Ciclo celular - Alberts

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Ciclo celular 
Organização 
 
• Fase S: ocorre a duplicação dos cromossomos (S de síntese de DNA). 
• Ao fim da fase S, as moléculas de DNA em cada par de cromossomos duplicados 
entrelaçam-se e são mantidas por ligações proteicas. 
• Fase M: segregação dos cromossomos e divisão celular. 
• Na prófase, as duas moléculas de DNA são gradativamente desembaraçadas e 
condensadas em pares de bastonetes rígidos e compactos chamados de cromátides-
irmãs, as quais permanecem ligadas por meio da coesão. 
• Quando o envelope nuclear se desmantela na mitose, os pares de cromátides-irmãs 
ficam ligados ao fuso mitótico, um gigantesco arranjo bipolar de microtúbulos. 
• Divisão nuclear (mitose) e divisão citoplasmática (citocinese). 
• As cromátides-irmãs são fixadas a polos opostos do fuso, e, finalmente, todas as 
irmãs se alinham no equador do fuso em um estágio chamado de metáfase. 
• A destruição da coesão de cromátides-irmãs, no início da anáfase, separa as 
cromátides-irmãs, que são puxadas para polos opostos do fuso. 
• O fuso é em seguida desmontado, e os cromossomos segregados são empacotados 
em núcleos separados na telófase. 
• A citocinese então cliva a célula em duas, de forma que cada célula-filha herde um 
dos dois núcleos. 
• A maioria das células necessita de muito mais tempo para crescer e duplicar sua 
massa de proteínas e organelas do que o necessário para duplicar seus cromossomos 
e se dividir. A fim de reservar, em parte, mais tempo para o crescimento, a maioria 
dos ciclos celulares possui fases de intervalo extras - a fase G1 entre a fase M e a 
fase S, e a fase G2 entre a fase S e a mitose. 
• Assim, o ciclo celular eucariótico é tradicionalmente dividido em quatro fases 
sequenciais: G1, S, G2 e M. 
• As fases G1, S e G2 são em conjunto chamadas de interfase. O crescimento celular 
ocorre ao longo do ciclo celular, exceto durante a mitose. 
• As duas fases de intervalo também dão tempo para que a célula monitore o 
ambiente interno e externo a fim de se assegurar de que as condições são adequadas 
e os preparativos estejam completos, antes que a célula se comprometa com as 
principais transformações da fase S e da mitose. 
• A fase G1 é especialmente importante. Sua duração pode variar dependendo das 
condições externas e de sinais extracelulares de outras células. Se as condições 
extracelulares são desfavoráveis, por exemplo, as células retardam a progressão a 
G1 e podem entrar em um estado de repouso especializado conhecido como Go (G 
zero), no qual podem permanecer até que a proliferação seja retomada. 
• Muitas células ficam permanentemente em Go até que elas ou o organismo 
morram. 
• Se as condições extra celulares são favoráveis e os sinais para crescer e se dividir 
estão presentes, as células no início de G1 ou Go avançam até um ponto de 
comprometimento próximo ao fim de G1 conhecido como Início ou ponto de 
restrição. 
• Uma vez passado esse ponto, as células se comprometem com a replicação do DNA, 
mesmo que os sinais extracelulares que estimulam o crescimento e a divisão celular 
sejam removidos. 
 
Fase G0 
• As células podem retardar a divisão entrando em um estado especializado de não-
divisão. 
• Na ausência de um sinal mitogênico para a proliferação, a inibição das Cdks em G1 
é mantida pelos múltiplos mecanismos, e a progressão a um novo ciclo celular é 
bloqueada. 
• Em alguns casos, as células parcialmente desorganizam seu sistema de controle do 
ciclo celular e saem do ciclo para um estado especializado de não-divisão chamado 
de Go. 
• A maioria das células em nosso organismo está em Go, porém as bases moleculares 
e a reversibilidade desse estado variam em diferentes tipos celulares. 
• A maioria de nossos neurônios e células musculares esqueléticas, por exemplo, está 
em um estado de Go terminalmente diferenciado, no qual seu sistema de controle 
do ciclo celular está completamente desmantelado: a expressão dos genes que 
codificam várias Cdks e ciclinas está permanentemente desligada, e a divisão celular 
raramente ocorre. 
• Outros tipos celulares se retiram do ciclo celular apenas transitoriamente e retêm a 
capacidade de remontar o sistema de controle do ciclo celular rapidamente e de 
reentrar no ciclo. 
• A maioria das células hepáticas, por exemplo, está em Go mas pode ser estimulada 
a se dividir se o fígado sofrer danos. 
• Já outros tipos celulares, incluindo fibroblastos e linfócitos, retiram-se e reentram 
no ciclo celular repetidamente ao longo de sua vida. 
Pontos de Verificação (Checkpoints) 
• O sistema de controle do ciclo celular opera de forma semelhante a um cronômetro 
que aciona os eventos do ciclo celular em uma sequência determinada. 
• Esse sistema é como um cronômetro rigidamente programado que propicia uma 
quantidade fixa de tempo para a conclusão de cada evento do ciclo celular. 
• É independente dos eventos que controla, de forma que seus mecanismos de 
sincronização continuam a operar mesmo que aqueles eventos falhem. 
• Na maioria das células o sistema não responde a informações recebidas dos 
processos que controla. Sensores, por exemplo, detectam a conclusão da síntese de 
DNA, e se alguma falha ou algum mau funcionamento impede a conclusão bem-
sucedida desse processo, são enviados sinais para que o sistema de controle retarde 
a progressão à fase M. Tais atrasos garantem tempo para que a maquinaria seja 
reparada e, também impedem a tragédia que poderia resultar se o ciclo celular 
progredisse prematuramente ao próximo estágio. 
• O sistema de controle do ciclo celular tem como base uma série conectada de 
interruptores bioquímicos, cada um dos quais inicia um evento específico do ciclo 
celular. 
• Os interruptores geralmente são binários (liga/ desliga) e desencadeiam eventos de 
maneira completa e irreversível. 
• O sistema de controle do ciclo celular é notavelmente robusto e confiável devido a 
mecanismos que permitem que o sistema opere eficientemente sob várias 
condições, mesmo que alguns componentes falhem. 
• O sistema de controle é altamente adaptável e pode ser modificado para se 
adequar a tipos celulares específicos e para responder a sinais intracelulares ou 
extracelulares específicos. 
• Na maioria das células eucarióticas, o sistema de controle do ciclo celular ativa a 
progressão do ciclo celular em três principais pontos de transição reguladora, ou 
pontos de verificação. 
• 1) Primeiro ponto de verificação é o Início (ou ponto de restrição) no final de G1 
onde a célula se compromete à entrada no ciclo celular e à duplicação dos 
cromossomos, como anteriormente mencionado. 
• 2) Segundo ponto de verificação é o G2/M, onde o sistema de controle desencadeia 
os eventos mitóticos iniciais que levam ao alinhamento dos cromossomos no fuso 
metafásico. 
• 3) Terceiro ponto de verificação é a transição entre metáfase e anáfase, onde o 
sistema de controle estimula a separação das cromátides-irmãs, levando à conclusão 
da mitose e da citocinese. 
• O sistema de controle bloqueia a progressão a cada um desses pontos de verificação 
se detecta problemas dentro ou fora da célula. 
 
Complexos ciclina-Cdk no controle da progressão do ciclo celular 
• Os componentes centrais do sistema de controle do ciclo celular são membros de 
uma família de cinases conhecidas como cinases dependentes de ciclinas (Cdks, 
cyclin-dependent kinases). 
• As atividades dessas cinases sobem e descem à medida que a célula avança no ciclo, 
levando a mudanças cíclicas na fosforilação de proteínas intracelulares que iniciam 
ou regulam os principais eventos do ciclo celular. 
• O aumento da atividade das Cdks no ponto de verificação G2/M, por exemplo, 
aumenta a fosforilação de proteínas que controlam a condensação dos 
cromossomos, a desintegração do envelope nuclear, a montagem do fuso e outros 
eventos que ocorrem no início da mitose. 
• As mudanças cíclicas na atividadedas Cdks são controladas por um complexo arranjo 
de enzimas e outras proteínas que regulam essas cinases. O mais importante desses 
reguladores das Cdks são proteinas conhecidas como ciclinas. 
• As Cdks, como implica o nome, são dependentes de ciclinas para sua atividade: a 
menos que estejam fortemente ligadas a uma ciclina, elas não têm atividade de 
cinase. 
• As ciclinas foram originalmente assim denominadas porque sofrem um ciclo de 
síntese e degradação a cada ciclo celular. 
• Por outro lado, os níveis das proteínas Cdk são constantes. 
• As mudanças cíclicas nos níveis proteicos de ciclinas resultam na montagem e na 
ativação cíclica dos complexos de ciclina-Cdk; por sua vez, essa ativação desencadeia 
eventos do ciclo celular. 
• Existem quatro classes de ciclinas, cada uma definida pelo estágio do ciclo celular no 
qual se ligam às Cdks e em que funcionam: 
• 1) As G1/S-ciclinas ativam Cdks no final de G1 e, com isso, ajudam a desencadear a 
progressão ao Início, resultando no comprometimento à entrada no ciclo celular. 
Seus níveis caem na fase S. 
• 2) As S-ciclinas se ligam a Cdks logo após a progressão ao Início e ajudam a estimular 
a duplicação dos cromossomos. Os níveis das S-ciclinas permanecem elevados até a 
mitose, e essas ciclinas também contribuem ao controle de alguns eventos mitóticos 
iniciais. 
• 3) As M-ciclinas ativam Cdks que estimulam a entrada na mitose no ponto de 
verificação G2/M. Mecanismos destroem as M-ciclinas no meio da mitose. 
• 4) As G1-ciclinas, ajuda a regular as atividades das G1/S-ciclinas, as quais controlam, 
no final de G1 a progressão ao Início. 
 
• Existem 4 Cdks: Duas interagem com G1-ciclinas, uma com G1/S-ciclinas e S-ciclinas, 
e uma com M-ciclinas. 
• Complexos de ciclina-Cdk: G1-Cdk, G1/S-Cdk, S-Cdk e M-Cdk. 
 
Complexo de Ciclina-Cdk Ciclina Parceiro de Cdk 
G1-Cdk Ciclina D Cdk4, Cdk6 
G1/S-Cdk Ciclina E Cdk2 
S-Cdk Ciclina A Cdk2, Cdk1 
M-Cdk Ciclina B Cdk1 
• Diferentes complexos de ciclina-Cdk desencadeiam diferentes eventos do ciclo 
celular devido ao fato de que a proteína ciclina não somente ativa sua Cdk parceira, 
mas também a direciona para proteínas-alvo específicas. 
• Cada complexo de ciclina-Cdk fosforila um conjunto diferente de proteínas-
substrato. O mesmo complexo de ciclina-Cdk também pode índuzir diferentes 
efeitos em diferentes tempos do ciclo, provavelmente porque a acessibilidade de 
alguns substratos das Cdks muda durante o ciclo celular. 
• Estudos das estruturas tridimensionais das proteínas Cdk e de ciclinas têm revelado 
que, na ausência de ciclinas, o sítio ativo da proteína Cdk é parcialmente ocultado 
por uma placa de proteína, como uma pedra bloqueando a entrada. A ligação da 
ciclína faz com que a placa se afaste do sítio ativo, resultando na ativação parcial da 
enzima Cdk. A ativação total do complexo de ciclina-Cdk ocorre, então, quando uma 
outra cinase, a cinase ativadora de Cdk (CAK, Cdk-activating kinase), fosforila um 
aminoácido próximo à entrada do sítio ativo da Cdk. 
• Isso causa uma pequena mudança conformacional que aumenta ainda mais a 
atividade da Cdk, permitindo que a cinase fosforile eficientemente suas proteínas-
alvo e, desse modo, induza eventos específicos do ciclo celular. 
Fosforilação inibidora e as proteínas inibidoras de Cdk (CKIs) 
• Podem suprimir a atividade das Cdks. 
• O aumento e a diminuição dos níveis de ciclinas são os determinantes primordiais 
da atividade das Cdks durante o ciclo celular. Contudo, vários mecanismos adicionais 
ajustam precisamente a atividade das Cdks em estágios específicos do ciclo. 
• A fosforilação de um par de aminoácidos no topo do sítio ativo da cinase inibe a 
atividade de um complexo de ciclina-Cdk. A fosforilação desses sítios por uma cinase 
conhecida como Wee1 inibe a atividade das Cdks, enquanto a desfosforilação desses 
sítios por uma fosfatase conhecida como Cdc25 aumenta a atividade das Cdks. 
• Esse mecanismo regulador é importante no controle da atividade das M-Cdks no 
início da mitose. 
• A ligação de proteínas inibidoras de Cdk (CKIs, Cdk inhibitor proteins) também 
regula os complexos de ciclina-Cdk. A estrutura tridimensional de um complexo de 
ciclina-Cdk-CKI revela que a ligação de CKI estimula um grande rearranjo na 
estrutura do sítio ativo da Cdkl, tornando-o inativo. 
• As células usam as CKIs primordialmente para auxiliá-las na regulação das atividades 
de G1/S-Cdks e S-Cdks no início do ciclo celular. 
 
O sistema de controle do ciclo celular dependente da proteólise cíclica 
• A progressão à transição entre metáfase e anáfase é desencadeada pela destruição 
de proteínas, levando aos estágios finais da divisão celular. 
• O principal regulador da transição entre metáfase e anáfase é o complexo promotor 
da anáfase, ou cicIossomo (APC/C), um membro da família enzimática das ligases de 
ubiquitina. 
• Muitas dessas enzimas são usadas em numerosos processos celulares para estimular 
a destruição proteolítica de proteínas reguladoras específicas. Elas transferem 
múltiplas cópias da pequena proteina ubiquitina para proteínas-alvo específicas, 
resultando em sua destruição proteolítica pelos proteossomos. 
• O APC/C catalisa a ubiquitinação e a destruição de duas proteínas principais. A 
primeira é a securina, que normalmente protege as ligações proteicas que mantêm 
os pares de cromátides-irmãs unidos no início da mitose. 
• A destruição da securina na transição entre metáfase e anáfase ativa uma protease 
que separa as irmãs e desencadeia a anáfase. 
• As S-ciclinas e as M-ciclinas são os segundos principais alvos do APC/C. A destruição 
dessas ciclinas inativa a maioria das Cdks da célula. O resultado é que muitas 
proteinas fosforiladas por Cdks da fase S ao início da mitose são desfosforiladas por 
várias fosfatases presentes na célula em anáfase. Essa desfosforilação de alvos das 
Cdks é necessária para a conclusão da fase M, incluindo as etapas finais da mitose e 
o processo de citocinese. 
• Em seguida a sua ativação no meio da mitose, o APC/C permanece ativo em G1 
propiciando assim um período estável de inatividade das Cdks. 
• Quando as G1/S-Cdks são ativadas no final de G1 o APC/C é desligado, permitindo 
com isso o acúmulo de ciclinas para o início do próximo ciclo celular. 
• O sistema de controle do ciclo celular também usa outra ligase de ubiquitina 
chamada de SCF. Esta ubiquitina certas proteínas CKIs no final de G ajudando assim 
a controlar a ativação das S-Cdks e da replicação do DNA. 
• Tanto o APC/C como a SCF são grandes complexos de multissubunidades que 
possuem componentes em comum, mas que são diferencialmente regulados. 
• A atividade do APC/C se modifica durante o ciclo celular, primordialmente como 
resultado de mudanças em sua associação com uma sub-unidade de ativação - 
Cdc20 durante a anáfase ou Cdh1 do final da mitose até o início de G1. Tais 
subunidades ajudam o APC/C a reconhecer suas proteínas-alvo. 
• A atividade da SCF também depende de sub-unidades chamadas de proteinas F-box, 
que ajudam o complexo a reconhecer suas proteinas-alvo. Contudo, a atividade da 
SCF é constante durante o ciclo celular. Em vez disso, a ubiquitinação pela SCF é 
controlada por mudanças no estado de fosforilação de suas proteínas-alvo, uma vez 
que as subunidades de F-box reconhecem somente proteínas especificamente 
fosforiladas. 
 
 
 
Os mitógenos estimulam as atividades de G1-Cdk e G2-S/Cdk 
• Os mitógenos liberam os freios colocados sobre a atividade das Cdks, permitindo, 
assim, o começo da fase S. 
• Os mitógenos interagem com receptores de superfície celular a fim de acionar 
múltiplas vias de sinalização intracelular. Uma importante via age por intermédio da 
pequena GTPase Ras, que leva à ativação de uma cascata de MAP-cinases. Isso leva 
a um aumento da produção de proteínas reguladoras gênicas, incluindo a Myc. 
• Acredita-se que a Myc promovaa entrada no ciclo celular por meio de vários 
mecanismos, um dos quais é o aumento da expressão de genes que codificam G1-
ciclinas (D-ciclinas), aumentando, com isso, a atividade da G1-Cdk (ciclina D-Cdk4). 
A Myc também tem um importante papel na estimulação da transcrição de genes 
que aumentam o crescimento celular. 
• A função-chave dos complexos de G1-Cdk em células animais é ativar um grupo de 
fatores reguladores gênicos denominados proteínas E2F, que se ligam a sequências 
específicas de DNA nos promotores de uma grande variedade de genes que 
codificam proteínas necessárias à entrada na fase S, incluindo G1/S-ciclinas, S-
ciclinas e proteínas envolvidas na síntese de DNA e na duplicação dos cromossomos. 
• Na ausência de estimulação mitogênica, a expressão gênica dependente de E2F é 
inibida por uma interação entre E2F e membros da família de proteínas do 
retinoblastoma (Rb). 
• Quando as células são estimuladas a se dividir pelos mitógenos, a G1-Cdk ativa se 
acumula e fosforila membros da família Rb, reduzindo sua ligação a E2F. As proteínas 
E2F liberadas ativam, então, a expressão de seus próprios genes-alvo. 
• Proteína Rb é importante à contenção da divisão celular. 
• Esse sistema de controle transcricional inclui circuitos de retroalimentação que 
estimulam a transição G1/S. 
• As proteínas E2F liberadas aumentam a transcrição de seus próprios genes. Além 
disso, a transcrição dependente de E2F dos genes da G1/S-ciclina (ciclina E) e da S-
ciclina (ciclina A) leva ao aumento das atividades da G1/S-Cdk e da S-Cdk, que por 
sua vez aumentam a fosforilação da proteína Rb e promovem a liberação de mais 
E2F. 
• É igualmente provável que outras proteínas, não relacionadas à Rb, ajudem a regular 
a atividade de E2F. Níveis adicionais de controle promovem um aumento imenso da 
atividade da S-Cdk no início da fase S. 
• As G1-ciclinas e as G1/S-ciclinas são resistentes à Cdh1 e podem, portanto, agir de 
forma oposta ao APC/C, afim de promover a fosforilação da proteína Rb e a 
expressão de genes dependente de E2F. 
• A S-ciclina, ao contrário, não é resistente à Cdh1, e seu nível é inicialmente reprimido 
pela atividade de Cdh1-APC/C. 
• A G1/S-Cdk também fosforila e inativa Cdh1-APC/C, permitindo, com isso, o acúmulo 
de S-ciclina, promovendo ainda mais a ativação da S-Cdk. 
• A G1/S-Cdk inativa as proteínas CKI que reprimem a atividade da S-Cdk. O efeito 
global de todas essas interações é a ativação rápida e completa dos complexos de S-
Cdk necessários ao início da fase S. 
 
 
 
Falhas no checkpoint e o aparecimento de doenças 
• Muitos componentes das vias de sinalização mitogênicas são codificados por genes 
que são identificados como promotores de câncer. 
• A estimulação mitogênica excessiva leva a produção de uma proteína inibidora do 
ciclo, chamada ArF, que inibe a Mdm2. 
• A Mdm2 promove a degradação de p53, portanto, a ativação da ArF aumenta os 
níveis de p53, induzindo a interrupção do ciclo ou apoptose. 
• Muitas vezes, o sistema de proteção está inativado nas células cancerosas por 
mutações nos genes que codificam componentes das respostas dos pontos de 
verificação, como a ArF ou p53 ou ainda as proteínas que auxiliam em sua ativação. 
• p53 (guardiã do genoma) é ativada quando há danos no DNA para ativar a p21 que 
promoverá a correção.