Regulacion celular

Introducción.

El control primario de la división celular se encuentra en la regulación del momento de la replicación del DNA nuclear y la mitosis. Controladas por proteincinasas heterodiméricas que contienen una subunidad reguladora (ciclina) y una catalizadora (cinasa dependiente de ciclina).

Panorama general del ciclo celular y su control.

El ciclo celular presenta una serie ordenada de acontecimientos macromoleculares que llevan a la división celular y a la producción de dos células hijas, con cromosomas idénticos a los de la madre. La duplicación de cromosomas paternos se realiza en la fase S del ciclo. El ciclo deberá ser controlado para cuidar que la replicación de cromosomas y su segregación a las células hijas se lleve en un orden apropiado y con alta fidelidad. Se divide en cuatro fases M (mitosis), G1 (periodo entre mitosis y la replicación del DNA nuclear), S (período de síntesis/replicación del DNA nuclear) y G2 (periodo entre finalización de la replicación y la mitosis). El ciclo es regulado por complejos de ciclina-CDK, compuestos por una subunidad de ciclina reguladora y una cinasa dependiente de ciclina catalizadora, estos se sintetizan durante las fases S y G2 pero sus actividades se mantienen inhibidas por la fosforilación de los sitios inhibitorios hasta que se completa la síntesis de DNA. Durante la mitosis el complejo promotor de anafase (APC) una ubicutina ligasa compuesta por varias subunidades genera poliubicuitinación de proteínas reguladoras clave, marcándolas para la degradación por los proteosomas.

Los complejos difusibles ciclina CDK mitóticos producen condensación de cromosomas y fragmentan la envoltura nuclear en las fases G1 y G2 cuando se fusionan con células mitóticas. Sin embargo en fase S estimulan la replicación del DNA en los núcleos de las células en G1 cuando se fusionan con células de fase S.

Las levaduras de gemación Saccharomyces cerevisiae y Schizosaccharomyces pombe fueron especialmente útiles para el aislamiento de mutantes, las cuales muestran alteraciones en la regulación del ciclo (mediante identificación de genes). Además de la posterior realización de estudios bioquímicos con huevos de anfibios e invertebrados y embriones tempranos provenientes de huevos fecundados de forma sincronizada.

Estudios bioquímicos con ovocitos, huevos y embriones tempranos.

Los estudios de maduración de ovocitos (rana Xenopus laevis) permitieron identificar factores que inducen a la mitosis, los ovocitos se detienen en G2 y se extraen del ovario de una rana hembra adulta, se tratan con progesterona sufriendo una maduración meiótica, hasta llegar a meiosis II. Esto permitió genrar el factor promotor de maduración MPF, que es un proteincinasa que requiere una ciclina mitótica para su actividad, la cual es estimular el comienzo de la mitosis al fosforilar varios sustratos proteicos específicos.

En las células en división sincronizada de embriones tempranos de la rana Xenopus y el erizo de mar, la concentración de ciclinas mitóticas (ciclina B) y la actividad del MPF aumentan a medida que las células ingresan en mitosis y luego disminuyen al salir de ellas. El incremento y decremento de la actividad de MPF durante el ciclo celular es el resultado de la sintesi y degradación de la ciclina mitótica.

El complejo promotor de la anafase (APC) compuesto por numerosas subunidades es una ligasa de ubicuitina que reconoce la secuencia conservada de una caja de destrucción de las ciclinas mitóticas y promueve la poliubicuitinación para marcar así las proteínas para su degradación rápida en los proteasomas. La disminución resultante de la actividad del MPF lleva a finalizar la mitosis. La actividad de ligasa de ubicuitina del APC es controlada de forma que en las ciclinas mitóticas sólo se produzca poliubicuitinación durante la anafase tardía. Al quedar inactivado el APC en G1 se genera una acumulación de ciclinas mitóticas durante el ciclo celular siguiente, esto produce por ende el aumento o disminución de ciclos en la actividad del MPF al causar la entrada y salida de la mitosis.

Estudios genéticos en S. pombe.

En la levadura de fisión S. pombe, el gen cdc2+ codifica una proteincinasa dependiente de ciclina (CDK) que se asocia con una ciclina mitótica codificada por el gen cdc13+. El heterodímero ciclina CDK mitótico resultante es equivalente al factor promotor de la maduración (MPF) de Xenopus. Los mutantes que carecen de ciclina mitótica no entran en mitosis y por lo tanto forman células largas. La actividad de proteincinasa del complejo mitótico ciclina-CDK (MPF) depende del estado de fosforilación de dos residuos presentes en la subunidad catalizadora CDK tales como treonina-161 y tirosina 15. La actividad máxima cuando la treonina 161 está fosforilada y se inhibe por la fosforilación de la tirosina-15 catalizada por Wee1, que interfiere en la unión correcta del ATP. Este fosfato inhibidor es eliminado por la fosfatasa de proteínas Cdc25. Una disminución en la actividad de Wee1 y un aumento en la actividad de Cdc25, que producen la activación del complejo ciclina-CDK mitótico, tienen como resultado el inicio de la mitosis. El complejo ciclina A-CDK2 humano es similar al MPF de Xenopus y S. pombe. Los estudios estructurales con proteínas humanas revelan que la unión de la ciclina a CDK2 y la fosforilación de la treonina activadora la cual es equivalente a la treonina-161 de la CDK de S. pombe, producen cambios de conformación que exponen el sitio activo y modifican la superficie de unión al sustrato para que tenga alta actividad y afinidad por el sustrato proteico.

Mecanismos moleculares de regulación de los eventos mitóticos.

Al principio de la mitosis, la fosforilación catalizada por MPF de las laminas A, B y C, de las nucleoporinas y las proteínas de la envoltura nuclear internas produce la despolimerización de los filamentos de la lámina. Y la disociación de los poros nucleares en subcomplejos de poro, lo que conduce a la fragmentación de la envoltura nuclear y su retracción en el RE. La fosforilación de los complejos de condensina por el MPF o una cinasa regulada por el MPF promueve la condensación de los cromosomas al principio de la mitosis. Las cromátidas hermanas formadas por la replicación del DNA en la fase S están unidas por el centrómero por compuestos de cohesina que contienen proteínas SMC que se unen al DNA y otras proteínas. Al comienzo de la anafase, APC es dirigido por Cdc20 a poliubicuitinar la securina, la cual, como consecuencia, es degradada por los proteasomas. Esto activa la separasa, que divide una subunidad de cohesina y libera así las cromátidas hermanas.

...