Tema 15-16 División celular. PDF

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Apuntes asignatura Biología molecular. Tema 15 y 16 La división celular. Mitosis y Meiosis....

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TE TEMA MA 15 15-16 -16 -16:: D DIVIS IVIS IVISIO IO ION N CE CELU LU LULAR LAR LAR:: M MIT IT ITOS OS OSIS IS Y M ME EIOS IOSIS IS 1 D DIVI IVI IVISIÓN SIÓN C CEL EL ELUL UL ULAR AR Mitosis es el proceso celular que precede a la división celular consistente en el reparto equitativo del material genético. • La fase M de división ocupa una pequeña parte del tiempo total empleado. ◦ En la fase M hay tres características exclusivas: ▪ Condensación cromosómica ▪ Formación del huso mitótico ▪ Formación de un anillo contráctil La Mitosis se divide en: 1. Profase: Empieza a observarse una compactación de la cromatina, aparición de los cromosomas metafásicos. 2. Metafase: Se observan perfectamente los cromosomas y el huso acromático. Todos los cromosomas están compactados y alineados en la placa metafásica, el ecuador de lo que serán las futuras células hijas. 3. Anafase temprana: Las cromátidas de los cromosomas metafásicos empiezan a separase. Cada una de las cromátidas viaja hacia uno de los polos de la célula. 4. Anafase tardía: Cada cromátida se encuentra ya en un polo. 5. Telofase: Ya se observa la formación de cada uno de los núcleos de las que serán las células hijas y la formación de un anillo contráctil de actina, que separa el citoplasma de ambas células hijas. 6. Citocinesis: Separación en dos de la célula, dando origen a las células hijas ya individualizadas. Resolución de la Mitosis. RE REGU GU GULAC LAC LACION ION D DE E LA PR PRO OGR GRESI ESI ESION ON DE DEL L CIC CICLO LO CE CELU LU LULAR LAR En la imagen tenemos dos procesos que implican degradación para regular la actividad de las Ciclinas. • TRANSICIÓN G1/S En la parte de abajo, observamos el proceso de transición G1/S. Tenemos un complejo llamado SCF-E3 que se encarga de ubiquitinar (recordemos que la ubiquitinación es un proceso de marcaje de proteínas con un péptido llamado ubiquitina, de manera que estas quedan marcadas para su degradación por vía proteosomal. La SCF-E3 por tanto ubiquitina a la Ciclina E (ciclina que media la transición de G1 a S) que queda marcada para su degradación. Cuando se degrada la Ciclina, la Quinasa Dependiente de Ciclina (CDK) a la que estaba unida deja de ser activa, perdiendo su actividad quinasa. • FASE M Encontramos el Complejo Promotor de la Anafase (APC-E3) que al igual que el SCF-E3, es un sistema ubiquitin-quinasa. (También se le puede llamar Ciclosoma al complejo APC-E3). Por un lado, permitirá el paso más allá de la anafase, y por otro, la resolución de la mitosis. El factor promotor de la maduración (MPF) es la unión de la Ciclina B con la CDK1. Es el elemento que permite la entrada en Mitosis (la transición de la fase G2 a la fase M). La progresión de la Mitosis, es decir, el paso de Metafase a Anafase va a implicar la degradación de las Ciclinas B para poder desactivar al MPF. La degradación de las Ciclinas B la llevará a cabo la APC-E3 que acabamos de comentar.

ACTIVACION DEL MPF CDK1-Ciclina B o MPF controla el inicio de la mitosis. • Es el primer paso más importante de la regulación de la Mitosis. Esta activación depende de la regulación de una fosfatasa, la Cdc25, que es un protoncogén. La progresión del ciclo de división (transición metafase-anafase) implica la degradación de ciclina B a cargo del complejo APC. La CDK1 fosforilada no puede unirse a la Ciclina B y por ello está inactiva. Para que pueda unirse, tiene que estar desfosforilada. • La fosfatasa Cdc25 elimina los fosfatos de la CDK1 por hidrolisis permitiendo la union CDK1-Ciclina B. • La activación del MPF depende de la fosfatasa Cdc25. ◦ La PLK1 fosforila la Cdc25 volviendola activa. La kinasa Wee1 mantiene CDK1 inactiva.

El complejo proteico cohesina regula la separación de las cromátidas hermanas.

RE REGULA GULA GULACIÓN CIÓN DE DEL L EM EMPARE PARE PAREJAM JAM JAMIENTO IENTO DE CR CROMAT OMAT OMATIDAS IDAS H HERM ERM ERMANA ANA ANAS S P POR OR E EL L CO COMP MP MPLEJO LEJO CO COHES HES HESINA INA El emparejamiento de cromátidas hermanas está mediado por el complejo de cohesina que forma un puente entre las dos cromátidas.

El complejo APC/Cdc20 promueve la ubiquitinación y degradación de securina liberando la separasa que mediará la separacion de los complejos de cohesina. El siguiente paso importante en la progresión de la Mitosis es la degradación de puentes de cohesina que unen las cromátidas hermanas del cromosoma metafásico. • La cohesina es una proteína que forma puentes entre las cromátidas hermanas para mantenerlas unidas. Esta se ha de degradar para que puedan separarse durante la anafase y cada una de las cromátidas pueda ir a las células hijas (transición metafase/anafase). • La Separasa será la enzima responsable de esta degradación de la Cohesina, • La Securina impide que esta Separasa esté activa porque está unida a ella. Por tanto, la Securina tiene que separarse de la Separasa para que esta última pueda activarse y realizar su función de degradar los puentes de Cohesina. La Securina se degradará mediante la acción del complejo APC-Cdc20: 1. El Complejo marca la Securina con ubiquitina 2. Se degrada la Securina. 3. Se libera la Separasa 4. Asi se permite la degradación de la Cohesina para que se separen las cromátidas hermanas. IMPLICACION DEL APC EN LA DIVISIÓN CELULAR El APC (Complejo Promotor de la Anafase) es un complejo que se activa por fosforilación, este proceso lo llevará a cabo el complejo CiclinaB-CDK1 (MPF). • El APC fosforilado, va a poder unirse, a diversos factores proteicos, que le van a otorgar una direccionalidad: ◦ Por una parte al Cdc20, que es un factor proteico que se une al APC para unirse a la Securina y que esta se degrade y se separe de la Separasa, se degradarán los puentes de cohesina, permitiendo la resolución de la placa metafásica. ◦ Por otra parte, el APC fosforilado podrá unirse a la Cdh-1. Esta unión favorecerá la degradación de la Ciclina B y permitirá la resolución de la mitosis porque el MPF deja de ser activo. La MPF induce a empezar la mitosis pero también inhibe su resolución, porque impide que avance más allá de la anafase al impedir que se forme el anillo contráctil y por ende la citocinesis. Es por esto que se tiene que degradar la Ciclina B como hemos visto antes, para que el MPF pueda desactivarse y pueda resolverse la Mitosis.

PAP PAPEL EL D DE E LA LAS S HIS HISTON TON TONAS AS EN LA IN INICIAC ICIAC ICIACION ION DE LA FA FASE SE M La primera manifestación apreciable de la fase M es la progresiva compactación de la cromatina interfásica para formar los cromosomas (profase). • La compactación de la cromatina es regulada por la modificación de las proteínas histonas. ◦ Las histonas pueden sufrir distintos cambios post-traduccionales. ▪ Acetilación/Desacetilación ▪ Metilación ▪ Fosforilación ▪ Ubiquitinación ▪ ADP-Ribosilación ▪ Complejo Swi/Snf que usa energía procedente de la hidrólisis de ATP para romper la interacción histona- DNA, aunque no actua directamente sobre el nucleosoma. El nucleosoma deja expuestas unas colas proteicas con secuencias de aminoácidos susceptibles de modificación por diferentes vías.

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La histona H4, posee 4 sitios susceptibles de acetilación, 2 de metilación y 1 de fosforilación. La H2B, únicamente se puede acetilar. La H3 tiene 5 posiciones que se pueden metilar, 2 que se pueden fosforilar y 4 que se pueden acetilar. La H3 y H4, los residuos que se acetilan son todos de lisina.

La fosforilación, metilación, acetilación tendrán efectos diferentes. También dependerá de la posición aminoacídica en la que se realicen estas modificaciones. • Las lisinas son las que normalmente se acetilan. • La Ubiquitinación también en Lisina. • La metilacion se puede efectuar en lisina o en arginina. • La fosforilación únicamente en serina. El mecanismo de acetilacion sobre la lisina y el rol biologico: • Afloja la compactacion de la cadena de ADN durante la transcripcion. • Altera la posicion de las histonas durante el proceso de replicacion. La acetilación está catalizada por histona acetilasas (HATs). La reacción contrariaestá catalizada por histonadeacetilasas (Hds). En la interfase, cuando se acetilan y se fosforilan las colas de las Histonas E3 el DNA se descompactará, para permitir la transcripción de genes.

En la metafase, la fosforilación contribuye a la condensación, un apretamiento del DNA alrededor de los nucleosomas. • En la fosforilación, dependiendo de la histona y de la posición que se fosforile, va a tener un efecto diferente: En el caso de las Histonas H3, una fosforilación puede suponer bien la descompactación del DNA (y conducir por tanto a una transcripción) o bien su compactación.

En cuanto a las Histonas que no forman parte del nucleosoma, como el caso de la Histona H1, su modificación también juega un papel importante en la formacion de los nucleosomas y otras estructurasde cromatina de orden superior. • Su hiperfosforilacion durante la metafase incrementa el grado de condensación de la cromatina, mientras que la fosforilación pero en menor grado provoca que esté más laxa. Podemos decir entonces que en el caso de la H1 el grado de compactación de la cromatina dependerá del grado de fosforilación. Complejo SWI/SNF (en levaduras) que tienen sus ortólogos en humanos. • Función en remodelación de la cromatina. ◦ No interacciona fisicamente con las histonas, sino con el ADN. ◦ Tambien pueden interaccionar con la proteína del retinoblastoma y con acetilasas, regulando así la función de estas e interviniendo por tanto en la progresión del ciclo celular. SWI/SNF tiene función ATPasa y desestabiliza los nucleosomas, pero no interactúa con las colas de histonas. • En mamíferos, existen dos tipos de complejos SWI/SNF (BAF y PBAF) que difieren en la composición del core y de ciertas subunidades.

2 M MITO ITO ITOSIS SIS Durante la mitosis, uno de los fenómenos principales que van dar son: la duplicacion de los centriolos y organulos y del material genetico. • Los centriolos son conjuntos de microtúbulos que forman una especie de cilindro. ◦ Organizan toda la red celular de microtúbulos. Al final el objetivo es tener dos pares de centriolos, un par para cada célula hija, y por ello se tienen que replicar; y la duplicacion y distribucion del ADN obteniendo dos celulas hijas a partir de una celula madre. • La duplicacion de los centriolos es uno de los primeros procesos que tiene lugar en el ciclo celular, y se produce en la transición de G1 a S.

METAFASE Ya en la metafase, tenemos la placa metafásica donde encontramos los cromosomas metafásicos, ya replicados, con dos cromátidas cada uno. • Estos cromosomas poseen cinetocoro, que es es un complejo proteico donde tiene lugar la unión de los microtúbulos al cromosoma. • En la imagen podemos ver que tenemos unos microtúbulos enlazados. • Proteínas motoras, la kinesina, que permite el estiramiento de los microtúbulos y de la célula.

ANAFASE Es en la anafase donde tiene lugar la acción de los microtúbulos. • Por una parte, estiran de las cromátidas hermanas para llevarlas a los polos celulares. • Contribuyen a la separación progresiva del citoplasma para dar lugar a las células hijas. Los centriolos son los organizadores de la red de microtúbulos, que se disponen de forma radial alrededor de la pareja de centriolos.

La Anafase se puede subdividir: • Anafase A: Empieza la separación de lascromátidas.

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Anafase B: Separación cada vez más grande entre los núcleos o extremos de las dos células hijas.

Si el sistema que permite la unión de los microtúbulos a los cinetocoros no tiene lugar de forma correcta, no habrá una distribución equitativa del material genético. Las proteínas MAD median la correcta unión de los cinetocoros a los extremos de los microtúbulos y al mismo tiempo paran la anafase. El punto de control del huso mitótico controla que la unión del cinetocoro al microtúbulo sea correcta. Cuando sí existe punto de control, si en algún momento dado no hay una unión correcta del cinetocoro almicrotúbulo, las proteínas MAD paran momentáneamente la anafase inhibiendo el APC hasta que se solucione esa unión incorrecta.

Si no hay un correcto funcionamiento del punto de control pasa el caso de la izquierda. El APC (recordemos que el APC media la resolución de la mitosis) permitiría que la mitosis siguiera adelante y la distribución desigual de las cromátidas tendría lugar. Si el punto de control funciona, las MAD detectan que no hay una correcta unión, inhiben el APC y se para indefinidamente la anafase hasta que se solucione.

CITOCINESIS En la Citocinesis, se forma un anillo contráctil de actina y la célula comienza a estrangularse, a separarse en sus dos células hijas. Se produce la desfosforilación de las láminas nucleares y la reconstrucción de los núcleos celulares en cada una de ellas.

RESUMEN/ MODELO

3 D DIVISIO IVISIO IVISION N CE CELULA LULA LULAR; R; M MITOSIS ITOSIS Y M MEIOS EIOS EIOSIS IS •

Durante la mitosis hay una duplicacion del materila genetico pero no hay una duplicacion de la informacion genetica. ◦ El material genetico se duplica en la fase S y al final de la mitosis se restablece. ◦ Pero la informacion genetica se matiene constante durante todo el ciclo.

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Al final de la meiosis hay una reduccion de la informacion gentica y tambien del material genetico (de 2n a n). ◦ En cuanto al material genético, se duplica en fase S y al final de la mitosis 1 se restablece, pero al final de la mitosis dos tenemos LA MITAD de la que teníamos al principio. ◦ En cuanto a la información genética, al final de la mitosis 1, la información genética ha disminuido a la mitad. ▪ Hemos sufrido una reducción de información, porque al perder la mitad de material genético para distribuirla en las 4 células hijas estamos perdiendo información.

MITOSIS En la profase el paterial geneticose condensa formando los cromosomas. ◦ La maxima condensacion de los cromosomas se consigue en la metafase. En la metafase, los cromosomas se alinian formando la placa metafasica. En la anafase, gracias a la red de microtubulos organizados por los centriolos, las cromatides hermanas se separan en dos celulas hijas. En la telofase la cromatina se descondensa y se empieza a formar el anillo contractil. Finalmente en la citocinesis se produce la separacion del citoplasma obteniendo las dos celulas hijas igual entre ellas y iguales a la madre. MEIOSIS En la profase 1 se produce la recombinacion genetica. ◦ La recombinacion genetica consiste en el intercanvio del material generico entre cromosomas homologos. ▪ Este proceso es uno de los motores del cambio y se produce en la formacion de los gametos. ◦ La recombinacion somatica ocurre de forma muy rara y no es muy habitual. El resultado de la primera meiosi se obtienen dos celulas hijas diferentes entre ellas y a la celula progenitora. En la segunda division meiotica se obtienen 4 celulas hijas con la mitad del material gentico de la madre y diferentes entre ellas.

ENTRECRUZAMIENTO CROMOSOMICO El entrecruzamiento cromosómico se da en la primera fase meiòtica y se pueden distinguir distintas subfases: leptoteno, zigoteno, paquiteno, diploteno y diacinesis (resolución del quiasma). • La sinapsis cromosómica (entrecruzamiento) se inicia durante la fase de zigoteno y culmina durante la fase de paquiteno. • Este proceso de recombinacion permite la variabilidad genetica. Partes de la profase 1 de la meiosis: • Leptolè: los cromosomas se condensan y empiezan a verse y cada cromosoma esta formado por dos cromàtides. • Zigoté: los cromosomes homologos se emparejan entre si, uniendose por sinapsis en un punto a partir del cual va bajando uniendose tota la cromàtide de un cromosoma con la cromàtide del otro (como una cremallera). • Paquité: los cromosomes es contraen y cada bivalente (pareja de cromosomas està formado por 4 cromàtidas (tètrada). A continuación se produce en encruzamiento (és un fenomeno de intercanvio de segmentos de ADN (genes) entre cromàtidas NO hermanas y homòlogas) obteniendo la recombinación genètica. • Diploté: los cromosomas homòlegos inician la separación (que no se completa) y quedan unidos por las quiasmas (algunos puntos) que són la prerba de que se ha producido el encruzamiento. • Diacinesi: las quiasmas se desplazan hacia el extremo de los cromosomas y mantiene unidas las cromaridas hasta la metafase. Ademas el nucleolo y la membrana nuclear empiezan a desaparecer.

EL COMPLEJO SINAPTONÉMICO El complejo sinaptonémico, es una unión física mediante puentes proteicos, que mantienen la unión entre las cromátidas no hermanas. Hay una interacción física entre las cromátidas homólogas.La interacción que hay entre las cromatidas es más fuerte cuanto más alejadas del centrómero estén esas regiones cromosómicas.

FENOMENO DE ENTRCRUZAMIENTO CROMOSOMICO (RECOMBINACION) El lugar donde se forma el complejo sinaptonemico a nivel macroscopio de llama quiasma. • En la recombinación se intercambian fragmentos cromosómicos, no genes. • La unidad de recombinación se llama locus, en plural loci. No tiene por qué contener un solo gen, puede contener más de uno.

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Recombinación homóloga – la más común, tiene lugar en la profase I de la meiosis. Recombinación no homóloga – inusual, tiene lugar entre cromosomas no homólogos La unidad de recombinación se llama locus (pl. loci) Mecanismos de entrecruzamiento ◦ A. Modelo de Holliday ◦ B. Modelo de Messelson-Radding

MODELO DE HOLLIDAY-WHITEHOUSE Tenemos un corte en las cadenas. Cada cadena invade la otra (la hebra azul a la roja y viceversa) ese desemparejamiento provoca un desplazamiento de esta unión haciendo que haya más trozo de DNA desemparejado. La región esa que no está emparejada se llama región heteroduplex. Después rotan 180 grados a causa de una isomerización. En la resolución del quiasma, si hay una resolución vertical obtendremos cromosomas recombinantes, si es horizontal no.

MODELO DE MESSELSON-RADDING Se basa en una única invasión de la hebra homologa. Cuando se forma la unión de Holliday se puede resolver de forma horizontal obteniendo un heteroduplex de inserción como en el otro modelo o vertical, obteniendo cromosomas recombinantes....