Tema 10 ABC Regulació del cicle cel·lular (2014)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Biología - 2º curso
Asignatura Ampliació Biologia Cel·lular
Año del apunte 2014
Páginas 14
Fecha de subida 08/02/2015
Descargas 3
Subido por

Descripción

Apunts del curs 2013/14

Vista previa del texto

Ampliació Biologia cel·lular 2n Biologia UAB Tema 10.- Regulació del cicle cel·lular 1.Introducció Les fases de la vida d’una cèl·lula poden dividir-se en creixement, proliferació i mort.
Durant el desenvolupament embrionari, augmenta molt la proliferació i el ratio de cèl·lules que moren disminueix.
Quan l’individu ja és adult, la majoria de cèl·lules estan ja diferenciades, és a dir que deixen de proliferar i s’especialitzen en una funció específica. Les cèl·lules de vida llarga, com les neurones, pràcticament no es divideixen mai; i les cèl·lules de vida curta, com les del revestiment intestinal, duren un parell de dies i per tant necessiten una taxa de divisió elevada.
2.Fases del cicle cel·lular      Fase G1: creixement Fase S: (síntesi) replicació del DNA Fase G2: preparació per a la divisió Fase M: mitosi, divisió del material genètic i citocinesi Els checkpoints detecten problemes i envien senyals inhibidores.
Ampliació Biologia cel·lular 2n Biologia UAB 3.Bases bioquímiques de la regulació del cicle 3.1.Ciclines La seva concentració és molt variable al llarg del cicle.
En mamífers hi ha A, B, C, D, E, F, H. De les 16 que hi ha en humans, no totes son reguladores del cicle cel·lular. La vida mitja de les ciclines D i E és de 20 minuts.
La seva funció es activar les kinases dependents de ciclines en diferents fases del cicle.
En quant a la seva regulació, la seva activació promou la síntesi, i la seva degradació es dona per ubiquitinització i proteosomes a la caixa de destrucció, que es troba prop de l’extrem N-terminal.
3.2.Kinases depenent de ciclines (Cdks) La seva concentració és constant al llarg del cicle. Es una proteïna d’entre 30-40 kDa. Els mamífers tenim la CDK1-CDK7. La CDK1 també es pot anomenar Cdc2.
Són heterodímers: tenen una subunitat catalítica (CDK) i una subunitat reguladora de l’activitat (ciclina). La seva funció es regular l’activitat proteïna diana per fosforilació. Estan activades per una ciclina que pateix una fosforilació i després una defosforilació. Per inactivar-les, existeixen les proteïnes inhibidores (CKI i INK4), però també es pot fer el procés invers al de l’activació.
3.3.Regulació Cdk-ciclines (activació) Ampliació Biologia cel·lular 2n Biologia UAB 3.3. Regulació Cdk-ciclines (inactivació) APC s’activa a la fase M quan la concentració de MPF augmenta. MPF fosforila cdh1, la qual s’allibera. En el lloc que queda lliure s’uneix la cdc20 i s’activa la APC/C. Llavors es dona la ubiquitinització de la ciclina B i la securina.
CKI (Cyclin dependent kinase inhibitors): p21 (Walf1), p27 (KIP1), p57 INK4 (inhibitor of CDK4): p15, p16, p18, p19 Inactivació de la cdk-ciclina en general: Les fosfatases defosforilen les proteïnes fosforilades. Entre aquestes existeixen les fosfatases basals, que són les que inactiven les kinases. També pot donar-se la inactivació per inhibidores específiques de cdk, com per exemple les CKI i les INK4. Al final, el que s’ha de donar es la degradació de la ciclina específica de fase. Per ubiquitinització finalitza l’activació de la kinasa.
Existeixen dues APC/C diferents: Ampliació Biologia cel·lular 2n Biologia UAB APC/C unida a cdh1: es troba activa des del final de l’anafase (fase M) fins a finals de G1 (abans del punt de regulació). Permet que es doni la citocinesi, desembalatge del fus, descompactació de cromosomes, assemblatge de l’embolcall nuclear, reactivació de la transcripció, assemblatge al golgi, assemblatge al complex pre-replicació... No hi ha cap ciclina activa, només creixement cel·lular. L’APC/C-cdh1 és inactiva durant la fase M.
APC/C unida a cdc20: està activa de la prometafase a la metafase. Es la responsable de degradar les ciclines A i B, i també la responsable d’activar l’anafase.
Tant la APC/C unida a cdch1 com la APC/C unida a cdc20 estan regulades per altres proteïnes.
SCF unida a Skp2: és una E3 ligasa, i s’encarrega d’ubiquitinitzar diferents proteïnes del cicle cel·lular, com per exemple la p27 (que és una inactivadora de cdk), la E2F (que es un factor de transcripció) o fosfatases cdc25A.
Tot i això, mai ubiquitina ciclines.
4.- Fase G1 Aquesta fase desapareix després de la fecundació i reapareix en l’inici del desenvolupament.
Quan s’inicia la G1 no hi ha ciclines, i per tant no hi ha activitat Cdk i no es dona divisió cel·lular. Quan se substitueixen les histones H1 per les H10, augmenta la condensació de la cromatina i es dona la transcripció. Aquesta transcripció pot Ampliació Biologia cel·lular 2n Biologia UAB ser reprimida (gens de proliferació) o activa (gens específics de teixits).
Es dona divisió en les fases S, G2 i M, i quan arriba a la G0 s’atura i queda en estat quiescent.
Quan l’aturada en G0 es dona in vitro, hi ha una manca de nutrients i la síntesi s’inhibeix moderadament.
4.1.Aturada a G0 Quan les cèl·lules in vivo surten del cicle cel·lular es produeix una inhibició, que pot ser per contacte, per senyals exteriors que aturin el cicle cel·lular o estimulin una diferenciació, que el medi extern no sigui l’adequat o que el numero de divisions i l’escurçament dels telòmers provoqui que la cèl·lula entri en senescència.
En canvi, quan les cèl·lules es troben en estat quiescent, són cèl·lules actives, que sintetitzen i secreten proteïnes de manteniment o específiques, etc.
4.2.Reinici del cicle: entrada a G1 La sortida de G0 i entrada a G1 es diferent si les cèl·lules es troben in vitro o in vivo.
En el cas de les cèl·lules in vivo es dóna una resposta a un estímul específic, com ara danys o un recanvi cel·lular normal.
En canvi, en el cas de les cèl·lules in vitro, cal una addició de sèrum que estimuli 3 onades d’expressió gènica: factors de transcripció (jun, fos, myc, i altres necessaris per al creixement i divisió), proteïnes primerenques de reparacions estructurals i de teixits (citoquines, fibronectina, integrines, actina, vimentina), i proteïnes tardanes (ciclina D).
4.3.Característiques fase G1 Augmenta l’activitat metabòlica (és la fase més llarga del cicle cel·lular). Això comporta una transcripció de gens i traducció de proteïnes necessàries per al creixement, augment de la mida cel·lular, control de la qualitat del DNA i reparar-lo si fa falta.
Hi ha un punt de control intrínsec de la fase: el punt de restricció R. Per a superar-lo cal arribar a la massa crítica cel·lular, tenir el DNA intacte i que hi hagi GF (factors de creixement) i un medi ambient favorable.
Ampliació Biologia cel·lular 2n Biologia UAB 4.4.Punt de restricció a G1 És el punt R, i separa la fase G1 en dos: la fase depenent deGF i la independent. En la fase depenent de DF la durada es constant, es reordena el citoesquelet i es descondensa la cromatina. Després de superar el punt R, on es dona hiperfosforilacio de la proteïna retinoblastoma, arriba la fase independent de GF. En aquesta la durada es variable i la cèl·lula es compromet a dividir-se.
Quan no hi ha mitògens: la cromatina es troba condensada, el Rb està unit a E2F/DP1. (E2F és un factor de transcripció i no es transcriuen els gens en divisió).
Quan sí hi ha mitògens, s’activa una cascada de senyals: síntesi de ciclina D, hiperfosforilació de Rb, alliberament del E2F i, finalment, la transcripció dels gens en divisó.
Els factors de creixement/integrines activen el receptor Tyr/Kinasa. Això activa una cascada de senyals que activen la transcripció de la ciclina D i de la p21. Quan augmenta la concentració d’aquests dos, s’hi uneix la Cdk4/6, resultant el complex Cdk4/6-ciclina D-p21. Aquest complex entra al nucli i fosforila Rb. Quan passa això, s’allibera E2F i s’activa la transcripció de moltes molècules Ampliació Biologia cel·lular 2n Biologia UAB Exemples: ciclina E,A // DNApol alfa; PCNA//Cdc25, Emi1//Tirimidina Kinasa, Dihidrofosfat reductasa, Timidilatsyntasa//c-myc, securina//Msh//mlh, Cdc6//Cdt1, germinina.
Cdk2-ciclinaE:  fosforila p27 i aquest es ubiquitinitzat per SCF-Skp2 (a G1).
 Fosforila DP i E2F i aquests són ubiquitinitzats per SCF-Skp2 (a S) 4.5.Control integritat DNA a G1 Si el DNA es troba danyat, la G1 s’atura i augmenta la concentració de proteïna p53. Quan aquesta està activa actua com a supressora de tumors, i quan està inactiva promou la proliferació cel·lular i la formació de tumors. Es una proteïna molt inestable, per això és molt fàcil que s’acumuli. Tant important és, que el 50% dels càncers humans venen d’una mutació en la proteïna p53. Quan aquesta s’estabilitza i la cèl·lula deixa de proliferar, s’atura el cicle cel·lular transitòria o irreversiblement, hi ha apoptosi, senescència o diferenciació.
En condicions normals, els nivells de p53 són baixos gràcies a la Mdm2 (que és una E3 ligasa i uneix la p53 amb Ub i promou la degradació per proteosomes).
Quan el DNA està danyat és quan s’estabilitza la p53 per augmentar la seva concentració, ja sigui per modificacions de la p53 (fosforilacions o acetilacions), per modificacions de la Mdm2 (fosforilacions o segrest al nuclèol) o per blocatge de la ubiquitinització.
Ampliació Biologia cel·lular 2n Biologia UAB 4.6.Model control “dues onades de resposta” Existeix la resposta ràpida, que dura minuts, i és independent de p53; i la resposta tardana, que dura hores, i és depenent de la p53. Es fan punts de control de danys del DNA:    Sensors de danys del DNA: ATM, ATR, complex Rad1-Rad9Hus1, i rad17).
Transductors del senyal: Chk2 (checkpoint kinasa chk2 kinases per ATM) i Chk1 (checkpoints kinasa chk1 per ATR) Efectors de la reparació del dany, que varien segons G1, S, G2, M.
5.Fase S  Es dona la replicació del DNA, que està restringida a la fase S, només se’n fa una per cicle, es fa ABANS de la divisió i si es detecten danys en el DNA la replicació s’atura.
 Es sintetitzen proteïnes histones, la qual cosa està coordinada amb la replicació del DNA i si la concentració d’histones és insuficient, la replicació es bloqueja.
 Per últim, també es dupliquen els centrosomes.
En control es produeix en la iniciació. Cal diferenciar la replicació en eucariotes i procariotes: Al E.Coli, l’origen de replicació és bidireccional, hi ha dos maquinàries de replicació i una forquilla. Als eucariotes hi ha molts orígens de replicació (ORI). Per tant necessiten control de l’origen de replicació: el complex pre-RC i el complex post-RC.
Ampliació Biologia cel·lular 2n Biologia UAB 5.1.Cicle complex pre/post-replicació Entre el final de l’anafase i el punt R de la fase G1 es forma el pre-ORC.
En aquest intervenen Cdc6, Cdt1, Mcm, que s’uneixen als orígens de replicació (ORI).
Al punt R s’allibera E2F, que promou la síntesi de geminin i ciclina A.
En la fase S la Cdk2-ciclinaA fosforila la cdc6; la Cdc7p-Dbf4p fosforila la Mcm; la geminin segresta la Cdt1 i es repliquen els orígens.
A la fase G2/M el DNa ja està tot replicat, l’ORC es fosforilat i s’anomena Post-ORC, la Cdk1-ciclina B impedeix la formació de nous pre-RC, i la proteïna geminin segresta la Cdt1, que és necessària pels pre-RC.
5.2.Control fase S La fase està controlada per la presència de proteïnes de replicació i dNTPs i pels punts de control.
Quan hi ha danys en el DNA la p53 retarda la replicació i els productes ATM i ATR controlen: el retard en la replicació de regions de replicació tardana, la disminució de nombres d’origen de replicació actius, i la disminució de la taxa d’elongació de cadenes noves.
Ampliació Biologia cel·lular 2n Biologia UAB 6.Fase G2 En aquesta fase es prepara la cèl·lula per entrar en mitosi, és a dir: finalitza la replicació de DNA, s’uneix les proteïnes al DNA i es condensen els cromosomes.
El control en aquesta fase ve donat per RCC1 (proteïna que regula la condensació cromosòmica), Cdk2-ciclinaA i Cdk1-ciclinaB (sintetitza la ciclina B a finals de la fase S-fase G2, es troba al citoplasma associada al microtúbuls, però també pot trobar-se al nucli).
6.1.Transició G2-M Regulat per la Wee1 + CAK i la Cdc25.
 Kinases més importants: Myt1 (al citoplasma unida a la ciclinaB. Fosforila la Cdk1 inactivant-la), Wee1 (al nucli, per estar activa ha d’estar hipofosforilada, fosforila la Cdk1 Ampliació Biologia cel·lular 2n Biologia UAB inactivant-la), CAK (al nucli, fosforila la Cdk1 activant-la).
 Fosfatases més importants: Cdc25 (es troba al nucli i citoplasma. Per estar activa ha d’estar hiperfosforilada per una polo kinasa. Activa la Cdk1ciclinaB).
6.2.- Activitat Cdk1-ciclinaB (MPF) Es fosforila per feedback. La Cdc25 la manté fosforilada (activa), per tant és un feedback positiu; i la Wee1 la manté inactiva (feedback negatiu).
La Wee1 està activa quan està hipofosforilada, i la Cdc25 està activa quan està hiperfosforilada.
6.3.Control transició G2-M Control: DNA replicat i DNA intacte.
Ampliació Biologia cel·lular 2n Biologia UAB 7.Fase M És la fase en què es divideix el material nuclear i el contingut citoplasmàtic. Té un control bastant ampli:    Proteïnes de control: MPF (Cdk1-ciclinaB) fosforila diferents proteïnes específiques, RCC1 controla la condensació cromosòmica, i APC/C etiqueta per la ubiquitinització de diferents proteïnes.
Els nivells de Ca2+ intracel·lular varien, i per tant varia la calmodulina.
Es fosforilen i defosforilen MAPs del fus i elements dels MTOC 7.1.Profase/Metafase Canvis del nucli i del citosol: es condensen els cromosomes, dessembalatge del nuclèol, s’atura la transcripció, es trenca l’embolcall nuclear, es fragmenta el golgi i RE, disminueix la endo/exocitosi, es reorganitza el citoesquelet (es despolimeritza i es formen els microtúbuls del fus).
Reorganització del citoesquelet: canvien els nivells de Ca2+, s’uneixen els monòmers de tubulina a Ca2+ per fer la tubulina no polimeritzable, es despolimeritzen els microtúbuls (la calmodulina i les MAPs faciliten el desembalatge dels microtúbuls), s’allibera la tubulina i es polimeritza el microtúbul del fus (formen els àsters).
Fosfo/Defosforilacions: fosforilacions de MAPS del fus provoquen el moviment dels cromosomes, i fosforilaciones del MTOC activen la polimerització de microtúbuls.
A la profase es dissocien les cohesines al llarg dels braços (per auroraB i polo-kinases), la Shungoshin protegeix les cohesines del centròmer, i la separasa s’uneix a la securina. A la metafase s’activa la APC/C.
7.2.Metafase/Anafase Ampliació Biologia cel·lular 2n Biologia UAB Les cromàtides estan unides per un complex que formen les cohesines ( Scc1, Scc3, Smc1, Smc3. Per separar-les, intervé APC/C que ubiquitinitza la securina: degrada securina, allibera la separasa, la separasa trenca Scc1, SGono pot impedir el tall proteolític i les cromàtides germanes se separen.
En aquest punt es dona el mitòtic checkpoint (MCC). El SAC (Spindle assembly checkpoint) és un complex proteic format per les proteïnes MAD2/3, BUB3, Aurora B... Aquest s’activa quanhi ha algun cromosoma mal unit al fus mitòtic, i atura el cicle cel·lular, impedint la activació de APC/C i l’anafase.
7.3.Telofase: Es forma l’embolcall nuclear al voltant dels cromosome si els pols es separen.
Ampliació Biologia cel·lular 2n Biologia UAB 7.4.Citocinesis Es dona el desembalatge del fus, s’aporten vesícules per formar la membrana, es forma l’anell contràctil, es descondensen els cromosomes, es dona la citocinesi i es formen els complexes origen de replicació competents.
...