TEMA 4. DIVISIÓ CEL·LULAR MITÒTICA (2014)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Genética - 2º curso
Asignatura Citogenètica
Año del apunte 2014
Páginas 17
Fecha de subida 25/10/2014
Descargas 28
Subido por

Vista previa del texto

Bloc III: Mecanismes de divisió cel·lular en eucariotes superiors.
TEMA 4: DIVISIÓ CEL·LULAR MITÒTICA 4.1. EL CICLE CEL·LULAR El cicle cel·lular a la majoria de les cèl·lules eucariotes es divideix en quatre etapes: G1, S, G2 i M. El procés inclou una replicació del DNA (S), una divisió del nucli (cariocinesi) seguida d’una divisió citoplasmàtica (citocinesi).
4.2. ESDEVENIMENTS CROMOSÒMICS DE LA FASE S 4.2.1. REPLICACIÓ DEL DNA I REPRODUCCIÓ CROMATÍDICA La reproducció cromatídica (de DNA i histones) és una conseqüència de la replicació. No es detalla com es replica el DNA perquè no és l’objectiu de l’assignatura, simplement saber que la replicació implica que al final del procés un cromosoma tingui dues cromàtides, i abans en tenia una.
En el cicle cromosòmic mai existeix una unitat citogenètica funcional formada per DNA monocatenari. La cromàtide és la unitat citogenètica indivisible del cromosoma.
Bloc III: Mecanismes de divisió cel·lular en eucariotes superiors.
4.2.2. INTERCANVI DE CROMÀTIDES GERMANES (SCE) Durant la replicació topoisomerases i helicases provoquen trencaments de la doble cadena per evitar tensions. Després, aquests trencaments es reparen correctament, però a vegades hi ha algun error i es produeix un intercanvi. Les conseqüències són nul·les, perquè els extrems s’han intercanviat però les seqüències són les mateixes, són homòlogues i per tant no afecta a la viabilitat de les cèl·lules. La polaritat, l’estructura i la morfologia cromosòmic continuen iguals.
Aquest fenomen s’anomena intercanvi de cromàtides germanes.
Aquest fenomen es pot visualitzar al microscopi. Com es pot observar i per què és important observar-ho? Si en cèl·lules en cultiu s’afegeix 5-bromodesoxiuridina (que s’uneix al DNA de nova formació) es veuen les cromàtides noves que es van sintetitzant de color més clar.
Si es fa una segona ronda de replicació, al final hi haurà quatre molècules de DNA. En totes les cromàtides, hi haurà una part que només tindrà 5-bromodesoxiuridina, i per tant aquesta part es veurà més clara que la resta del cromosoma.
Si s’agafen aquests cromosomes i es tenyeixen 5-giemsa, la part amb 5-bromodesoxiuridina es veu gris i la resta negra. Als microscopis es veuen els cromosomes arlequins.
En aquesta imatge citològica els cromosomes que estan encerclats són els que no han patit intercanvi de cromàtides germanes.
Aquesta imatge permet saber el que ha passat en dues fases S anteriors, saber si hi hagut intercanvi de cromàtides germanes).
Hi ha moltes malalties que comencen a causa de la fragilitat cromosòmica. Ex: síndrome de Bloom. Aquests casos es solen donar perquè hi ha mutacions en gens d’helicases i topoisomerases.
Bloc III: Mecanismes de divisió cel·lular en eucariotes superiors.
Aquesta imatge seria la que es trobaria en el quadre clínic d’un individu candidat a tenir la síndrome de Bloom. Se li ha fet la prova dels cromosomes arlequinats per veure si té fragilitat cromosòmica.
Veiem que el nombre d’intercanvis de cromàtides germanes és elevadíssim, per tant concloem que sí que la té.
4.3. ESDEVENIMENTS CROMOSÒMICS DE LA FASE M 4.3.1. FASES DE LA MITOSI Bloc III: Mecanismes de divisió cel·lular en eucariotes superiors.
Bloc III: Mecanismes de divisió cel·lular en eucariotes superiors.
4.3.2. CANVIS EN LA MORFOLOGIA I ESTRUCTURA DELS CROMOSOMES La condensació dels cromosomes mitòtics és responsabilitat sobretot de les condensines.
Formen una xarxa que manté el DNA altament organitzat durant la fase M del cicle cel·lular.
L’activitat de les condensines està regulada per la MPF (Factor Promotor de la Mitosi). La MPF és un complex ciclina-cdk. MPF fosforila les subunitats proteiques de les condensines durant la transició de G2 a M.
Els canvis de morfologia i estructura que es donen a causa de la condensació en la mitosi són destacats. Tornem a posar l’exemple de les dades numèriques del cromosoma 22: - Nucleòtids: 48 x 106.
Estirat: 15 mm.
Interfàsic: 0.015 mm (1000 vegades més condensat que estirat).
Mitòtic: 2 µm (10.000 vegades més condensat que l’interfàsic).
Quan comença a fase M, els cromosomes tenen una morfologia concreta: dues cromàtides germanes. Per mantenir aquesta morfologia són molt importants les cohesines. Les cohesines són un complex multiproteic que manté unides les cromàtides germanes fins l’anafase.
Bloc III: Mecanismes de divisió cel·lular en eucariotes superiors.
Aquests complexos proteics s’assemblen molt als de les condensines. Estan formades per SMC (proteïnes de manteniment dels cromosomes), en aquest cas per SMC1 i SMC3 (les condensines per la 2 i la 4). Les dues SMC formen una espècie de V, i a l’extrem pel qual no estan unides tenen activitat ATPasa, per tant per dur a terme la seva activitat també han de gastar energia.
Les kleisines (Rad21) tanquen aquest anell. El tipus de kelisina que forma les cohesines varia segons l’espècie. Hi ha altres proteïnes que regulen les kleisines (SA1/2).
Les cohesines agafen dues molècules de DNA, és a dir, agafen molècules de cromàtides diferents, mentre que les condensines agafaven la mateixa molècula per diferents regions.
En aquesta taula es veu que les proteïnes que formen les cohesines tenen diferents noms segons l’espècie. Però totes són de la mateixa família proteica i fan la mateixa funció.
Com participen les cohesines en el canvi de morfologia del cromosoma mitòtic? Com s’uneixen a les dues cromàtides? El cromosoma a G1 només té una cromàtide. És llavors quan es carreguen els complexes de cohesines. Aquesta càrrega es produeix amb totes les molècules que formen part del complex: SMC, kleisines i proteïnes reguladores.
Bloc III: Mecanismes de divisió cel·lular en eucariotes superiors.
Quan les cèl·lules comencen la replicació cromatínica, les dues cromàtides germanes que es van formant ja estan encerclades per l’anell de cohesines. Així, al final de G2 tenim cromosomes de dues cromàtides on aquestes estan cohesionades perquè les dues estan envoltades per l’anell de cohesines.
Assegurar la replicació després de la replicació seria molt més difícil.
A vegades es produeix un efecte minoritari: les cromàtides germanes s’entortolliguen com a conseqüència de la relació entre les dues forquilles de replicació durant la fase S. En aquests casos, la topoisomerasa II ha de participar per desentortolligar-les.
La cohesió entre cromàtides germanes depèn de la unió, de l’entortolligament, i de les col·lisions entre cromàtides germanes que es donen a causa de els forces de replicació. L’entortolligament entre les dues molècules de DNA produeix un cert grau d’unió entre cromàtides germanes. De fet, fins el descobriment de les cohesines, es pensava que aquest era el mètode per mantenir unides les cromàtides germanes d’un cromosoma.
Per tant, les cohesines i les condensines són les principals proteïnes que configuren els cromosomes durant la divisió cel·lular: A G1 la cromatina està descondensada, i és quan es carreguen les cohesines. Així, després de la fases S, les dues cromàtides ja estan cohesionades. A la transició de G2 a M s’activa MPF, que és una quinasa depenent de ciclina. Una de les seves dianes són les condensines, que no són actives fins ara, que comença la divisió. Llavors es comencen a condensar els cromosomes.
4.3.3. UNIÓ DELS MICROTÚBULS ALS CINETOCORS En la transició de G2 a M, MPF també activa la formació del citoesquelet mitòtic, tot un conjunt de microtúbuls que seran el fus cromàtic. Aquests microtúbuls s’han d’unir als cinetocors.
Bloc III: Mecanismes de divisió cel·lular en eucariotes superiors.
La zona exterior del cinetocor és la que s’uneix als microtúbuls, i la interior està unida a la seqüència centromèrica de DNA.
Recordem que el cinetocor té una estructura molt complexa. Hi ha quatre tipus diferents de proteïnes que realitzen diverses funcions (revisar estructura del cinetocor al punt 3.4.1.).
Hi ha dos preguntes bàsiques: Com troben els microtúbuls els cinetocors? I un cop els troben, com s’hi uneixen? - Interaccions inicials entre cinetocors i microtúbuls: (A) Les interaccions inicials es fan per “recerca i captura” (símil del pescador que tira la canya fins que troba un peix). Els microtúbuls van polimeritzant i despolimeritzat, fins que troben un cinetocor, i llavors s’estabilitzen.
(B) Aquest model es bases en RanGTP. Els centròmers sintetitzen al voltant de la regió centromèrica la proteïna RanGTP. Aquesta potencia la formació de microtúbuls. Per tant serien generats al voltant del centròmer, i anirien a buscar el centrosoma. Aquest model, per tant, proposa que els microtúbuls van en un sentit invers a l’altre.
(C) El microtúbul no depèn d’un gradient de RanGTP, sinó que els centròmers tenen la facultat de formar microtúbuls que posteriorment s’uneixin al fus mitòtic independentment del gradient de RanGTP.
Hi ha dades experimentals que donen suport als tres models. De fet, pot ser que es doni una barreja entre els tres, o que diferents models es donin en diferents tipus cel·lulars.
Bloc III: Mecanismes de divisió cel·lular en eucariotes superiors.
- Unió microtúbul i cinetocor: (A) El cinetocor crea un anell rígid format per la proteïna Dam1, que estreny el microtúbul per l’extrem positiu i l’estabilitza, evitant així la despolimerització per aquest extrem.
Ndc80 uneix el microtúbul al cinetocor.
(B) És una teoria molt semblant: també hi ha Ndc80 però diu que no és necessària la participació de l’anell Dam1.
(C) Defensa que la unió dels microtúbuls i el cinetocor es fa amb els protofilaments.
(D) La unió entre el microtúbul i la capa externa del cinetocor es fa amb proteïnes motores com CENP-E que formen part de part externa del cinetocor.
Se sap molt sobre la dinàmica cromosòmica però no com s’uneixen els microtúbuls al cinetocor.
No hi ha un model únic, i igual que abans, pot ser que diferents models es donin en diferents tipus cel·lulars.
4.3.4. TIPUS D’ORIENTACIONS A més de com s’uneixen els microtúbuls als cromosomes, també interessa en quina posició i orientació s’hi uneixen perquè els cromosomes puguin segregar correctament (separant les cromàtides germanes en pols oposats de la cèl·lula).
El cinetocor no pot triar entre unir-se als microtúbuls d’un pol o un altre. Això implica que hi ha molècules que fan que cada cinetocor estigui unit a microtúbuls amb diferents orientacions, i no només una.
Els microtúbuls es poden unir als cinetocors en diferents configuracions. No tenen la capacitat de decidir com s’uneixen, i en conseqüència, en un parell de cinetocors germans, els microtúbuls poden estar units en diferents direccions.
a) Unió sintèlica: els cinetocors tenen units microtúbuls que venen del mateix pol.
b) Unió merotèlica: els microtúbuls que venen d’un mateix pol cel·lular s’uneixen als dos cinetocors indistintament. Els que venen de l’altre només s’uneixen a un cinetocor.
c) Unió monotèlica: només s’uneixen fibres del fus a un dels dos cinetocors. En aqeust cas tots els microtúbuls provenen del mateix pol cel·lular.
d) Unió amfitèlica/bipolar: els microtúbuls d’un pol s’uneixen a un cinetocor, i els de l’altre pol a l’altre cinetocor.
D’entre tots aquests tipus d’unions, la compatible amb la segregació de les cromàtides germanes és l’amfitèlica.
Bloc III: Mecanismes de divisió cel·lular en eucariotes superiors.
En l’anafase I de la meiosi la compatible seria la sintèlica, perquè és més efectiva que la monotèlica (que també podria ser bona per aquest cas). Hi ha proteïnes que detecten la unió monotèlica com una situació anòmala i la reconverteixen en sintèlica.
4.3.5. SEGREGACIÓ AMFITÈLICA DE LES CROMÀTIDES GERMANES - Participació de la quinasa Aurora B: Les unions sintèliques i merotèliques no es queden als cinetocors perquè no són estables. Això passa gràcies a la quinasa Aurora B. Aquesta quinasa reconeix les unions dels microtúbuls amb els cinetocors i pot desfer-les. Només quan s’aconsegueix una unió amfitèlica amb equilibri de forces en els dos cinetocors (és a dir, que el nombre de microtúbuls en cada un sigui equivalent, i per això la força cap als dos pols sigui igual) la quinasa Aurora B s’elimina i l’estructura queda estable.
Per què quan hi ha una unió amfitèlica la quinasa Aurora B deixa d’actuar en les unions dels microtúbuls i els cinetocors? Fa uns 5 anys es deia que era a causa de que les tensions que es creaven al centròmer eren les correctes i això era detectat per la quinasa, i llavors deixava d’actuar.
Bloc III: Mecanismes de divisió cel·lular en eucariotes superiors.
La quinasa Aurora B el que fa és fosforilar. Aquesta quinasa forma part del cinetocor intern, i té diversos substrats, els principals dels quals són: - Ndc80: proteïnes encarregades d’unir els microtúbuls al cinetocor. Quan estan fosforilades pateixen un canvi conformacional i perden la seva funcionalitat.
Dia3: també uneix els microtúbuls al cinetocor.
CENP-E: és una proteïna motora que també uneix microtúbuls i cinetocor.
Les dianes de la quinasa Aurora B, per tant, són les proteïnes implicades en la unió entre el cinetocor i el microtúbul. Quan un microtúbul no està unit al cinetocor, la quinasa Aurora B pot accedir a aquestes proteïnes: les fosforila i llavors no poden estabilitzar la unió d’aquest microtúbul amb el cinetocor. Si el microtúbul està unit incorrectament, la aurora continua tenint accés a aquestes proteïnes i les pot fosforilar, de manera que el microtúbul unit incorrectament s’acabarà desunint del cinetocor.
Les fosfatases fa una funció contrària a la quinasa Aurora B. Les fosfatases són “cridades” per les proteïnes CENP-E quan s’uneixen amb els microtúbuls. Quan hi ha fosfatases, les proteïnes unidores són actives i funcionals, però la quinasa Aurora B continua fent la seva feina, per tant les unions es van fent i desfent, hi ha un equilibri.
Si la força dels dos cinetocors és equivalent però oposada (és el que ha de passar en la unió amfitèlica/bipolar) les dues cromàtides s’estan separant per la regió centromèrica, i això fa que la quinasa Aurora B s’allunyi dels seus substrats. Si s’allunya de les proteïnes dianes, l’equilibri es desplaça a favor de les fosfatases, de manera que les proteïnes unidores queden sense fosfat i són actives. Llavors mantenen estable la unió dels microtúbuls amb el cinetocor, que ara és la correcta.
Bloc III: Mecanismes de divisió cel·lular en eucariotes superiors.
- Acció de la proteïna separasa: Les cohesines, però, estan unint les cromàtides germanes. Recordem que les cohesines estan tancades gràcies a les kleisines. Llavors, si els cromàtides germanes estan unides, com es pot produir al segregació? Quan tots els cromosomes ja es troben a la placa metafàsica amb una unió amfitèlica bipolar, s’activa el factor APC. Aquest factors és una quinasa dependent de cilina. Un dels seus substrats són les securines. Les securines són unes xaperones que tenen segrestades les separases. Quan APC fosforila les securines fa que es degradin, de manera que ara les separases poden fer la seva funció, que és actuar sobre les kelisines. Així s’obre l’anell de cohesines, i ja no hi ha cap força que mantingui les dues cromàtides unides. Es pot produir la segregació.
- Punt de control del SAC: Si un cinetocor no presenta una unió amfitèlica bipolar amb equilibri de forces, s’alliberen uns complexes de tres proteïnes: Mad2, Bupr1 i Bub3. Aquest complex s’anomena MCC, i el que fa és inactivar selectivament una ciclina, la Cdc20.
El cicle cel·lular es regula a partir de quinases dependents de ciclines. Si hi ha cromosomes amb una unió incorrecta, alliberen MCC, que s’uneix a Cdc20 i impedeix que aquesta ciclina activi APC. Llavors la cèl·lula no pot avançar més enllà de metafase.
Quan tots els cinetocors presenten la orientació amfitèlica bipolar, no hi ha MCC a la cèl·lula, de manera que Cdc20 està lliure i pot activar APC. Llavors sí que es pot disparar l’anafase i les cromàtides germanes es segreguen.
APC té una segona diana, la ciclinaB1-Cdk1, anomenada també factor MPF (Factor Promotor de la Mitosi). APC inactiva MPF, la qual cosa permet que la cèl·lula surti de la metafase i continuï amb un nou cicle cel·lular, en comptes de mantenir-ho tot com es necessitava al principi de la mitosi.
Bloc III: Mecanismes de divisió cel·lular en eucariotes superiors.
4.3.6. CANVIS EN LA MORFOLOGIA I ESTRUCTURA DELS CROMOSOMES Per conèixer bé aquests canvis, és important entendre la participació de les cohesines i les condensines, que són les que configuren els cromosomes durant la divisió cel·lular.
Bloc III: Mecanismes de divisió cel·lular en eucariotes superiors.
4.4. DURADA DE LA MITOSI Índex mitòtic: nombre de cèl·lules en qualsevol fase mitòtica respecte la població analitzada. En percentatge.
Índex de fase: nombre de cèl·lules en una determinada fase mitòtica respecte la població total de cèl·lules mitòtiques. En percentatge. Aquest serveix per mirar la durada de cada una de les fases de la mitosi. Si hi ha més percentatge de cèl·lules en una fase és perquè aquests dura més.
Llavors si sap la durada total de la mitosi es pot calcular la de les fases.
En la següent taula podem veure que profase i telofase són les fases més llargues de la mitosi.
Són fases complexes que requereixen temps perquè és quan desapareix i apareix l’embolcall nuclear, i es passa d’eucromatina a heterocromatina o viceversa. La durada de les fases, per tant, està relacionada amb els processos que s’hi donen.
Bloc III: Mecanismes de divisió cel·lular en eucariotes superiors.
4.5. DIVISIONS MITÒTIQUES NO CONVENCIONALS El cicle de divisió convencional, en determinats moments pateix variacions que s’escapen de la norma general, i altres que tenen una certa rellevància. Quines variacions d’aquest cicle es produeixen i quin efecte tenen sobre els cromosomes? 4.5.1. VARIACIONS EN LA REPLICACIÓ I EN EL REPARTIMENT DEL MATERIAL HEREDITARI Passa quan la fase S no va acoblada a la fase M: - Endoreduplicació: hi ha dues o més rondes de replicació sense fase M. Aquest procés és freqüent en la natura i l’exemple més típic són els cromosomes politènics en Drosophila.
- Haplocromosomes: hi ha dues fases M sense replicació.
Hi ha un repartiment desequilibrat dels cromosomes, o fins i tot hi ha trencaments transversals de cromosomes. És un fenomen natural, però molt poc freqüent, bàsicament s’ha trobat en plantes.
Bloc III: Mecanismes de divisió cel·lular en eucariotes superiors.
4.5.2. VARIACIONS QUE AFECTEN ELS ESTADIS MITÒTICS No són fenòmens naturals, sinó que es provoquen artificialment als laboratoris per estudiar els efectes de certes substàncies sobre la divisió cel·lular. Els tractaments que s’han fet per introduir variacions en l’anafase són: - - - c-Mitosi, efectes de drogues sobre el fus: hi ha drogues que afecten a al polimerització dels microtúbuls, de manera que les cèl·lules queden bloquejades a metafase. Això permet veure-les en la conformació de cromosomes metafàsics. Un exemple de droga que provoca el bloqueig en metafase és la colxicina.
Fus multipolar, efectes de drogues sobre el fus: la segregació dels cromosomes no es fa bé, perquè per exemple es formen tres pols de separació. Això s’utilitza per estudiar l’efecte de les aneuploïdies. La carbetamida, per exemple, provoca aquest repartiment desequilibrat dels cromosomes.
a-Mitosi, anòxia amb efectes sobre el fus: l’anòxia (no hi ha oxigen) fa que hi hagi poc ATP perquè no es pot fer la respiració cel·lular, i això provoca que hi hagi errors a l’hora de polimeritzar el fus. Llavors hi ha errors de segregació.
4.5.3. VARIACIONS EN LA CITOCINESI - - Cariocinesi sense citocinesi: resulten cèl·lules polinucleades. Pot ser un procés natural o induït (per exemple, per la cafeïna, que inhibeix la formació del fragmoplast). Aquest procés s’observa en les cèl·lules del múscul esquelètic.
Citocinesi sense cariocinesi: es creen cèl·lules amb anomalies. Tot i això, també s’ha observat que passa de manera natural.
4.5.4. TIPUS DE MITOSI Ja hem vist que el cicle cel·lular model no és un dogma, pot tenir moltes variacions. La mitosi convencional té lloc com el procés de la figura (a) en el següent esquema. Hi ha un fus bipolar, microtúbuls alineats al centre i units als cinetocors, anafase a i anafase b... i tot com sempre ho hem estudiat. Però hi ha espècies on la mitosi no es dóna amb aquest mecanisme.
El model (b) és el d’espècies on tot això es produeix més o menys amb el mateix mecanisme, però l’embolcall nuclear només es trenca al voltant dels centríols, perquè els microtúbuls pugin entrar al nucli i unir-se als cromosomes.
El model (c) explica la mitosi dels llevats. Aquests fan una mitosi tancada, que es dóna íntegrament dins el nucli. Es formen una mena de centríols (no són centríols, sinó plaques denses) dins el nucli, i allà es fa la divisió.
Altres models de mitosi (d) es fan en entorns tancats, i només hi ha un tipus de microtúbuls (no n’hi ha de polars i astrals, sinó que només n’hi ha de cinetocòrics).
En el model (e) els microtúbuls formen canals a través del nucli. El cas (f) és igual que l’(e), però només hi ha un sol microtúbul.
Bloc III: Mecanismes de divisió cel·lular en eucariotes superiors.
...



Comentario de aperezsanchez en 2017-10-17 20:55:49