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Reguladores del ciclo por fases

SMEl ciclo celular esencial, tal como ocurre en el embrin temprano, comprende nicamente la fase de replicacin del ADN (Fase S), regulada por la protena Cdk2, seguida inmediatamente por la divisin nuclear y celular (Fase M) regulada por la Cdk1.

En estas condiciones las clulas del embrin temprano pueden dividirse a una velocidad sorprendente.Cdk1Cdk2TelmerosEs necesario sealar que existe un mecanismo destinado a "contar" el nmero de duplicaciones de una poblacin celular.

Este mecanismo se encuentra presente en los extremos de los cromosomas, en los segmentos denominados telmeros.

Estos telmeros se acortan un poquito cada vez que el cromosoma se replica.

Cuando la disminucin de los telmeros sobrepasa cierto lmite, suena una "alarma" que hace que las clulas entren en senescencia, es decir envejecimiento, lo cual indica que no deben dividirse ms.

Protenas reguladoras del ciclo celularRegulan positivamente: quinasas dependientes de ciclina (CDKs) y las ciclinas

Regula negativamente o inhiben:Inhibidores de las CDKs (CDKIs) que bloquean la actividad de uno o varios complejos CDK/ciclina, as como las CDKs propiamente dichasRegulacin por proteolisisLa Proteolisis de protenas claves del ciclo celular es un sistema de control muy efectivo e irreversibleProteolisis regulada de las ciclinasEn ciertos puntos del ciclo celularPor un mecanismo dependiente de ubiquitina: un complejo activador reconoce secuencias especficas de amino-cidos en las ciclinas y les transfiere copias multiples de ubiquitina, marcando a la protena para ser completamente destruida por los proteasomas.El paso limitante de este proceso es la transferencia final de ubiquitina catalizada por las ubiquitn-ligasas:SCF: en las fases G1 y SAPC (Anaphase-Promoting Complex): en la fase MRegulacin positivaCiclinasReguladoras de la actividad enzimtica de las CDKs Tipos de ciclinas: A, B1-B3, C, D1-D3, E, F, G, H, I, K, L1-L2 y T1-T2.Todas ellas contienen un dominio relativamente conservado responsable de su unin a las CDKs Las ciclinas C, D y E funcionan durante la fase G1 y en la transicin de G1-S. Las A y B son ciclinas mitticas que permanecen estables durante la interfase, pero son rpidamente proteolizadas durante la mitosis. Actualmente se dispone de poca informacin sobre las recientemente descritas ciclinas F y G. Parece ser que la ciclina F acta en la transicin G2/M mientras que la G acta en respuesta al dao del ADN. La ciclina H se une a CDK7 y este complejo activa a su vez a la protena quinasa activante dependiente de ciclina (CAK) que est implicada en la activacin de CDK218.

Regulacin positivaQuinasas dependientes de ciclina (CDKs)Las CDKs son molculas heterodimricas cuya funcin es fosforilar residuos de serina y treonina de protenas reguladoras especficas. Estos procesos se llevan a cabo cuando las CDKs estn activadas por las correspondientes ciclinas.Hasta el momento hay descritas doce quinasas dependientes de ciclina: CDK1, CDK2, CDK3, CDK4, CDK5, CDK6, CDK7, CDK8, CDK9, CDK10, CDK11 y CDK12 (Tabla 1) CDK4 y CDK6 forman complejos con las ciclinas D y funcionan durante la transicin G0/G1, fosforilando a la protena del retinoblastoma (Rb) y activando as la expresin de genes necesarios para la entrada en la fase S

Regulacin positivaCDK2 puede unirse tambin a las ciclinas D, pero ms comnmente se asocia con las ciclinas A y E, interviniendo en el inicio de la fase S mediante el control de la sntesis de ADN CDK1 se une a las ciclinas mitticas A y B, siendo los complejos CDK1/ciclina B los ms importantes. Son rpidamente activados durante la mitosis y se asocian al huso mittico en la metafase. La ciclina B se degrada en la transicin de metafase a anafase causando la inactivacin de CDK124. Sin embargo, no todas las ciclinas y CDKs funcionan como reguladoras del ciclo celular. Entre otras funciones descritas para ellas, se encuentran la regulacin de la transcripcin, la reparacin del ADN, la diferenciacin y la apoptosis. Por ejemplo, se sabe que los complejos CDK7/ciclina H, CDK8/ciclina C, CDK9/ciclina K y CDK9/ciclina T, son componentes de la maquinaria basal de transcripcin

Cuatro familias de ciclinas genes/protenas en los mamferosCiclinasSub-unidad Cdk-cinasasFamilia Ciclina AFamilia Ciclina BFamilia Ciclina DFamilia Ciclina ECdK1CdK2CdK4 & K6Fase en que es activaG1 tempranaG1 / SSMCdK2Regulacin Negativa Del Ciclo Celular

Inhibidores de las quinasas dependientes de ciclina (CDKIs):En clulas animales se dividen en dos familias: la CIP/KIP y la INK4

La familia CIP/KIP incluye tres protenas estructuralmente relacionadas entre s: p21, p27 y p57, - presenta una especificidad ms amplia que la familia INK4

Inhibidores de CDKsLa actividad de las cinasas dependientes de ciclina (CDKs) est tambin regulada por un grupo de inhibidores, conocidos como CKIs (cyclin-kinase inhibitors), los cuales han sido divididos en dos famillias principales dependiendo de su estructura y su especificidad.El primer grupo comprende la familia, Cip/Kip. Es la ms importante, est formada por inhibidores de amplio espectro que afectan las actividades de las cinasas que dependen de las ciclinas D-, E-, y A.Esta familia incluye a los inhibidores p21 (CIP1), p27 (KIP1), y p57 (KIP2), todos ellos capaces de fijarse no solo a las CDKs, sino tambin a las diferentes ciclinasEl otro grupo comprende la s protenas llamadas INK4 (inhibitors of CDK4), llamados as por su estricta especificidad de accin sobre las subunidades catalticas CDK4 y CDK6.Se conocen dentro de esta familia cuatro protenas inhibidoras de CDK4 y CDK6: p15, p16, p18, y p19.Estos inhibidores se fijan especficamente a CDK4 y CDK6, pero a ninguna otra CDK, ni a las ciclinas de tipo D.Regulacin Negativa Del Ciclo CelularLa p21 bloquea el ciclo celular en la transicin G1/S, unindose a los complejos CDK4/ciclina D y CDK2/ciclina E, responsables de dicha transicin. Esta parada del ciclo celular permite a la clula reparar el ADN daado antes de replicarse. Cuando se daa el ADN, se provoca un incremento de la concentracin y de la actividad de la protena p53. Cuando se activa p53 se estimula la traduccin de p21 La p27 regula seales inhibidoras del crecimiento y la inhibicin por contactoLa p57, a diferencia de la expresin ubicua de las protenas p21 y p27, tiene una ruta de expresin tejido-especfica, lo que sugiere un papel especializado en el control del ciclo celular

Regulacin Negativa Del Ciclo CelularLa familia INK4

Incluye cinco protenas: p14, p15, p16, p18 y p19. A diferencia de las protenas de la familia CIP/KIP, que se unen a complejos CDK/ciclina, la familia INK4 se une slo a CDK en el sitio de unin de las ciclinas e inhiben especficamente CDK4 y CDK6, implicadas en el control de la fase G1

Regulacin Negativa Del Ciclo CelularAparte de los inhibidores de quinasas dependientes de ciclina, existen otros reguladores negativos del ciclo celular que son los formados por los productos de los genes supresores de tumores p53 y Rb que pueden interactuar y modular las actividades de los complejos CDK/ciclina (27).-Puntos de ControlExisten tres puntos de control, o checkpoints, que verifican el correcto desarrollo del ciclo celular en sus diferentes fases. Estos puntos de control se pueden englobar de la siguiente manera Punto de control de ADN no replicado, localizado en la entrada de fase M. Acta inhibiendo a Cdc25, que es un activador de la CDK1/Ciclina A-B Punto de control de la separacin de cromosomas al final de la mitosis, localizado en la metafase, que comprueba el alineamiento correcto de los cromosomas en el huso mittico antes de permitir que tenga lugar la mitosis propiamente dicha. En el caso de que este alineamiento fuera incorrecto, se impedira la degradacin de la ciclina B por ubiquitinacin Puntos de control del dao del ADN, localizados en G1, S y G2. El dao celular activa a p53, protena implicada en la reparacin del ADN, que detiene el ciclo promoviendo la transcripcin de p21, y, en caso de que todo falle, induce la apoptosis (30).

Inhibidores de las Cdk(Mamferos)REGULADORES DEL CICLO CELULARFamiliaComplejos Cdk/ciclinaFase del ciclo afectadaCip/KipCdk4/ciclina DG1(p21,p27,p57)Cdk6/ciclina DG1Cdk2/ciclina EG1/SCdk2/ciclina ASInk4 (p15,p16,p18, p19)Cdk4/ciclina D Cdk6/ciclina DG1 G1Tabla 1. Familia de CDKs en mamferos. En esta Tabla se muestra las CDKs que se conocen actualmente en mamferos, las ciclinas a las que se unen y los sustratos sobre los que actan, as como los efectos que produce la activacin de dichos sustratos. SmboloPrincipals ciclinas activadoras (otras ciclinas)Otras interacciones proteicasSustratosFuncin celularCDK1 (Cdc2, Cdc28)Al, A2, B1, B2 (E, B3)CksActopaxina, Poliposis adenomatosa, Anfifisina 1, APC, BARD1, BRCA2, Caldesmon, Cdc7, Cdc20, Cdc25A, Cdc25C, Cdh1, Cdk7, C/EBP, CKll, Dynein, Dystrophin, EF-1, Eg5, EGFR, FANCG, Fos, GFAP, GM130, GRASP65, Histona H1, hHR6A, HMG-I(Y), IFAP300, KRC, Laminas A, B y C, Receptor de Lamina B, Lats1, MAP1B, MAP4, Marcks, MCM2, MCM4, MKLP1, Myb, NBP60, Neurofilamento H, NF-I, Nir2, Npm, NPC, Nucleolina, Nucks, Numatrina, Orc1, p18, p47, p53, p54NRB, PAP, Plectina, PP1-12, pRb, R2, Rab4, Rap1GAP, RCC1, Rlla, S6K1, Sam68, Separasa, Ski, Survivina, mSTI1, Tau, vicentina, quinasa timidina.Ciclo celular (paso de G2 a M)CDK2Al, A2, E1.E2 (D1, D2, B1.B3)BARD1, B-Myb, BRCA1, BRCA2, CBP/p300, Cdc6, Cdc7, Cdk7, Cdt1, C/EBP, DP1, hHR6A, HIRA, Ku70, Marcks, MCM2, MCM4, MyoD, NPAT, Npm, p107, p21Cip1, p27Kip1, p53, pRb, R2, quinasa timidina. RPA, Smad3.Ciclo celular (paso de G1 a S)CDK3E1, E2, Al, A2, CE2F/DPCables 1Ciclo celular (paso de G0 a G1 a S)CDK4 (PSK-J3)Dl, D2, D3MyoDCdtl, Marcks, pi07, pi30, pRb, Smad3,Ciclo celular (paso de G1 a S)CDK5p35, p39 (D, E, G)Anfifisina 1, Cables, Disabled1, Doublecortin, Munc18, Nudel, p53, Pctaire1, inhibidor de la protena fosfatasa1, PSD-95, Stat3, mSd3, sinapsinil, tirosina hidroxilasa.Senescencia, neuronas postmitticas.CDK6Dl, D2, D3pi07, pi30, pRbCiclo celular (paso de G1 a S)CDK7 (MO 15, CAK, STK1)HCdkl-Cdk6, p53, RAR?, RNA polimerasa IIActivacin de la CDK, transcripcinCDK8 (K35)C(K?)RNA polimerasa IITranscripcinCDK9T1,T2, pRb, RNA polimerasa IITranscripcinCDK10DesconocidosEts2DesconocidosTranscripcin, ciclo celular (paso de G2 a M)CDK11 (Cdc2Ll, Cdc2L2)L1, L2 (D)14-3-3, 9G8, CK2, elF3, RanBPM, RNPS1, RNA polimerasa II9G8, Ciclma LTranscripcin, ciclo celular (M)CDK12LI, L2Ciclma LProcesamiento del ARNSmboloPrincipals ciclinas activadoras (otras ciclinas)Otras interacciones proteicasSustratosFuncin celularTabla 1. Familia de CDKs en mamferos. En esta Tabla se muestra las CDKs que se conocen actualmente en mamferos, las ciclinas a las que se unen y los sustratos sobre los que actan, as como los efectos que produce la activacin de dichos sustratosFase M y Fase G2La entrada de la clula en la fase M es catalizada por la actividad fosforilante de la cinasa dependiente de ciclina 1 (Cdk1) formando un complejo heterodimrico con la ciclina B1.Los niveles de ciclina B1 se empiezan a elevar durante la fase G2, lo cual permite que se acumule suficiente cantidad de esta ciclina para formar el complejo ciclina B1/Cdk1.Sin embargo, durante esta fase del ciclo celular el complejo, ciclina B1/Cdk1 permanece inactivo por la actividad de las cinasas Wee y Myt que mantienen fosforilados sus residuos T14 y Y15.Subsecuentemente, el complejo ciclina B1/Cdk1 puede seer activado por la actividad de fosfatasa de las protenas de la familia Cdc25 (Cell diivision cycle protein 25)Estas enzimas activan a la Cdk1 en dos pasos diferentes, eliminando primero el fosfato de T14 y despus el de Y15 Las fosfatasas Cdc25 son, a su vez, activadas por el mismocomplejo ciclina B1/Cdk1, establecindose un ciclo de retroregulacin positiva al final de la fase G2Fase G2La activacin del complejo ciclina B1/Cdk1 contribuye a la separacin de los centrosomas en la fase G2 tarda.

En las clulas humanas, el complejo ciclina B1/Cdk1 activo se detecta inicialmente en los centrosomas, un poco antes de que inicien su movimiento de separacin al final de G2 o al principio de la profase.

El complejo ciclina B1/Cdk1 activo es posteriormente fosforilado durante su permanencia en el citoplasma, lo cual da por resultado su translocacin al interior del ncleo, donde participa en la condensacin de los cromosomas y en la fragmentacin de la envoltura nuclear.PROFASECDK1/CICLINA B (MPF)REGULADORES PRINCIPALES A LA FASE M.ACTIVA POR FOSFORILACIN DE CDK1/CICLINA BCONDENSINAS (PROTEINAS SMC) STRUCTURAL MAINTANCE OF CHROMATIN, COHESINAS (PROTEINAS SMC) FAMILIAS AURORA Y QUINASA (SE LOCALIZAN EN EL CENTROSOMA)

METAFASECDK1/CICLINA BUBIQUITINAS: PROTEOLOSIS DE PROTEINAS REGULADORAS ACTIVACIN DE LA UBIQUITINA LIGASA DENOMINADO COMPLEJO PROMOTOR DE LA ANAFASE/CICLOSOMA (APC/C)PROTEINAS Mad/Bub CDc20:ANAFASEUbiquitinacin y degradacin de dos protenas diana clavesCohesinas degradacin de cromatides hermanasSecurina degradada por APC/C que es subunidad de una proteasa denominada separasaSecurina se degrada y se activa la separasa y esta degrada la cohesina que rompe la unin de las cromatidas hermanas Proteinas motoras asociadas a los microtubulos del husoCiclina B inactiva del ck1 que se requiere para celula abandone la mitosis yy regrese a la interfase

CitocinesisInactiva la CDK1 Por la ciclina BAnillo contractil

Transicin Metafase-AnafasePara progresar de la metafase a la anafase, durante la mitosis, la clula debe asegurarse que todos los cinetocoros se han fijado correctamente al huso y mantienen las fibras de ste en tension bipolar.Si esto no sucede as, las clulas esperan en metafase hasta que se puedan reunir las condiciones necesarias para librar el punto de control del huso, en el cual:Cuando un solo cinetocoro (o ms) no se ha(n) fijado correctamente a los MTs del huso, todos los dems cromosomas esperan hasta que su fijacin se ha realizado y su posicin es correcta en el establecimiento de la placa metafsica.Pieza clave en el control de la transicin Metafase-Anafase es el llamado complejo Promotor de la Anafase, APC(Anaphase- Promoting Complex), una ubiquitn-ligasa que marca algunas protenas de la metafase para ser destruidas por el proteasoma, especialmente la securina y la ciclina B.Punto de Control del HusoDurante la mitosis, las cromtidas hermanas necesitan conectarse correctamente a los polos celulares mediante su fijacin a las fibras del huso mittico, este proceso, de gran importancia para la clula, es regulado mediante el mecanismo de Control del Huso.En este punto de control debe mantenerse bloqueada la actividad de ubiquitn ligasa del Complejo Promotor de la Anafase, APC/C (anaphase promoting complex/cyclosome), previniendo as la destruccin prematura de la ciclina B1 y, por lo tanto, la inactivacin de la Cdk1.Mientras la actividad del complejo cilina B1/Cdk1 se conserve alta, la clula puede permanecer en metafase todo el tiempo que sea requerido hasta que todos los centrmeros de todos los cromosomas se fijen a las fibras del huso con una orientacin correcta bipolar.Despus de que esto ha sido logrado y los requerimientos del punto de control han sido cumplidos, la prdida progresiva de la actividad del complejo ciclina B1/Cdk1, por la actividad del APC/C, es indispensable para que se realice exitosamente la segregacin de los cromosomas y se termine la mitosisDurante la mitosis, las cromtidas hermanas necesitan conectarse correctamente a los polos celulares mediante su fijacin a las fibras del huso mittico, este proceso, de gran importancia para la clula, es regulado mediante el mecanismo de Control del Huso.Mientras la organizacin del aparato mittico (huso + cromosomas) no sea completamente correcta las cromtidas hermanas permanecern unidas por el complejo proteico llamado cohesinaDiferentes modos de fijacin de los cromosomas durante la mitosisMonotlicoSintlicoMerotlicoAnfitlico

Monotlico (un cinetocoro fijado a un solo polo por slo una fibra),Sintlico (ambos cinetocoros fijados a microtbulos originados en un solo polo), Merotlico (un cinetocoro fijado a microtbulos originados en ambos polos) Anfitlico (cinetocoros fijados cada uno al polo correspondiente) Orientacin bipolar (Modo correcto)En el paso Metafase-Anafase debe revisarse que todos los cromosomas estn alineados correctamente en el huso mittico, de manera que la segregacin forme dos clulas hijas con complemento cromosmico completo e idntico.G0Clulas que estn esperando que las condiciones hagan necesaria su divisin. Son clulas diferenciadas las cuales pueden ser estimuladas para reiniciar el ciclo celular.Punto de Control del huso, progresin Metafase-AnafasePara que pueda ser completada la mitosis es indispensable que todas las cromtidas hermanas se hayan fijado de manera anfitlica a las fibras del huso, de manera que se asegure su segregacin adecuadaNicklas y Duke descubrieron que los cinetocoros que no se han fijado a las fibras del huso mentienen adheridas al cinetocoro ciertas protenas, como la llamada Mad2 (Mitotic arrest defective).La Mad2, y otras protenas semejantes, mantienen fijo al factor Cdc20, que es indispensable para la activacin del APCinhibe la activacin del APC, pero logran hacer esto slamente cuando se hallan unidas a los cinetocoros.Se acepta que la tensin adecuada en los cinetocoros de todos los cromosomas, activan finalmente una cinasaproteica que fosforila el APC de manera que la Cdc20pueda separarse de la MAD2, fijarse al complejo promotor de la anafase y activarloComo detecta la clula que todos los cromosomas mantienen a las fibras del huso en una tensin correcta?Cinetocoros y ciclo celularCromosomas bien fijados al huso mittico

APC activo

Principio de la anafase

Terminacin de la mitosis

Cinetocoros no bien fijados al huso > poseen una protena seal (Mad2) > que inhibe la actividad del APC (se previene la iniciacin de la mitosis)

Cinetocoros fijados al huso > la protena seal Mad2 se libera de los cinetocoros > APC activo > anafasePUNTO DE CONTROL METAFASE - ANAFASEInicia la cadena de reacciones para la destruccin de los complejos proteicos, cohesinas, que mantienen unidas las cromtidas, con lo cual seEl APC, activado por la adicin de su subunidad activadora (cdc20), ubiquitina la Securina marcndola para ser hidrolizada y libera a la SeparasaMADMAD (mitotic arrest deficient)Codifica una protena que se mantiene fija a cada cinetocoro hasta que una fibra del huso (un solo microtbulo es suficiente) se fija en l.

Si hay alguna deficiencia en la fijacin la MAD permanece en su sitio y bloquea la entrada en la anafase

La falla en la funcin de MAD, permite que la clula termine la mitosis, pero produce clulas hijas que poseen demasiados, o demasiado pocos cromosomas.Condicin llamada aneuploida, extremadamente daina para el futuro desarrollo de la clula.* La Aneuploida es uno de los datos ms frecuentemente encontrados en las clulas neoplsicas, lo cual sugiere que las fallas en el punto de control del huso conceden pasos mayores en la conversin de una clula normal en una clula cancerosa.INICIACIN DE LA ANAFASEComplejo de la Cohesina