell Biology 6ª ed., Wiley eds. - Cap 12. Cellular organelles and membrane trafficking LECTURAS COMPLEMENTARIAS Referencias indicadas en las figuras 25