Los puntos de control del ciclo celular son mecanismos de control del ciclo celular eucariota que aseguran su adecuada progresión. Cada punto de control sirve como un posible punto de terminación a lo largo del ciclo celular , durante el cual se evalúan las condiciones de la célula, y la progresión a través de las distintas fases del ciclo celular se produce sólo cuando se cumplen las condiciones favorables. Hay muchos puntos de control en el ciclo celular, [1] pero los tres principales son: el punto de control G1, también conocido como punto de control de inicio o restricción o punto de control mayor; el puesto de control G2/M ; y la transición de metafase a anafase, también conocida como punto de control del huso . [2] La progresión a través de estos puntos de control está determinada en gran medida por la activación de quinasas dependientes de ciclinas mediante subunidades de proteínas reguladoras llamadas ciclinas , cuyas diferentes formas se producen en cada etapa del ciclo celular para controlar los eventos específicos que ocurren en el mismo. [3] [4]
Todos los organismos vivos son producto de rondas repetidas de crecimiento y división celular. [5] Durante este proceso, conocido como ciclo celular , una célula duplica su contenido y luego se divide en dos. El propósito del ciclo celular es duplicar con precisión el ADN de cada organismo y luego dividir la célula y su contenido de manera uniforme entre las dos células resultantes. En los eucariotas , el ciclo celular consta de cuatro etapas principales: G 1 , durante la cual una célula es metabólicamente activa y crece continuamente; Fase S , durante la cual tiene lugar la replicación del ADN; G 2 , durante el cual continúa el crecimiento celular y la célula sintetiza varias proteínas en preparación para la división; y la fase M ( mitosis ), durante la cual los cromosomas duplicados (conocidos como cromátidas hermanas ) se separan en dos núcleos hijos y la célula se divide en dos células hijas, cada una con una copia completa de ADN. [6] En comparación con el ciclo celular eucariota, el ciclo celular procariótico (conocido como fisión binaria ) es relativamente simple y rápido: el cromosoma se replica desde el origen de la replicación, se ensambla una nueva membrana y la pared celular forma un tabique que se divide. la celda en dos. [7]
Como el ciclo celular eucariota es un proceso complejo, los eucariotas han desarrollado una red de proteínas reguladoras, conocida como sistema de control del ciclo celular , que monitorea y dicta la progresión de la célula a lo largo del ciclo celular. [5] Este sistema actúa como un cronómetro o reloj, que establece una cantidad fija de tiempo que la célula debe pasar en cada fase del ciclo celular, mientras que al mismo tiempo también responde a la información recibida de los procesos que controla. . Los puntos de control del ciclo celular desempeñan un papel importante en el sistema de control al detectar defectos que ocurren durante procesos esenciales como la replicación del ADN o la segregación cromosómica , e inducir una detención del ciclo celular en respuesta hasta que se reparen los defectos. [8] El principal mecanismo de acción de los puntos de control del ciclo celular es a través de la regulación de las actividades de una familia de proteínas quinasas conocidas como quinasas dependientes de ciclina (CDK), que se unen a diferentes clases de proteínas reguladoras conocidas como ciclinas , con Se forman y activan complejos específicos de ciclina-CDK en diferentes fases del ciclo celular. Esos complejos, a su vez, activan diferentes objetivos posteriores para promover o prevenir la progresión del ciclo celular. [9]
El punto de control G1, también conocido como punto de restricción en células de mamíferos y punto de inicio en levaduras, es el punto en el que la célula se compromete a entrar en el ciclo celular. A medida que la celda avanza a través de G1, dependiendo de las condiciones internas y externas, puede retrasar G1, entrar en un estado de reposo conocido como G0 o pasar el punto de restricción. [5] El daño al ADN es la principal indicación para que una célula se "restringa" y no entre en el ciclo celular. La decisión de comprometerse con una nueva ronda de división celular ocurre cuando la célula activa la transcripción dependiente de ciclina-CDK que promueve la entrada en la fase S. Este punto de control garantiza el proceso posterior. [10]
Durante el G1 temprano, hay tres represores transcripcionales, conocidos como proteínas de bolsillo, que se unen a los factores de transcripción E2F . La familia de genes E2F es un grupo de factores de transcripción que se dirigen a muchos genes que son importantes para el control del ciclo celular, incluidas las ciclinas , las CDK, los reguladores de puntos de control y las proteínas reparadoras del ADN. La mala regulación de la familia E2F se encuentra a menudo en casos de cáncer, lo que proporciona evidencia de que la familia E2F es esencial para la estricta regulación de la replicación y división del ADN. [10] Las tres proteínas de bolsillo son el retinoblastoma (Rb), p107 y p130, que se unen a los factores de transcripción E2F para evitar la progresión más allá del punto de control G1.
La familia de genes E2F contiene algunas proteínas con mecanismos activadores y algunas proteínas con mecanismos represores. P107 y p130 actúan como correpresores de E2F 4 y E2F 5, que actúan para reprimir la transcripción de los factores promotores de G1 a S. La tercera proteína de bolsillo, Rb, se une y reprime a E2F 1, E2F 2 y E2F 3, que son las proteínas E2F con capacidades activadoras. [10]
La retroalimentación positiva juega un papel esencial en la regulación de la progresión de la fase G1 a la fase S, particularmente involucrando la fosforilación de Rb por un complejo proteico Ciclina/CDK. La Rb sin fosfato, o Rb no fosforilada, regula la salida y diferenciación del ciclo celular G0. Durante el comienzo de la fase G1, los factores de crecimiento y el daño del ADN indican el aumento de los niveles de ciclina D, que luego se une a Cdk4 y Cdk6 para formar el complejo CyclinD:Cdk4/6. [11] Se sabe que este complejo inactiva Rb mediante fosforilación. Sin embargo, los detalles de la fosforilación de Rb son bastante complejos y específicos en comparación con el conocimiento previo sobre el punto de control G1. CyclinD:Cdk4/6 coloca solo un fosfato, o monofosforilado, Rb en uno de sus catorce sitios de fosforilación únicos y accesibles. Cada una de las catorce isoformas monofosforiladas específicas tiene una preferencia de unión diferencial con los miembros de la familia E2F, lo que probablemente aumenta la diversidad de procesos celulares dentro del cuerpo de los mamíferos. [11]
E2F 4 y E2F 5 dependen de p107 y p130 para mantener su localización nuclear. Sin embargo, la ciclina D:Cdk 4/6 también fosforila p107 y p130, un proceso que libera su unión de E2F 4 y 5 (que luego escapan al citoplasma) y permite que E2F 1–3 se una al ADN e inicie la transcripción. de ciclina E. [10] Las proteínas Rb mantienen su estado monofosforilado durante la fase G1 temprana, mientras que la ciclina E se acumula y se une a Cdk2.
CyclinE:Cdk2 juega un papel de fosforilación importante adicional en la transición de G1 a S. En particular, CyclinE:Cdk2 promueve un circuito de retroalimentación positiva que crea un cambio de “todo o nada”. En muchas redes de control genético, la retroalimentación positiva garantiza que las células no se deslicen hacia adelante y hacia atrás entre las fases del ciclo celular [12] La ciclina E:Cdk2 procede a fosforilar Rb en todos sus sitios de fosforilación, también denominado "hiperfosforilación", lo que garantiza una completa inactivación de Rb. La hiperfosforilación de Rb se considera el punto de restricción tardío de G1, después del cual la célula no puede retroceder en el ciclo celular. En este punto, las proteínas E2F 1-3 se unen al ADN y transcriben la ciclina A y la Cdc 6. [11]
El inhibidor de la quinasa dependiente de ciclina 1B (CDKN1B), también conocido como p27, se une y previene la activación de CyclinE:Cdk2 mediante inhibición. Sin embargo, a medida que la ciclina A se acumula y se une a Cdk2, forman un complejo e inhiben p27. La quinasa dependiente de ciclina de fase G1 trabaja junto con la quinasa dependiente de ciclina de fase S dirigida a p27 para su degradación. A su vez, esto permite la activación completa de Ciclina A:Cdk2, un complejo que fosforila E2F 1-3 iniciando su disociación de los sitios promotores del ADN. Esto permite que E2F 6–8 se una al ADN e inhiba la transcripción. [10] El circuito de retroalimentación negativa utilizado para inhibir con éxito el inhibidor, p27, es otro proceso esencial utilizado por las células para garantizar un movimiento monodireccional y sin retroceso a lo largo del ciclo celular.
Cuando se produce daño en el ADN, o cuando la célula detecta algún defecto que le obligue a retrasar o detener el ciclo celular en G1, la detención se produce a través de varios mecanismos. La respuesta rápida implica eventos de fosforilación que se inician con la quinasa ATM ( Ataxia telangiectasia mutada ) o ATR ( Ataxia Telangiectasia y relacionada con Rad3 ), que actúan como sensores, según el tipo de daño. Estas quinasas fosforilan y activan las quinasas efectoras Chk2 y Chk1, respectivamente, que a su vez fosforilan la fosfatasa Cdc25A, marcándola así para su ubiquitinación y degradación. Como Cdc25A activa el complejo ciclina E-CDK2 mencionado anteriormente eliminando los fosfatos inhibidores de CDK2, en ausencia de Cdc25A, la ciclina E-CDK2 permanece inactiva y la célula permanece en G1.
Para mantener la detención, se inicia otra respuesta, mediante la cual Chk2 o Chk1 fosforilan p53, un supresor de tumores, y esto estabiliza p53 impidiendo que se una a Mdm2, una ubiquitina ligasa que inhibe p53 al dirigirse a su degradación. Luego, el p53 estable actúa como activador transcripcional de varios genes diana, incluido p21, un inhibidor del complejo promotor de G1 a S ciclina E-CDK2. Además, otro mecanismo por el que se activa p21 es mediante la acumulación de p16 en respuesta al daño del ADN. p16 altera los complejos de ciclina D-CDK4, lo que provoca la liberación de p21 de los complejos, lo que conduce a la desfosforilación y activación de Rb, lo que permite que Rb se una e inhiba E2F 1-3, evitando así que la célula pase a la fase S. [13] Recientemente, algunos aspectos de este modelo han sido cuestionados. [14]
Después de la replicación del ADN en la fase S, la célula pasa por una fase de crecimiento conocida como G2. Durante este tiempo, se producen las proteínas mitóticas necesarias y la célula se somete una vez más a mecanismos reguladores para garantizar el estado adecuado para la entrada en la fase mitótica proliferativa (M). En esta transición de G2 a M intervienen múltiples puntos de control mecanicistas, con un factor unificador común de la actividad de ciclina-Cdk.
Aunque existen variaciones en los complejos ciclina-Cdk necesarios entre organismos, la necesidad de la actividad quinasa se conserva y normalmente se centra en un solo par. En la levadura de fisión existen tres formas diferentes de ciclina mitótica y seis en la levadura en gemación; sin embargo, la ciclina principal utilizada es la ciclina B. [15] La ciclina B servirá como referencia para la discusión de la transición del punto de control G2/M.
Al igual que en la Fase S, G2 experimenta un punto de control de daño en el ADN. La célula se examina una vez más en busca de sitios de daño en el ADN o de replicación incompleta, y las quinasas ATR y ATM se reclutan en los sitios dañados. La activación de Chk1 y Chk2 también ocurre, así como la activación de p53, para inducir la detención del ciclo celular y detener la progresión hacia la mitosis. Un componente adicional de la fase S, el Complejo Pre-Replicativo, debe inactivarse mediante la fosforilación de ciclina B-Cdk1. [dieciséis]
A medida que se evalúan estos puntos de control previos, la acumulación de proteína G2 sirve para activar la actividad de la ciclina B-Cdk1 a través de múltiples mecanismos. CyclinA-Cdk2 activa Cdc25, un activador de ciclina B-Cdk1, que luego desactiva el inhibidor de ciclina B-Cdk1, Wee1. Esto da como resultado un circuito de retroalimentación positiva, que aumenta significativamente la expresión de ciclina B y la activación de Cdk1. A medida que la célula avanza a través de G2 y alcanza la transición G2/M, la quinasa Plk1 fosforila Wee1, que se dirige a Wee1 para su degradación a través del complejo de ubiquitina ligasa SCF. [17] Una función adicional de Plk1 es activar Cdc25 mediante fosforilación. El efecto compuesto de la degradación de Wee1 y la activación de Cdc25 es la eliminación neta de la fosforilación inhibidora de cdc2, que activa cdc2. Plk1 se activa en la transición G2/M por Aurora A y Bora, que se acumulan durante G2 y forman un complejo de activación. Luego, el complejo Plk1-Cdc2-cdc25 inicia un circuito de retroalimentación positiva que sirve para activar aún más Cdc2 y, junto con un aumento en los niveles de ciclina B durante G2, los complejos cdc2-ciclina B resultantes activan objetivos posteriores que promueven la entrada en la mitosis. [18] La actividad resultante de Cdk1 también activa la expresión de Mem1-Fkh, un gen de transición G2/M. [19] El rápido aumento en la actividad de la ciclina B-Cdk1 es necesario, ya que el inicio de la fase M es un evento de todo o nada que involucra histéresis. La histéresis de la actividad de Cdk1 a través de la ciclina B impulsa la entrada en la fase M al establecer un umbral mínimo de concentración de ciclina B. Esto existe en un nivel superior al mínimo necesario para la continuación de la fase M después de la entrada, actuando para salvaguardar el evento de todo o nada. Esta concentración de entrada aumenta aún más en el caso de una replicación incompleta del ADN, añadiendo otro mecanismo regulador en el punto de transición G2/M. [20] La presencia de histéresis permite que la entrada a la fase M esté altamente regulada en función de la actividad de la ciclina B-Cdk1.
Los mecanismos por los cuales se previene la entrada mitótica en respuesta al daño del ADN son similares a los del punto de control G1/S. El daño en el ADN desencadena la activación de la vía ATM/ATR antes mencionada, en la que ATM/ATR fosforila y activa las quinasas del punto de control Chk1/Chk2. Chk1/2 fosforila cdc25 que, además de inhibirse, también está secuestrada en el citoplasma por las proteínas 14-3-3. 14-3-3 están regulados positivamente por p53, que, como se mencionó anteriormente, es activado por Chk1 y ATM/ATR. p53 también transactiva p21, y tanto p21 como 14-3-3 a su vez inhiben los complejos de ciclina B-cdc2 mediante la fosforilación y el secuestro citoplasmático de cdc2. Además, la inactivación de cdc25 da como resultado su incapacidad para desfosforilar y activar cdc2. [21] [22] Finalmente, otro mecanismo de respuesta al daño es a través de la regulación negativa de Plk1 por ATM/ATR, lo que a su vez resulta en la estabilización de Wee1 y Myt1, que luego pueden fosforilar e inhibir cdc2, manteniendo así la célula detenida. en G2 hasta que se repare el daño. [23]
Al final de G2, la célula pasa a la mitosis, donde el núcleo se divide. La transición de G2 a M es espectacular; hay un efecto de todo o nada y la transición es irreversible. Esto es ventajoso para la célula porque entrar en la mitosis es un paso crítico en el ciclo de vida de una célula. Si no se compromete por completo, la célula tendría muchos problemas al dividirse parcialmente, lo que en última instancia probablemente conduciría a la muerte de la célula.
En los ovocitos de rana, la cascada de señales se induce cuando la progesterona se une a un receptor unido a la membrana. Río abajo, Mos se activa. Luego, Mos fosforila MEK1, que a su vez fosforila MAPK. MAPK cumple dos funciones: activar el complejo Ciclina B-Cdk1 para iniciar la entrada a la mitosis y activar Mos. La activación de Mos conduce a un circuito de retroalimentación positiva y, por lo tanto, actúa como un "interruptor de palanca" para crear la entrada de todo o nada a la mitosis.
Este circuito de retroalimentación se encontró por primera vez al mostrar que las concentraciones de MAPK-P (MAPK fosforilada) aumentaban en respuesta al aumento de los niveles de progesterona. [24] A nivel de célula individual, cada célula tenía MAPK completamente fosforilada o no tenía MAPK fosforilada, lo que confirma que actúa como un mecanismo similar a un interruptor en cada célula. Además, se demostró que bloquear la síntesis de la proteína Mos hace que las respuestas de MAPK-P sean más graduadas, lo que demuestra que la síntesis de la proteína Mos es necesaria para el carácter de todo o nada de la activación de MAPK. [25]
Este proceso se puede entender utilizando la inestabilidad. Usando el gráfico que se muestra a la derecha, la tasa de síntesis de Mos cambia a medida que se agrega más progesterona. En cada curva hay puntos fijos estables y puntos fijos inestables. En los puntos fijos inestables, el sistema empujará hacia cualquiera de los puntos fijos estables. Por lo tanto, el sistema puede estar en el estado "encendido" o "apagado", no en el medio. Cuando el nivel de progesterona es lo suficientemente alto, la curva Mos se desplaza hacia arriba y finalmente cruza la línea de degradación en un solo punto, por lo que solo hay un estado estable "encendido", que indica la entrada en la mitosis.
La irreversibilidad que vemos en el punto de transición de la mitosis proviene de tener niveles suficientemente altos de progesterona en la célula. En niveles suficientemente altos de progesterona, el sistema es monoestable como resultado del circuito de retroalimentación positiva entre Mapk y Mos. El punto en el que el sistema cambia de biestable a monoestable se denomina bifurcación del nodo de silla.
Así, podemos entender la respuesta irreversible de todo o nada de la transición mitótica con un modelo matemático de los reguladores moleculares como un sistema biestable que depende de la existencia de retroalimentación positiva. El "estado apagado" es aniquilado por un nivel suficientemente alto de progesterona y una vez que la célula supera el estado apagado, queda atrapada en el estado encendido.
A partir de este modelo biestable, podemos entender que la transición mitótica depende de la histéresis para impulsarla. La histéresis se define como la dependencia del estado de un sistema de su historia. El modelo de Novak-Tyson es un modelo matemático de la progresión del ciclo celular que predice que las transiciones irreversibles que entran y salen de la mitosis están impulsadas por la histéresis. El modelo tiene tres predicciones básicas que deberían ser ciertas en el ciclo de extractos de ovocitos cuya progresión del ciclo celular depende de la histéresis: [26]
Sha et al. Hizo experimentos con extractos de huevos de Xenopus laevis en 2003 para demostrar esta naturaleza histérica. [27] Utilizando extractos cíclicos, observaron que el umbral de activación de la Δciclina B está entre 32 y 42 nM, mientras que el umbral de inactivación está entre 16 y 24 nM de la Δciclina B. Por lo tanto, estos experimentos confirmaron la biestabilidad de este sistema y la importancia de la histéresis. en esta transición del ciclo celular. En concentraciones intermedias de ciclina B, es posible la interfase o el estado mitótico de la célula.
Dado que entrar en la mitosis es un compromiso grande y costoso para la célula, es lógico que existan sistemas para evitar la entrada prematura en este paso. Se ha demostrado que los errores en los pasos anteriores, como tener secciones de ADN no replicadas, bloquean la progresión en el ciclo celular. [28] El modelo de Novak-Tyson predice que esto ocurre mediante el aumento del nivel de ciclina B necesario para la entrada en la mitosis. [26]
Sha et al. investigó si esto era cierto en los extractos de huevos de Xenopus . Usaron afidicolina (APH) para inhibir la ADN polimerasa y prevenir la replicación del ADN. Cuando se trató con ciclina B en interfase, el umbral de activación aumentó entre 80 y 100 nM, como lo predijo el modelo de Novak-Tyson. [27] Entonces, estos experimentos confirman que el estrés del ADN no replicado en la célula afecta el bucle de histéresis y da como resultado un umbral de ciclina B mucho más alto para entrar en la mitosis.
El punto de control del huso mitótico ocurre en el punto de la metafase donde todos los cromosomas deberían haberse alineado en la placa mitótica y estar bajo tensión bipolar. La tensión creada por este apego bipolar es lo que se siente, lo que inicia la entrada en anafase. Para hacer esto, el mecanismo de detección asegura que el complejo promotor de la anafase (APC/C) ya no esté inhibido, que ahora está libre para degradar la ciclina B , que alberga una caja D (caja de destrucción), y para descomponer la securina . [29] Esta última es una proteína cuya función es inhibir la separasa , que a su vez corta las cohesinas , el compuesto proteico responsable de la cohesión de las cromátidas hermanas. [30] Una vez que esta proteína inhibidora se degrada mediante ubiquitinación y proteólisis posterior, la separasa provoca la separación de las cromátidas hermanas. [31] Después de que la célula se ha dividido en sus dos células hijas, la célula ingresa a G 1 .
Los procesos de reparación del ADN y los puntos de control del ciclo celular se han relacionado íntimamente con el cáncer debido a sus funciones que regulan la estabilidad del genoma y la progresión celular, respectivamente. En la mayoría de los casos, no se comprenden bien los mecanismos moleculares precisos que conectan las disfunciones en estas vías con la aparición de cánceres particulares. [32] Se ha demostrado que la pérdida de ATM precede al desarrollo del linfoma, presumiblemente debido a una recombinación homóloga excesiva, lo que conduce a una alta inestabilidad genómica. [33] La alteración de Chk1 en ratones provocó una mala regulación significativa de los puntos de control del ciclo celular, una acumulación de daño en el ADN y una mayor incidencia de tumorigénesis. [34] La herencia mutante única de BRCA1 o BRCA2 predispone a las mujeres a padecer cáncer de mama y de ovario. [35] Se sabe que BRCA1 es necesario para las transiciones S y G2/M, y participa en la respuesta celular al daño del ADN. Se cree que BRCA2 participa en la recombinación homóloga y en la regulación del punto de control de la fase S, y las mutaciones de las deficiencias en BRCA2 están fuertemente relacionadas con la tumorigénesis. [36]