Ciclo celular
El ciclo celular es el proceso ordenado y repetitivo en el tiempo en el que la célula crece y se divide en dos células hijas. Las células que no se están dividiendo no forman parte, de por sí, en el ciclo celular, sino que están en una fase conocida como G0.
Todas las células se originan únicamente de otra existente con anterioridad. El ciclo celular se inicia en el instante en que aparece una nueva célula, descendiente de otra que se divide y, termina en el momento en que dicha célula, por división subsiguiente, origina dos nuevas células hijas.
El ciclo celular puede considerarse como una sucesión continua de estados que se diferencian del anterior y del siguiente por la cantidad de material genético existente en el núcleo celular.
La duración del ciclo celular varía según la estirpe celular, siendo la duración media del ciclo completo de unas 24 horas.
Las células que se encuentran en el ciclo celular se llaman células proliferantes y las que se encuentran en fase G0 se llaman células quiescentes.
Fases del ciclo celular
La célula puede encontrarse en dos estados claramente diferenciados:
- El estado de división, generalmente en mitosis.
- El estado de no división o interfase. La célula realiza sus funciones específicas y, si está destinada a avanzar a la división celular, comienza por realizar la duplicación de su ADN.
Fase M
Es la división celular en la que una célula progenitora (células eucariotas, células somáticas -células comunes del cuerpo-) se divide en dos células hijas idénticas. Esta fase incluye la mitosis, a su vez dividida en: profase, metafase, anafase, telofase; y la citocinesis, que se inicia ya en la telofase mitótica. Si el ciclo completo durara 24 h, la fase M duraria como media 30 minutos.
Interfase
Es el período comprendido entre divisiones celulares. Es la fase más larga del ciclo celular, ocupando casi el 95% del ciclo, trascurre entre dos mitosis y comprende tres etapas:
- Fase G1 (Gap 1): Es la primera fase del ciclo celular en el que existe crecimiento celular con síntesis de proteínas y de ARN. Es el período que trascurre entre el fin de una mitosis y el inicio de la síntesis de ADN. Tiene una duración de entre 6 y 12 horas y durante este tiempo, la célula dobla su tamaño y masa debido a la continua síntesis de todos sus componentes como resultado de la expresión de los genes que codifican las proteínas responsables de su fenotipo particular.
- Fase S: Es la segunda fase del ciclo, en la que se produce la replicación o síntesis del ADN, como resultado cada cromosoma se duplica y queda formado por dos cromátidas idénticas. Con la duplicación del ADN, el núcleo contiene el doble de proteínas nucleares y de ADN que al principio. Tiene una duración de unos 6-8 horas.
- Fase G2: Es la segunda fase de crecimiento del ciclo celular en la que continúa la duplicación de proteínas y ARN. Al final de este período se observa al microscopio cambios en la estructura celular, que indican el principio de la división celular. Tiene una duración entre 3 y 4 horas. Termina cuando los cromosomas empiezan a condensarse al inicio de la mitosis.
Regulación del ciclo celular: Generalidades
El ciclo celular es controlado por un sistema que vigila cada paso realizado. En regiones concretas del ciclo, la célula comprueba que se cumplan las condiciones para pasar a la etapa siguiente. Si no se cumplen estas condiciones, el ciclo se detiene. Existen cuatro transiciones principales:
- Paso de G0 a G1 / comienzo de la proliferación
- Paso de G1 a S / iniciación de la replicación
- Paso de G2 a M / iniciación de la mitosis
- Paso de metafase a anafase
Los genes que regulan el ciclo celular se dividen en tres grandes grupos:
- Genes que codifican proteínas para el ciclo: enzimas y precursores de la síntesis de ADN, enzimas para la síntesis y ensamblaje de tubulina, etc.
- Genes que codifican proteínas que regulan positivamente el ciclo: También llamados protooncogenes. Las proteínas que codifican activan la proliferación celular, para que células quiescentes pasen a la fase S y entren en división. Algunos de estos genes codifican las proteínas del sistema de ciclinas y quinasas dependientes de ciclina. Pueden ser:
- Genes de respuesta temprana, inducidos a los 15 minutos del tratamiento con factores de crecimiento, sin necesidad de síntesis proteica;
- Genes de respuesta tardía, inducidos más de una hora después del tratamiento con factores de crecimiento, su inducción parece estar causada por las proteínas producidas por los genes de respuesta temprana.
- Genes que codifican proteínas que regulan negativamente el ciclo: También llamados genes supresores tumorales.
Las ciclinas y las quinasas dependientes de ciclina (CDK), son sintetizadas a partir de protooncogenes y trabajan en cooperación para regular el ciclo positivamente. Fosforilan serinas y treoninas de proteínas diana para desencadenar procesos celulares.
Protooncogenes
Ciclinas
Las ciclinas son un grupo heterogéneo de proteínas con una masa de 36 a 87 kDa. Se distinguen según el momento del ciclo en el que actúan.
- Ciclinas G1: promueven el paso de G1 a S
- Ciclinas G1/S
- Ciclinas S: necesarias para iniciar la replicación del ADN
- Ciclinas M: promueven la mitosis
Las ciclinas son proteínas de vida muy corta y se destruyen luego de separarse de las CDK.
Quinasas dependientes de ciclina
Las CDK son moléculas con una masa de 34 kDa. Forma dos lóbulos entre los cuales está el centro catalítico, donde se inserta el ATP. En la entrada del centro hay una treonina que debe estar fosforilada para que la quinasa actúe.
En el centro catalítico hay dos treoninas que, al ser fosforiladas, inhiben a la quinasa y una región de unión a la ciclina llamada PSTAIRE.
Hay otra región en la CDK, alejada del centro catalítico, a la que se une la proteína CKS. Ésta regula la CDK.
| Vertebrados | Levaduras | |||
| Complejo Cdk/ciclina | Ciclina | Cdk asociada | Ciclina | Cdk asociada |
| Cdk-G1 | ciclina D | Cdk 4,6 | Cln3 | Cdk1 |
| Cdk-G1/S | ciclina E | Cdk2 | Cln1,2 | Cdk1 |
| Cdk-S | ciclina A | Cdk2 | Clb5,6 | Cdk1 |
| Cdk-M | ciclina B | Cdk1 | Clb1,2,3,4 | Cdk1 |
Activación de los complejos ciclina/CDK
El complejo ciclina A/CDK2 activa la proteína CAK, quinasa activadora de CDK.
La proteína CAK fosforila a la CDK, activándola.
La fosfatasa PP2a desfosforila a la CDK, inactivándola.
Inhibición de los complejos ciclina/CDK
Existen complejos inhibidores CKI como la p27 y p21 que se unen a la ciclina y a la CDK al mismo tiempo bloqueando el sitio activo
Activación de los complejos ciclina/CDK
Las enzimas ligasas de ubiquitina catalizan la disociación de ciclina y CDK y la unión de la ciclina a la proteína ubiquitina, junto a la cual se dirigirá al proteasoma.
Una enzima ligasa de ubiquitina es el complejo SCF, que actúa sobre las ciclinas G1/S. Otro complejo denominado APC (del inglés anaphase promoting complex) actúa sobre ciclinas M.
Acción de las ciclinas G1 y G1/S
Durante G1,la proteína Rb (retinoblastoma) está unida a la proteína E2F, que a su vez está unida al ADN promotor de genes necesarios para la entrada en S.
Al acumularse ciclinas de G1, los complejos ciclina G1/CDK fosforilan a Rb, que se inactiva y deja de inactivar a E2F.
La actividad de E2F permite la transcripción de genes para la fase S. Se forman entonces complejos ciclina G1S/CDK y ciclina S/CDK, que inactivan más unidades de Rb, favoreciendo todavía más la actividad de E2F.
Acción de las ciclinas S
El complejo ciclina S/CDK promueve la actividad de la ADN polimerasa y de otras proteínas de la replicación.
El complejo multiproteico ORC (del inglés origin recognition complex) está asociado al origen de replicación del ADN. En G1 forma el complejo prerreplicativo al asociarse a la proteína CDC6 y al anillo proteico MCM. Las MCM actúan como helicasas promoviendo la replicación.
El complejo ciclina S/CDK también fosforila la CDC6, dejándola accesible para la ubiquitinación por SCF. Así evita una nueva replicación.
Acción de las ciclinas M
El complejo ciclina M/CDK activado por CAK está presente en todo el ciclo, pero está inhibido por la quinasa WEE1, que la fosforila.
Al final de G2 la fosfatasa CDC25 desfosforila la CDK y activa el complejo ciclina M/CDK.
El complejo ciclina M/CDK fosforila varias proteínas durante la mitosis:
- proteína lámina nuclear al final de la profase para disolver la envoltura nuclear
- proteína condensina que condensa los cromosomas
- proteínas reguladoras del huso mitótico
- complejo APC que separa las cromátidas hermanas
El complejo CDC20/APC ubiquitina las ciclinas M para salir de la fase M.
Genes supresores de tumores
Los genes supresores de tumores regulan negativamente el ciclo. Se encargan de que la mitosis no continúe si se ha producido una alteración del proceso normal.
Entre estos genes, también llamados 'de verificación', se encuentran los que codifican:
- productos que evitan mutaciones de genes reguladores del ciclo
- proteínas que inactivan las CDK por fosforilación/desfosforilación (ej. quinasa WEE1, fosfatasa CDC25)
- proteínas CKI inhibidoras del ciclo (ej. p53, p21, p16)
- proteína Rb (retinoblastoma), cuya alteración génica recesiva causa el cáncer de retina con ese nombre.
- proteínas que inducen la salida del ciclo hacia un estado celular diferenciado o hacia apoptosis (ej. Bad, Bax, Bak, receptor de ligando de Fas)
La verificación se lleva a cabo en los puntos de control y asegura la fidelidad de la replicación y segregación del genoma. Algunos componentes, además de detectar fallos, pueden poner en marcha la reparación.
Puntos de control
Existen puntos de control en el ciclo que aseguran la progresión sin fallos de éste:
- Punto de control de DNA no replicado, en la entrada de fase M. Actúa inhibiendo a Cdc25, el cual es un activador de la Ciclina A/B Cdk1.
- Punto de control de ensamblaje del huso, antes de la telofase. Se activa una proteína Mad2 que impide la degradación de la segurina, lo que impide la segregación de las cromátidas hermanas.
- Punto de control de la separación de cromosomas, al final de la mitosis. En el caso de que fuera incorrecto, se impediría la degradación de la ciclina B por APC.
- Punto de control del daño del DNA, en G1, S o G2. El daño celular activa a p53, proteína que favorece la reparación el DNA, detiene el ciclo promoviendo la transcripción de p21, inhibidor de Cdk, y, en el caso de que todo falle, estimula la apoptosis.
Estas rutas de verificación presentan dos características:
- Son transitorias, desaparecen una vez resuelto el problema que las puso en marcha.
- Pueden caducar si el problema no es resuelto al cabo de un tiempo.
Mitógenos, factores de crecimiento y factores de supervivencia
El proceso de síntesis y ensamblaje de ciclinas/CDK está regulado por tres tipos de factores:
- Mitógenos: estimulan la división celular
- Factores de crecimiento (GF): producen un aumento de tamaño al estimular la síntesis protéica
- Factores de supervivencia: suprimen la apoptosis
Otras señales que regulan el ciclo celular
Tamaño celular
Anclaje al sustrato
Las células en cultivo necesitan anclarse a un sustrato para dividirse. Cuando la matriz extracelular se une a las integrinas de la superficie celular, se activa la quinasa de adhesión focal FAK que promueve la supervivencia, crecimiento y división celular. Las células Los fibroblastos se dividen un número de veces que es inversamente proporcional a la edad del individuo.
Regulación de la mitosis
¿Cómo se replica el DNA una única vez?
Una pregunta interesante es cómo se mantiene la euploidía celular. Sucede que, en la fase G1, la Cdk(ciclina) promueve la adición a los complejo de reconocimiento del origen de replicación del DNA de unos reguladores llamados Cdc6, los cuales reclutan a Mcm, formando un complejo prerreplicativo del DNA, que recluta a la maquinaria de replicación genética. Una vez que se inicia la fase S, la Cdk-S produce la disociación de Cdc6 y su posterior proteólisis, así como la exportación al citosol de Mcm, con lo que el origen de replicación no puede, hasta el ciclo siguiente, reclutar un complejo prerreplicativo (las degradaciones proteolíticas siempren conllevan irreversibilidad, hasta que el ciclo gire). Durante G2 y M se mantiene la unicidad de la estructura de prerreplicación, hasta que, tras la mitosis, el nivel de actividad Cdk caiga y se permita la adición de Cdc6 y Mdm para el ciclo siguiente.
¿Cómo se entra en mitosis?
La ciclina B, típica en la Cdk-M, existe en todo el ciclo celular. Sucede que la Cdk(ciclina) está habitualmente inhibida por fosforilación mediante la proteína Wee, pero, a finales de G2, se activa una fosfatasa llamada Cdc25 que elimina el fosfato inhibidor y permite el aumento de su actividad. Cdk-M inhibe a Wee y activa a Cdc25, lo que produce una retroalimentación positiva que permite la acumulación de Cdk-M.
¿Cómo se separan las cromátidas hermanas?
Ya en mitosis, tras la formación del huso acromático y superación del punto de restricción de unión a cinetocoros, las cromátidas han de eliminar su esqueleto de cohesinas, que las unen. Para ello, Cdk-M favorece la activación de APC, una ubiquitina ligasa, por unión a Cdc20. Esta APC ubiquitiniza y favorece la ulterior degradación en el proteasoma de la segurina, inhibidor del enzima separasa que debe escindir las cohesinas.
¿Cómo se sale de mitosis?
Una vez que los niveles de Cdk-M son altos, parece difícil detener la dinámica de mitosis y entrar en citocinesis: pues bien, esto ocurre porque la APC activada por la Cdk-M, y tras un lapso temporal cuyo mecanismo de control es aún desconocido, ubiquitiniza a la ciclina B, produciendo el cese absoluto de actividad Cdk-M.
El reposo de G1
En la fase G1, la actividad Cdk está muy disminuida porque: APC-Hct1 (Cdc20 sólo actúa en mitosis) elimina toda ciclina B; sea cumulan inhibidores de Cdk; la transcripción de ciclinas se ve disminuida.
Para escapar de este reposo, se deben acumular ciclinas de G1. Esto se controla mediante factores de proliferación celular, señales externas. Los mecanismos moleculares de activación de transcripción de genes de las fases S y G2 necesarios para proseguir el ciclo son apasionantes: éstos genes están regulados por la proteína reguladora E2F, la cual se une a promotores de ciclinas G1/S y S. E2F está controlada pro la rpoteína del retinoblastoma (Rb), la cual, en ausencia de factores tróficos, inhibe la actividad promotora de la transcripción de E2F. Cuando existen señales de proliferación, Cdk-G1 fosforila Rb, que pierde afinidad por E2F, se disocia de éste y permite que se expresen los genes de la fase S. Además, como E2F acelera la transcripción de su propio gen, las Cdk-S y G1/S fosforilan también a Rb y a Hct1 (activador de APC, que degradaría estas ciclinas), se produce una retroalimentación positiva.
Descubrimiento de la regulación del ciclo celular
En el año 2001, Leland H. Hartwell, R. Timothy Hunt, and Paul M. Nurse ganaron el premio Nobel de Medicina y Fisiología por descubrir las ciclinas y las quinasas dependientes de ciclina, las principales moléculas que regulan el ciclo celular, que son universales en todos los organismos eucariotas.
Ciclo celular y cáncer
Se cree que muchos tumores son el resultado de una multitud de pasos, de los que una alteración mutagénica no reparada del ADN podría ser el primer paso. Las alteraciones resultantes hacen que las células inicien un proceso de proliferación descontrolada e invadan tejidos normales.
El desarrollo de un tumor maligno requiere de muchas transformaciones genéticas. La alteración genética progresa, reduciendo cada vez más la capacidad de respuesta de las células al mecanismo normal regulador del ciclo.
Los genes que participan de la carcinogénesis resultan de la transformación de los genes normalmente implicados en el control del ciclo celular, la reparación de daños en el ADN y la adherencia entre células vecinas.
Para que la célula se transforme en neoplásica se requieren, al menos, 2 mutaciones: una en un gen supresor de tumores y otra en un protooncogén, que dé lugar, entonces, a un oncogén.
Véase también
Enlaces externos
Referencias
- Alberts et al (2004). «Biología molecular de la célula». Barcelona: Omega. ISBN 54-282-1351-8.
- Lodish et al. (2005). «Biología celular y molecular». Buenos Aires: Médica Panamericana. ISBN 950-06-1974-3.