Ciclo celular

05/05/2013
Facultad de Química, UNAM
1630 Genética y Biología Molecular
Regulación de la Expresión Genética y
Ciclo celular
La proliferación y la progresión del ciclo celular están
funcionalmente ligadas a los genes asociados con el control del
crecimiento.
La integración de señales positivas y negativas que regulan el
crecimiento se puede observar en varios casos:
Regulación del ciclo celular y cáncer
• Ciclos de mitosis y meiosis para la generación de gametos
• Estimulación de células quiescentes para que proliferen en
sitios de cicatrización
• Salida del ciclo celular para que una célula prolifere o vaya a
diferenciación.
El destino de una célula está determinado por su programa genético y por las condiciones
ambientales
SOBREVIVIR
DIVIDIRSE
Ciclo celular
Evento celular que progresa desde un periodo de replicación del ADN
cromosómico (Fase S, S=síntesis) hasta la segregación de los
cromosomas en dos núcleos en la mitosis (fase M). Intercalados entre
estos dos estadios hay dos periodos de reposo, el G1 y G2 (G = “gap”,
intervalo o lapso).
Síntesis de proteínas de replicación
Duplicación de los centriolos
Condensación de cromatina
4-6 h
Mitosis y Citocinesis
30 min
Citocinesis.- Es la fase
cuando el citoplasma se
divide, creando dos
células hijas
DIFERENCIAR
Replicación del DNA
Síntesis de histonas
6-8h
MORIR
Crecimiento celular
Síntesis de proteínas
Síntesis de RNA
8- 10h
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La replicación del ADN nuclear ocurre durante una una
fase especifica de la interfase: La Fase S
Las tres principales transiciones regulatorias o
Checkpoints
Formación del huso
En la transición G2-M
Alternancia en el
número cromosómico
durante el ciclo
Completada la
replicación.
Células en
v
faseG1
4n
Alineamiento de cromátidas
Daño al DNA
M/A
G2/M
1er Fase de
crecimiento
2da Fase de
crecimiento
2n
Células en
v
fase G2 y M
Células en
vS
fase
Las céluas en G1, pueden si no han iniciado la replicación del
ADN, detener la progresión en el ciclo y entrar a un estado de
reposo especial llamado G0, donde pueden permanecer por
días, semanas y hasta años antes de volver a proliferar
A nivel molecular, el ciclo celular está controlado por la actividad
fluctuante espacial y temporal de complejos proteícos formados por una
ciclina y una cinasa dependiente de ciclina
Punto de control o
“checkpoint” para
asegurar que se
completen los eventos
antes de que progrese el
ciclo celular
El sistema de control
esta
regulado
por
factores de retraso que
pueden parar el ciclo
celular en puntos de
control
(checkpoints)
determinados
G1/S
Fase de síntesis
En la transición G1-S
verifica la capacidad de la
célula para completar la
replicación.
Tamaño de la célula
Estátus nutricional
Státus de la replicación
Daño celular y al DNA
Daño al DNA
Fact. crecimiento
Las ciclinas son proteínas cuya presencia varía durante
el ciclo celular
Cdk1-CycB
Cdk1-CycA
Cdk4-CycD
Cdk6-CycD
Punto de
restricción
Cdk2-CycA
La presencia de la ciclina está regulada por ubiquitinación y
procesamiento en el proteasoma
Cdk2-CycE
La función de las ciclinas es la ACTIVACIÓN de las CDKs (cinasas
dependientes de ciclinas)
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Mecanismo de acción de las ciclinas
¿Cómo diferentes complejos ciclina-Cdk desencadenan
diferentes eventos durante el ciclo celular?
• Las ciclinas no solo activan a su correspondiente Cdk, sino que que dirigen a esta a una
proteína blanco específica, como resultado cada complejo ciclina-cdk fosforila a un
grupo específico de proteínas.
• Además de que el mismo complejo puede inducir diferentes efectos en diferentes
estadios del ciclo celular, por que probablemente algunos substratos de las Cdks
cambian durante el ciclo celular.
Fosforilación de
Ciclina-Cdk
La ciclina se une en uno de los lados de la hendidura del sitio catalítico
de la CDK e induce un cambio conformacional en la estructura
Cambio estructural en
la activación de Cdk
terciaria. Estos cambios activan a la cinasa al realinear el sitio activo y
prevenir el bloqueo estérico que se presentaba.
Regulación de la actividad del complejo CDK-ciclina
• Por aumento o disminución de los niveles de ciclinas durante el ciclo celular
• Por la unión proteínas inhibidoras de Cdks (CKIs), principalmente en los
complejos G1/S-Cdk y S- Cdk
• Proteólisis de ciclinas
• Fosforilación.
Función de los complejos CDK-Cyc en regular la transición de la
fase G1 a S
La vía de retinoblastoma
En respuesta a un estímulo mitogénico en células quiescentes, el complejo
ciclina D-CDK4 o ciclina D-CDK6, son los que comienzan el ciclo celular.
Factor de
crecimiento
Fosforilación de un par de
aminoácidos en ell sitio activo
inhibe
la actividad del
complejo ciclina- Cdk
Fosforilación de proteínas
involucradas en la transición G1/S
Los genes requeridos para
la fase S no son
transcritos
La proteína Rb
fosforilada se
disocia de E2F
Ocurre transcripción
El complejo Cdk4-CycD
fosforila a la proteína de
retinoblastoma (Rb)
Traducción
Enzimas y proteínas
requeridas para la fase S
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El factor de transcripción E2F
Hay 8 isoformas de este factor transcripcional
Tiene todos los dominios característicos de un factor transc.
Dominio de Unión al
DNA
Dominio de
Dimerización
Dominio de
Transactivación
El elemento de reconocimiento a E2F en los promotores tiene la
secuencia consenso: TTTGGCCC con algunas variantes
El factor E2F regula la expresión de muchos genes:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Función de la proteína p53 en la regulación del ciclo celular.
DNA dañado
En la transición G1-S o en la
transición G2-M se verifica el status
del DNA.
Activación
Si hay DNA dañado, se activa la
proteína ATM que entonces activa a
la proteína p53.
Enzimas / Proteínas involucradas en la síntesis de
DNA
Dihidrofolato reductasa
Orc1
DNA polimerasa alpha
Timidilato sintasa
Reguladores del ciclo celular
Cdk2
Ciclina A
Ciclina E
E2F
Otros factores de transcripción
c-myb
c-myc
Anaphase checkpoint
Complejo APC /C (Anaphase Promotor Complex):
• Cataliza la ubiquitinación y destrucción de dos proteinas
principales: la securina y las ciclinas M y S.
• Degradación de cohesinas al inicio de anafase.
Transcripción
1) Si el daño no es muy extenso,
p53 activa la transcripción de p21
que inhibe al complejo Cdk-Cyc.
Inhibición del
complejo CdkCyc
La proteína Rb NO es
fosforilada
Detención del
ciclo celular
Apoptosis
2) Si el daño es muy extenso, p53
activa la vía que conduce a
apoptosis (muerte celular
programada)
Securina: Proteína que protege a las proteínas
(cohesinas) que mantienen unidas las cromátidas
hermanas durante las primeras etapas de la
mitosis
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APC/C es activada por asociación de la
subunidad Cdc20, la cual reconoce una
secuencia específica de aminoácidos en la
ciclina M y otras proteínas blanco.
El sistema de control del ciclo celular consiste en una serie de
complejos ciclina-cdks, las cuales regulan el ciclo celular verificando
las condiciones ideales de proliferación.
APC/C activa promueve la
degradación de la
securina que mantiene
inactiva a la separasa, las
cuales rompen en Scc1
En células animales la
fosforilación por Cdks
inhibe las separasas
(separina)
M-Cdk fosforila y activa a APC/C, que
a su ves degradará a la Ciclina M para
y por tanto su propia inactivación de
M-Cdk
Cáncer.- Conjunto de desordenes resultantes de la
perdida del control del ciclo celular.
Sus dos propiedades principales son:
1)División celular incontrolada
Los tumores de las células somáticas se
deben a una serie de mutaciones específicas
que se acumulan.
A causa de las mutaciones, las células pueden:
• Aumentar la capacidad proliferativa.
• Disminuir la susceptibilidad de una célula a
apoptosis.
• Producir un incremento en la tasa general de
mutación.
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Una mutación súper-activa del oncogen es suficiente para promover
cáncer.
Se requieren dos mutaciones sobre el gen supresor para eliminar su
actividad y promover cáncer .
Mayor actividad (ganancia de función)
Promueven ciclo celular
Detienen ciclo celular
Los proto-oncogénes codifican proteínas que regulan positivamente el ciclo
celular o bloquean la apoptosis. Pueden convertirse en oncogenes cuando
sufren una mutación. Este alelo mutante corresponde a una ganancia de
función.
Menor actividad (pérdida de función)
Cuando los supresores tumorales, que regulan negativamente el ciclo celular o
regulan positivamente la apoptosis, sufren mutaciones, puede ocurrir pérdida
de función y se promueve la formación del tumor.
Mutaciones en los genes de las proteínas controlan los procesos
de proliferación, regulación del ciclo celular o apoptosis pueden
provocar tumores.
Tipo de función de la
proteína silvestre
Activa la progresión del
ciclo celular
Inhibe la progresión del
ciclo celular.
Induce la apoptosis.
Inhibe la apoptosis.
Participa/regula la
reparación de DNA
Resultado de la
mutación
Oncogen.
Ganancia de función.
Gen supresor de tumores.
Pérdida de función.
Gen supresor de tumores.
Pérdida de función.
Oncogen.
Ganancia de función.
Gen supresor de tumores.
Pérdida de función
Ejemplo
Proteína Ras
Proteína de
retinoblastoma.
Proteína p53
Proteína bcl-2
Proteína ATM
Ciclo Celular y Cáncer
Los oncogenes son
formas mutadas de
genes que controlan
la señalización
inducida por factores
de crecimiento. Están
activos aún en
ausencia de estos
factores de
crecimiento e inducen
proliferación celular.
Son mutaciones
autosómicas
dominantes.
Ej. ras, myc
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Vía de señalización de Ras
Diferentes mecanismos para generar un oncogen
Proto-oncogen
Oncogen
Mutación
Ras es una
proteína asociada a
receptores
membranales de
factores de
crecimiento.
Transduce señales
desde la membrana
plasmática para
iniciar la
proliferación.
RAS
MYC
EFGR
BCR-ABL
El oncogen Bcr-Abl es producido por fusión de dos genes
Vía de señalización
de BCR-ABL1
ANTES DE LA TRANSLOCACIÓN
La oncoproteína de fusión BCRABL1 presenta hiperactividad,
dando una señal continua para
que se active la proliferación
celular.
Dominio
cinasa
DESPUÉS DE LA TRANSLOCACIÓN
Cromosoma
Philadelphia
Sustrato activado
por fosforilación
Proliferación
celular
Sobrevivencia
LEUCEMIA
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Genes supresores de tumores
Su inactivación completa
o AUSENCIA puede llevar
al cáncer.
FUNCIÓN DE LA PROTEÍNA p53 COMO SUPRESORA DE TUMORES
SEÑALES
HIPERPROLIFERATIVAS
Codifican para proteínas que
normalmente
operan
limitando el crecimiento o
división celular e incluso
promoviendo la apoptósis
DAÑO AL DNA
HIPOXIA
REDUCCIÓN DE LA
LONGITUD DEL
TELOMERO
p53 ACTIVO Y ESTABLE
Ejemplos:
Rb (retinoblastoma), BRCA
(cáncer de mama), P53 (mama,
vejiga, pulmón y colon).
ARRESTO DEL
CICLO CELULAR
APOPTOSIS
REPARACIÓN
DEL DNA
FUNCIÓN DE LA PROTEÍNA p53 COMO SUPRESORA DE TUMORES
DNA dañado
Si hay DNA dañado, se activa la
proteína ATM que entonces activa a
la proteína p53.
Activación
1) Si el daño no es muy extenso,
p53 activa la transcripción de p21
que inhibe al complejo Cdk-Cyc.
Transcripción
2) Si el daño es muy extenso, p53
activa la vía que conduce a
apoptosis (muerte celular
programada)
Inhibición del
complejo CdkCyc
La proteína Rb NO es
fosforilada
Detención del
ciclo celular
Apoptosis
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