Pontos de checagem do ciclo celular

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Pontos de checagem do ciclo celular
Como as células usam pontos de checagem no fim da fase G1, fim da fase G2, e no meio da fase M (o ponto de checagem do fuso) para regular o ciclo celular.
Introdução
Todas as células passam pelo ciclo celular, mas elas passam rapidamente de uma fase à outra? Se forem células cancerígenas, a resposta é sim. Entretanto, as células normais passam pelo ciclo celular de forma regulada. Elas usam as informações sobre seu próprio estado interno e sinais do ambiente ao seu redor para decidir se continuam com a divisão celular. Esta regulação garante que as células não se dividam sob condições desfavoráveis (por exemplo, quando seu DNA está danificado, ou quando não há espaço para mais células em um tecido ou órgão).
Pontos de checagem do ciclo celular
O ponto de checagem é um estágio no ciclo celular eucarionte em que a célula examina sinais internos e externos e "decide" se irá continuar ou não a divisão celular.
Existem vários de pontos de checagem, mas os três mais importantes são:
O ponto de checagem na transição G1/S.
O ponto de checagem G2 na transição G2​/M.
O ponto de checagem do fuso, na transição da metáfase para anáfase.
O ponto de checagem G1
O ponto de checagem G1 é o principal ponto de decisão para uma célula – ou seja, o primeiro ponto em que deve-se escolher entre dividir ou não. Uma vez que a célula passa o ponto de checagem G1​ e entra na fase S, ela se torna irreversivelmente comprometida com a divisão. Ou seja, excetuando-se problemas inesperados, tais como dano no DNA ou erros de replicação, uma célula que passa pelo ponto de checagem G1 continuará pelo resto do caminho através do ciclo celular e produzirá duas células filhas.
No ponto de checagem G1, a célula checa se as condições internas e externas são favoráveis para a divisão. Aqui estão alguns dos fatores que uma célula pode avaliar:
Tamanho. A célula tem tamanho suficiente para se dividir?
Nutrientes. A célula possui reserva de energia suficiente ou nutrientes disponíveis para se dividir?
Sinais moleculares. A célula está recebendo sinais positivos (como fatores de crescimento) das suas vizinhas?
Integridade do DNA. Há algum DNA danificado?
Esses não são os únicos fatores que podem afetar a progressão através do ponto de checagem G1, e quais fatores são mais importantes dependem do tipo da célula. Por exemplo, algumas células também precisam de sinais mecânicos (tais como estarem anexadas a uma rede de suporte chamada matrix extracelular) para se dividir.
Se uma célula não obtém os sinais para seguir em frente que ela precisa no ponto de checagem G1, pode sair do ciclo celular e entrar em um estado de repouso chamado fase G0. Algumas células permanecem em G0, enquanto outras voltam à divisão se as condições melhoram.
O ponto de checagem G2
Para certificar-se de que a divisão celular ocorra bem (para que produza células filhas saudáveis com DNA completo e sem danos), a célula possui um ponto de checagem adicional antes da fase M, chamado de ponto de checagem G2. Nesta fase, a célula irá checar:
Integridade do DNA. Há algum DNA danificado?
Replicação do DNA. O DNA foi completamente copiado durante a fase S?
Se erros ou danos são detectados, a célula irá pausar no ponto de checagem G2 para permitir reparos. Se os mecanismos do ponto de checagem detectam problemas com o DNA, o ciclo celular é interrompido e a célula tenta completar a sua replicação de DNA ou reparar o DNA danificado.
Se o dano é irreparável, a célula pode sofrer apoptose, ou morte celular programada. Este mecanismo de autodestruição assegura que o DNA danificado não é repassado para as células filhas e é importante para prevenir o câncer.
Ponto de checagem do fuso
O ponto de checagem M é também conhecido como ponto de checagem do fuso: aqui, a célula examina se todas as cromátides irmãs estão corretamente ligadas aos microtúbulos do fuso. Como a separação das cromátides irmãs durante a anáfase é um passo irreversível, o ciclo não irá continuar até que todos os cromossomos estejam firmemente ligados a pelo menos dois filamentos do fuso em lados opostos da célula.
Como este ponto de checagem funciona? Parece que as células na realidade não examinam a placa metafásica para confirmar que todos os cromossomos estão lá. Ao invés disso, elas procuram por cromossomos "retardatários" que estão no lugar errado (por exemplo, flutuando ao redor do citoplasma). Se um cromossomo está no lugar errado, a célula irá pausar a mitose, permitindo que o fuso capture o cromossomo perdido.
Como os pontos de checagem realmente funcionam?
Este artigo dá uma visão geral do controle do ciclo celular, delineando fatores que influenciam a decisão da célula de pausar ou progredir a cada ponto de checagem. Entretanto, você pode estar se perguntando sobre o que esses fatores realmente fazem com a célula, ou mudam dentro dela, para causar (ou bloquear) a progressão de uma fase para outra do ciclo celular.
A resposta geral é que os sinais internos e externos acionam vias de sinalização dentro da célula que ativam, ou desativam, um conjunto de proteínas essenciais que movem o ciclo celular para frente. Você pode aprender mais sobre essas proteínas e ver exemplos de como elas são afetadas por sinais tais como dano no DNA, no artigo sobre reguladores do ciclo celular.
Reguladores do ciclo celular
O sistema de controle central do ciclo celular. Ciclinas, quinases dependentes de ciclinas (cdks) e o APC/C.
Introdução
No artigo sobre pontos de checagem do ciclo celular, vimos o porquê das transições celulares: os fatores que uma célula considera quando decide se vai ou não avançar no ciclo celular. Estes fatores incluem tanto sinais externos (como sinais moleculares) quanto sinais internos (como dano ao DNA).
Sinais como esses agem modificando a atividade dos principais reguladores do ciclo celular dentro da célula. Estes reguladores do ciclo celular podem fazer que eventos chave, tais como a replicação de DNA ou a separação cromossômica, aconteçam. Eles também se certificam que eventos de ciclo celular ocorram na ordem certa e que uma fase (por exemplo, G1) desencadeie o início da próxima fase (tal como a S).
Neste artigo, veremos alguns dos reguladores de ciclo celular mais importantes: proteínas chamadas ciclinas, enzimas chamadas Cdks, e um complexo enzimático chamado APC/C.
Ciclinas
Ciclinas estão entre os mais importantes reguladores do ciclo celular. Ciclinas são um grupo de proteínas relacionadas e existem quatro tipos básicos encontrados em seres humanos e na maior parte dos outros eucariontes: ciclinas G1, ciclinas G1/S, ciclinas S, e ciclinas M.
Como os nomes sugerem, cada ciclina está associada a uma determinada fase, transição, ou conjunto de fases no ciclo celular e ajuda a conduzir os eventos dessa fase ou período. Por exemplo, a ciclina M promove os eventos da fase M, tais como a quebra do envelope nuclear e a condensação cromossômica.
Os níveis das diferentes ciclinas variam consideravelmente em todo o ciclo celular, como mostrado no diagrama à direita. Uma ciclina típica está presente em níveis baixos na maior parte do ciclo, mas aumenta acentuadamente no estágio onde for necessária. Ciclina M, por exemplo, atinge um pico de forma acentuada na transição entre as fases G2 e M. As ciclinas G1 são incomuns pelo fato de serem necessárias na maior parte do ciclo celular.
Quinases dependentes de ciclinas
Para fazer com que o ciclo celular avance, uma ciclina deve ativar ou desativar muitas proteínas alvo dentro da célula. As ciclinas desencadeiam os eventos do ciclo celular associando-se a uma família de enzimas chamada quinases dependentes de ciclinas (Cdks). Uma Cdk sozinha fica inativa, mas a ligação com uma ciclina a ativa, tornando-a uma enzima funcional e permitindo que ela modifique proteínas alvo dentro da célula.
Como isso funciona? Cdks são quinases, enzimas que fosforilam (ligam grupos fosfato a) proteínas alvo específicas. O grupo fosfato ligado age como um interruptor, tornandoa proteína alvo mais ou menos ativa. Quando uma ciclina se liga a uma Cdk, isto tem dois efeitos importantes: ativa a Cdk como uma quinase, mas também direciona a Cdk para um conjunto específico de proteínas alvo, adequadas para o período do ciclo celular controlado pela ciclina. Por exemplo, Ciclinas G1/S enviam Cdks para alvos da fase S (promovendo, por ex., a replicação do DNA ), enquanto ciclinas M enviam Cdks para alvos da fase M (fazendo a membrana nuclear se romper).
Em geral, os níveis de Cdk permanecem relativamente constantes por todo o ciclo celular, mas a atividade das Cdk e as proteínas-alvo mudam à medida que os níveis das várias ciclinas aumentam e diminuem. Além de precisar de uma parceira ciclina, as Cdks também devem ser fosforiladas em um local específico para serem ativadas (isto não é apresentado nos diagramas deste artigo), e também podem ser reguladas negativamente pela fosforilação de outros locais.
As ciclinas e as Cdks são muito conservadas em termos evolutivos, o que significa que elas são encontradas em muitos tipos de espécies, da levedura a sapos e a seres humanos. Os detalhes do sistema variam um pouco: por exemplo, a levedura possui apenas uma Cdk, enquanto os seres humanos e outros mamíferos têm várias Cdks que são usadas em diferentes estágios do ciclo celular. (Sim, isso é meio que uma exceção à regra "Cdks não mudam de nível"!) Mas os princípios básicos são bastante semelhantes, de forma que as Cdks e os diferentes tipos de ciclinas podem ser encontrados em cada espécie.
Fator de promoção de maturação (MPF)
Um exemplo famoso de como ciclinas e Cdks trabalham juntas para controlar as transições do ciclo celular é o fator de promoção da maturação (MPF). O nome data da década de 1970, quando pesquisadores descobriram que células na fase M continham um fator desconhecido que podia forçar óvulos de rã (presos na fase G2) a entrar na fase M. Nos anos 80 descobriu-se que esta molécula misteriosa, chamada MPF, é uma Cdk ligada a sua parceira ciclina M.
A MPF é um bom exemplo de como ciclinas e Cdks podem trabalhar juntas para conduzir uma transição mo ciclo celular. Como uma ciclina típica, a ciclina M mantém-se em níveis baixos durante a maior parte do ciclo celular, porém acumula-se assim que a célula se aproxima da transição G2/ M. Conforme a ciclina M se acumula, ela se liga a Cdks já presentes na célula, formando complexos complexos que estão preparados para ativar a fase M. Assim que esses complexos recebem um sinal adicional ( essencialmente, um tudo-ok confirmando que o DNA da célula está intacto), eles se tornam ativos e iniciam a fase M.
Os complexos MPF adicionam marcações de fosfato a várias proteínas diferentes no envelope nuclear, resultando em seu rompimento (um evento chave do inicio da fase M) e também ativam alvos que promovem a condensação cromossômica e outros eventos da fase M. O papel de MPF no rompimento do envelope nuclear é mostrado de forma simplificada no diagrama abaixo.
O complexo promotor da anáfase/ciclossomo (CPA/C)
Além de dirigir os eventos da fase M, o MPF também aciona sua própria destruição ao ativar o complexo promotor de anáfase/ciclossomo(APC/C), um complexo proteico que causa a destruição das ciclinas M a partir da anáfase. A destruição das ciclinas M força a célula a sair da mitose, permitindo que as novas células filhas entrem em G1. O APC/C também causa a destruição das proteínas que seguram as cromátides irmãs juntas, permitindo que se separem na anáfase e se movam para os polos opostos da célula.
Como o APC/C funciona? Assim como uma Cdk, o APC/C é uma enzima, mas seu tipo de função é diferente da Cdk. Em vez de ligar um grupo fosfato a seus alvos, ele adiciona uma pequena proteína de marcação chamada ubiquitina (Ub). Quando um alvo é marcado com ubiquitina, ele é enviado ao proteassomo, que pode ser considerado a lixeira de coleta reciclável da célula, e é destruído. Por exemplo, o APC/C liga um marcador ubiquitina à ciclinas M, fazendo com que elas sejam trituradas pelo proteassomo e permitindo que as recém formadas células filhas entrem na fase G1.
O APC/C também usa marcação com ubiquitina para provocar a separação de cromátides irmãs durante a mitose. Se o APC/C recebe os sinais certos durante a metáfase ele inicia uma cadeia de eventos que destrói a coesina, a proteína cola que mantém as cromátides irmãs juntas.
O APC/C primeiro adiciona uma marcação de ubiquitina a uma proteína chamada securina, mandando-a para a reciclagem. A securina normalmente se liga a uma proteína chamada separase, inativando-a.
Quando a securina é enviada para a reciclagem, a separase torna-se ativa e pode realizar sua função. A separase corta a coesina que mantém as cromátides irmãs juntas, permitindo que se separem.
Pontos de checagem e reguladores
Cdks, ciclinas e o APC/C são reguladores diretos das transições do ciclo celular, mas não estão sempre no assento do motorista. Em vez disso, eles respondem a pistas que vêm de dentro e de fora da célula. Essas pistas influenciam a atividade dos principais reguladores para determinar se a célula avança ou não no ciclo celular. Pistas positivas, como fatores de crescimento, normalmente aumentam a atividade de Cdks e ciclinas, enquanto as negativas, como danos ao DNA, normalmente diminuem ou bloqueiam a atividade.
Como exemplo, vamos examinar como um dano ao DNA interrompe o ciclo celular em G1. Danos ao DNA podem acontecer, e acontecem em várias células do corpo durante a vida de uma pessoa (por exemplo devido aos raios UV emitidos pelo sol). As células devem ser capazes de lidar com esse dano, corrigindo-o, se possível, e impedindo a divisão celular se não for possível corrigir. A chave para a resposta ao dano ao DNA é uma proteína chamada p53, um famoso supressor tumoral comumente descrito como "o guardião do genoma".
A p53 trabalha em vários níveis para garantir que as células não transmitam seu DNA danificado através da divisão celular. Primeiro, ela para o ciclo celular no ponto de checagem G1 desencadeando a produção de proteínas inibidoras de Cdk (CKI). As proteínas CKI se ligam aos complexos Cdk-ciclinas e bloqueiam sua atividade, ganhando tempo para o reparo do DNA. A segunda função da p53 é ativar as enzimas de reparo do DNA. Se o dano ao DNA não é reparável, a p53 vai desempenhar sua terceira e última função: ativar a morte celular programada para que o DNA danificado não seja transmitido.
Diagrama simplificado de como a p53 interrompe o ciclo celular no ponto de checagem G1/S. A p53 é ativada por danos no DNA e aciona a produção de um inibidor de Cdk, que se liga ao complexo Cdk-G1/ciclina S e o desativa. Isso interrompe o ciclo em G1 e impede que a célula entre na fase S, dando tempo para que o dano no DNA seja reparado.
Ao garantir que as células não se dividam quando há dano em seu DNA, a proteína p53 previne que mutações (mudanças no DNA) sejam passadas às células filhas. Quando a p53 está defeituosa ou faltando, as mutações podem se acumular rapidamente, potencialmente levando ao câncer. Na verdade, de todo o genoma humano, p53 é o gene mutado com maior frequência em cânceres e a regulação do ciclo celular são tópicos de estudo essenciais para pesquisadores buscando novos tratamentos para o câncer.