El sistema de control central del ciclo celular. Ciclinas, quinasas dependientes de ciclinas (Cdk) y el APC/C.

Introducción

En el artículo de puntos de control del ciclo celular, analizamos el porqué de las transiciones del ciclo celular: los factores que considera una célula cuando decide si avanza o no en el ciclo celular. Estas incluyen señales externas (como las señales moleculares) e internas (como el daño del ADN).
Las señales como estas actúan al cambiar la actividad de los reguladores centrales del ciclo celular dentro de la célula. Estos reguladores centrales del ciclo celular pueden causar eventos clave, tales como la replicación del ADN o la separación de los cromosomas. También se cercioran de que los eventos del ciclo celular ocurran en el orden correcto y que una fase (como Gstart subscript, 1, end subscript) active el inicio de la fase siguiente (como S).
En este artículo, veremos algunos de los más importantes reguladores del ciclo celular: proteínas llamadas ciclinas, enzimas llamadas Cdks y un complejo enzimático llamado APC/C.

Ciclinas

Las ciclinas están entre los reguladores centrales más importantes del ciclo celular. Las ciclinas son un grupo de proteínas relacionadas, y en seres humanos y la mayoría de los demás eucariontes existen cuatro tipos básicos: ciclinas de Gstart subscript, 1, end subscript, ciclinas de Gstart subscript, 1, end subscript/S, ciclinas de S y ciclinas de M.
Como los nombres sugieren, cada ciclina está asociada a una fase, transición o grupo de fases particular en el ciclo celular y ayuda a impulsar los eventos de esa fase o período. Por ejemplo, la ciclina de M promueve los eventos de la fase M, tales como la descomposición de la envoltura nuclear y la condensación de los cromosomasstart superscript, 1, comma, 2, end superscript.
Diagrama: el ciclo de expresión de la ciclina. Este es un gráfico que muestra cómo las concentraciones de diferentes ciclinas cambian en una célula a lo largo del ciclo celular.
Ciclina G1: baja en G1, sube lentamente hasta una máxima a la mitad de la fase S, luego cae lentamente hasta cero al final de la fase M.
Ciclina G1/S: muy baja durante la mayor parte del ciclo celular, con un pico agudo y simétrico en la transición G1/S.
Ciclina S: baja al inicio de G1, aumenta lentamente al final de G1 y S, alcanza el máximo al inicio de G2 y cae bruscamente a cero al inicio de la fase M.
Ciclina M: muy baja en toda G1, se eleva lentamente, alcanza su valor máximo en la transición de G2/M y cae drásticamente a cero a la mitad de la fase M.
Imagen modificada de "Control del ciclo celular: Figura 2", de OpenStax College, Biología (CC BY 3.0). Modificación del trabajo original de WikiMaMa.
Los niveles de las diferentes ciclinas varían considerablemente a lo largo del ciclo celular, como se muestra en el diagrama de la derecha. Una ciclina típica se presenta en niveles bajos en la mayor parte del ciclo, pero aumenta intensamente en la fase donde es necesaria. La ciclina M, por ejemplo, alcanza dramáticamente su pico en la transición de la fase Gstart subscript, 2, end subscript a la M. Las ciclinas Gstart subscript, 1, end subscript son diferentes en que son necesarias durante la mayor parte del ciclo celular.

Cinasas dependientes de ciclinas

Para promover el ciclo celular, una ciclina debe activar o inactivar muchas proteínas blanco en el interior de la célula. Las ciclinas dirigen los acontecimientos del ciclo celular mediante la asociación con una familia de enzimas llamadas cinasas dependientes de ciclina (Cdks). Una Cdk solitaria es inactiva, pero la unión a una ciclina la activa, la vuelve una enzima funcional y le permite que modifique proteínas blanco.
¿Cómo funciona esto? Las Cdk son cinasas, enzimas que fosforilan (unen a grupos fosfatos) proteínas blanco específicas. La unión del grupo fosfato actúa como un interruptor y hace a la proteína más o menos activa. Cuando una ciclina se une a Cdk, tiene dos efectos importantes: activa la Cdk como una cinasa, pero también dirige a la Cdk a un conjunto específico de proteínas blanco, las apropiadas para el periodo del ciclo celular controlado por la ciclina. Tal sería el caso de las ciclinas Gstart subscript, 1, end subscript/S que envían las Cdk a blancos de la fase S (y así estimulan la replicación del ADN por ejemplo), mientras que las ciclinas M envían las Cdk a blancos de la fase M (y provocan que se rompa la membrana nuclear, entre otros).
Diagrama simplificado que muestra como las ciclinas modifican la actividad de las Cdks.
Panel de la izquierda (sin ciclina): no hay ciclina presente, la Cdk está inactiva y los blancos específicos para la transición G1/S no están fosforilados. No pasa nada y los factores de la fase S se mantienen "apagados".
Panel derecho (ciclina +G1/S): la ciclina G1/S está presente y se une a la Cdk. La Cdk ahora está activa y fosforila varios blancos específicos para la transición G1/S. Los blancos fosforilados causan la activación de las enzimas de replicación del ADN y comienza la fase S.
En general, los niveles de Cdk se mantienen relativamente constantes a lo largo del ciclo celular, pero la actividad de Cdk y las proteínas blanco cambian a medida que los niveles de las diversas ciclinas suben y bajan. Además de necesitar una compañera ciclina, las Cdk también deben fosforilarse en un sitio en particular para estar activas (no se muestra en los diagramas de este artículo) y también pueden regularse negativamente mediante la fosforilación de otros sitiosstart superscript, 3, comma, 4, end superscript.
Las ciclinas y las Cdk están muy conservadas evolutivamente, lo que significa que se encuentran en muchos tipos diferentes de especies, desde las levaduras hasta las ranas y los humanos. Los detalles del sistema varían un poco: por ejemplo, las levaduras tienen solo una Cdk, mientras que los humanos y otros mamíferos tienen varias Cdks que se utilizan en diferentes fases del ciclo celular. (Sí, esta es una pequeña excepción a la regla "los niveles de las Cdks no cambian"). Pero los principios básicos son muy similares, así que las Cdks y los diferentes tipos de ciclinas pueden encontrarse en cada especie.start superscript, 5, end superscript.

Factor promotor de la maduración (MPF)

Un ejemplo famoso de cómo las ciclinas y las Cdks trabajan juntas para controlar la transición del ciclo celular es el del factor promotor de la maduración (MPF). El nombre se remonta a la década de 1970, cuando los investigadores encontraron que las células en la fase M contenían un factor desconocido que podría forzar a los óvulos de la rana (atoradas en la fase Gstart subscript, 2, end subscript) a entrar a la fase M. En la década de los 80 se descubrió que esta misteriosa molécula, llamada MPF, era una Cdk unida a su pareja ciclina Mstart superscript, 6, end superscript.
MPF es un buen ejemplo de cómo las ciclinas y Cdks pueden trabajar juntas para promover una transición del ciclo celular. Igual que una ciclina típica, la ciclina M se mantiene en niveles bajos durante la mayoría del ciclo celular, pero se acumula a medida que la célula se aproxima a la transición Gstart subscript, 2, end subscript/M. Conforme la ciclina de M se acumula, se fija a las Cdks ya presentes en la célula, y forma los complejos que se preparan para activar la fase M. Una vez que estos complejos reciben una señal adicional (fundamentalmente, una confirmación de que el ADN de la célula está intacto), se activan y ponen en acción los eventos de la fase Mstart superscript, 7, end superscript.
Los complejos de MPF agregan etiquetas de fosfato a varias proteínas diferentes en la envoltura nuclear, lo que resulta en su descomposición (un evento clave de la fase M temprana); también activan blancos que promueven la condensación de los cromosomas y otros eventos de la fase M. El papel de MPF en la descomposición de la envoltura nuclear se muestra en forma simplificada en el diagrama siguiente.
El diagrama simplificado muestra cómo la Cdk y la ciclina M se combinan para formar MPF.
Panel izquierdo: el complejo MPF fosforila varios blancos específicos de la fase M y los blancos fosforilados causan la formación del huso, la condensación de los cromosomas, la ruptura de la membrana nuclear y otros eventos de la fase M temprana.
Panel derecho: ejemplo específico de MPF que desencadena la ruptura de la envoltura nuclear. El complejo MPF fosforila las proteínas en la envoltura nuclear, lo que resulta en la fragmentación de la membrana nuclear en vesículas (y la liberación de algunas proteínas de la membrana).

El complejo promotor de la anafase/ciclosoma (APC/C)

Además de inducir los eventos de la fase M, el MPF también provoca su propia destrucción mediante la activación del complejo promotor de la anafase/ciclosoma (APC/C), un complejo proteico que causa que las ciclinas M se destruyan a partir de la anafase. La descomposición de las ciclinas M expulsa a la célula de la mitosis y permite que las nuevas células hijas entren a Gstart subscript, 1, end subscript. El APC/C también causa la destrucción de las proteínas que mantienen las cromátidas hermanas juntas y permite que se separen en la anafase y se muevan hacia polos opuestos de la célula.
¿Cómo hace su trabajo el APC/C? Como una Cdk, el APC/C es una enzima, pero tiene un tipo de función diferente al de una Cdk. En lugar de unir un grupo fosfato a su objetivo, se añade un pequeña etiqueta proteica llamada ubiquitina (Ub). Cuando un blanco es marcado con ubiquitina, se envía al proteasoma, que puede considerarse como la papelera de reciclaje de la célula, y se destruye. Por ejemplo, el APC/C adhiere una etiqueta de ubiquitina a las ciclinas M, lo que causa que estas sean degradadas por el proteasoma y permite que las células hijas recién formadas entren en la fase Gstart subscript, 1, end subscriptstart superscript, 8, end superscript.
El APC/C también utiliza etiquetas de ubiquitina para provocar la separación de las cromátidas hermanas durante la mitosis. Si el APC/C recibe las señales adecuadas en la metafase, pone en marcha una cadena de eventos que destruye la cohesina, el adhesivo proteico que mantiene juntas a las cromátidas hermanasstart superscript, 8, comma, 9, end superscript.
  • El APC/C primero adiciona una etiqueta de ubiquitina a una proteína llamada segurina, que la envía a reciclaje. La segurina normalmente se une e inactiva una proteína llamada separasa.
  • Cuando la segurina es enviada a reciclaje, la separasa se activa y puede hacer su trabajo. La separasa disgrega la cohesina que mantiene unidas a las cromátidas hermanas y les permite separarse.

Puntos de control y reguladores

Las Cdk, ciclinas y APC/C son reguladores directos de las transiciones del ciclo celular, pero no siempre están al mando. Por el contrario, responden a las señales que provienen de dentro y fuera de la célula. Estas señales influyen sobre la actividad de los reguladores centrales para determinar si la célula avanza en el ciclo celular. Las señales positivas, como los factores de crecimiento, típicamente aumentan la actividad de las Cdk y ciclinas, mientras que las negativas, como el daño al ADN, generalmente disminuyen o bloquean la actividad.
A modo de ejemplo, veamos cómo el daño del ADN detiene el ciclo celular en Gstart subscript, 1, end subscript. El daño del ADN puede suceder, y sucederá, en muchas células del cuerpo humano durante la vida de una persona (por ejemplo, debido a los rayos UV del sol). Las células deben ser capaces de hacer frente a este daño, reparándolo si es posible y previniendo la división celular si no es posible. Una proteína llamada p53 es clave en la respuesta al daño del ADN, es un famoso supresor tumoral a menudo descrito como "el guardián del genoma". start superscript, 10, end superscript
El p53 trabaja en múltiples niveles para asegurar que las células no transmitan su ADN dañado a través de la división celularstart superscript, 3, end superscript. Primero, detiene el ciclo celular en el punto de control Gstart subscript, 1, end subscript al activar la producción de las proteínas inhibidoras de Cdk (CKI). Las proteínas CKI se fijan a los complejos Cdk-ciclina y bloquean su actividad (ve el diagrama siguiente), ganando tiempo para la reparación del ADN. El segundo trabajo de p53 es activar las enzimas de reparación del ADN. Si el daño al ADN no es reparable, p53 desempeñará su tercer y último papel: activar la muerte celular programada para que el ADN dañado no sea transmitido.
Diagrama simplificado de cómo p53 detiene el ciclo celular en el punto de control G1/S. p53 se activa mediante el daño del ADN y causa la producción de un inhibidor de Cdk, que se une al complejo de ciclina Cdk-G1/S y lo inactiva. Esto detiene la célula en G1 y evita que entre a la fase S, dando tiempo para que el daño en el ADN se repare.
Al asegurar que las células no se dividen cuando su ADN está dañado, p53 previene que las mutaciones (cambios en el ADN) se transmitan a las células hijas. Cuando p53 está defectuoso o ausente, las mutaciones se acumulan rápidamente, lo que puede conducir al cáncer. De hecho, de todo el genoma humano completo, p53 es el gen que está mutado con mayor frecuencia en los cánceres.start superscript, 11, end superscript p53 y la regulación del ciclo celular son los temas principales de estudio de los investigadores que trabajan en nuevos tratamientos contra el cáncer.
Este artículo está autorizado bajo una licencia CC BY-NC-SA 4.0.

Referencias citadas:

  1. Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V. y Jackson, R. B. (2011). The cell cycle (El ciclo celular). En Campbell biology (10a ed.). San Francisco, CA: Pearson, 244.
  2. Cooper, GM. (2000). The nucleus during mitosis (El núcleo durante la mitosis). En The cell: a molecular approach. (2a ed.). Sunderland, MA: Sinauer Associates. Consultado en http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9890/.
  3. OpenStax College, Biología. (29 de septiembre de 2015). Control of the cell cycle (Control del ciclo celular). En OpenStax CNX. Consultado en http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9.87:53/Control-of-the-Cell-Cycle.
  4. Raven, P. H., Johnson, G. B., Mason, K. A., Losos, J. B. y Singer, S. R. (2014). How cells divide (¿Cómo se dividen las células?). En Biology (Biología) (10a ed., AP ed.). Nueva York, NY: McGraw-Hill, 200-201.
  5. Lim, Shuhui y Kaldis, Philipp. (2013). Cdks, cyclins and CKIs: Roles beyond cell cycle regulation (Cdk, ciclinas y CKI: papeles más allá de la regulación del ciclo celular). Development 140, 3079. http://dx.doi.org/10.1242/dev.091744.
  6. Masui, Y. (2001). From oocyte maturation to the in vitro cell cycle: the history of discoveries of Maturation-Promoting Factor (MPF) and Cytostatic Factor (CSF) [De la maduración de oocitos al ciclo celular in vitro: la historia de los descubrimientos del factor promotor de la maduración (MPF) y el factor citostático (CSF)]. En Differentiation 69, 1-17.
  7. Mailand, Neils, Podtelejnikov, A. V., Groth, A, Mann, M, Bartek, J. y Lukas, J. (2002). The EMBO Journal 21(21), 5911-5920. http://dx.doi.org/10.1093/emboj/cdf567.
  8. Cooper, G. M. (2000). The events of M phase (Los eventos de la fase M). En The cell: A molecular approach (2a ed.). Sunderland, MA: Sinauer Associates. Consultado en http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9958/.
  9. Raven, P. H., Johnson, G. B., Mason, K. A., Losos, J. B. y Singer, S. R. (2014). How cells divide (¿Cómo se dividen las células?). En Biology (10a ed., AP ed.). Nueva York, NY: McGraw-Hill, 201.
  10. Lane, D. P. (1992). Cancer. p53, guardian of the genome (Cáncer. p53, el guardián del genoma). Nature 358(6381), 15-6. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/1614522.
  11. Vogelstein, B., Sur, S. & Prives, C. (2010). p53: the most frequently altered gene in human cancers (p53: el gen alterado con más frecuencia en los cánceres humanos). Nature Education, 3(9), 6. Consultado en http://www.nature.com/scitable/topicpage/p53-the-most-frequently-altered-gene-in-14192717.

Referencias:

Anaphase-promoting complex (Complejo promotor de la anafase). (9 de octubre de 2015). Extraído el 13 de octubre, 2015 de Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Anaphase-promoting_complex.
CDK. (2014). En Scitable. Tomado de http://www.nature.com/scitable/topicpage/cdk-14046166.
CDK-activating kinase (Cinasa que activa CDK). (5 de agosto de 2015). Extraído el 13 de octubre de 2015 de Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/CDK-activating_kinase.
Cooper, GM. (2000). The nucleus during mitosis (El núcleo durante la mitosis). En The cell: a molecular approach. (2a ed.). Sunderland, MA: Sinauer Associates. Tomado de http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9890/.
Cooper, G. M. (2000). The events of M phase (Los eventos de la fase M). En The cell: A molecular approach (2a ed.). Sunderland, MA: Sinauer Associates. Consultado en http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9958/.
Cyclin (Ciclina). (29 de julio de 2015). Extraído el 13 de octubre de 2015 de Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Cyclin.
Cyclin-dependent kinase (Cinasa dependiente de ciclina). (14 de septiembre de 2015). Extraído el 13 de octubre de 2015 de Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Cyclin-dependent_kinase.
Cyclin-dependent kinase inhibitor protein (Proteína inhibidora de cinasa dependiente de ciclina). (4 de febrero de 2015). Extraído el 13 de octubre de 2015 de Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Cyclin-dependent_kinase_inhibitor_protein.
Lane, D. P. (1992). Cancer. p53, guardian of the genome (Cáncer. p53, el guardián del genoma). Nature 358(6381), 15-6. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/1614522.
Lim, Shuhui y Kaldis, Philipp. (2013). Cdks, cyclins and CKIs: Roles beyond cell cycle regulation (Cdk, ciclinas y CKI: papeles más allá de la regulación del ciclo celular). Development 140, 3079-3093. http://dx.doi.org/10.1242/dev.091744.
Liu, Y. y Kulesz-Martin, M. (2001). p53 protein at the hub of cellular DNA damage response pathways through sequence-specific and non-sequence-specific DNA binding (La proteína p53 en el eje de las vías de respuesta de daño en el DNA celular a través de la unión de ADN de secuencia específica y no específica). Carcinogenesis, 22(6), 851-860. http://dx.doi.org/10.1093/carcin/22.6.851.
Mailand, Neils, Podtelejnikov, A. V., Groth, A, Mann, M, Bartek, J. y Lukas, J. (2002). The EMBO Journal 21(21), 5911-5920. http://dx.doi.org/10.1093/emboj/cdf567.
Masui, Y. (2001). From oocyte maturation to the in vitro cell cycle: the history of discoveries of Maturation-Promoting Factor (MPF) and Cytostatic Factor (CSF) [De la maduración de oocitos al ciclo celular in vitro: la historia de los descubrimientos del factor promotor de la maduración (MPF) y el factor citostático (CSF)]. En Differentiation 69, 1-17.
OpenStax College, Biología. (29 de septiembre de 2015). Control of the cell cycle (Control del ciclo celular). En OpenStax CNX. Extraído de http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9.87:53/Control-of-the-Cell-Cycle.
P21. (6 de julio de 2016). Consultado el 24 de julio de 2016 en Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/P21.
P53. (11 de octubre de 2015). Extraído el 13 de octubre de 2015 de Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/P53.
Raven, P. H., Johnson, G. B., Mason, K. A., Losos, J. B., y Singer, S. R. (2014). How cells divide (¿Cómo se dividen las células?). En Biology (Biología) (10a ed., AP ed., págs. 187-206). Nueva York, NY: McGraw-Hill.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., y Jackson, R. B. (2011). The cell cycle (El ciclo celular). En Campbell biology (Biología de Campbell) (10a ed., págs. 232-250). San Francisco, CA: Pearson.
Vogelstein, B., Sur, S. & Prives, C. (2010). p53: the most frequently altered gene in human cancers (p53: el gen alterado con más frecuencia en los cánceres humanos). Nature Education, 3(9), 6. Consultado en http://www.nature.com/scitable/topicpage/p53-the-most-frequently-altered-gene-in-14192717.