CICLO CELULAR Y MUERTE CELULAR PROGRAMADA INTRODUCCIÓN , Apuntes de Biología

¡Descarga CICLO CELULAR Y MUERTE CELULAR PROGRAMADA INTRODUCCIÓN y más Apuntes en PDF de Biología solo en Docsity! CICLO CELULAR Y MUERTE CELULAR PROGRAMADA * INTRODUCCIÓN La capacidad de reproducirse es la característica que más intuitivamente asociamos a lo vivo, a las células. La única forma de generar nuevas células es a través de la división de células preexistentes. Es este un principio que forma parte integrante de la Teoría Celular establecida hacia la mitad del siglo XIX: Toda célula proviene de otra célula preexistente (atribuído este aserto a R. Virchow, 1858) Las células se reproducen a través de una secuencia ordenada y concatenada de eventos, procesos o fases, que por ahora resumiremos en Interfase y Mitosis, que se denomina CICLO CELULAR o Ciclo de División Celular. A través de este ciclo las células duplican su genoma y sus contenidos intracelulares, se divide y reparten lo duplicado en dos células hijas. Este ciclo de duplicación y división es substancialmente el mismo para todas las células aunque difiere en los detalles en distintos tipos celulares y en distintos organismos. Para organismos unicelulares ésta es la forma de reproducirse. En el caso de organismos multicelulares la reproducción está a cargo de células especializadas, los gametos. Ciclos de división celular son, sin embargo, necesarios para el desarrollo del organismo, para el crecimiento y para la homeostasis de los tejidos o recambio celular. En una segunda parte de este tema hablaremos de Muerte Celular Programada: Proliferación celular y muerte celular, procesos ambos necesarios para la renovación celular en los tejidos (homeostasis de los tejidos) Las células no están proliferando de forma continuada: Por falta de nutrientes en unos casos y por ausencia de las señales oportunas, en otros. Los microorganismos proliferan si las condiciones nutritivas y físicas ambientales son adecuadas. Las células de un organismo multicelular viven en un medio homeostatizado en relación a nutrientes y, sin embargo, no proliferan a menos que reciban las señales oportunas (GFs), de acuerdo con las necesidades del organismo. Las células en organismos multicelulares una vez diferenciadas se apartan temporal o definitivamente del ciclo celular. Proliferación y diferenciación celular suelen estar inversamente correlacionados. En este tema nos vamos a enfocar básicamente en el sistema de control del ciclo celular. Este sistema está basado en interruptores moleculares Cdks y Complejos Poliubiquitinilantes- que garantizan la progresión ordenada de las distintas fases del ciclo celular y la no regresión de las fases. Y también, que la progresión se dé sólo tras completar la fase previa. Este sistema de control está, a su vez, modulado por señales provenientes del medio intracelular y extracelular. No opera, por lo tanto, como un mero temporizador. La proliferación celular regulada de acuerdo a señales provenientes del medio extracelular resulta básica en organismos multicelulares ya que el ciclo de división celular de cada célula está ajustado a las necesidades del organismo. I.- CICLO CELULAR 1- Fases del ciclo celular - La función básica o esencial del ciclo celular consiste en formar réplicas exactas del DNA o genoma de las células y distribución de las dos réplicas en las dos células hijas que serán por ello genéticamente idénticas. La duración del ciclo celular es muy variable: Desde unos 90-120 Biología Celular e Histología. Grupos C y E. 2013-14. Biológicas UCM. M. Bañuelos calvo minutos en levadura hasta unas 24 horas en células de mamífero. Independientemente de su duración la secuencia de eventos que constituyen el ciclo celular deben de darse a su debido tiempo y siguiendo el mismo orden en todos los tipos celulares. - Ciclo celular→Secuencia ordenada de fases o eventos a través de los cuales la célula crece ( aumenta de volumen, masa, contenido de proteínas, número de algunos de sus orgánulos ≈ duplica sus contenidos ) y replica sus cromosomas -su genoma- y posteriormente reparte/segrega su citoplasma y las dos dotaciones cromosómicas en dos células hijas. - Quedan así definidos dos fases o estadíos del ciclo celular: Interfase ( crecimiento y replicación del genoma ) y Mitosis ( reparto/segregación de contenidos y genoma). - Dos ciclos superpuestos: . Ciclo de los cromosomas o del genoma: Replicación en la fase S de la Interfase y segregación durante la Mitosis . Ciclo del citoplasma/masa celular: Crecimiento en la Intefase y reparto a través de la Citoquinesis. Los dos ciclos quedan evidenciados en el experimento de la Figura siguiente: a) INTERFASE ( Ver Figura general del CC con las distintas fases) - Período entre mitosis, decepcionante a microscopía óptica pero de intensa actividad bioquímica o fisiológica. Una forma de resumir esto sería afirmando que un determinado tipo de células es tal y lleva a cabo funciones de tal en interfase o en estado Go. - Duración, muy variable según tipos celulares, considerablemente mayor que Mitosis. - Período de crecimiento continuado durante todas las fases de la Interfase, lo que supone: Expresión de genes, síntesis de proteínas y aumento de volumen celular, de la masa y, en general, de contenido celular. - Contraposición Mitosis/Interfase bajo microscopía óptica. La mitosis con todas sus fases es observable/describible por microscopía óptica. El núcleo interfásico no presenta procesos/actividades reseñables a través de microscopia óptica. - Interfase y Mitosis bajo el punto de vista fisiológico y metabólico. La inversa cabe decir aquí: La actividad bioquímica/fisiológica -expresión de genes, síntesis de proteínas y, genéricamente, crecimiento, durante interfase. Durante Mitosis/Citoquinesis la célula parece ocupada en segregar/repartir dos dotaciones cromosómicas y el contenido del citoplasma en dos células hijas. Biología Celular e Histología. Grupos C y E. 2013-14. Biológicas UCM. M. Bañuelos calvo - Diversos puntos de control a lo largo del CC caracterizados: * PUNTO DE RESTRICCIÓN: Avanzada la fase G1 las células monitorizan el tamaño celular, el estado de los cromosomas y señales proliferativas del medio y se embarcan en un ciclo de división celular (S y M ) o, en caso contrario, alargan su permanencia en G1. Es el punto de control básico y fundamental del ciclo celular. Pasado este punto las células queda determinadas o comprometidas a completar un ciclo de división celular. Es clave, por lo tanto, que no se pase si no se dan las condiciones apropiadas: Señalamiento por los factores de crecimiento -GFs- apropiados en células animales, existencia de nutrientes, crecimiento/tamaño apropiado. * Puntos de chequeo : - Retraso en G1 si hay daño en el DNA - Retraso en G2 si hay daño en el DNA o si éste está incompletamente replicado - En Metafase: chequeo si todos los cromosomas están unidos al huso mitótico y perfectamente alineados en la placa metafásica * Operan –los puntos de chequeo- como un sistema de frenos. Son clave para garantizar la integridad del genoma. Existe una diferencia notable en relación al punto de restricción en el ciclo celular de organismos unicelulares y el de las células de un organismo multicelular. Mientras que los primeros crece, proliferan mientras las condiciones nutritivas y ambientales –T, p. ej.- lo permitan, las células de un organismo multicelular no crecen/proliferan a menos que reciban las señales oportunas _GFs- aunque las condiciones nutritivas se lo permitieran. Téngase presente que las células viven en un medio homeostatizado en relación a nutrientes y a otros factores. En los primeros las señales para pasar serán la existencia de nutrientes en le medio y el haber adquirido un tamaño adecuado. Para las segundas no basta con tener un tamaño mínimo crítico sino que deben de recibir las señales adecuadas para pasar R. Esas señales –GFs- suelen ser varias y distintas para cada tipo celular. En el caso de los organismos multicelulares el control de la proliferación celular es fundamental para mantener tanto el funcionamiento como la estructura del organismo en general. Las células deben de dividirse en función de las demandas del organismo y para ello, sólo cuando estén debidamente señaladas. 3- División celular Tras las actividades biosintéticas de la interfase y de haber adquirido un tamaño mínimo crítico las células segregan o reparten las dos dotaciones cromosómicas en dos núcleos –Mitosis- y el resto del contenido citoplásmico en dos células hijas –Citoquinesis-. Citoquinesis sigue, excepto en ciertos casos de mitosis sin citoquinesis, a la Mitosis y ambas constituye lo que usualmente y aquí se denomina fase M –de mitosis- o división celular. El citoesqueleto cumple una función fundamental e indispensable: Durante la Mitosis el Huso mitótico, formado por microtúbulos, segrega las dos dotaciones cromosómicas y el anillo contráctil formado por F-Actina es responsable de la división de la célula en dos o de la citoquinesis. En células vegetales el mecanismo de división en dos es diferente y está dirigida por una estructura microtubular denominada fragmoplasto. a) Replicación de centrosomas y cromosomas durante la fase S Antes de entrar en la fase M las células replican sus cromosomas y el centrosoma durante la fase S de la Interfase. Ya hemos comentado que la replicación del cromosoma implica no sólo la replicación de las distintas moléculas de DNA sino su asociación a histonas. Esto supone la síntesis de una cantidad de histonas equivalente a la de partida y la formación de nuevos nucleosomas. El centrosoma ( ver tema del Citoesqueleto) está formado por una matriz proteica con Biología Celular e Histología. Grupos C y E. 2013-14. Biológicas UCM. M. Bañuelos calvo pericentrina y cientos de moléculas de γ-Tubulina que actúan como MTOCs. En células animales existe además un par de centriolos. El mecanismo de replicación de centrosomas con centriolos incluidos está poco conocido. Una vez replicado las dos copias del centrosoma se mantienen en un lado o polo del núcleo: Al entrar en M cada uno de ellos con MTs cortos y dinámicos radiando –áster- migran a polo opuestos del núcleo y forman el Huso Mitótico que, como comentaremos, se completará en prometafase. Al establecerse en polos opuestos del núcleo establecen la bipolaridad necesaria para la segregación posterior de las dos dotaciones cromosómicas a polos opuestos de la célula. Aunque no se llevan a cabo en M conviene mencionarlas porque la mitosis no tiene sentido sin estas replicaciones previas. b) Mitosis Tradicionalmente dividida en seis fases: Profase, prometafase, metafase, anafase, telofase y citoquinesis. Al describir las distintas fases de la mitosis no debe de perderse de vista su doble función o finalidad: Segregar no sólo dos dotaciones cromosómicas sino también el contenido citoplásmico en dos células hijas. Y, por lo tanto, cómo cada fase contribuye a estos dos objetivos. Profase - Marca su inicio la aparición de cromosomas condensados visualizables a microscopía óptica de forma individualizada. - Replicados en la fase S las dos réplicas de cada cromosoma –cromátidas- se mantienen unidas desde entonces mediante complejos proteicos en forma de anillo denominados cohesinas ( formados por proteínas SMC y no SMC) en la zona de céntromero y todo a lo largo de los cromosomas. - Complejos proteicos denominados condensinas (formados por otras proteínas SMC y no SMC) también en forma de anillo contribuyen al máximo grado de condensación de los cromosomas. Este grado de condensación posibilita la segregación de cada réplica o copia a polos puestos de la célula. Resulta inimaginable desplazar los cromosomas hacia esos polos en un estado más descondensado como en interfase: Se enmarañarían unos con otros y se romperían. Este grado de condensación es tal que se inhibe la transcripción de genes. La síntesis de proteínas y el transporte vesicular quedas igualmente bloqueados. - Los centrosomas migran sobre la superficie de la envoltura hasta polos opuestos del núcleo. Se empieza a formar el Huso mitótico y se establece así la bipolaridad de Biología Celular e Histología. Grupos C y E. 2013-14. Biológicas UCM. M. Bañuelos calvo la célula indispensable para la segregación de cromosomas y contenido citoplásmico. Proteínas motor asociadas a MTs, dineínas y kinesinas, son los motores para esta migración. - Se ensamblan dos complejos proteicos en forma de disco, uno por cromátida, a lados opuestos – 180º- del centrómero, los cinetocoros. Prometafase - Marca el inicio de la prometafase la desaparición de la envoltura nuclear y, por ende, del núcleo como tal. En algunos casos la EN se vesiculariza al quedar la doble membrana fragmentada en múltiples y pequeñas vesículas membranosas. En otros la EN queda reabsorbida por el RE. La lámina nuclear que actúa de soporte desde el nucleoplasma se despolimeriza y desaparece; las Lamina A y C se solubilizan en el citosol mientras que la Lamina B al ser una proteína integral no transversal queda unida a la membrana de las vesículas. Los NPCs se desensamblan en subcomplejos, se desligan de la EN y pasan al citosol. - El RE, dependiendo de tipos celulares, permanece como tal en algunos casos mientras que en otros se vesiculariza también. El Golgi sigue la suerte del RE ya queda reabsorbido por éste. - La vesicularización de estos orgánulos podría facilitar el reparto. Cuando el RE no se fragmenta es lo suficientemente grande como para que al dividirse la célula el plano de división atrape a este orgánulo de forma que quede dividido más o menos equitativamente para las dos células hijas. Mitocondrias y cloroplastos además de ser numerosos tienen capacidad de crecer y dividirse en dos así que su reparto aunque no sea exactamente equitativo no representa ningún problema. - El Huso Mitótico invade la zona central de la célula hasta ahora ocupada por el núcleo. Debido a la alta inestabilidad dinámica que presentan ahora los MTs del Huso se facilita la captura y unión de los extremos (+) de los MTs y la unión de éstos a los cinetocoros: Debido a ella el huso actúa como si estuviere monitorizando/explorando el citosol y esto aumenta la probabilidad de toparse con los cinetocoros y unirse a ellos. Un vez ligados disminuye la inestabilidad dinámica en los MTs cinetocóricos. Biología Celular e Histología. Grupos C y E. 2013-14. Biológicas UCM. M. Bañuelos calvo Telofase - Una vez que las dos dotaciones cromosómicas idénticas han alcanzado los polos la célula sale de Mitosis a través de Telofase y Citoquinesis. - En Telofase se revierten los procesos que ocasionaron la entrada en Mitosis: Se desensambla el huso mitótico y se forma la red de MTs interfásicos (esto no se completará hasta completada la citoquinesis ). - Los cromosomas se descondensan a nivel de cromatina interfásica, con lo que puede iniciarse la transcripción de genes y la síntesis de proteínas. - Re-ensamblaje de la EN, con la Lámina nuclear y los NPCs. Re-ensamblaje también del RE y del Golgi. Re-inicio del tráfico vesicular. Citoquinesis - Durante la citoquinesis la célula se divide en dos repartiendo el contenido celular en las dos células hijas. - El plano para la citoquinesis queda determinado por el huso mitótico: Plano perpendicular a los MTs polares que quedan y localizado a medio camino entre los dos ásteres. Éstos señalan dónde debe de formarse el anillo contráctil de la citoquinesis aunque se desconoce el mecanismo molecular de cómo esto se lleva a cabo. Biología Celular e Histología. Grupos C y E. 2013-14. Biológicas UCM. M. Bañuelos calvo El anillo contráctil de la citoquinesis se forma justo por debajo de la membrana plasmática a medio camino entre los dos ásteres. Este anillo (ver tema del Citoesqueleto) se contrae, produce un surco o hendidura que va progresando con la contracción y acaba por estrangular la célula en dos. El anillo se va acortando y se desensambla tras la citoquinesis. Citoquinesis en células vegetales En células vegetales la citoquinesis se produce de forma diferente. - Se forma una pared celular que separa el citoplasma en dos y origina así dos células hijas. - Una estructura microtubular, formada por MTs polares residuales tras Anafase, denominada fragmoplasto, es en este caso la responsable de la citoquinesis. Biología Celular e Histología. Grupos C y E. 2013-14. Biológicas UCM. M. Bañuelos calvo - Estos MTs sirven de carriles para el transporte de vesículas provenientes del Golgi con materiales para la formación de las paredes. - Las vesículas se fusionan en la zona central del fragmoplasto: Con sus contenidos se va formando la pared y con su membrana la membrana plasmática que separará las dos células - La estructura va progresando hasta que se consigue separar el citoplasma y formar dos células. En ciertos puntos el RE queda atrapado entre las dos células originando los desmotúbulos de los plasmodesmos. 4.- Control del Ciclo Celular El ciclo celular está gobernado por un sistema que controla la progresión ordenada de las fases del ciclo, la no regresión de las fases y la coordinación de los dos ciclos superpuestos (ciclo del genoma o del núcleo y ciclo del citoplasma o crecimiento celular) El sistema de control depende de Proteín-kinasas especiales que se activan cíclicamente por ciclinas, Cdks o Proteín kinasas dependientes de ciclinas. También están implicados otros complejos proteicos poliubiquitinilantes que marcan ciertas proteínas para su degradación en proteasomas. a) Cdks y Ciclinas Las Cdks actúan como los principales interruptores moleculares que aseguran la secuencia ordenada y rígida de las fases del ciclo celular. Son heterodímeros de dos proteínas: Una Proteín kinasa y una ciclina. La ciclina actúa como subunidad reguladora de la proteín kinasa y es necesaria para la correspondiente actividad de la Cdk. Necesaria para su actividad pero usualmente no suficiente: Otros factores adicionales regulan la actividad de las Cdks. La Cdk es la subunidad catalítica del heterodímero. Activada, lleva a cabo la reacción de fosforilación de proteínas específicas o diana: Transfieren un fosfato del ATP a una cadena lateral de Ser o Thr de la proteína diana y se une covalentemente a ella. El “encendido”/activación de las Cdks depende en primera instancia de la presencia de la correspondiente ciclina en el citosol. La concentración de las ciclinas varía cíclicamente a lo largo del ciclo celular. Se sintetizan en períodos o fases discretos del ciclo celular, se van así acumulando y se degradan en otra fase. La actividad de cada Cdk varía así cíclicamente a lo largo del ciclo por depender de la correspondiente ciclina para su actividad. Al degradarse la ciclina la Cdk correspondiente pasa necesariamente a su estado inactivado. Es de señalar que las Cdks están presentes de forma constitutiva a lo largo del ciclo celular: No experimentan como las ciclinas ciclos de síntesis, acumulación y posterior degradación. La fosforilación de proteínas específicas o diana por los heterodímeros Ciclina-Cdk activados tiene como resultado genérico el modificar la actividad de estas proteínas y así la progresión ordenada del ciclo celular. Distintos complejos o heterodímeros Cdks-Ciclina fosforilan en distintas fases del ciclo a distintas proteínas diana y aseguran así la entrada y la progresión en las distintas fases del ciclo celular ( ver Tabla). Las Cdks en células animales se distinguen unas de otras por un número: Cdk1, Cdk2, Cdk4, Cdk6; las ciclinas, por letras mayúsculas, A, B, D, E. Biología Celular e Histología. Grupos C y E. 2013-14. Biológicas UCM. M. Bañuelos calvo -Fosforilación de otras proteínas conlleva a los múltiples procesos que describimos anteriormente en relación al RE/Golgi, a la despolimerización de la red de MTs de interfase, a la formación del Huso mitótico y a su funcionamiento y a la inhibición del tráfico vesicular. La fosforilación de éstas y de otras muchas proteínas induce todos los eventos o procesos complejos que suponen la entrada en M y la progresión desde Profase hasta Metafase. c) Anafase y salida de Mitosis La entrada en Anafase se induce cuando el complejo poliubiquitinilante APC/C- Cdc20 se activa (APC, complejo promotor de Anafase/Ciclosoma). Es un complejo poliubiquitinilante. Recuérdese que poliubiquitinilar es unir covalentemente varias moléculas de un péptido que se denomina ubiquitina y que esto sirve para marcar proteínas y enviarlas a proteasomas donde serán degradadas. Cdc20 -un factor que determina los substratos o proteínas diana a poliubiquitinilar por APC/C- sólo estará disponible cuando todos los cromosomas estén unidos bipolarmente al Huso mitótico y correctamente alineados en la placa metafísica, sometidos a tensión bipolar. Es este un punto de control fundamental dado que el inicio de Anafase sin cumplir estos requisitos acarrearía segregaciones anómalas de los cromosomas ( p. ej. aneuploidías y otras aberraciones). B-Cdk1 fosforila alguna de las subunidades de APC/C, aumenta la afinidad por Cdc20. Se forma entonces el complejo APC/CCdc20 activo que poliubiquitinila Securina, una proteína que se une e inhibe a la proteasa Separasa. Separasa realiza cortes proteolíticos en una proteína del complejos de Cohesina presentes en el centrómero y se separan las cromátidas. Se inicia así la Anafase. Una vez que las dos dotaciones cromosómicas idénticas se han segregado lo suficientemente (separadas a una distancia tal que si se diera la citoquinesis corresponderían una a cada célula) la célula sale de Mitosis a través de Telofase y Citoquinesis. La salida de Mitosis requiere la inactivación de M-Cdk por la degradación de las ciclnas M. d) Telofase y Citoquinesis Para Telofase se revierten los procesos/cambios complejos que condujeron a M y mediante la Citoquinesis la célula se divide en dos repartiendo el contenido celular entre las dos células hijas. Revertir los cambios/procesos de la M: Se desensambla el Huso mitótico y se formará la red de MTs interfásicos ( esto no se completará hasta completada la citoquinesis ). Los cromosomas se descondensan a nivel de cromatina interfásica, con lo que puede iniciarse la transcripción de genes y la síntesis de proteínas. Re-ensamblaje de la EN, con la Lámina nuclear y los NPCs. Re-ensamblaje del RE y del Golgi. Re-inicio del tráfico vesicular. Biología Celular e Histología. Grupos C y E. 2013-14. Biológicas UCM. M. Bañuelos calvo Inducido por inactivación de Cdk1 y desfosforilación de proteínas previamente fosforiladas por M-Cdk. Si la entrada en Anafase, como acabamos de ver, requiere degradación de Securina -no de Ciclinas M- la salida de M, por el contrario, requiere la degradación de ciclinas M. Éstas son marcadas para su destrucción en proteasomas por APC/CCdh1 ( APC/C con otro factor selector de substratos) que poliubiquitinila ciclinas mitóticas. Cdh1está fosforilado hasta que hacia el final de Anafase es desforilado por una Proteín Fosfatasa específica, Cdc14 Fosfatasaen levadura y PP1 y PP2A en mamíferos; en esta forma desfosforilada está disponible para APC/C. APC/CCdh1 actúa sobre ciclinas M que al ser degradadas ocasionan la inactivación de Cdk-M. La inactivación de Cdk-M conlleva el protagonismo de Proteín Fosfatasas como la ya indicada que desfosforilan proteínas fosforiladas al entrar en Mitosis. APC/CCdh1 poliubiquinila a las ciclinas M y con ello a la salida de Mitosis El papel de M-Cdk en la inducción de la citoquinesis (formación del anillo contráctil en el lugar indicado y su activación) no está bien aclarado. Simplemente diremos que sería el de impedir la formación del anillo mientras esté activa e inducir su ensamblaje tras su inactivación La entrada en M, la progresión hasta Anafase y la salida de M, por lo tanto, está controlada no sólo por una Cdk -activación/inactivación del complejo Cdk-M- sino por un complejo poliubiquitinilante APC/C. Éste al inducir la degradación de Securina y Ciclina M garantiza la entrada en Anafase, la salida de Mitosis y la no regresión de ésta. e) G1-Cdk (D-Cdk4/6) y punto de Restricción Tras citoquinesis se ha completado un ciclo de división celular y las células entran en G1 donde pueden iniciar un nuevo ciclo celular. Hasta bien avanzada la fase G1 esta fase viene determinada o caracterizada por un estado estable de ausencia de actividad Cdk. Esto es preciso para “re-inicializar” el sistema de control del ciclo celular de cara a un nuevo ciclo de división celular. Deben anularse o inactivarse todo tipo de actividades Cdk del ciclo anterior. Esto queda asegurado a través de varios mecanismos, entre ellos APC/CCdh1 sigue actuando y por lo tanto evitando que haya niveles apreciables de M- Cdk. Es una fase de crecimiento continuado. Las células monitorizan el crecimiento, el estado del genoma y las señales extracelulares y, hacia el final de G1, toman la decisión, punto de restricción, de embarcarse en un nuevo ciclo celular si las condiciones son apropiadas o, por el contrario, alargar su permanencia en G1. Adicionalmente en G1 las células pueden salir del ciclo celular al estado Go no proliferativo de forma transitoria o permanente. En eucariotes superiores esta salida está usualmente acompañada de diferenciación celular. Si fuera necesario reponer células en los tejidos algunas células salen de Go y entran en la fase G1 del ciclo celular antes del Biología Celular e Histología. Grupos C y E. 2013-14. Biológicas UCM. M. Bañuelos calvo punto R. Para pasar el punto R se precisa el concurso de nuevas Cdk y ciclinas. Así que la ausencia de actividad Cdk garantiza un período prolongado de estancia en G1 - antes de pasar R- de crecimiento continuado. En G1 las células monitorizan el medio extracelular. La disponibilidad de nutrientes es fundamental para organismos unicelulares, levaduras por ejemplo. En ausencia de los nutrientes adecuados las células no pasan el punto R y permanecen en G1 o pasan a Go. En organismos multicelulares además de los nutrientes la presencia continuada de señales mitogénicas y/o GFs es requisito indispensable para crecer y una vez adquirido un tamaño adecuado, pasar el punto R. El punto R viene definido como el punto o estado de célula en G1 después del/ o pasado el cual el CC proseguirá – y se completará hasta alcanzar una nueva fase G1- aunque se retiren los factores antes señalados, señales mitogénicas en el caso de células animales. Pasado este punto se dice que las células están comprometidas (“commited”) o determinadas a completar un ciclo de división celular. Este control evita que las células se dividan en condiciones o a tiempos inapropiados. La importancia capital de este punto de control viene testimoniada por la frecuencia de mutaciones asociadas al cáncer en genes que tienen que ver con este punto. En levaduras un punto de control similar a R se denomina punto Start. No es equivalente al R en el sentido que los factores decisivos para pasarle y proliferar son la presencia de nutrientes en el medio y el tamaño celular. El punto R es un control fundamental que regula la entrada en un ciclo de división celular. Es un control que regula la expresión de genes requeridos para la progresión del CC desde G1 hacia S. Viene a ser como una puerta molecular que da acceso a la fase S. Puerta que está basada en las proteínas pRb o simplemente Rb ( de proteína implicada en la susceptibilidad a retinoblastoma ) y en ciertos TFs específicos, E2Fs. E2Fs regulan la transcripción de muchos genes necesarios para pasar el punto R y para entrar en la fase S. La pRb se asocia a los E2Fs y bloquea la transcripción de los genes por ellos regulados. Avanzada G1 un nuevo complejo Cdk-ciclina, G1-Cdk ( Cdk4/6-D), fosforila en múltiples sitios a la pRb, ésta se disocia de E2F y se activa la transcripción de esos genes. Se ha pasado el punto de R. Las ciclinas G1, ciclinas D, se van acumulando a lo largo de G1 si las células están estimuladas adecuadamente por los GFs oportunos. Entre los genes activados por los E2Fs están los que codifican para nuevas ciclinas, E y A, necesarias para entrar y progresar en S y para algunas proteínas y enzimas necesarios para la replicación del DNA. Biología Celular e Histología. Grupos C y E. 2013-14. Biológicas UCM. M. Bañuelos calvo 5- Puntos de chequeo a lo largo del ciclo celular El sistema de control que acabamos de describir garantiza la progresión ordenada y la no regresión de las distintas fases del ciclo celular. Funciona de forma tal que no se avance a la fase siguiente sin haber completado la actual e impidiendo la marcha hacia atrás. Pero además este sistema de control basado en Cdks y complejos polibiquitinilantes es modulable por señales provenientes tanto del medio externo como del interior celular. Esto significa que la progresión puede ser frenada si no se dan ciertos requisitos o ante ciertas circunstancias: Retrasar el paso de R si no se ha adquirido un tamaño mínimo crítico, no progresar en G1 y pasar R sin los GFs oportunos, parar el ciclo celular si hay daño DNA. En puntos anteriores se comentó cómo está regulado el paso del punto R en situaciones de crecimiento o proliferación normal. En este punto nos referiremos a puntos de chequeo cuya funcionalidad consiste en garantizar la integridad del genoma. Durante la Mitosis ya hemos encontrado dos puntos de chequeo o control de este tipo. Un punto de chequeo en Metafase, de unión bipolar de los cromosomas al Huso y su alineamiento correcto en la placa metafísica; el inicio de Anafase se retrasa hasta que estos requisitos se cumplan. Por otra parte, la salida de Mitosis sólo se inicia cuando las dos dotaciones cromosómicas se han segregado lo suficientemente. Fallos en ambos puntos de chequeo ocasionan segregaciones anómalas, número aberrante de cromosomas. Puntos de chequeo del daño al DNA se dan en las distintas fases de la interfase. Las células tienen mecanismos moleculares para detectar el daño al DNA y parar el ciclo celular en la fase en que se detecte. La parada del ciclo da la oportunidad de que la poderosa maquinaria bioquímica para la reparación de múltiples tipos de daños entre en acción y repare el daño. De lo contrario se replicaría el DNA con estos daños – mutaciones de diversos tipos- y se transmitirían a las células hijas. Las células se convertirían en genéticamente inestables. Esto conllevaría a múltiples disfunciones y, entre ellas, a proliferación descontrolada como en el cáncer. El mecanismo general y simplificado a través del cual operan estos puntos de chequeo es el siguiente. El daño en el DNA es detectado por un complejo proteico y activan unas Proteín kinasas específicas, ATM/ATR que, a través de otras proteín kinasas a las que activan, fosforilan una proteína-freno clave, p53. Esta proteína es un factor de transcripción que regula la transcripción de varios genes. En circunstancias normales los niveles de p53 se mantienen muy bajos (es degradada en proteasomas) pero al fosforilarse ante daño al DNA se convierte en estable y suben sus niveles en la célula. Ello induce la expresión del gen que codifica para p21. Esta proteína es como p27 una CKI, Biología Celular e Histología. Grupos C y E. 2013-14. Biológicas UCM. M. Bañuelos calvo una proteína que se asocia a complejos Cdk-Ciclina y los bloquea. La CKI p21 se une a diversos complejos Cdk-ciclina (G1-Cdk, G1/S-Cdk y S-Cdk) por lo que para el ciclo celular en cualquiera de estas fases del la interfase. Si el daño es muy grave o irreparable niveles más altos de p53 inducen muerte celular programada. Mejor inducir la muerte de la célula con grave daño en el DNA que posibilitar la transmisión de un genoma dañado. Si las células son defectivas en p53 por inactivación de su gen no sólo no se da la parada del ciclo celular para posibilitar la reparación del daño sino que al no inducirse la muerte celular se facilita la transmisión de esos daños a la descendencia celular. Las células presentan así inestabilidad genética. La pérdida de función del gen que codifica para p53 está asociada al cáncer. II.- MUERTE CELULAR PROGRAMADA Muerte Celular Programada (MCP) es una forma fisiológica de morir de las células. Esta nomenclatura viene a subrayar el hecho de que esta forma de muerte celular obedece a un programa genético y fisiológico. Se lleva, por lo tanto, a cabo a través de la ejecución de un programa intracelular y se contrapone a un tipo de muerte pasivo o por accidente. 1- Situaciones en las que se da MCP La MCP no es el caso de una situación excepcional. Resulta fundamental durante el desarrollo embrionario, para la homeostasis de los tejidos, para establecer la inmunotolerancia, para eliminar células dañadas y para regular la supervivencia celular por hormonas y GFs. Su importancia fisiológica queda reflejada en el hecho de que anomalías en su funcionamiento se traducen en enfermedades y en cáncer. Durante el desarrollo la MCP resulta fundamental para: - El esculpido de órganos a partir de brotes precursores de extremidades como manos o pies. El esculpido en el caso de los dígitos se originan a partir de muñones eliminando células por MCP El esculpido consiste en la eliminación de células por MCP ( Figura 1 ) - También para la eliminación de células no necesarias para la formación de los conductos mülerianos en machos.( Figura 1 ) Figura 1. Tipos de células que experimentan muerte celular programada Biología Celular e Histología. Grupos C y E. 2013-14. Biológicas UCM. M. Bañuelos calvo - Eliminación de estructuras/órganos durante la metamorfosis en anfibios y en otros animales (Fig. 2) - Eliminación de exceso de células durante el desarrollo del Sistema Nervisoso Central. Aquellas neuronas que no llegan a establecer las conexiones correctas son eliminadas por MCP. Se da una producción inicial de neuronas en exceso quizá para asegurar que haya un número suficiente de axones que alcancen su destino. Sin establecer los contactos adecuados las neuronas no reciben Factores Tróficos oportunos y esto conlleva a la no supervivencia. En otros tejidos el establecimiento de adhesiones celulares célula-célula o célula-MEC y la presencia de los GFs oportunos actúan de señales de supervivencia sin las cuales se induce MCP. Figura 2. Matamorfosis en anfibios En la médula ósea se generan también en exceso un gran número de neutrófilos y la inmensa mayoría de ellos mueren varios días después por apoptosis. Posiblemente el significado funcional sea mantener un suministro de éstas células disponibles para responder rápidamente ante una posible infección. Mantenimiento de la homeostasis de los tejidos. La MCP no sólo resulta fundamental durante el desarrollo embrionario sino también en adultos para garantizar la homeostasis celular en los tejidos. Las células viejas o deterioradas son eliminadas por MCP y son repuestas por otras nuevas generadas por proliferación y diferenciación celular a partir de las correspondientes células madre. Esto es especialmente notorio en las células sanguíneas con una vida media corta siendo eliminadas millones de ellas cada día. En el sistema inmune es preciso eliminar gran cantidad de células potencialmente dañinas como los linfocitos B y T auto-reactivos: Los linfocitos B expresando auto-anticuerpos o que produzcan anticuerpos de baja afinidad para antígenos, los linfocitos T con defectos en el ensamblaje del TCR (receptor de las células T ) que reconoce el MHC (complejo mayor de histocompatibilidad) de las células y linfocitos T con TCR que reconocen auto-antígenos. Eliminación de células dañadas. Células con daño en el DNA no reparado que tienden a acumular mutaciones y a generar un genoma inestable son eliminadas por MCP. Las células infectadas por virus son matadas por linfocitos T citotóxicos en parte induciendo en ellas MCP. Células dañadas por agentes químicos, por quimioterapia contra el cáncer, p.ej. Estos agentes no suelen matar las células sino ocasionar daño que induce MCP. Son éstos tan sólo dos ejemplos entre diversas situaciones de daño celular. 2-MCP y muerte por accidente: Apoptosis vs necrosis (Figuras 3 y 4 ) Las células pueden morir por accidente o debido a un programa endógeno. La forma de morir por accidente se denomina necrosis. La forma o vía de morir por MCP es usualmente por apoptosis. La muerte accidental sobreviene cuando se da un daño químico o estructural del que las células no pueden recuperarse. El daño es de tal magnitud que las células sencillamente no sobreviven. Estos daños pueden deberse a isquemia, excesiva T o trauma físico. La necrosis se caracteriza por: Biología Celular e Histología. Grupos C y E. 2013-14. Biológicas UCM. M. Bañuelos calvo Apoptosis no es sinónimo de MCP. Aunque usualmente la MCP se lleve a cabo a través de apoptosis también puede darse a través de otras vías. En algún caso, por ejemplo, la cromatina no se condensa, no hay digestión del DNA y tampoco efervescencia de la membrana citoplásmica y se da considerable poliubiquitinilación de proteínas para degradar. Así que apoptosis es la secuencia que describe la forma usual de morir las células por MCP. En lo que sigue, sin embargo, utilizaremos ambos términos, apoptosis y MCP, indistintamente. La muerte celular programada no es exclusiva de animales. Se da también durante el desarrollo de las plantas, cuando hay daño en los tejidos y en la caída de hojas. El nematodo Caenorhabditis elegans fue el sistema biológico elegido inicialmente para el estudio de la muerte celular programada por presentar toda una serie de ventajas. Entre ellas la facilidad de determinar el número total de células que experimentan MCP y de aislar y caracterizar mutantes con anomalías en este proceso. Los estudios en este organismo sirvieron para el estudio de la MCP en animales superiores. 3-Vías para la inducción de MCP Las células pueden ser inducidas a apoptosis en respuesta a señales tanto internas ( vía intrínseca ) como del medio extracelular (vía extrínseca ). Ésta opera a través de receptores de señales de muerte o DRs presentes en la membrana plasmática, emparentados con el grupo del R de TNF ( factor de necrosis tumoral ). En otros casos se trata de ausencia de señales de supervivencia. Señales que inducen la vía intrínseca, daños de diverso tipo a las células, operan a través de proteínas de la superfamilia Bcl-2 en las mitocondrias (vía intrínseca). Figura 5 La maquinaria bioquímica responsable de los cambios descritos en la Apoptosis depende de una familia de proteasas, las Caspasas, nombre debido a que en su sitio activo presentan una Cisteína que resulta clave y a que cortan hidrolíticamente después de Asp-X (X, cualquier aminoácido) →Casp →Caspasa. Son tetrámeros α2β2. Son sintetizadas como pro-caspasas inactivas y precisan un corte proteolítico por otras caspasas para su activación. Una vez activadas las caspasas activan a otras caspasas generando una cascada proteolítica que acaba activando a caspasas efectoras. Las caspasas que inician la cascada se denominan caspasas iniciadoras. Las caspasas efectoras son las que actúan sobre las proteínas diana. Se estima en una centena las proteínas diana de las caspasas efectoras: Proteínas específicas del citoesqueleto que acaba siendo desmontado, ciertas proteínas de la membrana plasmática, Laminas de la lámina nuclear, proteínas inhibidoras de DNAasas, etc. La degradación de todas estas proteínas tiene como resultado final, como describimos anteriormente, generar cuerpos apoptóticos fagocitables. Biología Celular e Histología. Grupos C y E. 2013-14. Biológicas UCM. M. Bañuelos calvo La vía de MCP se activa o dispara de forma todo-o-nada. La cascada proteolítica se autoamplifica, es destructiva e irreversible. La activación de las pro-caspasas se lleva a cabo sobre proteínas adaptador que reúne múltiples moléculas de pro-caspasas iniciadoras en un complejo o agregado. En ese agregado las pro-caspasas al estar tan juntas y experimentar ciertos cambios de conformación entra en acción su actividad residual o basal y esto hace que se activen por cortes proteolíticos recíprocos. a- Vía de los DRs o extrínseca Las células de mamífero expresan en la membrana plasmática al menos seis tipos diferentes de proteínas que pueden funcionar como DRs ( Figura 6 ) . Estos DRs son activados por señales inductoras de muerte. El factor de necrosis tumoral, TNF, induce MCP en las células con receptores, TNF-R. Otra señal inductora de MCP es el Ligando de Fas, una proteína integral de la membrana plasmática de linfocitos citotóxicos naturales y linfocitos T citotóxicos. Esta señal puede provocar MCP en células infectadas por virus, en algunas células tumorales y en injertos de tejidos no propios uniendo y activando el receptor para esta señal, Fas. Otras señales de muerte se unen a otros receptores. El caso de Fas-ligando de Fas se conoce mejor. Fas está presente en la membrana plasmática preensamblado como trímero ( Figura 6 ). Cada monómero es una proteína transversal unipaso con un dominio de muerte, DD, de unos 80 aminoácidos en su región P. Este dominio DD es compartido con otros DRs. El Ligando de Fas es una proteína integral de membrana presente igualmente como trímero. Al unirse a Fas inicia una cadena inductora de apoptosis. Figura 6: Vía extrínseca de MCP La unión del ligando de Fas estabiliza el trímero Fas e induce una arracimamiento o agregado de trímeros al asociarse a través de sus DD en su región P. A cada molécula de Fas se asocia una proteína adaptador denominada FADD (de asociada a Fas con DD ). El R actúa ahora de armazón al que se asociarán pro-caspasas iniciadoras a través de la proteína adaptador FADD. El complejo formado por Fas, FADD y pro-caspasa 8 se denomina DISC ( “death-inducing signaling complex” ). En él las moléculas de pro-caspasa 8 queda aproximadas y orientadas de forma que con su actividad residual experimentan cortes proteolíticos de forma recíproca y se forma la caspasa 8 activada y libre; ésta inicia una cascada de activación de caspasas que finalmente acaba activando caspasa 3, una caspasa efectora. Las caspasas efectoras actúan sobre las proteínas diana como comentamos anteriormente. En el caso de otros receptores pueden operar otras proteínas adaptador. Biología Celular e Histología. Grupos C y E. 2013-14. Biológicas UCM. M. Bañuelos calvo La apoptosis inducida por Fas puede seguir dos vías. En unos tipos de células –líneas linfoides- la activación de caspasa 8 es suficiente para activar caspasas efectoras de forma que éstas induzcan apoptosis ( Figura 6 ). En otros tipos de células la activación de caspasa 8 es menor e insuficiente para la activación adecuada de pro-caspasa 3 y se requiere el concurso mitocondrial para inducir apoptosis. En estos casos caspasa 8 corta proteolíticamente a Bid – una proteína del grupo Bcl-2 con sólo el dominio BH3-. El tBid ( truncado ) se ancla a la membrana externa mitocondrial y dispara la vía intrínseca o mitocondrial ( Figura 7 ). c) Vía mitocondrial o intrínseca ( Figura 7 y 8) Además de la situación anteriormente descrita en donde DRs comprometen o se siven de la vía mitocondrial para inducir apopotosis ésta vía es activada en otras diversas situaciones de “stress” o daño celular como daño en el DNA, hipoxia, erosión de telómeros, privación de citoquinas, desligue de la MEC, radiación UV ó γ, fármacos para quimioterapia, etc. En la mayoría de apoptosis en células de vertebrados se induce la vía mitocondrial. En esta vía también se cumple la idea básica del caso anterior: Pro-caspasas iniciadoras son activadas sobre un complejo, se inicia una cascada de activación que conduce a la activación de caspasas efectoras y éstas son las responsables finales de la apoptosis. Una superfamilia de proteínas, proteínas Bcl-2, entran en juego en esta vía; su función genérica sería la de regular o controlar la activación de pro-caspasas iniciadoras. Todas ellas tienen/comparten dominios (cuatro, tres y uno) de homología denominados dominios BH: - Algunas son anti-apoptóticas inhibiendo de una u otra forma la activación de caspasas: Bcl-2, propiamente tal, y Bcl-xL. Desde la membrana externa mitocondrial inhiben la liberación de Cyt C al citosol a cargo de Bax/Bak - Otros miembros de la superfamilia son pro-apoptóticos – como Bax, Bak - : Inducen desde la membrana mitocondrial la liberación del CytC desde el espacio intermembranas al citosol y esto posibilita la formación del agregado donde se activarán las pro-caspasas iniciadoras. - Finalmente, un tercer subgrupo –Bid, Bad, Noxa entre ellos- parecen actuar como nexo entre señales apoptóticas o antiapoptóticas provenientes del interior celular y los dos grupos anteriores. Promueven apoptosis actuando bien como agonistas de los segundos o bien como antagonistas de los primeros. Las proteínas del tercer grupo son activadas en estas situaciones. Una vez activadas inducen apoptosis desde la membrana externa mitocondrial anulando la acción anti-apoptótica del subgrupo Bcl-2 y posibilitando la activación del subgrupo pro- apoptótico Bax/Bak. La activación de estas proteínas conduce a su oligomerización en la membrana externa mitocondrial y, posiblemente, a la formación de poros o canales que permiten la salida al citosol de Cyt C y de otras proteínas pro-apoptóticas. Figura 7 El Cyt C se une a la proteína-armazón Apaf-1. La unión adicional de ATP o dATP induce un cambio de conformación en la porción C-terminal de Apaf-1 tal que posibilita la unión de la Biología Celular e Histología. Grupos C y E. 2013-14. Biológicas UCM. M. Bañuelos calvo