1.1 Ciclo Celular

1.1         Ciclo Celular

Se denomina ciclo celular a la sucesión de eventos que tienen como resultado la duplicación del material genético y la segregación en dos copias que dotarán a las dos células hijas. El ciclo celular se divide en cuatro fases: G1,S,G2 y M (Figura 1).

La fase G1 ( "Gap" o intervalo) sigue a una división celular y es previo a la replicación del DNA. Su duración es de unas 6 horas. En esta fase se produce el crecimiento plástico de la célula, incrementando su tamaño, y desarrollando una situación de síntesis continua de sus estructuras. En este momento, las células toman su decisión de dividirse y por tanto de progresar a lo largo del ciclo celular o bien entrar en estados alternativos como la diferenciación o la quiescencia celular (Fase G0). En este punto denominado START o punto de restricción R, la célula debe salir de G1 y entrar en fase S, para iniciar la replicación del DNA. La decisión de continuar con el ciclo celular, depende de que las condiciones propias y ambientales sean adecuadas (nutrientes, factores de crecimiento, inhibidores, contacto célula a célula, etc). En la fase S (Síntesis) se duplica el DNA y tiene una duración de 6 a 8 horas. Así, cada cromosoma pasa a tener dos moléculas de DNA de cadena doble (cromátidas), la original y la copia. En la fase G2 las células se preparan para la división celular. Tiene una duración de 3-4 horas. Al final de la misma, se sitúa un segundo punto de decisión, previo al comienzo de la mitosis, el punto de control G2-M. Su función es asegurarse de que el DNA no contiene errores y está preparado para segregarse en la mitosis. Una vez superado este control, la célula entra en mitosis (M) que se subdivide en 4 fases. Previamente, los cromosomas sufren un fenómeno de condensación y se empieza a formar el huso mitótico a través de la organización de los microtúbulos en dos cuerpos polares. En la profase desaparece la membrana nuclear, uniéndose los cromosomas a los microtúbulos en la zona central de la célula (metafase). Hacia el final de esta fase, se define otro punto de control (M), que permitirá continuar con la mitosis, solo si la disposición de los cromosomas en el huso mitótico es la adecuada. En la anafase, las cromátidas se separan y migran hacia los polos celulares. Una vez estos son alcanzados (telofase), la célula se divide por la zona central dando lugar a dos nuevas células.

Figura 1

Una gran variedad de proteínas, controla y coordina el ciclo celular en células eucariotas. Las principales son las quinasas dependientes de ciclina (Cyclin-Dependent Kinases "CDKs"), que consisten en dos subunidades mayores, una catalítica y otra substrato (ciclina). Existen varios tipos de subunidades catalíticas, cuya actividad quinasa depende de su asociación con las ciclinas. Esta actividad quinasa, permite fosforilar proteínas, lo que se traduce en cambios en la actividad o estructura de las mismas. Existe también una gran variedad de ciclinas, que son necesarias en diferentes momentos del ciclo celular, fluctuando por tanto sus niveles en las distintas fases. Así algunas están elevadas en fase G1(ciclinas D y E), otras en G2/M o ciclinas mitóticas (A y B). Estas variaciones en la formación de complejos CDK-ciclina, es la reponsable de cambios en la actividad de ciertas proteínas, que promueven la progresión del ciclo celular. Así las ciclinas G1 se unen a CDKs durante G1 permitiendo el inicio de la fase S, mientras que las ciclinas mitóticas se unen a CDKs durante la fase G2, favoreciendo la entrada en mitosis.

La regulación de los diversos puntos de control es compleja. El proceso central en la regulación de este "restriction checkpoint"(punto de control de restricción, R), es la fosforilación o defosforilación de la proteína codificada por el gen retinoblastoma (Rb). Cuando Rb está hipofosforilada, inhibe a E2F, evitando que éste induzca la expresión de genes que regulan la síntesis de DNA. La fosforilación de Rb conlleva alteraciones, que impiden su unión y por tanto la inhibición de E2F, quedando esta libre para promover la síntesis de DNA.

El punto de restricción R se regula por diversas CDKs, reguladas a su vez por inhibidores (CDKIs) y otros moduladores. p21 CIP/WAF1, p27KIP1 y p57KIP2 inhiben tanto los complejos ciclina D-CDK4/6 como a los complejos ciclina E-CDK2 y ciclina A-CDK2 . p16INK4a, p15INK4b, p18INK4c y p19INK4d, interfieren de forma más selectiva sobre los complejos ciclina D-CDK4/6.

La síntesis de ciclina D es inducida por factores de crecimiento y disminuida por inhibidores de la proliferación. La formación del complejo ciclina D-CDK4/6 provoca la fosforilación de Rb (completada posteriormente por ciclina E-CDK2), liberando a E2F. Además el complejo ciclina D-CDK4/6, secuestra los inhibidores de CDK2 (p21 CIP/WAF1, p27KIP1), lo que reduce el efecto inhibidor de estos CKIs sobre ciclina E-CDK2, incrementando la capacidad de fosforilación de CDK2 sobre Rb.

Es evidente que alteraciones que conlleven altos niveles de ciclinas (D,E), sobreactivación de CDK4/6 ó 2 o pérdidas de inhibidores de quinasas dependientres de ciclinas(CDKIs) como p16INK4a, favorecerán la progresión del ciclo celular mediante, la supresión de este punto de control. Otras alteraciones en relación con Rb que causarían este fenómeno, serían el secuestro de la proteína por oncoproteínas virales o la pérdida (delección) del propio gen.

Otro gen central en la regulación de este punto de restricción es el gen p53. Así, ante la presencia de un daño en el DNA, p53 se acumula induciendo la expresión de p21 CIP/WAF1, lo que conlleva el bloqueo de este punto de control R a través de la inhibición de los complejos ciclina D-CDK4/6 y complejos con CDK2. Una vez reparado el daño, p53 reinicia el ciclo mediante la sobreexpresión de MDM2. Si el daño no es reparado, p53 induce apoptosis o muerte celular programada, entre otros induciendo al gen proapoptótico Bax.

Delecciones, mutaciones en el gen p53, secuestro proteico (infección HPV) etc, supondrían por tanto alteraciones de la progresión celular similares a las descritas previamente. En la fase S, el complejo ciclina A-CDK2 induce cambios en la estructura del DNA, controlando algunos aspectos de la síntesis de DNA.

Otro de los puntos de control es el llamado G2/M, cuya función principal es asegurar la integridad del DNA, evitando la transmisión de mutaciones debidas a alteraciones cromosómicas. Su regulación está controlada por la ciclina B y la quinasa Cdc2/CDK1. Los complejos ciclina B1-Cdc2/CDK1 son activados y translocados desde el citoplasma al núcleo favoreciendo la mitosis. La degradación de la ciclina B en la transición metafase-anafase, provoca la inactivación de Cdc2/CDK1 y la finalización de la mitosis. Las células tumorales, suelen tener alterado este punto de control.

El punto de control M, evita los errores en la formación del huso acromático y de la placa ecuatorial y asegura el adecuado reparto de material genético entre las dos células hijas.

Todos estos puntos de control, permiten que la ordenada progresión a través del ciclo celular, se produzca cuando la integridad del material genético está asegurada, permitiendo además la influencia de señales externas. La activación de estos controles y la subsequente detención del ciclo celular, permite evitar la progresión de células con daños en el DNA. Estos daños pueden ser causados por factores externos (drogas,radiaciones etc,) o por causas propias de la célula (reordenamientos genéticos, DNA parcialmente degradado por acción de nucleasas, acortamiento de los telómeros ("envejecimiento celular"). La progresión de células con daños graves, dará lugar a la inestabilidad genética y la adquisición por parte de la célula de características oncogénicas.

En general la proliferación celular está sometida a la presencia de factores externos (factores de crecimiento, interacciones con otras células, nutrientes, etc). Los factores de crecimiento son generalmente proteínas, que actúan mediante uniones de alta afinidad a estructuras moleculares especificas presentes en la membrana celular, llamadas receptores. Estos factores de crecimiento pueden ser inductores (en su gran mayoría) o supresores (TGFb) de la proliferación celular, a través de la promoción de la diferenciación celular, la movilidad y la adhesión celular entre otros. Los factores de crecimiento producidos por las células, actúan sobre otros elementos celulares por mecanismo endocrino (células situadas a distancia), mecanismo paracrino (células adyacentes) o por mecanismo autocrino (sobre sí misma). De forma sucinta, una vez unido el factor de crecimiento a su receptor, se inicia una cascada de procesos bioquímicos denominada sistema de transducción de señales, que permite la llegada de esta señal proliferativa hasta el núcleo, donde, por ejemplo, por inducción de la expresión de Ciclina D, se favorece la proliferación celular.

Los receptores de factores de crecimiento tienen 3 zonas o dominios importantes.