Tema 3. Replicació del DNA II. Control del cicle cel·lular en eucariotes (2015)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Pompeu Fabra (UPF)
Grado Medicina - 2º curso
Asignatura Bioquímica II
Año del apunte 2015
Páginas 8
Fecha de subida 04/02/2015
Descargas 20
Subido por

Vista previa del texto

Tema 3. Replicació del DNA (II): control del cicle cel·lular en eucariotes 1. CONTROL DE LA REPLICACIÓ PER CICLE CEL ·LULAR EN EUCARIOTES Descripció del cicle cel·lular eucariota El cicle cel·lular eucariota es divideix en quatre fases anomenades G1, S, G2 i M. Les tres primeres s’inclouen en l’interfase, i es corresponen G1 i G2 a fases d’interval i S a la fase de síntesi. La fase M o fase de mitosis es divideix alhora en profase, metafase, anafase i telofase.
 Profase Condensació dels cromosomes, formació del fus i desintegració de l’embolcall nuclear.
 Metafase Cada cromosoma s’alinea de manera independent en la placa de metafase  Anafase Separació de les cromàtides  Telofase i citocinesi Es torna a formar l’embolcall nuclear i la cèl·lula es divideix Paper de ORC i MCM en el control de la replicació eucariota El control del cicle cel·lular es realitza a través de fosforilacions per acció de cinasa i ciclina. En eucariotes l’inici de la replicació és regulat per un complex pre-replicació format per ORC (origin recognition complex), Cdc6 i MCM (mini chromosome maintenance). En Pombe trobem Cdc18 en lloc de Cdc6.
ORC es troba unit al punt d’origen de la replicació, OriC, i a ella s’uneix Cdc6, una proteïna que catalitza la hidròlisi de l’ATP. Aquesta hidròlisi és necessària per la unió de MCM al DNA. MCM és una helicasa que permet la iniciació de la replicació del DNA i la seva elongació.
2. FASES I CONTROL DEL CICLE CEL·LULAR Punts de control i checkpoints Durant el cicle cel·lular hi ha estímuls positius i checkpoints o controls de verificació negatius que indiquen a la cèl·lula si ha de continuar amb el procés. Són exemples de checkpoints que el DNA no estigui danyat, que hagi finalitzat la replicació, que només hagi realitzat una replicació o que la massa cel·lular sigui suficient. La regulació del cicle cel·lular és duta a terme per enzims que presenten dues subunitats amb activitat catalítica o cinasa i activitat reguladora o ciclina respectivament.
21 Cicle cel·lular en Schizosaccharomyces pombe Schizosaccharomyces pombe és un llevat d’unes 10 micres que es divideix per fissió, és a dir, es divideix exactament per la meitat, i s’utilitza com a model per l’estudi del cicle cel·lular.
Paul Nurse (premi Nobel 2001) va estudiar la replicació d’aquest bacteri en base a diferents mutants. La imatge següent mostra la variant salvatge del bacteri i dues mutacions, cdc25 i wee1, que tenen mutat un element d’acceleració o fre del cicle cel·lular. Cdc25 presenta una mutació en un element d’acceleració provocant un creixement normal però impedint la divisió, de manera que s’observa un bacteri excessivament llarg. L’element mutat en wee1, en canvi, és un fre, de manera que la cèl·lula es divideix abans d’aconseguir la mida suficient.
En pombe cdc2 és la subunitat catalítica de la cinasa durant tot el cicle però s’associa a diferents ciclines. En la regulació de l’inici de la mitosi (transició G2-M) s’associa a la ciclina cdc14 mentre que en la transició G1-S s’associa a cig2.
Cdc2 es sintetitza de manera constitutiva i es troba sempre en la mateixa concentració, de manera que són les oscil·lacions en les concentracions de les ciclines les que l’activen i la inactiven alhora que li atorguen una especificitat de substrat.
La unió de les ciclines a cdc2, però, no és suficient per l’activació d’aquesta cinasa, sinó que són també necessàries fosforilacions específiques com es mostra a la imatge següent.
22 En la transició G1-S, també anomenada START o restriction point, cdc2 està activa per l’unió a cig2 i la fosforilació de la trenonina. Un cop iniciada la fase S cdc2 s’inactiva per la separació de cig2 i per la fosforilació de la tirosina. A continuació s’uneix cdc13, però cdc2 no serà activa i no catalitzarà la transició G2-M fins que no actuï cdc25 amb activitat Tyr-fosfatasa. Rum1 és l’encarregat de mantenir el dímer cdc2-cdc13 inactiu durant la fase S. Un cop iniciada la mitosi wee1 i Mik1 actuen inactivant cdc2 mitjançant la fosforilació de nou de la tirosina.
L’absència de cdc25 provocaria l’allargament de les cèl·lules al no produir-se la mitosi mentre que l’absència de Wee1 provoca cèl·lules molt curtes per una divisió prematura.
En aquest circuit hi ha dos substrats molt important: cdc18 i cdc22. Cdc18, cdc6 en eucariotes, és imprescindible pel començament de la replicació (fase S) i és substrat de la cinasa de fase M ja que la seva fosforilació fa que s’inactivi per degradació. Cdc22 codifica per nucleòtid reductassa i és essencial per la síntesi de DNA.
Resumint el control del cicle cel·lular en S. Pombe: - En fase M està activa la cinasa cdc2/cdc13 i la seva activitat està regulada per la fosfatasa cdc25, que activa el dímer, i la cinasa wee1, que l’inactiva.
- En fase G1-S està activa la cinasa cdc2/cig2 mentre que Rum1 bloqueja la cinasa de fase M (cdc2/cdc13).
Així doncs, cdc2 està present durant tot el cicle mentre que cdc13 s’acumula en fase M i cig2 s’acumula en fase S. Cdc13 i cig2 patiran una degradació dependent del cicle.
23 Cicle cel·lular en mamífers El control de la transició G2-M en mamífers és realitzat per la cinasa de fase M que té una subunitat catalítica anomenada p34 o cdc2 molt conservada en les espècies i dues subunitats reguladores anomenades ciclines A i B menys conservades en les espècies.
En la fase M cal inactivar les ciclines mitjançant la seva destrucció a través de la detecció de la destruction-box o D-box.
Les activitats reguladores que participen en aquest procés són wee1, que actua com a cinasa, cdc25, que actua com a fosfatasa, i CAK (cdc2 activating kinase) que activa per fosforilació.
Mutacions que provoquin l’activació constitutiva de CAK poden induir processos tumorals.
Els canvis necessaris en fase M són la condensació dels cromosomes, la dissolució de les membranes, la reorganització dels microtúbuls i la reorganització de l’actina per la citocinesis.
Els substrats de la cinasa en la fase M són l’histona H1; les làmines, formades pel trencament de la membrana nuclear, i la nucleolina, utilitzada per la síntesi de ribosomes.
En el control de la transició G1-S intervenen les subunitats catalítiques cdk2 i 4 i com a subunitats reguladores les ciclines de les famílies A, D i E.
24 El principal substrat de la cinasa de la fase S (cdk 2 i 4) és el retinoblastoma. Aquesta proteïna, quan es troba defosforilada, es troba unida a la proteïna E2F, un factor de transcripció que activa la transcripció de gens de fase S. Abans de fase la S el retinoblastoma es troba defosforilat i uneix E2F inhibint la seva activitat. Per permetre la transcripció dels gens un cop iniciada la fase S, cdk 2 i 4 actuen fosforilant el retinoblastoma per tal que se separi de E2F i aquest pugui actuar. Les mutacions en retinoblastoma són l’origen de molts tumors ja que deixa d’unir E2F i per tant deixa d’inhibir-lo, produint-se una transcripció constitutiva dels gens. En mamífers MBF és l’homòleg funcional d’E2F.
Els inhibidors de cdk són les cki, cdk-cyclin inhibitors. Destaquen entre elles p15 i p16, específiques per retinoblastoma, p21 i p27. La senyal d’activació de les cki sembla ser TGFb i són homòlegs funcionals de RUM1.
25 3. BASES MOLECULARS DEL CÀNCER De manera normal, un cultiu cel·lular té un creixement determinat que finalitzarà a l’assolir un número finit de divisions en funció del teixit.
La pèrdua del control del cicle cel·lular es produeix quan un cultiu de cèl·lules primàries que s’ha dividit un nombre determinat de vegades pateix una situació de crisi en què moren la majoria de les cèl·lules. Algunes de les cèl·lules supervivents entren de nou al cicle de divisió pel procés d’immortalització i es divideixen indefinidament, tot i que depenen de l’adherència al substrat, el sèrum i la inhibició per contacte. Es produeix aleshores el procés de transformació que fa que aquestes cèl·lules siguin independents a aquests factors i creixin sense cap limitació. Si les cèl·lules adquireixen mobilitat realitzen metàstasi migrant per començar noves colònies.
Generació d’un procés tumoral En l’estudi de la generació d’un procés tumoral cal tenir en compte els següents punts: 1. Identificació de l’agent causal (virus, mutació...) 2. S’ha activat un gen activador (proto-oncogen) o s’ha inactivat un fre o gen supressor de tumors? 3. Funció fisiològica del proto-oncogen o del gen supressor de tumors 4. Quins són els canvis concrets en el gen modificat? 5. Com modifiquen aquests canvis l’activitat del producte gènic original? *Proto-oncogens Gens que poden convertir-se en oncògens quan s’activen constitutivament.
Agents causants de la transformació Els virus poden actuar inactivant supressors de tumors (polioma, HPV o adenovirus). En aquest cas no actuen sobre els propis gens sinó sobre les proteïnes que aquests codifiquen i bloquegen els frens. Els retrovirus, en canvi, activen proto-oncogens mitjançant el transport del seu genoma v-onc a altres hospes o insertant-se i activant l’expressió de c-onc transformant-los en v-onc.
Altres agents causants de transformació són les mutacions, les insercions, les translocacions i les amplificacions. En tots els casos pot haver-hi una inactivació del gen supressor de tumors, provocant l’eliminació del fre i una pèrdua de funció, o poden activar-se proto-oncogents guanyant-se funció per un augment de la concentració o de l’activitat.
26 Oncògens i rutes de transmissió de senyal Per transmetre els senyals que arriben a la cèl·lula (senyals nutricionals, de contacte...) i produir un efecte sobre la reproducció de la cèl·lula hi ha rutes en cascada que s’inicien amb la interacció d’una proteïna amb un receptor de membrana.
Aquesta ruta en cascada s’inicia amb l’interacció d’un factor de creixement amb un receptor específic que activa una proteïna G. Aquesta intercanvia el seu GDP per un GTP i activa una tirosina cinasa que alhora activa una serina o treonina cinasa. S’activa aleshores un factor senyalador citoplasmàtic que pot activar o inhibir un factor de transcripció.
Els principals acceleradors són les cdks, E2F i cdc25 entre d’altres, mentre que com a frens trobem RB, wee1 i ckis. Alguns clàssics d’iniciació de tumors són ras, myc, fos i jun.
c-ras (proteïna G) és un proto-oncogen que pot transformar-se en v-ras, un oncogen que es troba actiu constitutivament. De manera normal c-ras produeix la transmissió en cascada quan rep un senyal. No obstant, quan es veu superexpressat es transforma en v-ras i el procés es dona de manera constitutiva sense necessitat de rebre cap tipus de senyal.
27 Gens supressors de tumors La superexpressió del retinoblastoma bloqueja el creixement de les cèl·lules tumorals ja que s’uneix a E2F i impedeix la transcripció dels gens. Retinoblastoma, però, es pot inactivar per una mutació somàtica sobre l’heterozigot i per oncoproteïnes víriques com l’antigen T i E1A que s’uneixen a RB i l’inactiven impedint l’unió a E2F.
Un altre gen supressor de tumors és p53, que no té una funció essencial en el cicle però la seva absència provoca una major aparició de tumors. La seva funció és detectar danys al DNA i actuar com a factor de transcripció per aturar el procés o induir l’apoptosi. Actua de manera equivalent a RUM1 en Pombe.
P53 pot inactivar-se per oncògens vírics (antigen T) o per una mutació dominant negativa que és superexpressada. La conseqüència en els dos casos és que no hi ha fre pel procés i aquest, per tant, no s’atura. Segons Lewin la resposta d’intentar corregir el dany o produir l’apoptosi dependrà del moment en el cicle cel·lular. Hi haurà correcció si es troba en G1 i apoptosi en cas contrari.
P53 presenta quatre dominis principals amb diferents funcions. El domini central és el domini d’unió al DNA, el domini N-terminal realitza la transactivació, és a dir, interactua amb factors de transcripció i amb la DNA polimerasa, el domini C terminal reconeix el dany al DNA i per últim una regió propera al domini C-terminal s’encarrega de l’oligomerització.
Cooperativitat entre immortalització i transformació El procés de transformació en bacteris, consistent en la transmissió d’un plasmidi, pot provocar una proliferació incontrolada que derivi en l’inici d’un tumor.
28 ...