TEMA 13 (A) Regulación DEL Ciclo Celular ( Intro CDK- Ciclinas) PDF

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Profesora: Carme Nogués...

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TEMA 13 (A): REGULACIÓN DEL CICLO CELULAR (INTRO CDK-CICLINAS)

INTRODUCCIÓN Las células de los organismos pluricelulares siempre llevan a cabo dos sucesos que las mantienen: Proliferación → Muerte. Durante el desarrollo embrionario, la proliferación es más elevada que la muerte. En adultos, se mantiene la homeostasis (cada tejido tiene un número concreto de células y hay que mantenerlo). La mayoría de estas células están diferenciadas (funciones específicas y no hay proliferación o es baja), otras son células de vida larga (ejemplo: neuronas, que se dividen pocas veces o ninguna) y las células de vida corta (ejemplo: revestimiento intestinal, con una tasa de división elevada porque se dividen cada 1 o 2 días). Imagen: Parte de la epidermis. Siempre hay una región donde se encuentran las células madre, cuya tarea es repoblar el tejido cuando es necesario. En el caso de la piel, esta regeneración es constante, por tanto, estas células madre se dividen si les llega la señal (factor de crecimiento) dando lugar a dos células: • •

Una que pasa a proliferar (expansión) y diferenciarse (diferenciación) más tarde llevando a cabo la renovación del tejido. Otra que ocupa el lugar de la célula madre adulta que se ha dividido.

La cantidad de células que se necesita para renovar un tejido depende de las necesidades de cada uno.

FASES DEL CICLO CELULAR INTERFASE: •

• •

FASE G1 (Gap entre M y S): Aumento de la medida celular sintetizando proteínas, ácidos nucleicos… Duración: 8h-200 días (depende de la especie). Hay células donde esta fase es MUY larga. FASE S (Fase de síntesis): Replicación del DNA. Duración: 7-10h. FASE G2 (Gap entre S y M): Preparación para la división. Duración: 4-5h.

MITOSIS: •

FASE M (griego mito = hijo): División del material genético y citocinesis. Es la fase más rápida. Duración: 30min-2h.

Regulación del ciclo celular: Cada fase está regulada por los checkpoint, es decir, para pasar de una fase a otra hay que pasar un control. Los checkpoint son circuitos o reacciones bioquímicas (cascadas de bioseñalización) que detectan problemas internos y externos de la célula y en función de estos envían señales inhibitorias o estimulatorias. Imagen: La célula recién dividida, que se encuentra en G1, debe decidir primero si se dirige a la fase G0 o a la fase S para volver a dividirse. Si decide lo segundo: 1. G1: Se descondensa el DNA y la célula aumenta en medida. 2. Checkpoint para daños en el DNA: Analiza las condiciones ambientales (si hay factores de crecimiento, nutrientes, DNA en buen estado…) y si son favorables la célula pasa a la fase S. 3. Fase S: Se duplican los centrosomas y el DNA, cuyas cadenas se mantienen unidas mediante cohesinas. 4. Checkpoint para daños en el DNA o en la replicación: Analiza si el DNA está dañado o no se ha realizado adecuadamente la replicación y, si todo está en orden se pasa a la fase G2. 5. G2: La célula se prepara para dividirse. 6. Checkpoint para daños o no duplicación del DNA: Analiza si el DNA está dañado o no se ha duplicado correctamente. Si todo es correcto se pasa a la fase M. 7. Fase M: Los cromosomas se colocan en la placa metafásica. 8. Checkpoint para posición de cromosomas: Analiza si los cromosomas están correctamente unidos al huso mitótico y, si es así, se produce la división de la célula. *Existen pocas células en mitosis porque es la fase más corta, por lo que la probabilidad de encontrar una en esta fase es muy baja.

BASES BIOQUÍMICAS DE LA REGULACIÓN DEL CICLO El ciclo celular posee unas bases bioquímicas, ya que está regulado por: •

Proteínas quinasas dependientes de ciclinas (CDKs). R. Nurse y L. Hartwell las descubrieron en levaduras.

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Ciclinas. T. Hunt las descubrió en erizos.

CICLINAS • • •

Son proteínas de 34-130 KDa. Con concentración variable a lo largo del ciclo celular (no están en el citoplasma, se han de sintetizar, por lo que al acabar su tarea se eliminan). En mamíferos existen A, B, C, D, E, F y H. Y en humanos existen 16, pero no todas son reguladoras del ciclo celular.

Gráfica: • • • •

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Fase G1: Aparece la ciclina D y la ciclina E. En el tránsito hacia la fase S aparece la ciclina A. Fase S: Aparece la ciclina B y desaparece la ciclina E. Fase G2: La ciclina A consigue su pico máximo. Fase M: La ciclina B consigue su pico máximo y también desaparece.

Su función es activar las quinasas dependientes de ciclinas (CDK). Cada ciclina se une a una quinasa y las activan en diferentes fases del ciclo. Son reguladas: o Síntesis: Con la llegada de una señal que activa un factor de transcripción que entra al núcleo y transcribe el RNAm que sale al citoplasma y sintetiza la ciclina en concreto. o Degradación: Es por ubiquitinación, que permite el reconocimiento de las ciclinas por los proteosomas. Todas las ciclinas tienen una caja de destrucción (cerca del N-terminal). La vida media de las ciclinas varía (ejemplo: ciclina D y E = 20 min).

El ciclo celular está organizado para que una vez comience un suceso ocurra uno detrás de otro hasta que finalice el ciclo (a excepción de la aparición de alguna mutación)

QUINASAS DEPENDIENTES DE CICLINAS (CDKs) • • • • • •

Son proteínas pequeñas de 30-40 KDa. Con concentración constante a lo largo del ciclo celular. En mamíferos hay CDK1-CDK7 (CDK1, CDK2 y CDK4). La cdc2 = CDK1 (proteínas homólogas) Son heterodímeros: Subunidad catalítica = CDK y subunidad reguladora = ciclinas. Su función es regular la actividad de la proteína diana por fosforilación. Son reguladas:

o

o

Activación: Necesita la unión de la ciclina + fosforilación + desfosforilación. Por tanto, una vez activada la quinasa, busca la proteína diana y la activa por fosforilación. Inactivación: Uniéndose a proteínas inhibidoras (CKI y INK4) o haciendo el proceso inverso de activación.

REGULACIÓN CDK-CICLINAS (ACTIVACIÓN) Las CKD contienen tres residuos de aminoácidos (dos treoninas y una tirosina) susceptibles de ser fosforilados. Se puede fosforilar una treonina en posición T160, otra en T14 y una tirosina en Y15 (NO HAY QUE SABERLO). 1. NO HAY CICLINAS EN EL CITOPLASMA → Se activa una cascada de señalización que activa la síntesis de ciclinas . 2. Cada ciclina se une a su CDK, pero no la activa. La CDK se activa cuando la proteína CAK (quinasa) fosforila la treonina T160. Pero, en el citoplasma pueden actuar dos proteínas: Wee1 (desde el núcleo) o Myt1 (desde el RE), que fosforilan el residuo de treonina T14 y el de tirosina Y15 inactivando la CDK. El resultado es la CDK inactiva. 3. Se activa una fosfatasa cdc25 que desfosforila los dos residuos fosforilados por la Wee1 y la Myt1 quedando la CDK activa. 4. La CDK activa se puede bloquear con inhibidores de quinasas dependientes de ciclinas (CKI)

CUANTOS MÁS PASOS TIENE UNA VÍA, MÁS REGULADA ESTÁ, POR TANTO, SI POR ERROR LA CDK ACTIVA POR LA CAK ESTUVIERA MUTADA, LA WEE1 SIEMPRE LA ESTARÍA INACTIVANDO.

REGULACIÓN CDK-CICLINAS (INACTIVACIÓN) • •

La familia de las CKI (inhibidores de quinasas dependientes de ciclinas) : p21 (Walf1), p27 (KIP1) y p57. Inactivan a cualquier CDK. La familia de la INK4 (inhibidor de CDK4): p15, p16, p18, p19. Solo inactivan a la CDK4.

Imagen: • • •

p21 bloquea la actividad de CDK2 unida a lac ciclina A, E o D y a PCNA. p27 actúa sobre CDK2-Ciclina D o CDK4-ciclina D. p16 bloquea la actividad de la CDK4-ciclina D.

•

p15 actúa sobre CDK4-ciclina D.

Ejemplos de cómo funcionan los inhibidores: • INK4 se une a la CDK2 en el lugar de unión de la ciclina e impide la formación del heterodímero ciclina-quinasa. • INK4 interfiere en el lugar de unión del ATP del heterodímero ciclina-quinasa y las fosforilaciones de la CDK no se producen. Si interviene la p27 ocurre lo mismo. • Si se ha activado la CDK porque ha actuado la CAK y la cdc25, pero la Wee1 se vuelve a activar, se inactiva CDK Inactivación CDK-ciclina: • • •

Fosfatasas: Desfosforilación de proteínas fosforiladas. Las fosfatasas basales inactivan las quinasas. Inhibidores específicos de CDK: CKI y INK4. Final de la “tarea”: Degradación de la ciclina específica de “fase” mediante la ubiquitinación que da lugar al final de la activación de la quinasa.

Regulación CDK1-ciclina B = MPF – Factor promotor de la mitosis (activa en la fase M cuando [MPF] es alta): 1. CDK1-ciclina B fosforila por feedback negativo la proteína cdh1 unida a APC/C inactiva impidiendo que funcione. 2. La cdh1 se separa de la APC/c y se queda en el citoplasma. 3. La CDK1-ciclina B activa la cdc20 que ocupa el lugar de la cdh1 en la APC/C inactiva pasándola a APC/C activa (E3 ligasa) 4. La E3 ligasa ubiquitina la ciclina B, que es degradada en el proteosoma, y la securina. 5. Inactivación de la CDK1. 6. La cdc20 desaparece y vuelve a unirse la cdh1 a la APC (aunque se mantiene activa)

Hay dos APC/C diferentes: •

APC/C unida a cdh1: o Activa desde finales de anafase (fase M) a finales de G1 (antes del punto R de G1). o Permite que se dé: Citocinesis, desanclaje del huso, descondensación de los cromosomas, anclaje de la envoltura nuclear, reactivación de la transcripción, anclaje del AG, anclaje del complejo pre-replicación. o No hay ninguna ciclina activa: Solo hay crecimiento celular. Y SI HAY ALGUNA CICLINA ACTIVA NO HAY CRECIMIENTO. o Es inactiva durante la fase M (hasta finales de anafase)

•

APC/C unida a cdc20: o Activa de prometafase a metafase: ▪ Responsable de degradar ciclina A y ciclina B. ▪ Activa la anafase.

Ambas APC/C están reguladas por otras proteínas. SCFskp2 es una E3 ligasa que está activa desde finales de G1 a finales de fase M. Su función es ubiquitinizar diferentes proteínas del ciclo celular: • •

Inactivadoras de CDK (p27) Factores de transcripción (E2F)

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Fosfatasas cdc25A.

NO UBIQUITINA CICLINAS.

Gráfica: • • • • •

Mitosis: Máximo de CDK1-ciclina B (APC/C activa hasta final de la fase M) Fase G1: APC/C cdh1 activa. Cuando se sintetiza la ciclina D desaparece la APC/C cdh1. Fase S: No hay APC. Fase G2: No hay APC. Mitosis: La APC/C vuelve a estar activa y la ciclina B baja empicado. Final de regulación del ciclo celular....