martes, 30 de mayo de 2017

3 ETAPAS DEL CICLO CELULAR

En base a los experimentos con nucleótidos marcados, y a la reorganización lógica de las fases encontradas, los biólogos organizaron las subfases de la interfase del siguiente modo:

Fase de crecimiento 1: simbolizada como G1 por la palabra en inglés para crecer “grow”. La célula crece y se alimenta, pero no se sintetiza material genético. Esta puede progresar a G0 donde la célula trabaja pero no se divide o a la etapa S.
Fase de síntesis: simbolizada como S, la palabra en inglés y en español son iguales.
Fase de crecimiento 2: simbolizada como G2 por la palabra en inglés para crecer “grow”. La célula crece y se alimenta, pero no se sintetiza material genético.
Fase de Mitosis: o fase M caracterizada por las subfases de la mitosis.

El esquema clásico del ciclo  celular fue propuesto originalmente en 1953 por Alma Howard y Stephen Pelc del hospital de Hammersmith en Londres, basados en experimentos de meristemos vegetales.

Referencias básicas: (Alberts et al., 2015; Belk & Maier, 2013; Campbell & Farrell, 2009, 2012; Cox et al., 2012; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2018, 2015; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Murray et al., 2012; Pollard et al., 2017; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Weaver, 2012)

3.1 G1 “Growing 1”

Es típicamente la fase de ciclo celular más larga y más variable. Cuando las células "nacen" en la citocinesis, son aproximadamente la mitad del tamaño que tenían antes de la mitosis, y durante G1, crecen hacia un tamaño óptimo. Durante este tiempo, muchas actividades implicadas en la progresión del ciclo celular se reprimen para que la célula no pueda iniciar una nueva ronda de proliferación. Este sistema de control represivo se llama el punto de restricción. Si el suministro de nutrientes es pobre o si las células reciben un estímulo antiproliferativo como una señal para embarcarse en la diferenciación terminal, retrasan su progreso a través del ciclo celular en G1 o salen del ciclo para entrar en G0. Sin embargo, si se reciben estímulos positivos apropiados, las células superan el bloqueo del punto de restricción y activan un programa de expresión génica que los compromete a un nuevo ciclo de replicación del ADN y división celular. 

Las células cancerosas a menudo tienen defectos en el control del punto de restricción y continúan creciendo e intentan dividir incluso en ausencia de señales ambientales apropiadas. Sin embargo la supresión de la etapa G1 y G2 no siempre es una anormalidad, durante el desarrollo embrionario de los mamíferos placentados los blastómeros se reproducen en un ciclo celular en el que la interfase no se da, esto se debe a que el embrión no tiene fuente de alimento externo, por lo que el tamaño del cigoto es el mismo que el del blastocito compuesto ya por un centenar de células o incluso levemente menor debido al consumo metabólico de la síntesis del ADN.

Referencias básicas: (Alberts et al., 2015; Belk & Maier, 2013; Campbell & Farrell, 2009, 2012; Cox et al., 2012; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2018, 2015; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Murray et al., 2012; Pollard et al., 2017; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Weaver, 2012)

3.2 G0 “Growing control”

La mayoría de las células de organismos multicelulares se diferencian para llevar a cabo funciones especializadas y ya no se dividen. Tales células se consideran en fase G0. Las células a menudo entran G0 directamente cuando salen de su última mitosis. Las células G0 no están latentes; De hecho, a menudo se dedican activamente a la síntesis y secreción de proteínas, y pueden ser altamente móviles. Muchas células G0 tienen un cilio primario no móvil, que es un organelo sensorial importante. La fase G0 no es necesariamente permanente. En algunos casos especializados, las células G0 pueden ser reclutadas para reingresar al ciclo celular en respuesta a estímulos específicos. La reentrada de ciclo celular implica cambios en la expresión génica y la estabilidad de proteínas y desmontaje del cilio primario, si está presente. Este proceso debe estar altamente regulado, ya que la proliferación incontrolada de células en un organismo multicelular puede conducir al cáncer. Pero sin ella no se podrían reparar los tejidos dañados por lesiones mecánicas o infecciones.

Referencias básicas: (Alberts et al., 2015; Belk & Maier, 2013; Campbell & Farrell, 2009, 2012; Cox et al., 2012; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2018, 2015; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Murray et al., 2012; Pollard et al., 2017; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Weaver, 2012)

3.3 S “Synthesis”

La fase S es aquella en la que el genoma del núcleo se duplica, para ello es necesario que el núcleo absorba materiales como nucleótidos y aminoácidos. Sin embargo, no es solo ADN, el genoma se lo debe entender como una entidad completa, como ARN y proteínas reguladoras como las histonas. La duración de la fase de síntesis en un cultivo asincrónico mediante el porcentaje de células que se encuentran en realidad una determinada actividad. Si se conoce la duración del ciclo celular completo, desde el fin de una mitosis a otra mitosis, es posible calcular la duración de las subfases de la interfase. Estos análisis conllevaron a concluir la existencia de otra etapa de crecimiento en a que no se sintetiza material genético, previa a la síntesis, pero posterior a la última parte de mitosis.  Es decir después de que finaliza la mitosis, pero antes de la síntesis de ADN la célula experimenta un primer momento de crecimiento o fase G1.

Referencias básicas: (Alberts et al., 2015; Belk & Maier, 2013; Campbell & Farrell, 2009, 2012; Cox et al., 2012; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2018, 2015; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Murray et al., 2012; Pollard et al., 2017; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Weaver, 2012)

3.4 G 2 “Growing 2”

Iniciamos el recorrido a través de las subfases del ciclo celular de este modo tan, bueno desordenado, y es que clásicamente uno siempre empieza la explicación de las partes de la interfase con la G1, después con la S y finalmente con la G2. Sin embargo este orden desdibujaría el propósito implícito puesto por los autores del texto que sirve de base para este artículo, y es responder a la pregunta: ¿La síntesis de material genético y el crecimiento celular durante la interfase se dan al mismo tiempo? Una respuesta ingenua a esta pregunta sería asumir que de hecho es de este modo, por lo que nuestros esfuerzos son con el objeto de mostrar como en realidad, los datos de experimentos relacionados con la replicación del material genético, específicamente del ADN nos llevan a pensar que la síntesis y el crecimiento son procedimientos más o menos independientes.

Los estudios a los que se hace referencia fueron realizados en la década de 1950 mediante el empleo de nucleótidos marcados de manera radioactiva. Este procedimiento sirve para marcar los núcleos que absorben los nucleótidos marcados durante su fase de síntesis. Sí los núcleos se vuelven radioactivos al mismo tiempo en que las células experimentan crecimiento, podremos decir que efectivamente la síntesis de nuevo material genético ocurre al mismo tiempo que el crecimiento celular. Por el contrario, si la célula detiene su crecimiento en el momento que se hace radioactivo el núcleo, podremos determinar que la interfase tiene fases diferentes.

Cuando estos experimentos fueron realizados, ocurrieron resultados extraños, por ejemplo, se observaron células que habían iniciado la mitosis sin que sus núcleos de hubieran vuelto radioactivos. Si el proceso se dejaba por varia horas, todos los núcleos terminaban por volverse radioactivos. De lo anterior se concluye que después de la síntesis de ADN existe un periodo de tiempo en que la célula sigue alimentándose, pero no ocurre más síntesis. A este periodo de tiempo se la pasó a denominar fase de crecimiento 2, simbolizada por la expresión en ingles grow “crecimiento” como G2.

Referencias básicas: (Alberts et al., 2015; Belk & Maier, 2013; Campbell & Farrell, 2009, 2012; Cox et al., 2012; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2018, 2015; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Murray et al., 2012; Pollard et al., 2017; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Weaver, 2012)

3.5 Rangos del ciclo celular

Con rangos hacemos referencia al intervalo de tiempo entre el fin de una mitosis a otra mitosis. Los ciclos celulares pueden ser tan cortos como 30 minutos como en las células embrionarias que carecen de las fases de crecimiento G1 y G2. Los ciclos celulares pueden tener  llegar a tener meses en tejidos de crecimiento lento como el hígado. Con unas pocas excepciones notables, las células prácticamente se han detenido en una interfase en la que no hay crecimiento, a esta fase de no crecimiento, no síntesis y no mitosis se la denomina G0 “no crecimiento, no síntesis y no mitosis”.

Referencias básicas: (Alberts et al., 2015; Belk & Maier, 2013; Campbell & Farrell, 2009, 2012; Cox et al., 2012; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2018, 2015; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Murray et al., 2012; Pollard et al., 2017; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Weaver, 2012)

3.6 Rol de las proteínas quinasas en el control del ciclo celular

Mientras que los experimentos de fusión de células revelaron la existencia de factores que regulan el ciclo celular, ellos no proveen información acerca de las propiedades bioquímicas de estos factores. Detalles acerca de la naturaleza de los agentes que promueven el ingreso de la célula en la mitosis “o meiosis” fueron obtenidos en primera instancia por una serie de experimentos en los óvulos y embriones tempranos de ranas y algunos invertebrados. Se demostró que la entrada de la célula en la fase M se inicia por una proteína denominada factor de maduración-promoción “MPF por sus siglas en inglés” MPF consiste en dos subunidades:

(1)                     Una subunidad con propiedad que quinasa “las quinasas hacen mover cosas” que transfiere grupos fosfato desde el ATP a residuos específicos de serina y treonina en otras proteínas.
(2)                     Una unidad regulatorio llamada ciclina. El termino ciclina fue acuñada debido a que la concentración de esta proteína regulatoria sube y naja en un patrón predecible y rítmico en cada célula de manera coordinada con el ciclo celular.

Cuando la concentración de ciclina es baja, la subunidad quinasa permanece inactiva. Cuando la concentración de ciclina es alta, la quinasa se activa, causando de la célula ingrese en la fase de mitosis/meiosis. La progresión de una célula en la mitosis depende de la actividad de una enzima cuyo único efecto es la de transferir grupos fosfato desde ATP a otras proteínas activando una cascada de reacciones. Como segunda instancia se tiene que esta enzima clave está regulada por la concentración de una de sus subunidades. Esta enzima se denomina factor de maduración-promoción A través de las décadas de 1990, y los 2000 un gran número de laboratorios se enfocaron en las enzimas semejantes al factor de maduración-promoción, que fueron denominadas quinasas dependientes de ciclina “Cdks por sus siglas en inglés”.

Se ha encontrado que las Cdks no están involucradas únicamente en la inducción de la fase M, también son agentes que regulan otras actividades a través del ciclo celular. El modelo biológico que más se ha empleado para la identificación de la existencia, función y genes que producen a las Cdks ha sido las confiables levaduras, especialmente dos especies, que presentan el fenómeno de mutantes sensibles a la temperatura. Los mutantes resistentes a la temperatura son aquellos que presentan un fenotipo normal a temperatura normal, pero cuando la temperatura se incrementa, el gen mutante se desactiva, presentando el fenotipo alterado o mutante. Las dos especies de levadura que presenta la propiedad de mutantes sensibles a la temperatura están relacionadas lejanamente y se reproducen de forma diferente. La primera es Saccharomyces cerevisiae, la cual se reproduce a través de la formación de pequeñas burbujas en un extremo apical de la célula. La segunda especie es Schizosaccharomyces pombe, la cual se reproduce mediante un proceso más clásico de elongación y separación en dos células hijas de tamaño semejante.

Cuando se identificación las proteínas y genes homólogos que controlan el ciclo celular en varios modelos biológicos eucariotas se demostró que la base molecular es extremadamente semejante y conservada. Una vez que un gen es relacionado a una proteína de interés en una levadura, puede emplearse la secuencia de este gen y buscar copias con similitudes aproximadas en otros seres vivos incluyendo el ser humano. Y casi siempre se encuentran. Mediante la combinación de los análisis genéticos, bioquímicos y moleculares, los grupos de investigación alrededor del mundo han obtenido un conocimiento comprensivo de las actividades principales que permiten a la célula crecer y reproducirse en las cajas de Petri de laboratorio.

La investigación en el control genético del ciclo celular de las levaduras inicio en la década de 1970 en dos laboratorios, inicialmente el grupo de investigación de Leland Hartwell y colaboradores en la universidad de Washington comenzaron trabajando con Saccharomyces cerevisiae; y subsecuentemente el grupo de Paul Nurse de la universidad de Oxford trabajando con Schizosaccharomyces pombe. Ambos laboratorios identificaron un gen que, cuando era mutado, causaría que el crecimiento en las células a temperaturas elevadas se detuviera en ciertos puntos del ciclo celular. El producto de este gen, que fue denominado cdc2 en S. pombe y cdc28 en S. cerevisiae, fue identificado como homologo a la subunidad catalítica del factor de maduración-promoción; en otras palabras se trata de quinasas dependientes de dominios ciclina.

Referencias básicas: (Alberts et al., 2015; Belk & Maier, 2013; Campbell & Farrell, 2009, 2012; Cox et al., 2012; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2018, 2015; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Murray et al., 2012; Pollard et al., 2017; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Weaver, 2012)

3.7 Regulación del ciclo celular

Investigaciones posteriores en las células de levadura al igual que en muchas células de vertebrados han reforzado el concepto de la existencia de una progresión de fases y subfases de la célula eucariota a través de su periodo de vida. La regulación entre las fases se da de manera enzimática, para las fases de crecimiento la regulación o mejor dicho, la activación a la siguiente fase ocurre al final. Estos momentos los denominaremos fronteras. Estas fronteras representan puntos en el ciclo  celular donde las células se ven comprometidas en el inicio de un evento crucial, como ingresar en la síntesis de material genético o en la etapa de mitosis. El complejo enzimático también incluye una serie de proteínas que sirven de frenos o aceleradores, para regular el tiempo de duración de las etapas del ciclo celular según sean las condiciones.

Se debe recordar que las fases del ciclo celular, especialmente de la interfase son altamente dependientes de las condiciones ambientales en las que está inmersa la célula. Si la célula se encuentra en un ambiente con pocos nutrientes, las gases G “grow” de crecimiento deben dilatarse, con el fin de que se reunan los materiales necesarios para que la célula pueda soportar ya sea el crecimiento, la duplicación del material genético y la división celular misma. Lo  anterior implica que los mecanismos de control deben medir en cada una de las subfases de la mitosis y comenzando desde G1 los siguientes eventos:

G1: Acumulación de nutrientes mínima para la síntesis de material genético
S: copia fiel del material genético, en caso contrario se activa la célula para suicidio celular programado o apoptosis.
G2: Acumulación de nutrientes mínima necesaria para que la célula se pueda dividir de manera exitosa en dos, de modo tal que las células hijas tengan los suficientes materiales para interactuar con el medio antes de comenzar a alimentarse por ellas mismas.
M: Verificación de que el material genético se ha repartido de manera adecuada en los nuevos núcleos, que pertenecerán a las células hijas, en caso contrario se induce a las células hijas defectuosas para la muerte celular programada.

Ya sé que está en inglés, pero concentrémonos en buscar la palabra apoptosis, la cual significa muerte celular programada. Ese es el evento más importante de control del ciclo celular de una célula de un animal multicelular, y se llevan a cabo en las fronteras donde ha concluido algún evento en que el material genético es alterado o transportado. Esto se debe a que las alteraciones en estos puntos tienden a generar mutaciones cancerígenas.

3.8 Los clivajes embrionarios y el ciclo celular

Las células embrionarias poseen un ciclo celular acelerado en el que no existe fases de crecimiento G1 o G2.  Lo anterior implica que, las células que experimentan el clivaje tienen células hijas de la mitad del tamaño que la célula madre. Un embrión en desarrollo que no se alimenta contiene una biomasa cercana a la que tenía el ovulo original del cual se formó, pero con un menor contenido de energía. Solo hasta que el embrión se implanta ya sea en el útero u en otras zonas ricas en nutrientes es que sus células pueden experimentar el crecimiento celular en las fases G1 y G2.

El desarrollo del embrión será tratado con mayor profundidad en temas futuros, por el momento la idea importante que deseo resaltar es el  hecho de que las células del embrión temprano no se alimentan, por lo que el sistema siempre conserva el mismo tamaño, aun cuando el número de células se incrementa exponencialmente tal como se ve en la imagen.

Referencias básicas: (Alberts et al., 2015; Belk & Maier, 2013; Campbell & Farrell, 2009, 2012; Cox et al., 2012; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2018, 2015; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Murray et al., 2012; Pollard et al., 2017; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Weaver, 2012)

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