8 Ciclo Celular

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CICLO CELULAR
Cap. 8
ASPECTOS GERAIS
A manutençªo de um organismo vivo se dÆ
por uma sØrie de processos celulares e bioquí-
micos que estªo submetidos a rigorosos contro-
les. Dentre esses processos estÆ a divisªo celular,
essencial para o crescimento e desenvolvimento
normal do organismo.
A proliferaçªo celular Ø importante em pelo
menos duas situaçıes: primeiro, durante a em-
briogŒnese, em que existe a necessidade de for-
maçªo de cØlulas que irªo constituir o novo
organismo; e segundo, quando o organismo jÆ
formado precisa repor cØlulas perdidas, natural
ou acidentalmente.
A divisªo celular Ø o mecanismo pelo qual as
cØlulas se reproduzem, gerando, a partir de uma
cØlula-mªe, duas cØlulas-filhas idŒnticas. Essas
cØlulas-filhas podem, por sua vez, crescer e se
dividir, dando origem a uma populaçªo de cØlu-
las. Veremos, neste capítulo, como uma cØlula
normal se divide e discutiremos os processos
bioquímicos envolvidos no estímulo e no con-
trole da proliferaçªo celular.
A divisªo celular deve ser rigorosamente con-
trolada de maneira a assegurar que as cØlulas
Ciclo Celular
passem por todas as fases do ciclo celular e que
tambØm mantenham seu conteœdo genØtico in-
tacto. Nos eucariotos a progressªo atravØs do
ciclo celular Ø controlada em dois níveis: exter-
namente, pelos fatores de crescimento, hormô-
nios e seus respectivos receptores, que ativam
cascatas de sinalizaçªo intracelular, gerando,
como resposta, a divisªo; e, internamente, pelo
balanço das atividades das proteínas quinases,
fosfatases e ciclinas. Falhas no controle dos pro-
cessos envolvidos na divisªo celular levam, em
geral, à morte celular por apoptose ou à trans-
formaçªo maligna.
A importância da proliferaçªo controlada das
cØlulas pode ser claramente compreendida quan-
do analisamos a embriogŒnese. Nesse processo,
após a fertilizaçªo, ocorrem milhıes de divisıes
celulares seguidas de diferenciaçªo celular. To-
dos esses eventos devem ser muito bem contro-
lados e coordenados para que se forme um novo
organismo. Da mesma maneira, no processo de
reposiçªo celular existem mecanismos de con-
trole que indicam quando Ø necessÆrio que se
iniciem as divisıes celulares e tambØm quando
esse processo deve cessar.
MarimØlia A. Porcionatto
Lœcia O. Sampaio
Leny Toma
Yara M. Michelacci
Helena B. Nader
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VOL. 1 — BASES MOLECULARES DA BIOLOGIA, DA GENÉTICA E DA FARMACOLOGIA
Cap. 8
CICLO CELULAR
Podemos dividir o ciclo celular em duas eta-
pas bem definidas. Uma delas Ø a interfase, pe-
ríodo em que ocorre crescimento celular e
duplicaçªo dos cromossomos e organelas celu-
lares. O outro período Ø a mitose propriamente
dita, processo pelo qual a cØlula divide o mate-
rial duplicado durante a interfase entre as duas
cØlulas-filhas.
Fases do Ciclo Celular
Uma cØlula eucariótica em cultura, por exem-
plo, fibroblasto humano, se divide a cada 24 ho-
ras, aproximadamente. A mitose pode ser
acompanhada por microscopia e Ø possível visua-
lizar cada fase desse período: prófase, metÆfase,
anÆfase e telófase. Entretanto, antes da mitose,
durante a interfase, as cØlulas estªo aparentemen-
te “paradas”, ou seja, nªo Ø possível, com a tecno-
logia disponível atualmente, visualizar modificaçıes
no citoplasma ou no nœcleo da cØlula durante essa
fase. PorØm, durante a interfase, a cØlula estÆ em
franca atividade, sintetizando os componentes que
irªo constituir as cØlulas-filhas. A mitose propria-
mente dita dura, em geral, uma hora, em pratica-
mente todos os tipos celulares, enquanto a interfase
tem uma duraçªo variÆvel, dependendo do tipo
celular analisado.
A replicaçªo do DNA ocorre durante um de-
terminado período da interfase, denominado fase
S (S de síntese de DNA) que dura, em mØdia,
oito horas. Entre o final da mitose, tambØm de-
nominada fase M, e o início da fase S, hÆ um
intervalo, chamado de fase G1 (G de gap = in-
tervalo), cuja duraçªo varia de cØlula para cØlu-
la. Um segundo intervalo existe entre o final da
fase S e o início da fase M, denominado fase G2.
Portanto, a interfase Ø composta da sucessªo das
fases G1, S e G2 (Fig. 8.1)1.
CØlulas que nªo estªo proliferando, tambØm
denominadas quiescentes, estªo em um estado
especial de G1 chamado de G0.
G0 e fase G1
CØlulas diferenciadas, in vivo, por exemplo
hepatócitos e neurônios, podem permanecer
num estado nªo-proliferativo ou quiescente (G0)
por longos períodos de tempo. CØlulas normais
em cultura tambØm podem entrar em G0. A entra-
Fig. 8.1 — Representaçªo esquemÆtica das fases do ciclo
celular de uma cØlula eucariótica.
da de cØlulas em cultura no estado quiescente pode
ser obtida pelo cultivo das mesmas na ausŒncia total
ou parcial de fatores de crescimento. Culturas de
cØlulas normais quando atingem confluŒncia total
tambØm entram em G0.
CØlulas em G0 tŒm o DNA nªo duplicado
como as cØlulas em G1, porØm, diferem em mui-
tos outros aspectos. Em G0, a atividade de vÆ-
rias enzimas e as velocidades de síntese de
macromolØculas e de transporte transmembra-
na sªo mais baixas do que nas cØlulas em G12.
Na fase G1, as cØlulas se preparam para a
entrada na fase de síntese de DNA (fase S). Para
sair de G0 e entrar em G1 as cØlulas necessitam
de fatores de crescimento3. Os fatores de cresci-
mento podem ser classificados em fatores de
competŒncia, que permitem que a cØlula inicie o
processo de divisªo celular e em fatores de pro-
gressªo, que fazem com que a cØlula progrida
atravØs do ciclo celular4.
Fase S, Fase G2 e Fase M
Durante a fase S do ciclo celular todo o DNA
contido no nœcleo deve ser duplicado completa-
mente e com precisªo. O nœcleo Ø induzido a
entrar em S por sinais moleculares que vŒm do
citoplasma5.
Um nœcleo que completa a fase S e entra na
fase G2 tem seus cromossomos condensados e
segue para a mitose (fase M)6 Essa fase Ø um
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CICLO CELULAR
Cap. 8
período de preparaçªo para a produçªo de fato-
res cruciais que disparam a mitose. A fase M Ø a
mitose propriamente dita, onde ocorre a sepa-
raçªo das duas novas cØlulas formadas.
CONTROLE DA PROLIFERA˙ˆO CELULAR
Levando-se em consideraçªo o que foi ex-
posto aqui, fica evidente que a proliferaçªo ce-
lular Ø um fenômeno bastante complexo que
envolve tanto fatores extracelulares (p. ex., os
fatores de crescimento) quanto fatores intrace-
lulares (p. ex., as ciclinas). Para que uma cØlula
normal se divida, gerando cØlulas-filhas idŒnti-
cas, Ø necessÆrio que todos os mecanismos ce-
lulares funcionem corretamente e que haja um
controle muito rigoroso de todo o processo. Esse
controle Ø feito em determinados pontos do ci-
clo que sªo chamados de “pontos de verifica-
çªo” (checkpoints) (Fig. 8.2)7,8. Por exemplo, em
eucariotos a mitose Ø dependente da completa
replicaçªo do DNA. A falha ou eliminaçªo des-
ses controles pode resultar na morte celular, in-
fidelidade na distribuiçªo dos cromossomos ou
organelas, ou ainda num aumento da suscepti-
bilidade a agentes nocivos à cØlula, tais como
agentes que causam danos ao DNA.
FATORES DE CRESCIMENTO
Os fatores de crescimento foram inicialmente
descobertos quando se observou que fibroblas-
tos em cultura proliferavam em meio suplemen-
tado com soro, mas nªo em meio contendo
plasma. Um dos eventos da coagulaçªo do san-
gue Ø a liberaçªo do conteœdo dos grânulos se-
cretórios das plaquetas. Um dos componentes
desses grânulos foi identificado como o respon-
sÆvel pelo efeito proliferativo sobre os fibroblas-
tos em cultura. Esse composto, chamado PDGF
(Platelet-derived Growth Factor), Ø uma glico-
proteína que se liga a um receptor específico que
estÆ presente na membrana plasmÆtica das cØlu-
las, estimulando-as para a divisªo.
A Tabela 8.1 apresenta alguns fatores de cres-
cimento sintetizados por diferentes tipos celula-
res, mostrando os principais efeitos biológicos
desses compostos. Em geral, cØlulas normaisre-
querem mais de um fator de crescimento para
passar pelos pontos de restriçªo de G0/G1. Esses
fatores sªo conhecidos como fatores de compe-
tŒncia (quando agem no início de G1) e fatores de
progressªo (quando direcionam a cØlula atravØs
de G1). Dentre os fatores de competŒncia estÆ o
PDGF, enquanto que EGF (Epidermal Growth
Factor), IGF (Insulin-like Growth Factor) e FGF
(Fibroblast Growth Factor) estªo entre os fatores
de progressªo.
AlØm do efeito proliferativo, alguns fatores de
crescimento sªo importantes na diferenciaçªo e
sobrevivŒncia da cØlula, como, por exemplo, o
NGF (Nerve Growth Factor), que promove a so-
brevivŒncia de neurônios.
CICLINAS
A compreensªo dos eventos moleculares que
ocorrem no citoplasma durante o ciclo celular
Fig. 8.2 — Pontos de verificaçªo do ciclo celular de uma cØlula eucariótica.
Fatores de
progressão
(EGF)
Fatores de
competência
(PDGF)
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VOL. 1 — BASES MOLECULARES DA BIOLOGIA, DA GENÉTICA E DA FARMACOLOGIA
Cap. 8
tem avançado muito nos œltimos anos. Estudos
feitos em fungos e embriıes de eucariotos nªo-
mamíferos identificaram uma sØrie de proteínas
que tŒm papel regulatório durante o ciclo.
Outros experimentos revelaram que essas pro-
teínas regulatórias tambØm estªo presentes e ati-
vas em cØlulas de mamíferos. Dentre essas
molØculas a primeira a ser descrita e estudada foi
uma quinase com peso molecular de 34 kDa, que
Ø conhecida por diversos nomes, entre eles quina-
se p34, MPF quinase (M-phase promoting factor
kinase) e quinase cdc2/28*10-12. Em cØlulas de
mamíferos o papel dos genes relacionados ao
cdc2/28 parece estar associado à mitose e tam-
bØm à passagem do ponto de restriçªo em G1.
A atividade enzimÆtica da quinase p34 em
eucariotos inferiores flutua durante o ciclo celu-
lar, embora a proteína p34 esteja presente num
nível constante. A atividade dessa quinase Ø maior
nas fronteiras entre G1 e S, e na transiçªo da
fase G2 para M1.
Nesses pontos específicos do ciclo celular,
a quinase ativa fosforila determinadas “proteí-
nas-alvo”, resultando no direcionamento da
cØlula para as fases S ou M. Embora este con-
trole ainda nªo tenha sido demonstrado con-
clusivamente, pode-se especular sobre quais
“proteínas-alvo” devam ser fosforiladas pelas
quinases nas fronteiras G1/S e G2/M. Por exem-
plo, quando a cØlula entra na fase M, diversas
modificaçıes celulares acontecem, incluindo o
desarranjo do envelope nuclear, a condensaçªo
dos cromossomos, e a perda da adesªo ao subs-
trato resultando no arredondamento da cØlula.
Quando a cØlula se direciona para a mitose, al-
guns dos candidatos a substrato para a quinase
p34 sªo a histona H1 e as laminas nucleares13.
Da mesma maneira, alvos potenciais das qui-
Tabela 8.1
Funçıes de Alguns dos Principais Fatores de Crescimento
Fator de Crescimento Composiçªo Principais Atividades
PDGF (platelet-derived AA, AB ou BB • estimula a proliferaçªo do tecido conjuntivo e
growth factor) cadeia A = 125aa de cØlulas nervosas
cadeia B = 160aa
EGF (epidermal growth 53aa • estimula a proliferaçªo de vÆrios tipos celulares
factor)
IGF-I; IGF-II (insulin-like 70aa; 73aa • colaboram com PDGF e EGF;
growth factor) • estimulam a proliferaçªo de adipócitos e cØlulas
do tecido conjuntivo
TGF- b (transforming 2 cadeias de 112aa • pontecializa ou inibe a resposta da maioria das
growth factor b) cØlulas a outros fatores, dependendo do tipo de
cØlula;
• regula a diferenciaçªo de alguns tipos celulares
FGF (fibroblast growth acídico: 140aa • estimula a proliferaçªo de muitos tipos celulares,
factor) bÆsico: 146aa incluindo fibroblastos, cØlulas endoteliais e
mioblastos
IL-2 (interleukin-2) 153aa • estimula a proliferaçªo de linfócitos T
NGF (nerve growth • promove o crescimento de axônio;
factor) • garante a sobrevivŒncia de neurônios
*cdc = cell division control genes: genes que foram identifi-
cados em diferentes espØcies de fungos (CDC para genes
de Saccharomyces cerevisiae e cdc para genes de Schizo-
saccharomyces pombe). A nomenclatura cdc2/28 refere-se
aos genes de levedura que estªo relacionados com o con-
trole da divisªo celular nesses organismos. Os primeiros
genes foram identificados em mutantes sensíveis à tempe-
ratura, e atualmente sªo conhecidos mais de 50 genes. O
gene CDC2, em leveduras, codifica para a subunidade ca-
talítica da DNA polimerase III, enquanto o gene CDC28
codifica para uma proteína que se associa às ciclinas e pos-
sui homólogos em todos os eucariotos.
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CICLO CELULAR
Cap. 8
nases na transiçªo G1 fi S incluem vÆrias enzi-
mas e polimerases envolvidas na síntese de
DNA.
As proteínas responsÆveis pela ativaçªo das
quinases nas transiçıes G1fi S e G2fi M sªo
chamadas de ciclinas. As ciclinas sªo sintetiza-
das e acumuladas durante cada ciclo celular,
quando entªo se ligam e ativam as quinases de-
pendentes de ciclina ou cdks (cyclin-dependent
kinases) (Fig. 8.3)14,15.
No caso das cØlulas de mamíferos, a cdk
p34cdc2, juntamente com sua subunidade regu-
Fig. 8.3 — Perfil de síntese e degradaçªo de ciclinas correlacionado com a variaçªo da atividade enzimÆtica da quinase p34.
latória, a ciclina B, controla a entrada e a saída
da cØlula na mitose, e seu estudo tem servido como
paradigma para a investigaçªo de outras ciclinas
e cdks16. O controle da atividade desse complexo
se dÆ atravØs de uma sØrie de fosforilaçıes e des-
fosforilaçıes do complexo ciclina-cdk.
A ciclina B nªo pode ser detectada no início
de G1, no entanto, sua síntese Ø contínua durante
a interfase, atØ atingir um determinado nível jus-
tamente quando a cØlula chega à transiçªo G2fi M.
Nesse ponto, a ciclina ativa a quinase p34 resul-
tando na entrada da cØlula na fase M. Aproxi-
Fig. 8.4 — Papel das fosforilaçıes e desfosforilaçıes dos resíduos de treonina (Thr) e tirosina (Tyr) na ativaçªo da quinase
p34 nas diferentes fases do ciclo celular.
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VOL. 1 — BASES MOLECULARES DA BIOLOGIA, DA GENÉTICA E DA FARMACOLOGIA
Cap. 8
Fig. 8.5 — Síntese e degradaçªo da ciclina B ao longo do ciclo celular.
Fig. 8.6 — SeqüŒncia de aminoÆciods das “caixas de destruiçªo” das ciclinas.
madamente na metade da mitose, a ciclina Ø de-
gradada, a quinase p34 Ø inativada por fosforila-
çªo e os eventos do início da mitose sªo revertidos
durante a telófase: os cromossomos desconden-
sam, o envelope nuclear Ø refeito e as cØlulas ade-
rem ao substrato15.
De fato, o controle da atividade do comple-
xo ciclina-cdk se dÆ por fosforilaçıes e desfos-
forilaçıes da quinase. Por exemplo, a p34 Ø
fosforilada nos resíduos de treonina 14 (T14),
tirosina 15 (Y15) e treonina 167 (T167), for-
mando um complexo inativo com a ciclina. Es-
sas duas fosforilaçıes só ocorrem quando a p34
estÆ ligada a ciclina, e a remoçªo desses dois
grupamentos fosfato Ø essencial para a ativaçªo
do complexo. A fosforilaçªo da tirosina 15 inibe
a atividade da quinase, e a fosforilaçªo da treo-
nina 167 Ø necessÆria para a atividade. Quando
os resíduos T15 e T167 estªo fosforilados o com-
plexo Ø inativo, mostrando uma dominância da
fosforilaçªo inibitória (Fig. 8.4).
A degradaçªo das ciclinas ocorre por pro-
teólise mediada por ubiquitinaçªo (Fig. 8.5). No
final da mitose, o complexo ciclina B-cdk pro-
move a ativaçªo do sistema de poliubiquitinaçªo
que, atravØs da adiçªo de ubiquitina à ciclina,
levarÆ à sua degradaçªo com a conseqüente ina-
tivaçªo da cdk. A adiçªo de ubiquitina Ø direcio-
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CICLO CELULAR
Cap. 8
nada por uma seqüŒncia de nove aminoÆcidos,
chamada de “caixa de destruiçªo” que Ø comum
às ciclinas (Fig. 8.6)16.
Existe um mecanismo similar ocorrendo na
transiçªo G1 fi S. As ciclinas dessa fase, as cicli-
nas D, tambØm sªo sintetizadas e degradadas de
maneira oscilatória, ou seja, elas começam a ser
sintetizadas e degradadas no início de G1, atin-
gem um pico no final dessa fase,quando entªo
ativam a quinase p34 e a síntese de DNA15. A
Fig. 8.7 mostra como as quinases dependentes
de ciclinas interagem com as ciclinas durante a
progressªo da cØlula atravØs do ciclo celular.
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