Control genético del ciclo celular

Cada célula humana contiene alrededor de 100.000 genes, que se requieren para que cada célula pueda dividirse y diferenciarse realizando una función especializada. Todas las células eucarióticas se someten durante la división celular a un ciclo ordenado de eventos cuyo objetivo es duplicar el contenido celular, especialmente el material genético, y repartirlo equitativamente para producir dos células hijas idénticas a la progenitora.
Este ciclo celular está constituido por un período de tiempo destinada a la duplicación del ADN, denominado fase S, seguido por una fase M o mitoris enla que el ADN duplicado se reparte por igual entre sus dos células hijas. Antes de que la célula entre en la fase S existe un período de tiempo necesario para preparar la maquinaria enzimática que se requiere durante la síntesis de ADN, y que se denomina GI; del mismo modo, hay otro intervalo antes de la fase M, conocido como G2, en el que la célula se prepara para la iniciación de la mitosis. Así el ciclo celular consta de cuatro fases GI, S, G" y M . (Ver figura 1). En término citológicos, la mitosis es la única fase claramente diferenciable, de ahí que en ocasiones se hable de ciclo celular como alternativa de mitosis e interfase, donde la interfance engloba en conjunto las fases GI, S y G2.
DIVISION CELULAR
El punto de control en G1 en el que la célula comprueba si las condiciones intracelulares y extracelulares son idóneas para dividirse (tamaño celular, presencia de nutrientes y de factores de crecimiento) se conoce como start o punto de restricción R. Este es un punto de "no retorno", de manera que una vez que las células lo pasan se comprometen a llevar a cabo un cielo celular completo. Del mismo modo, una vez duplicado el ADN, en la fase G2 la célula dispone de mecanismos que le permiten comprobar si la síntesis y la reparación del ADN han ocurrido con absoluta fidelidad. Cuando estas condiciones se cumplen, la célula entra en mitosis. Tanto en la síntesis del ADN como en la mitosis participa un gran número de proteínas, que deben actuar coordinadamente para realizar con éxito la duplicación y la segregación del ADN duplicado.
En la fase S, las ADN polimerasas, ADN ligasas, Adn tapoisomeradas, etcéteras, catalizan la síntesis de una nueva molécula de ADN tomando como molde la ya existente. En la mitosis se produce un empaquetamiento de este ADN duplicado, en el que participan histonas y otras proteínas, que permite que los muchos centímetros de ADN que tiene ada cromosoma humano se compacten en las metafase mitótica en un cromosoma de menos de 10 micras para facilitar su segregación. (Ve foto 1ª). Los centrosomas, duplicados durante la fase S, se separan a polos opuestos de la célula y comienzan a polimerizar tubulina para formar los microtúbulos del hueso mitótico, a los que se van a unir los centromeros de cada cromosoma.
La membrana nuclear desaparece, así como la lámina nuclear, una estructura proteica asociada a la membrana nuclear compuesta por unas proteínas llamadas láminas Todos estos y otros procesos asociados con la mitosis deben estar coordinados en el control de la división celular. Cuando los cromosomas se han repartido entre las dos células hijas, se descondensan rehaciéndose el núcleo en G!; en este momento se forma un anillo de actina que se contrae para dividir los citoplasmas de las dos células hijas (citocinesis); y así sucesivamente un ciclo celular tras otro.
MECANISMO MOLECULAR
En los últimos años se han usado varias estrategias experimentales para investigar cuáles son los elementos implicados en el control de la división celular y de qué forma ejercen ese control. Debido a la convergencia de varias vías experimentales, unas genéticas y otras bioquímicas, se ha podido elaborar un modelo coherente de regulación para este problema biológico.
La genetista han aislado células mutantes que son incapaces de dividirse. El clonaje de estos genes les ha permitido identificar la función de las proteínas que están afectadas en estos mutantes y su caracterización molecular. Para estos estudios han utilizado organismos suceptibles de ser analizados genéticamente, como las levaduras Saccharomyces cerevisiae y Schizosaccharomyces pombe, el hongo filamentoso Aspergillus nidalans y, más recientemente, la mosca del vinagre Drosophila melanogaster. En estos organismos, la búsqueda de los mutantes, la identificación de los genes, su clonaje, etcétera, son técnicamente mucho más fáciles de realizar que en las células humanas.
Tras la caracterización de los mutantes cdc (cell division cycle) de levaduras llevada a cabo en los años setenta y principios de los ochenta por los grupos de Hartwell en la Unigesidad de Washington y de Nurse en la Universidad de Edimburgo, se concluyó que el cielo celular debía estar regulado por la activación periódica al final de la fase G1 y de las fase G2 de una proteína quinasa denominada CDC28 (de S. cerevistae, aislado por Hartwell) o cde2 (de s. pombe, aislado por Nurse).
Estas dos proteínas aisladas de organismos diferentes presentan un alto grado de similitud (el 65% de la secuencia de aminoácidos es la misma) y su función ha sido exquisitamente conservada a lo largo de la evolución de todos los organismos eucarióticos, desde las levaduras hasta el hombre. La proteína CDC2Hs humana tiene un 65% de homología con cdc" de S. pombe y con CDC28 de S. cerevisiae, así como con otras proteínas homólogas identificadas posteriormente en ratón, Drosophila, plantas, etcétera; lo que demuestra que este elemento de control de la división es universal, y que el mecanismo por el que se regula la división celular es común en todas las células eucariotas.
Los bioquímicos han demostrado que la actividad enzimática de la proteína cdc" está modulada por su asociación con una serie de moléculas denominadas ciclinas. Llamadas así, debido a su expresión y síntesis periódica a lo largo del ciclo celular. Así por ejemplo, las ciclinas de G! se sintetizan durante la fase F! y son destruidas en la gase S, en cambio las ciclinas de G2 se sintetizan en esta fase del ciclo y se destruyen durante la mitosis.
DESTRUCCION DE CICLINAS
Esta periodicidad en la síntesis y destrucción de las ciclinas permite la activación de los distintos complejos de cdc" y, en consecuencia, la activación del inicio de la replicación del ADN o de la mitosis mediante la fosforilación de una serie de sustratos que son específicos de cada una de estas fases.
En las levaduras una única proteína quinasa interviene en las transiciones GL/S y C2/M mediante su asociación con ciclinas específicas de las fases G1 y G2, respectivamente. En las células de mamíferos la regulación es más compleja y se han descrito una familia de CDKs (Cyclin Dependent Kinase), CDK1-7, y otra familia de ciclinas (ciclina A-H) que se asocian a ellas en las distintas fases del ciclo.
Existen, además, otros elementos reguladores de estos complejos que permiten el control fino de la maquinaria del ciclo celular. Algunos de ellos activan la síntesis de las ciclinas y aceleran la división celular, otros, por el contrario, actúan como verdaderos frenos, uniéndose e inhibiendo los complejos CDK/ciclinas. Estos últimos tienen especial relevancia, ya que tan importante es activar la maquinaria de la proliferación celular como inhibirla en determinadas condiciones. La caracterización de estos reguladores negativos presenta un gran interés tanto desde el punto de vista básico como del aplicado, debido a que su asociación con los complejos CDK/ciclinas está alterada en las células tumorales.