CICLO CELULAR Y CANCER, Monografías, Ensayos de Biología Celular

¡Descarga CICLO CELULAR Y CANCER y más Monografías, Ensayos en PDF de Biología Celular solo en Docsity! BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR 1 Seminario 2: Ciclo celular y Cáncer P.C. BIOLOGÍA CELULAR UNIDAD 4: REGULACION CELULAR SEMINARIO N° 2. CICLO CELULAR Y CANCER Trujillo - Perú 2023 - 10 BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR 2 Seminario 2: Ciclo celular y Cáncer P.C. Fecha: 19 de Junio al 01 de Julio del 2023 2. TEMARIO  Ciclo celular. Concepto. El estado de reposo o G0. Fases del ciclo celular: G1, S, G2 y M. Duración y principales acontecimientos en cada una de las fases.  Clasificación de las células de acuerdo a su capacidad de proliferación: células lábiles, quiescentes y permanentes  La mitosis. Fases: profase, prometafase, metafase, anafase, telofase y citocinesis. Principales acontecimientos celulares y moleculares en cada fase de la mitosis.  Genes del Ciclo de División Celular: a. Genes que codifican proteínas para la progresión del ciclo b. Genes que regulan positiva o negativamente.- - Genes que regulan positivamente:  Ciclinas. Características y tipos.  Kinasas dependientes de ciclinas (Cdk). Características y tipos. Regulación de los complejos ciclina/CDK. Actividad del complejo ciclina B/Cdk1 (FPM)  Protoncogenes. Mutación de protoncogenes. - Genes que regulan negativamente:  Genes supresores tumorales o genes de verificación (checkpoint): p53, retinoblastoma (Rb). Alteraciones en genes supresores de tumores.  Inhibidores de kinasas p16, p21.  Puntos de control del ciclo celular.  Características distintivas de las células cancerosas. - Características clásicas: autosuficiencia en las señales de crecimiento, insensibilidad a las señales inhibitorias de crecimiento, evasión de la muerte celular programada, potencial replicativo ilimitado, desarrollo de angiogénesis sostenida, capacidad de invadir y generar metástasis. CICLO CELULAR Y CÁNCER SEMINARIO N° 2 1. Explica los eventos celulares y moleculares que ocurren en la célula eucariota durante las fases G1,S y G2 del ciclo celular. 2. Describe los eventos celulares y moleculares que ocurren en la fase M del ciclo celular. 3. Comprende el sistema de regulación del ciclo celular y los mecanismos moleculares que participan en él. 4. Describe la estructura y función de p53 y sus alteraciones durante el cáncer 5. Comprende los mecanismos por el cual los protoncogenes se convierten en oncogenes 6. Explica los puntos de control del ciclo celular. 7. Conoce las características principales de las células tumorales, que la diferencian del resto de las células del organismo. 1. COMPETENCIAS ESPECÍFICAS BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR 5 Seminario 2: Ciclo celular y Cáncer P.C. embrión temprano el citoplasma del huevo se divide rápidamente en células más pequeñas. En estos ciclos celulares en el embrión temprano no hay fase G1 ni G2 y el ADN se replica rápidamente, por lo que consisten en fases S muy cortas alternando con fases M 2. Como se clasifican las células según su capacidad proliferativa ? La capacidad proliferativa de las células y su potencial de regeneración son dos propiedades relacionadas entre sí que se han empleado para distinguir tres grupos de tejidos adultos: lábiles, estables y permanentes. a. Células lábiles (células en división continua) Estas células entran continuamente al ciclo celular y permanecen proliferando a lo largo de toda la vida, sustituyendo a las células que mueren y manteniendo la homeostasis tisular. Los tejidos que tienen células lábiles son los epitelios de superficie como el de la piel, tracto digestivo, respiratorio, genito-urinario, conductos excretores de todas las glándulas, y el tejido hematopoyético. En la mayor parte de estos tejidos, la proliferación celular proviene de una población de células madre que poseen una capacidad ilimitada de proliferación y cuya descendencia puede seguir diferentes vías de diferenciación. Estos tejidos son muy sensibles a la radiación ionizante y la quimioterapia antitumorales y son muy altamente susceptibles de desarrollar neoplasias. Fig. 2. Tipos de células según su capacidad proliferativa b. Células estables (células quiescentes) Muestran normalmente un índice de replicación bajo. No obstante, pueden desarrollar una división rápida en respuesta a estímulos, por lo que son capaces de regenerar un determinado tejido. Son células que están en fase G0, pero por influencia de señales, sobre todo extracelulares, son estimuladas a regresar a la fase G1 e iniciar un ciclo celular. En este grupo se incluyen células de tejidos del hígado, riñón, páncreas, músculo liso y vascular, así como los fibroblastos. El mejor ejemplo de la capacidad de regeneración de BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR 6 Seminario 2: Ciclo celular y Cáncer P.C. las células estables es el potencial del hígado para regenerarse tras una hepatectomía parcial o después de una lesión ocasionada por agentes químicos y/o agentes virales. c. Células permanentes (células indivisibles) Son tipos celulares altamente especializados, que abandonan el ciclo celular y no pueden desarrollar o realizar una división mitótica en la vida post-natal. A este grupo pertenecen las células del músculo estriado y las neuronas, que se encuentran en un estado G0 irreversible. Estos tejidos presentan una capacidad de regeneración escasa o nula y la muerte de sus células conlleva su sustitución por una cicatriz fibrosa y una pérdida reversible de la función. Por ejemplo, neuronas que han sido lesionadas letalmente se pierden para siempre, y son sustituidas por la proliferación de los elementos de soporte del sistema nervioso central, las células gliales. No obstante, recientemente se han identificado poblaciones de células madre tanto en el tejido muscular estriado como en el tejido nervioso, con capacidad de división y regeneración tisular in vitro. 3. Cuáles son los eventos celulares y moleculares que ocurren en una célula durante la profase y prometafase de la mitosis ? En la mitosis se pueden distinguir morfológicamente las siguientes cinco etapas: profase, prometafase, metafase, anafase, telofase y citocinesis. a. Profase (gr. pro = antes de; phasis = fase ) La profase dura aproximadamente un 40% del tiempo total de la mitosis (~ 24 minutos). Cambios nucleares: En la profase, se produce la condensación de los cromosomas, los cuales están constituidos por dos cromátides hermanas emparejadas en toda su longitud, por lo que son difíciles de individualizar al microscopio. En su tendencia progresiva a la condensación de la cromatina, los cromosomas mitóticos cada vez son más cortos, gruesos y compactos. El empaquetamiento es indispensable para que los cromosomas no sufran alteraciones generadas por el estrés mecánico al que son sometidos debido a los movimientos del huso mitótico durante la segregación cromosómica. La fosforilación de las dos subunidades de las condensinas por la ciclina B/Cdk1 estimula su entrada al núcleo y su asociación con la cromatina. La cromatina que está en fibra de 30nm en interfase comienza a condensarse por la intervención del complejo proteico de condensina y toposiomerasa II, que superenro- llan la fibra de 30nm formando asas de ADN superenrollado a lo largo de cada cromátide. Para mantener unidas a las cromátides hermanas del cromosoma replicado y conden- sado, intervienen otro complejo proteico llamado cohesina, que las mantiene unidas a lo largo de los brazos cromosómicos, dando la apariencia de una sola hebra al cromosoma mitótico temprano. También, las mantiene unidas por el centrómero. La cohesina localizada a lo largo de los brazos se separa en profase y la del centrómero se retiene hasta anafase. El inicio de la condensación se correlaciona con la fosforilación de las histonas H1 por la ciclina B/Cdk1 y la histona H3 por la proteína aurora kinasa B. Cuando la cromatina tiene la mayor condensación del ciclo celular, la transcripción se inhibe. Debido a esto, el nucléolo se disgrega y, en consecuencia, también la traducción se detiene. Cambios citoplasmáticos: El citoesqueleto sufre cambios importantes, los microtúbulos de interfase se desensamblan debido a la modificación de proteínas asociadas a microtúbulos (MAPs), y se reorganizan para contribuir a la formación del huso mitótico. El primer paso para formar el huso mitótico es la aparición o nucleación de microtúbulos alrededor de los centrosomas para formar el áster, cuyos microtúbulos tienen un extremo menos (-) asociado al centrosoma y un extremo más (+) al cual se adicionan dímeros de tubulina a mayor BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR 7 Seminario 2: Ciclo celular y Cáncer P.C. velocidad. Cada áster migra a posiciones opuestas dentro de la célula, estableciendo así los polos celulares a partir de donde se formará un huso mitótico bipolar. Los microtúbulos que se denominarán interpolares, continúan creciendo por su extremo (+) hasta que se encuentran y se superponen con los extremos (+) de los microtúbulos del polo contrario. Otros elementos citoesqueléticos que se desensamblan en la profase incluye a varias, pero no todas, las clases de filamentos intermedios y especializados filamentos de actina, tales como las fibras de estrés. Como resultado de la reorganización del citoesqueleto, muchas células se hacen redondas durante la profase. Esto es particularmente evidente para células cultivadas en un sustrato plano. El retículo endoplásmico y el aparato de Golgi se desintegra en pequeñas vesículas independientes, las que se segregarán en las células hijas y volverán a integrar sus estructuras originales dentro de ellas. El retículo endoplásmico podría no fragmentarse hasta vesículas y, simplemente, segregarse en fragmentos de éste hacia las dos células hijas. La fragmentación del Golgi es llevada a cabo por ciclina B/Cdk1, la cual fosforila la proteína de membrana GM130. El reensamblaje del Golgi empieza durante la anafase, después de la inactivación de la ciclina B/Cdk1. Otros componentes membranosos, como las mitocondrias, lisosomas y peroxisomas no se disgregan y, simplemente se segregan de manera generalmente simétrica a las células hijas. La fosforilación de varias proteínas nucleolares desensambla el nucleólo. La síntesis proteica se detiene como resultado de la acción de ciclinaB/Cdk1. La fosforilación del factor de elongación ribosomal EF2 detiene regularmente la síntesis proteica y el ensamble de nuevos ribosomas. Fig 3. Eventos de la profase de la mitosis b. Prometafase La prometafase dura muy poco tiempo y el rasgo que la caracteriza es la completa desorganización de la envoltura nuclear, con lo que los cromosomas prometafásicos quedan inmersos en el citoplasma y presentan un movimiento activo que los dirige al ecuador celular. El desensamble de la envoltura nuclear involucra la remoción de las dos membranas nucleares, los poros nucleares y la red fibrosa llamada lámina nuclear. Este evento es desencadenado por la fosforilación de las láminas nucleares por la ciclina B/Cdk1, lo que provoca la fragmentación de la envoltura nuclear en pequeñas vesículas que se dispersan a través de la célula mitótica o, bien se integran a fragmentos del retículo endoplásmico y permanecen como una amplia red tubular durante la mitosis. Cualquiera que sea el destino de la membrana, es claro que la lámina B permanece asociada con ella, mientras que las láminas A y C y muchas proteínas de los complejos del poro nuclear son dispersadas como subunidades solubles. BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR 10 Seminario 2: Ciclo celular y Cáncer P.C. Anafase A, se caracteriza por la segregación de los cromosomas. Este proceso implica la digestión sincrónica de las cohesinas que mantienen aún unidas a las cromátides hermanas a nivel del centrómero. El resultado de la anafase A es la rotura del equilibrio de fuerzas al que estaban sometidos los cromosomas, los microtúbulos tiran de la cromátide a la que se encuentran unidos y la aproximas al polo del huso correspondiente. Durante el desplazamiento, el centrómero aparece más cercano al polo que el resto de la cromátida, como si el polo correspondiente tirase de él. Las cromátidas, adquieren así forma de V, con brazos iguales o desiguales, dependiendo del tipo de cromosoma. El desplazamiento de las cromátidas se produce al acortarse los microtúbulos cinetocóricos (por pérdida de tubulinas en los cinetocoros). El desplazamiento de los cinetocoros sobre los microtúbulos que se acortan se realizan mediante proteínas de tipo dineína citoplásmica, que conectan los microtúbulos al cinetocoro y avanzan hacia el extremo (-) de éstos, es decir, hacia los polos. Este proceso requiere hidrólisis del ATP. Los microtúbulos cinetocóricos se acortan hasta 1/3 ó 1/5 de lo que medían en la metafase. Anafase B, se caracteriza por el aumento de la distancia entre los centrosomas y la elongación de las fibras del huso mitótico (hasta el doble de su longitud en la metafase). De esta manera, la célula adquiere una conformación elíptica. El alargamiento del huso se produce por la acción de las proteínas del tipo kinesina, las cuales establecen puentes que unen los microtúbulos polares solapados en el ecuador de la célula y los deslizan hacia el polo del que provienen. En este proceso de elongación intervienen también otras proteínas motoras, que son del tipo dineína citoplásmica; estas proteínas unen los microtúbulos del áster a la membrana plasmática o a proteínas de la corteza celular subyacente, contribuyendo al desplazamiento de los centríolos y ásteres y al alargamiento de la célula. Al final de este período se observan más microtúbulos en el ecuador. Esto es debido al alargamiento de los microtúbulos polares por adición de nuevas tubulinas en sus extremos (+), con el consiguiente entrecruzamiento de los microtúbulos provenientes de un polo con los que vienen del polo opuesto. Fig. 5. Eventos de la anafase de la mitosis 5. Cuáles son los eventos celulares y moleculares que ocurren en una célula durante la telofase y la citocinesis ? a. Telofase (gr. telo = fin) Abarca el 30% de la duración de la mitosis (~18 minutos). Una vez que cada paquete de cromátides llega a los polos de la célula, el huso mitótico se desensambla, los cromosomas comienzan a descondensarse y la envoltura nuclear se reintegra. Básicamente, las células son impulsadas hacia fuera de la mitosis mediante una reversión de los eventos que la impulsaron hacia ella. Como se ha mencionado BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR 11 Seminario 2: Ciclo celular y Cáncer P.C. anteriormente, las células son impulsadas hacia la mitosis por la activación del complejo ciclina B/Cdk1. A continuación, esta enzima fosforila proteínas blanco. Cuando la kinasa es desactivada progresivamente por proteólisis de su subunidad reguladora ciclina B, las proteínas que había fosforilado para inducir estos cambios quedan desfosforiladas. A medida que ocurre esto, los eventos que producen el estado mitótico se revierte de modo gradual. La envoltura nuclear empieza su reensamblaje durante la anafase y se completa durante la telofase. El mecanismo de reensamblaje de la envoltura nuclear está en discusión, debido a que el destino de las membranas nucleares no es claro. Se piensa por un lado, que las membranas nucleares se desensamblan a vesículas discretas y se reconstituyen en torno a los mismas, para integrarse de nuevo en la envoltura nuclear. Por otro lado, las membranas nucleares son absorbidas por el retículo endoplásmico durante la mitosis en células somáticas, por lo que el reensamblaje podría involucrar la difusión de los componentes de membrana dentro de la red membranosa. Los cromosomas muestran tumefacción y se descondensan. Al mismo tiempo, el huso se desmonta y los microtúbulos de los ásteres se hacen más largos y se forma una nueva estructura basadas en microtúbulos llamada cuerpo intermedio en el área entre los dos grupos separados de cromosomas. En la telofase tardía los cromosomas empiezan a transcribir y reaparecen los nucléolos a partir de los organizadores nucleolares. El citoesqueleto se reorganiza y reaparece la forma propia de la célula. b. Citocinesis La citocinesis, o división del citoplasma, es la última fase de la división celular; en ella el citoplasma se divide para dar lugar a dos células hijas completamente independientes. Sin embargo, la citocinesis empieza desde la anafase, cuando se forma, inmediatamente por debajo de la membrana plasmática a nivel del ecuador celular, un cinturón de proteínas filamentosas (anillo contráctil), principalmente actina y miosina que se contraen por deslizamiento de sus filamentos y, dan lugar a un surco de división. Este se va haciendo progresivamente más profundo conforme se aproxima al centro imaginario de la célula, y el radio de su área de sección disminuye, hasta que la cintura que se forma llega a tocar los microtúbulos que aún quedan remanentes del huso mitótico, todo este conjunto de proteínas se conoce como cuerpo intermedio (puente intercelular). El papel primario de esta estructura es regir la etapa terminal de la citocinesis, cuando las dos células hijas se separan por completo. El puente intercelular puede persistir muchas horas, y al citocinesis no se completa sino hasta que finalmente se rompe. En divisiones normales parece haber dos maneras en que el puente puede romperse. En algunos casos, es cortado por fuerzas que se generan conforme las dos células hijas empiezan a migrar en direcciones opuestas. En otros, existe un mecanismo específico en el cual las vesículas suministradas al puente se fusionan para cerrar la brecha entre las dos mitades de la célula. El ensamblaje y al contracción del anillo actina-miosina parece depender (al menos en parte) de la fosforilación de las moléculas de miosina por kinasa activada por rho (del inglés Rho kinase). A su vez, esta enzima es activada por la proteína RhoA, una GTPasa de la familia de Ras que se concentra en el lugar en el que aparece el surco de segmentación. Cuando se completa la división celular, se han producido dos células hijas, más pequeñas que la célula progenitora, pero indistinguibles morfológicamente de ésta. Las células hijas reciben aproximadamente la misma cantidad de organelos citoplásmicos. En células con muchas mitocondrias o peroxisomas, estos organelos, que han proliferado antes de la mitosis, se reparten en partes iguales. Las mitocondrias y el retículo endoplásmico tienden a acumularse alrededor del huso, y los lisosomas en los polos. Parece que los organelos y los fragmentos membranosos se unen a microtúbulos del huso BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR 12 Seminario 2: Ciclo celular y Cáncer P.C. mediante proteínas motoras que, durante la anafase, les permiten dirigirse hacia lo que serán las células hijas. Fig. 6. Eventos de la anafase de la mitosis 6. Cuál son los genes que regulan el ciclo celular? Qué son las ciclinas y kinasas ? La progresión del ciclo de división celular está controlada por un grupo de genes que pueden dividirse en dos grandes grupos: a. Los genes que codifican proteínas necesarias para la progresión del ciclo (como las enzimas y precursores de la síntesis de DNA y las enzimas para la síntesis y ensamblaje de las tubulinas del huso). b. Los genes que codifican proteínas que regulan positiva o negativamente el ciclo celular. Estos genes, a su vez, pueden dividirse en dos tipos: - Genes que regulan positivamente el ciclo. Son los denominados protooncogenes en los mamíferos. Sus productos activan la proliferación celular, consiguiendo que células en G0 salgan de este estado, pasen a la fase S y entren en división. Entre estos genes están los que codifican las proteínas del sistema de ciclinas y quinasas dependientes de ciclinas. Algunos se denominan genes de respuesta temprana, porque se expresan muy rápidamente luego de adición de suero: Muchos de éstos codifican para factores de transcripción, como Fos, Jun y Myc, que activan la transcripción de otros genes llamados genes de respuesta tardía. Un gen de respuesta tardía es una ciclina de G1, la ciclina D. - Genes que regulan negativamente el ciclo. Se denominan genes de verificación o, en los mamíferos, genes supresores tumorales. Las Ciclinas y Kinasas Dependientes de Ciclina. Las ciclinas son una familia de proteínas que, como indica su nombre, son sintetizadas y destruidas durante una determinada fase del ciclo celular, ellas son reguladores claves en la transición del ciclo celular. Las kinasas dependientes de ciclina mantienen sus niveles constantes, mientras su actividad fluctúa a lo largo del ciclo celular, en parte a consecuencia de su asociación con distintas proteínas activadoras de tipo ciclina, que les confieren especificidad de sustrato. Estas oscilaciones de la actividad CDK no sólo dependen de la formación de los complejos Ciclina/Cdk, sino también de procesos de fosforilación y desfosforilación, y de la presencia de proteínas inhibidoras de kinasas, CKI (del inglés Cyclin-dependent Kinase Inhibitor). Las ciclinas y las Cdk constituyen una sola macromolécula con actividad de kinasa; ninguna de las dos son funcionales cuando están separadas. Todas las Cdk están estructuralmente BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR 15 Seminario 2: Ciclo celular y Cáncer P.C. c. Inhibidores de kinasas dependientes de ciclinas. Diversos inhibidores pueden bloquear la actividad de kinasa dependiente de ciclina. Dos familias de proteínas inhibidoras, llamadas inhibidoras de kinasas, CKI (cyclin-dependent kinase inhibitors). Actualmente las CKI se clasifican en dos grupos: la familia de p16 INK (p15, p16, p18, p19) y la familia Cip/Kip (p21, p27 y p57). La familia Ink tiene actividad contra las kinasas Cdk2 y Cdk4. Su mecanismo de acción se basa en la unión a las Cdk bloqueando así su unión a la ciclina. Los Ink actúan para inhibir la progresión a través de G1. Por otra parte, la familia Cip/Kip actúan formando complejos terciarios con las unidades ciclina/CdK y al contrario que las anteriores, parecen interactuar con casi todos los complejos ciclina/Cdk. Además p21 y p57 también se unen al antígeno nuclear de proliferación celular, PCNA (proliferating cell nuclear antigen) que es una subunidad de la DNA polimerasa, con lo que se bloquea su acción y resulta así una inhibición de la síntesis de ADN y la interrupción del ciclo celular. Fig. 9. Regulación de la actividad de los complejos ciclina/kinasa d. Localización subcelular. La célula contiene varios compartimientos distintos en los que las moléculas reguladoras pueden unirse o separarse de las proteínas con las que interactúan. La localización subcelular es un fenómeno dinámico en el que los reguladores del ciclo celular se mueven a distintos compartimientos en diferentes etapas. Por ejemplo, una de las principales ciclinas mitóticas de las células animales (ciclina B1) se desplaza entre el núcleo y el citoplasma hasta G2. Inmediatamente antes del inicio de la mitosis, las señales de exportación nuclear, NES (nuclear export signal) son desactivadas mediante fosforilación, lo que permite que la mayor parte de la ciclina B/cdk1 se acumule en el BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR 16 Seminario 2: Ciclo celular y Cáncer P.C. núcleo. Se supone que la fosforilación bloquea la exportación posterior de la ciclina de regreso al citoplasma. Si la acumulación nuclear de la ciclina se bloquea, las células no inician la división celular. 8. Describa cómo se regula el complejo FPM (ciclina B/kinasa Cdk1) ? El factor promotor de la maduración, MPF (maturation promoting factor) es un dímero constituido por la ciclina B y la kinasa Cdk1. La ciclina B es una subunidad reguladora que se requiere para la actividad catalítica de la CDk1. La regulación del FPM ocurre mediante la fosforilación y la desfos-forilación de Cdk1. En las células de mamífero, la ciclina B es sintetizada y forma complejos con Cdk1 durante G2. A medida que se forman estos complejos, la Cdk1 es fosforilada en dos posiciones reguladoras críticas. Una de estas fosforilaciones ocurre en la treonina-161 (thr 161) y es necesaria para la actividad de la Cdk1. Esta fosforilación es llevada a cabo por el complejo quinasa activadora de Cdk, CAK (Cdk activating kinase). La segunda es una fosforilación de la tirosina-15 (en algunos organismos, también en treonina 14) por la proteína kinasa Wee1 (en español, pequeñita), que inhibe la actividad de Cdk1 y da lugar a la acumulación de complejos de ciclina/Cdk1 inactivos durante la fase G2. La transición de G2 a M se produce mediante la activación del complejo ciclina B/Cdk1 como resultado de la desfosforilación de la treonina-14 y tirosina-15 por la acción de una fosfatasa denominada Cdc25 (cell division cycle 25). El equilibrio entre las actividades de la kinasa Wee1 y la fosfatasa Cdc25, que en condiciones normales determina si la célula perma- nece en G2 o avanza a la mitosis, está regulado por otras kinasas y fosfatasas adicionales. Fig. 10. Regulación de la actividad de los complejos ciclina/kinasa El complejo FPM fosforila aproximadamente 70 sustratos mitóticos que actúan en la separación de los centrosomas, la fosforilación y activación de enzimas reguladoras de la condensación de la cromatina, fosforilación de la histona H1, reorganización del citoesqueleto de microtúbulos y de actina y fosforilación de los residuos específicos de serina en las tres láminas nucleares, lo que causa la rotura de los filamentos de lámina en dímeros individuales de lámina, desencadenando directamente la despolimerización de la lámina nuclear; y la fosforilación de diversas proteínas de la matriz del Golgi (GM130 y GRASP-65) que son necesarias para el acoplamiento de las vesículas recubiertas de COP1 a la membrana del BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR 17 Seminario 2: Ciclo celular y Cáncer P.C. Golgi; su fosforilación inhibe el acoplamiento y la fusión de las vesículas, lo que provoca la fragmentación de dicho aparato. Además, la actividad de Cdk1 provoca la degradación de la ciclina B que se produce por una proteólisis mediada por ubiquitina. Esta destrucción proteolítica de la ciclina B inactiva a Cdk1, lo que lleva a la célula a salir de la mitosis, a sufrir la citocinesis, y a volver a la interfase. Fig. 11. Dianas de la ciclina B/Cdk1 9. Qué es un proto-oncogen ? Cómo se activan los proto-oncogenes a oncogenes ? Un oncogén, es un gen cuya presencia puede desencadenar el desarrollo del cáncer. Los oncogenes codifican proteínas que estimulan la proliferación celular excesiva y/o promueven la supervivencia celular. Ellos surgen por mutación de genes celulares normales denominadas proto-oncogenes. Los proto-oncogenes, son genes celulares normales que realizan contribu- ciones esenciales a la regulación del crecimiento celular y la supervivencia. La activación de los oncogenes implica un incremento en la función de proto-oncogenes que participan en la estimulación del crecimiento, la división y la supervivencia celular. La ganancia de función puede ser a nivel cuantitativo (incremento en la generación del producto inalterado) o a nivel cualitativo (generación de un producto modificado a consecuencia de una mutación o producción de un producto distinto a partir de un gen quimérico creado por reordenamiento cromosómico). En todos los casos los cambios sufridos por los proto- oncogenes son dominantes y normalmente afectan a uno de los dos alelos de un gen. Los protooncogenes pueden ser activados por los siguientes mecanismos moleculares: a. Mutaciones puntuales. La mutación puntual, es la sustitución de un único nucleótido en el ADN que causa la sustitución de un único aminoácido en la proteína codificada por el proto- oncogén normal. Los oncogenes de este tipo que se encuentran con mayor frecuencia son los oncogenes RAS que codifican formas anormales de la proteína Ras. Las mutaciones puntuales crean formas anormales, hiperactivas de la proteína Ras, que provocan que la ruta de Ras esté continuamente activada, conduciendo a una proliferación celular excesiva. Los oncogenes RAS se han detectado en varios cánceres humanos, incluyendo a los de colón, pulmón, mama y vejiga. Las mutaciones que activan los oncogenes se producen a nivel somático. Las mutaciones en células germinales suelen ser letales. b. Amplificación génica. La amplificación de los genes produce aumento del número de copias de un proto-oncogen. Cuando el número de copias génicas aumenta, provoca que la BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR 20 Seminario 2: Ciclo celular y Cáncer P.C. La detención del ciclo celular mediada por p53 puede considerarse la respuesta primordial a un daño del ADN. Se produce tardíamente en la fase G1 y está causada principalmente por la transcripción dependiente de p53 del inhibidor de CDK, la p21. p21 inhibe los complejos ciclina/CDK y la fosforilación de RB, impidiendo así que las células entren en fase G1. Esta pausa en el ciclo celular es bienvenida, porque da a las células un «tiempo de respiro» para reparar el daño del ADN. p53 también ayuda en el proceso mediante la inducción de ciertas proteínas, como detención del crecimiento y daño del ADN, Gadd45 (growth arrest and DNA damage), que ayudan a la reparación del ADN. p53 también puede estimular las vías de reparación del ADN mediante mecanismos independientes de la transcripción. Si el daño del ADN se repara con éxito, p53 regula positivamente la transcripción de MDM2, conduciendo a su propia destrucción y, por tanto, liberando el bloqueo del ciclo celular. Si la lesión no puede repararse, la célula puede entrar en senescencia o sufrir apoptosis, ambas inducidas por p53. La apoptosis inducida por p53 de las células con daño irreversible del ADN es el mecanismo protector final contra la transformación neoplásica. p53 dirige la transcripción de varios genes proapoptóticos, como Bax (Bcl-2 associated X rotein), PUMA (p53-upregulated modulator of apoptosis), NOXA y se reprime la expresión del gen antiapoptótico bcl-2 (B-cell lymphoma 2). No está claro exactamente cómo decide una célula si reparar su ADN o entrar en apoptosis. Parece que la afinidad de p53 por los promotores e intensificadores de los genes de reparación del ADN es más fuerte que su afinidad por los genes proapoptóticos. Por ello, primero se estimula la vía de reparación del ADN, mientras p53 continúa acumulándose. Finalmente, si el daño del ADN no se repara, se acumula suficiente p53 para estimular la transcripción de los genes proapoptóticos y la célula muere. Aunque este esquema generalmente es correcto, también parecen existir importantes respuestas específicas del tipo celular y algunos tipos de células sucumben precozmente a la apoptosis, mientras que otros optan por la senescencia. La senescencia inducida por p53 es una detención permanente del ciclo celular caracterizada por cambios específicos en la morfología y la expresión génica que la diferencia de la quiescencia o detención reversible del ciclo celular. La senescencia requiere la activación de p53 y/o Rb y la expresión de sus mediadores, como los inhibidores de CDK, y generalmente es irreversible, aunque puede requerir la expresión continuada de p53. Como todas las respuestas a p53, la senescencia puede estimularse en respuesta a una variedad de tensiones, como señales oncógenas sin oposición, hipoxia y telómeros acortados. Las células que carecen de p53 no sufren apoptosis en respuesta a agentes que dañan al ADN, incluyendo la radiación y muchos de los principios activos empleados en la quimioterapia contra el cáncer. Este fallo a sufrir apoptosis en respuesta al ADN dañado contribuye a la resistencia de muchos tumores a la quimioterapia. Alrededor de un 50% de cánceres humanos presentan mutaciones en Tp53. La pérdida homocigótica de p53 se encuentra virtualmente en todos los tipos de cáncer, incluyendo carcinomas de pulmón, colon y mama, las tres causas principales de muerte por cáncer. Pero la pérdida de la función de esta proteína no solo puede deberse a una mutación en el gen que la origina, sino que existen otros mecanismos que pueden provocar que la célula carezca de un control tan importante como éste. Un ejemplo bien estudiado es la infección por ciertos virus como el papilomavirus humano (HPV), el cual presenta una proteína temprana denominada E6, la cual se une a la proteína p53 y potencia su degradación mediada por ubiquitina. 11. Describa el papel del gen supresor tumoral Rb La proteína pRb, el producto del gen Rb, es una fosfoproteína nuclear que se expresa de forma ubicua y tiene un papel clave en la regulación del ciclo celular. Rb pertenece a una familia de tres miembros (pRb, p107 y p130), los cuales presentan múltiples sitios que son fosforilados por las Cdks. BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR 21 Seminario 2: Ciclo celular y Cáncer P.C. La función de pRb viene determinada por su situación de fosforilación. Normalmente, los niveles de proteína pRb no se modifican durante el ciclo celular. En una célula que se encuentra en reposo, la pRb permanece hipofosforilada (estado activa), la cual fija el factor de transcripción génico E2F. el factor E2F está a su vez unido a una secuencia específica de nucleótidos en el ADN genómico, impidiendo así la transcripción de ARN mensajeros que codifican para proteínas necesarias para la proliferación celular. Sin embargo, a medida que progresa el ciclo celular, la pRb se va hiperfosforilando (estado inactiva) merced a la acción de los complejos ciclina D/Cdk 4,6 y ciclina E/Cdk2. Así permanecerá durante el resto del ciclo. Las señales mitógenas conducen a la expresión de ciclina D y la activación de complejos de ciclina D-CDK4/6. Estos complejos fosforilan Rb, inactivando la proteína y liberando E2F, permitiendo la expresión de algunos genes que codifican proteínas involucradas en la progre- sión del ciclo celular y síntesis de ADN. Entre los primeros productos que se sintetizan, se encuentran la ciclina E y A. La acumulación de complejos ciclina E/Cdk2 se traduce en una mayor fosforilación de pRb y el aumento de la transcripción de los genes diana de E2F. El sistema está regulado mediante el inhibidor de Cdk, p27, que pertenece a la familia Cip/Kip, que inhiben la actividad de ciclinaE/Cdk2 temprano en G1. De esta forma pRb no se fosforila, inhibiéndose así la transcripción de los genes dependientes de E2F. Por tanto, la sobreexpresión o mutación de ciclinas, CDKs o inactivación de CKIs, conduce a la progresión del ciclo celular y a que se produzcan alteraciones patológicas como el cáncer. Fig. 14. Papel de RB en la regulación del punto de control G 1 -S del ciclo celular. pRb puede ser inactivado por otros mecanismos como, la inactivación genética de Rb, tal y como se observa en el caso del retinoblastoma, o a través de la acción de ciertas onco- proteínas virales, como la proteína E7 del VPH que se une a la forma hipofosforilada de pRb, promoviendo su degradación vía del proteosoma. La unión es particularmente potente para algunos tipos víricos, como el VPH tipo 16, que confieren un alto riesgo para el desarrollo de carcinomas cervicales. Si pRB está ausente (como resultado de mutaciones génicas) o su capacidad para regular los factores de transcripción E2F está descarrilada, se liberan los frenos moleculares del ciclo BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR 22 Seminario 2: Ciclo celular y Cáncer P.C. celular y la célula se desplaza a través del ciclo. Si bien el tumor clásico derivado de la mutación del gen de Rb es el retinoblastoma, se han encontrado mutaciones en el gen Rb en otros tumores humanos, tales como osteosarcomas, cáncer de pulmón, próstata o mama. 12. Cuáles son los puntos de control del ciclo celular ? Las células normales tienen la capacidad de interrumpir el ciclo celular, cuando ocurre un daño celular y se afecta la maquinaria bioquímica o la información genética involucrada en el ciclo. Con el fin de minimizar posibles errores, el ciclo celular posee una red de puntos de control o verificación (en inglés, checkpoint). Los puntos de control son cascadas de señalización que aseguran la estabilidad, la correcta replicación y la distribución adecuada del material genético en las células, además de garantizar el mantenimiento de la homeostasis interna de éstas, fundamentalmente por medio de la regulación de su progresión por el ciclo celular. La célula evalúa su estado y/o las condiciones del medio y detecta posibles aberraciones. Entonces es capaz de detenerse, poner los medios pertinentes para solucionar dichos problemas y proseguir o, por el contrario, activar las cascadas intracelulares de muerte celular programada. Si la célula no muere y queda con un ADN alterado entonces continúa hacia la transformación maligna. La integridad de los diferentes puntos de control se considera clave en el mantenimiento de la estabilidad genética, ya que una de las causas más frecuentes de su activación es, precisamente, la alteración del ADN. Existen tres puntos de control principales, que coinciden con la transición de una fase a otra: el punto G1, el punto G2 y el punto M. a. Punto de control de G1 Se corresponde con la transición de la fase final del período G1 a la fase S. Este punto de control se encarga de: revisar las condiciones del medio buscando factores externos que induzcan el progreso del ciclo celular; revisar que la célula haya crecido lo suficiente; y que el material genético esté intacto. La búsqueda de factores externos es muy importante pues éstos estimulan la síntesis de proteínas como algunas cdk’s y ciclinas, y sin estas la continuación y el control del ciclo celular serían imposibles. Las células que rebasan el punto G1 quedan «comprometidas» a completar el ciclo. De esto deriva que el punto G1sea considerado el inicio del ciclo celular y otros nombres que los designan son punto de restricción o punto R. En cambio, si las células no sobrepasan este punto de control, se detendrán en la fase G1 Fig. 15. Punto de control en el ciclo celular de forma transitoria o permanente (G0). Cuando se estimula una célula para entrar en proliferación por factores externos, tales como hormonas, factores de crecimiento, etc., se inicia una serie de eventos moleculares que la llevarán a pasar el punto R. El punto de restricción se alcanzará siempre que los niveles de ciclina D estén elevados. Las moléculas que participan en el punto de control G1 son: los complejos ciclina D/Cdk4,6, los inhibidores de kinasas p16 y p21 y las proteínas pRb y p53. El complejo ciclina E/Cdk2, se encarga de inactivar a la proteína Rb y de favorecer el trabajo de E2F BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR 25 Seminario 2: Ciclo celular y Cáncer P.C. y la proteína gemación no inducida por benzimidazol, Bub3 (budding uninhibited by benzimidazole). Estas proteínas son constituyentes de los cinetocoros libres que secuestran a la proteína Cdc20 sintetizada al inicio de la mitosis e impiden que se una y active el APC/C. de este modo, la segurina no será marcada para su degradación, la separasa no se liberará y los cromosomas no segregarán hasta que los requerimientos del punto M se satisfagan. Cuando las fibras del huso mitótico se unen a los cinetocoros, Mad2 y Bub3 se desensamblan y dejan de interferir entre Cdc20 y APC/C. Por lo tanto, mientras quede un cinetocoro libre, Mad y Bub bloquea-rán la formación de los complejos APC/C-Cdc20 y, ulteriormente la progresión por el punto M 13. Cuáles son los características “clásicas” de las células tumorales ? En los años 2000 y 2011, Hanahan y Weinberg definieron las características que una célula, inicialmente normal, adquiere en el proceso de transformación tumoral. Las características que poseen las células neoplásicas, son las siguientes: a. Autosuficiencia en las señales de crecimiento. (inglés, sustaining proliferative signaling). Las células normales requieren ciertos factores para su crecimiento, los cuales son transmitidos al interior celular mediante receptores transmembranas que se unen a distintas clases de moléculas de señalización tales como factores de crecimiento difusibles, componentes de matriz extracelular y moléculas responsables de la adhesión célula-célula. Ninguna célula humana normal puede dividirse en ausencia de estas señales estimuladoras. Muchos de los oncogenes que participan en la carcinogénesis actúan simulando el efecto de estas señales de crecimiento. Las células normales en cultivos requieren la suplementación del medio con mitógenos, en el caso de las células tumorales esta dependencia de factores mitógenos externos es muy reducida. Las células tumorales sin capaces de producir sus propias señales de crecimiento, rompiendo de esta manera la homeostasis necesaria para el correcto mantenimiento de los distintos tipos de células dentro de un tejido. Las células generalmente reciben las señales de crecimiento de otro tipo celular. Los tumores esquivan esta dependencia generando sus propias señales de crecimiento. Frecuentemente, presentan alteraciones ya sea en los receptores de factores de crecimiento o en las cascadas de transducción de estas señales. Ain embargo, se ha demostrado que las señales de crecimiento heterotípicas (de distinto tipo celular) son muy importantes para el tumor; esta señales son generadas por células normales del organismo que forman parte del estroma que rodea al tumor, células tales como, fibroblastos, células endoteliales, etc. b. Insensibilidad a las señales inhibitorias de crecimiento. (evading growth suppressors). En el tejido normal existen multitud de señales antiproliferativas que garantizan la homeostasis del tejido y mantienen la quiescencia de las células. Estas señales pueden ser solubles, o estar unidas a la matriz extracelular de las células vecinas. Como pasa con las señales de crecimiento, su acción se realiza mediante la unión a receptores transmembrana y transducción de señal al interior mediante una cascada. Esta cascada desemboca en la proteína del retinoblastoma (pRb). El retinoblastoma es un represor del paso de G1 del ciclo celular. Las células tumorales evitan la quiescencia mediante la reducción del número de receptores o mutaciones de los mismos, pérdida o mutación de Rb1, etc. c. Evasión de la muerte celular programada (apoptosis). (inglés, resisting cell death). El crecimiento desmesurado de las células tumorales no depende sólo de la proliferación celular, de la activación de oncogenes promotores del crecimiento o a la inactivación de genes supresores del crecimiento tumoral, sino también depende de una muerte programada o apoptosis reducida. La apoptosis puede desencadenarse por diferentes BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR 26 Seminario 2: Ciclo celular y Cáncer P.C. señales, la cuales pueden ser fisiológicas o por estimulaciones exógenas ambientales. Estas señales pueden actuar sobre receptores de superficie y causar la activación en cascadas de proteínas citoplasmáticas; ello trae como resultado la activación de un programa genético que conduce generalmente a la nucleólisis por acción de las endonucleasas. La p53 es el sensor y regulador principal de la apoptosis. p53 se ha visto que está inactiva en un 50% de los cánceres humanos. Muchas células tumorales aumentan la expresión de factores antiapoptóticos, como Bcl-2, e inhiben la de factores proapoptóticos, como Bax, por lo que alteran el balance normal que se requieren para inducir la muerte celular. Fig. 18. Características “clásicas de las células tumorales. d. Potencial replicativo ilimitado (inglés, enabling replicative inmortality). Las células normales tras un número limitado de divisiones entran en senescencia. En estado de crisis se da una muerte celular masiva, además aparecen reorganizaciones cromosómicas originadas por la fusión entre cromosomas y debidas principalmente al acortamiento de los telómeros. Una de cada 107 células adquiere la capacidad de dividirse sin límite, esta capacidad se denomina inmortalización. Esta inmortalización se logra mediante la activación de la telomerasa, que restaura los telómeros, evitando que se acorten en cada división. La telomerasa es una transcriptasa reversa que añade nuevas secuencias de ADN en los telómeros. Los telómeros consisten de muchas repeticiones de una secuencia de seis pares de bases (TTAGGG), asociadas a un complejo de proteínas llamadas “caperuzas”, que protegen a las secuencias teloméricas. La telomerasa es detectada en aproximadamente el 90% de los tumores malignos. e. Desarrollo de angiogénesis sostenida. (inglés, inducing angiogenesis). Todas las células requieren para su correcto desarrollo oxígeno y nutrientes. Los tumores en desarrollo para progresar a un mayor tamaño necesitan de un sistema vascular desarrollado. Para ello los tumores en crecimiento adquieren capacidad angiogénica. Los tumores presentan un expresión elevada de determinadas factores de crecimiento, el factor de crecimiento endotelial vascular (VRGF, vascular endotelial growth factor) y factor de crecimiento de fibroblastos (FGFs, fibroblast growth factor) en comparación a los tejidos normales. Estas proteínas son moléculas inductoras de angiogénesis. La angiogénesis o vascularización consiste en la capacidad que tiene un tejido para formar una red vascular propia mediante el desarrollo de nuevos vasos sanguíneos a partir de vasos preexistentes. BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR 27 Seminario 2: Ciclo celular y Cáncer P.C. f. Capacidad de invadir y generar metástasis (inglés, activating invasion and metastasis). Tarde o temprano en el desarrollo de la mayoría de tumores, algunas células adquieren la capacidad de invadir tejidos adyacentes o moverse a lugares más lejanos y dar lugar a nuevas colonias de células tumorales. Estos nuevos tumores lejanos, las metástasis, son la causa de muerte de un 90% de los casos. La adquisición de ésta capacidad por parte de las células tumorales viene dada principalmente por cambios en las moléculas de adhesión célula-célula, como las cadherinas o inmunoglobulinas, o moléculas de adhesión célula- matriz extracelular, como las integrinas. La propagación ocurre por invasión de los vasos sanguíneos o vasos linfáticos, o debido a que las células cancerosas penetran la cavidad corporal o espacios alrededor de órganos. 14. Cuáles son los características “emergentes” y “promotoras” de las células tumorales ? A las propiedades “clásicas” se han añadido otras dos llamadas “emergentes” a. Reprogramación del metabolismo energético. (inglés, deregulating celular energetics). La proliferación celular crónica y descontrolada de las células cancerosas no sólo está causada por una desregulación en el control de la proliferación celular, sino también por un ajuste en el metabolismo energético que permite la mayor tasa de crecimiento y división que tiene lugar en este tipo de células en comparación con las células sanas. Las células cancerosas son capaces de reprogramar su metabolismo y la producción de energía incluso en presencia de oxígeno, favoreciendo la glicólisis y limitando el transporte de piruvato a la mitocondria. Este fenómeno se denomina “glicólisis aeróbica” Este tipo de metabolismo provoca que los intermediarios formados durante la glicólisis formen parte de rutas anabólicas, como aquellas en las que se sintetizan nucleósidos y aminoácidos. Esto facilita la biosíntesis de macromoléculas y orgánulos, necesarios para la formación de nuevas células. b. Evasión del sistema inmune (inglés, avoiding inmune destruction), Según la teoría de la vigilancia inmunológica, las células y tejidos se encuentran monitorizados por el sistema inmune constantemente. Esta vigilancia es responsable de reconocer y eliminar la mayor parte de las células cancerosas emergentes, funcionando como una barrera e impidiendo la formación y progresión de un tumor. Acorde con esta teoría, los tumores sólidos que logran evadir la detección por parte del sistema inmune o que consiguen limitar el alcance del mismo consiguen proliferar. Un ejemplo de ello es que las células cancerosas podrían paralizar las células natural killers y los linfocitos T citotóxicos CD8+ mediante la secreción de factor de crecimiento transformante beta (TGF-  u otros factores inmunosupresores. Aparte de estas, se han añadido un par de características “promotoras”, que originan y posibilitan el desarrollo de las propiedades tanto “clásicas” como “emergentes”. Estas son: c. Inestabilidad genómica. (inglés, genome instability). Las células tumorales presentan un índice de mutaciones muchísimo más elevado que las células normales. La inestabilidad genómica explicaría el alto número de mutaciones que se observan en los tumores y facilitaría la evolución tumoral en un entorno de presiones selectivas. La inestabilidad genómica se ha propuesto como motor de la tumorigénesis. d. Inflamación promotora de tumor (inglés, tumor-promoting inflammation), El sistema inmune responde ante cualquier amenaza para la homeostasis del organismo. En el caso de un tumor emergente, éste actúa para erradicar el tumor. Sin embargo, la respuesta inflamatoria resultante, llevada a cabo mayoritariamente por parte del sistema inmune innato, tiene un efecto positivo en la tumorigénesis mediante la liberación por parte de las células cancerosas de moléculas bioactivas al microambiente tumoral.