aula ciclo celular rodrigo martins

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Ciclo Celular: Introdução
Rodrigo Martins
ICB _ LaNCE _ HU
rodrigomartins@ufrj.br
Células são geradas a partir de células e a única 
maneira de se fazer nova célula é a DIVISÃO de 
uma célula pré‐existente
De bactérias a mamíferos multicelulares
Ciclos sucessivos de duplicação
Quando na presença de estímulos adequados as 
células podem se multiplicar através de 
repetidos ciclos de proliferação e divisão 
celular, que em função dessa natureza cíclica, 
esse ciclo de vida das células proliferantes foi 
denominado CICLO CELULAR
> Proliferação Celular vs. Crescimento Celular
> Nem todas as células precisam crescer para se dividir
Divisão Celular em Blastômeros
Roteiro
• Fases do Ciclo Celular
• Relevância da Pesquisa sobre Ciclo Celular
• Histórico
• Os “Artistas do Espetáculo”: Ciclinas e CDKs
• Métodos de Estudo do Ciclo Celular
Copiar e segregar/dividir material genômico de modo perfeito! 
Fases do Ciclo Celular
> Mitose pode ocorrer sem citocinese > Formação de célula
com muitos núcleos
> Embriões de Drosophila
Mitose
G1
Síntese de DNA (S)
G2
G0
(pós-mitótica)
Particularidades do Ciclo Celular durante a Organogênse/ 
Desenvolvimento de Organismos Multicelulares
“Nascimento”
Ciclo Celular está Acoplado a 
Mecanismos de Diferenciação Celular
**divisões simétricas vs. assimétricas
Divisão Meiótica Gera Células Germinativas Haplóides
Relevância do Estudo do Ciclo Celular
Biologia do Desenvolvimento
wt Sox2
Fantes et al. Nature Genet. 33: 461‐2, 2003 
Olena et al. Genes and Dev. 20: 1187‐02, 2006 
Microftalmia
A Retina de Vertebrados
Mitose
Fase S 
Desenvolvimento
Proliferação
Saída do Ciclo Celular
Especificação do Tipo Celular
Morte Celular
Migração
Sinaptogênese
Coordenação entre Proliferação, Saída do Ciclo e 
Diferenciação é Crucial para Formação da Retina
Particular Importância do Controle de Ciclo Celular 
para o Desenvolvimento da Retina
Saída Precoce do Ciclo Saída Tardia do CicloFunctional RetinaRetinoblastoma
Importância Clínica do Estudo do Ciclo: 
Biologia do Câncer
Saída de um estado quiescente para um estado de proliferação celular 
ativa é um pré‐requisito para formação de diversos tumores
Necessidade de Controle Inequívoco do Estado Pós-mitótico
Células‐Tronco e Terapias Celulares
Teratomas
Células Multipotentes com capacidade
de gerar diferentes tipos celulares / tecidos / órgãos
Prêmio Nobel
O Nobel em Fisiologia ou Medicina de 2001 foi dado a pesquisadores
que fizeram descobertas sobre os mecanismos moleculares do ciclo
celular (proteínas cdk e ciclina e seus mecanismos de ação).
Hartwell, H. L.,Culotti, J. & Reid, B. Genetic control of the cell‐division cycle in yeast. I Detection of mutants. PNAS 66, 352–359 (1970).
Leland Hartwell Tim Hunt Paul Nurse
Hartwell, L. H., Culotti, J., Pringle, J.R. & Reid, B.J. Genetic control of the cell division cycle in yeast. Science 183, 46‐51 (1974).
Nurse, P. et al. Genetic control of the cell division cycle in the fission yeast Schizosaccharomyces pombe. Mol. Gen. Genet. 146, 167–178 (1976).
Evans, R., Rosenthal, E.T., Youngblom, J., Distel, D. & Hunt, T. Cyclin: a protein specified by maternal mRNA in sea urchin eggs that is destroyed 
at each cleavage division. Cell 33, 389–396 (1983)
Desde 2002
Periódicos Internacionais Especializados
www.landesbioscience.com/journals/cc/
Histórico
Rudolf Virchow, 1821 – 1902
“ Toda célula se origina de outra célula similar pré‐existente.“
1858
Robert Remak, 1815‐1865
Omnis cellula e cellula 
Na vidada para o XX, a divisão celular foi estudada
em detalhe por embriologistas e microscopistas 
• Eduard Strasburger (1875), botânico, e Walther Flemming (1979), que estudava células 
animais, são considerados os descobridores da MITOSE;
• Flemming descreveu a cromatina e ambos deduziram que o núcleo estaria relacionado com 
hereditariedade;
Walther Flemming, 1843 – 1905 Eduard Strasburger, 1844 ‐ 1912
• Nas décadas de 1970 e 1980, novas metodologias de biologia molecular 
permitiram os pesquisadores das áreas de biologia celular, bioquímica e 
genética, de forma conjunta, elucidar os mecanismos moleculares de 
controle do ciclo celular;
• Novamente, o progresso científico foi fruto das pesquisas e descobertas
terem sido feitas em diversos organismos vivos cada um com suas
“vantagens” biológicas ou metodológicas;
• Embriologistas vs. Geneticistas
Embriologistas ‐ Anfíbios, Ouriço do mar e outros invertebrados marinhos
Geneticistas ‐ Leveduras
“Cell Cycle Classics”
Pesquisas em leveduras levaram a descoberta de 
Genes essenciais para o Ciclo Celular
• Reprodução rápida
• Genoma relativamente pequeno ( em torno de 1% do nosso)
• Fácil manipulação genética
• Rápida identificação e caracterização de mutantes genéticos;
Genes Cdc (Cell‐division cycle)
Busca sistemática por mutações que inativavam genes 
necessários para o ciclo/divisão celular
Cdc15 selvagem
Cdc15 mutante
Muitas Descobertas sobre a Bioquímica do Ciclo  
foram feitas Estudando de Ovócitos Anfíbios
• 1 ovócito de Xenopus tem 1mm de diâmetro e um volume de citoplasma 100.000 
vezes maior que uma célula humana;
• Fertilização dispara Divisão por Clivagem* do ovócito;
• Total de 4096 células em 7 horas ( ~15 minutos de fase S e M)
• Fases G1 e G2 indetectáveis;
• Fácil de injetar substâncias nas células e observar efeitos no ciclo.
Descoberta do MPF  (“Maturation promotion factor”)
Masui e Markert, 1971 - J. Exp. Zool. 177: 129-146
Maturação = indução de entrada em meiose
MPF = complexo proteico formado pelas ptns :
Cinase Cdc2 (hoje também chamada de Cdk1)
e
Ciclina B2
COMPORTAMENTO
CÍCLICO
DO MPF
G
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ATIVIDADE DO MPF
DEPENDE DE
SÍNTESE PROTÉICA
N
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4
A “natureza” do MPF  (“Maturation promotion factor”)
MPF E CICLINAS
IDENTIFICAÇÃO
DE CICLINAS
EM OVOS DE
INVERTEBRADO
MARINHO
Hunt, T.; Luca, F.C. & Ruderman, J.V.
J. Cell Biol. 116: 707-724, 1992
Cdc2 = CDK1 !!
Alguns dos genes essenciais para divisão das leveduras codificavam
exatamente proteínas que mediavam a atividade
bioqímica/biológica do MPF
“MPF was first known for its function, then as a protein and finally as a 
gene. In contrast, CDC28 (S. cerevisiae) or cdc2 (S. pombe) was  first 
described as a gene with a known function and only later was the 
protein identified. Cyclin was first discovered as a protein, then as a 
gene and finally its function was known as a component of MPF”
Os Artistas do Espetáculo: Ciclinas e CDKs
• Ciclinas – Proteínas cuja expressão varia de forma 
dependente da fase do ciclo celular
• CDK (cinases dependentes de ciclina ) 
1‐ Proteínas cinase  ‐ capazes de transferir radicais fosfato para seus substratos (vídeo)
2‐ CDKs são serina‐treonina cinases
3‐ Atividade de cinase das CDK depende de associação com as ciclinas
4‐ Eventos pós‐traducionais de fosforilação e defosforilação contribuem para a 
ativação plena das CDK
Moléculas Reguladoras do Ciclo são extremamente 
conservadas evolutivamente
Em camundongos, por exemplo, existem aproximadamente20 enzimas CDK, mas somente 
algumas regulam a transição entre as fases do ciclo celular (ex: CDK1, CDK2, CDK4, CDK6 e CDK7
Alterações cíclicas na atividade das CDKs depende da associação dessas cinases com as 
ciclinas. Ao contrário das CDK, cuja expressão não varia muito, a expressão das ciclinas muda 
dependendo da fase ciclo celular.
A fosforilação de dezenas de substratos celulares por enzimas CDKs específicas em estágios 
específicos do ciclo celular induz modificações funcionais dos diferentes substratos
Eventos como a desmantelamento da membrana nuclear, condensação da cromatina, indução 
da replicação do DNA e montagem dos fusos mitóticos dependem das fosforilações mediadas 
por diferentes CDKs
• A transição entre as 
fases do ciclo celular é 
regulada por diferentes 
complexos ciclina/CDK
• Como as células conseguem variar a quantidade das 
ciclinas ?
Transcrição Gênica e Síntese de proteínas
vs. 
Proteólise Controlada  
Ubiquitinação e Degradação proteossomal
CDK1 regula Mitose e tem degradação
mediada pelo complexo APC (“anaphase‐promoting complex”)
Além da Expressão de Ciclinas (transcricional vs. 
proteólise) a atividade das CDKs também é regulada 
por eventos PÓS‐TRADUCIONAIS
Wee1
Cdc25CAK (MO15, Cdk7/CycH)
Regulação Pós‐traducional da Ativação de CDK1
Regulação Simplificada da Transição G1-S do Ciclo Celular
“Rb” = Rb, p107 ou p130
Ciclina / CDK
Ciclina D1
Ciclina D3
Ciclina E
CDK4/6
CDK2
Proto‐oncogenes (MYC)
Ativação de vias de sinalização por 
Mitógenos
Reguladores “Upstream” 
Entrada na 
fase S
“Rb”
Ciclina/CDK
“Rb”
G1
S
G0
(Pós-mitótica)
Proteínas Rb: 
Supressores de Tumor que controlam o Ciclo Celular
Rb1 +/-
• RBL: Terceiro tipo de câncer 
pediátrico mais comum
• Somente ~10% de sobrevivência 
quando ocorre metástase
• Enucleação: 
Perda de visão
Proteínas CKI (CDK inhibitor) Inibem as CDKs
Regulação Simplificada da Transição G1-S do Ciclo Celular
“Rb” = Rb, p107 ou p130
Ciclina / CDK
Ciclina D1
Ciclina D3
Ciclina E
CDK4/6
CDK2
CKI
Kip
p21
p27
p57
Ink
p15, p16
p18, p19
Proto‐oncogenes (MYC)
Supressores de Tumor (p53/Arf)
Reguladores “Upstream” 
Entrada na 
fase S
“Rb”
CKI
Ciclina/CDK
“Rb”
G1
S
G0
(Pós-mitótica)
Pontos de Checagem ou Checkpoints
É necessário um controle de qualidade da 
replicação do DNA
A perfeição na divisão mitotica é crucial para 
que os cromossomos duplicados sejam 
corretamente distribuídos para as células‐filha
O ambiente está propício para que a célula 
continue se proliferando e entre na fase S 
novamente?
Mecanismos Moleculares de Checkpoints 
regulam diretamente a atividade das CDKs
Técnicas de Estudo
Timidina Tritiada 3[H] Bromodeoxi-Uridina – BrdU
Iododeoxi-Uridina - IrdU
Como determinar em que fase do ciclo celular uma célula está?
Citofluorometria
Análogos de timidina são incorporados ao DNA
na fase S do Ciclo
Uso de múltiplos marcadores de Fase S permite detectar
Re-Entrada no Ciclo Celular
In vivo
BrdU
48 h 
In vitro
3[H]‐timidina
24 h 24 h 
In vivo
intervalo
P30 “p107‐single”
Comparando a Quantidade Total de Células Proliferantes
time (hr)
3[H]‐thymidine
RB1H3-thymidine
p27Kip1H3-thymidine
Rb
p27Kip1
3[H]‐thymidine
3[H]‐thymidine
Proportion of progenitors
dividing at that 
developmental stage
for each animal
retinas
Estudo da Cinética de Progressão no Ciclo Celular:
Saída do Ciclo Celular ou Aumento do tempo de Ciclagem?
(Exit or Lengthening? )
Proporção de células
proliferantes se 
dividindo
time (hr)
Velocidade de progressão
no ciclo celular
1
2
34 5
6
7
8
9
Clone de 9 células   
1
Infecção por Retrovírus Incompetente de Replicação no 
Estudo da Proliferação Celular (Expansão Clonal)
retinaretinas
E14.5
10 dias de cultura
1
1
Retrovírus Incapaz de Replicação
Modelos de Estudo mais Modernos
Repórter fluorescente das diferentes fases do ciclo celular in vivo
Sakaue‐Sawano  et al., 2008 Cell. 132(3):487‐98. 
Visualizing spatiotemporal dynamics of multicellular cell‐cycle progression
Mais Informações
• Molecular Biology of THE CELL ‐ Cap 17
• http://www.hchs.hunter.cuny.edu/wiki/index.
php?title=19th_Century_Science
• http://www.nature.com/ncb/journal/v3/n1/fu
ll/ncb0101_e1.html
	Slide Number 1
	Slide Number 2
	Slide Number 3
	Slide Number 4
	Roteiro
	Slide Number 6
	Slide Number 7
	Slide Number 8
	Slide Number 9
	Slide Number 10
	Relevância do Estudo do Ciclo Celular
	Biologia do Desenvolvimento
	Slide Number 13
	Slide Number 14
	Slide Number 15
	Importância Clínica do Estudo do Ciclo: Biologia do Câncer
	Células-Tronco e Terapias Celulares
	Prêmio Nobel
	Periódicos Internacionais Especializados
	Histórico
	Omnis cellula e cellula 
	Na vidada para o XX, a divisão celular foi estudada� em detalhe por embriologistas e microscopistas �
	Slide Number 23
	“Cell Cycle Classics”�
	Pesquisas em leveduras levaram a descoberta de Genes essenciais para o Ciclo Celular
	Genes Cdc (Cell-division cycle)�
	Muitas Descobertas sobre a Bioquímica do Ciclo foram feitas Estudando de Ovócitos Anfíbios
	Slide Number 28
	Slide Number 29
	Slide Number 30
	Slide Number 31
	Os Artistas do Espetáculo: Ciclinas e CDKs
	Moléculas Reguladoras do Ciclo são extremamente conservadas evolutivamente
	Slide Number 34
	Slide Number 35
	CDK1 regula Mitose e tem degradação� mediada pelo complexo APC (“anaphase-promoting complex”)
	Além da Expressão de Ciclinas (transcricional vs. proteólise) a atividade das CDKs também é regulada por eventos PÓS-TRADUCIONAIS
	Slide Number 38
	Slide Number 39
	Slide Number 40
	Proteínas CKI (CDK inhibitor) Inibem as CDKs
	Slide Number 42
	Pontos de Checagem ou Checkpoints
	Mecanismos Moleculares de Checkpoints regulam diretamente a atividade das CDKs
	Técnicas de Estudo
	Slide Number 46
	Slide Number 47
	Slide Number 48
	Slide Number 49
	Modelos de Estudo mais Modernos
	Mais Informações