Lospuntos de control son mecanismosmoleculares (no necesariamente agregados moleculares) que verifican que se cumplen las condiciones necesarias para permitir el paso de una fase delciclo celular a otra, impidiendo así que ciertos eventos como daños en elácido desoxirribonucleico (ADN) trasciendan a lo largo del ciclo.
Los puntos de control celular sonmecanismos que aseguran la fidelidad de ladivisión celular en lascélulas. Tales puntos de control verifican si los procesos en cada fase del ciclo celular han sido completados con precisión antes de progresar hacia la siguiente fase. Han sido identificados múltiples puntos de control, aunque algunos son mejor conocidos que otros.
En 1986, Temple y Raff describieron elciclo celular como un reloj;[1] si éste fuera el caso, cada una de las fases funcionaría de acuerdo a una especie de reloj interno, que determinaría cuánto tiempo debería durar. Sin embargo, actualmente el ciclo celular se describe como las piezas de un dominó que, al caer, hacen que la siguiente caiga también: igualmente, para que una fase del ciclo celular tenga lugar, la fase anterior tiene que haber finalizado correctamente. Los puntos de control aseguran que una fase haya finalizado antes de pasar a la siguiente. Por tanto, los checkpoints son mecanismos de control que refuerzan la dependencia durante elciclo celular.[2] Los sucesos delciclo celular de la mayor parte de los organismos están organizados en rutas dependientes, en los cuales el inicio de los sucesos tardíos depende de que los sucesos iniciales hayan finalizado correctamente. La existencia de un mecanismo de control se evidencia cuando una droga, un mutante u otra condición libera una relación de dependencia en elciclo celular: el suceso secundario en una ruta determinada tiene lugar aunque no se hayan cumplido los prerrequisitos necesarios. Por ejemplo, para que tenga lugar lamitosis es necesario que se haya completado lareplicación del ADN, pero esta dependencia puede eliminarse mediantemutación de proteínas concretas, de forma que la mitosis puede ocurrir aunque el ADN no haya terminado de replicarse. Esto implica que la dependencia se debe a la existencia de un mecanismo de control (un checkpoint en elciclo celular) y no a una característica intrínseca de los propios procesos.
Una función importante de muchos puntos de control consiste en evaluar los daños en el ADN, los cuales se detectan por mecanismossensores. Cuando se localiza el daño, el punto de control envía unaseñal que detiene el ciclo celular hasta que se realiza la reparación o, cuando no es posible repararlo, marca la célula para su destrucción porapoptosis (mecanismoefector). Todos los checkpoints que valoran daños en el ADN parece que utilizan el mismo mecanismo sensor-señal-efector, estos puntos de control pasan por diferentes mecanismo moleculares los cuales forman parte de este conjunto.
La mayor parte de las células de un organismo adulto están diferenciadas y no se dividen. Algunos tipos celulares están diferenciados de forma terminal y no pueden volver a proliferar a lo largo de toda la vida del individuo: es el caso de las células delmúsculo esquelético y cardíaco, losadipocitos y lasneuronas. Otros tipos celulares, sin embargo, permanecen en estado quiescente (G0) pero pueden ser estimuladas para re-entrar en el ciclo celular, como loslinfocitos T y B, y losfibroblastos. Para ello, antes de entrar en fase S deben superar un punto de control denominado "punto de restricción" que se encuentra al final de lafase G1. Esto se consigue mediante el incremento en los niveles deciclinas D inducido por los factores de crecimiento. Por el contrario, las células que tienen capacidad de división (lascélulas madre) deben cesar de dividirse, salir del ciclo celular y entrar en la fasefase G0 para comenzar el proceso de diferenciación y convertirse en células con una función especializada. Las únicas células que se dividen continuamente en el humano adulto son las células madrehematopoyéticas y las célulasepiteliales del intestino.
Los principales puntos de control que verifican la progresión a través del ciclo celular en eucariotas son los siguientes:
Es el primer punto de control delciclo celular, al final de lafase G1, justo antes de entrar en la fase S.[3] La mayor parte de las células se paran en este momento y entran en un estado de reposo denominado G0. Las células eucarióticas normalmente se detienen en este punto de control si las condiciones ambientales son adversas (falta de nutrientes, por ejemplo). En células animales este punto de control se denomina "punto de restricción", mientras que en levaduras se denomina "punto de inicio" (start).
Este momento en G1 fue descrito por primera vez en 1974 porArthur Pardee, quien lo denominó "punto de restricción" R.[4] Pardee observó que las células que han pasado el punto R pueden progresar a través de lafase S independientemente de la presencia demitógenos.[5] Además, Pardee identificó que este checkpoint no funcionaba correctamente en líneas celulares cancerosas. Las líneas celulares cancerosas que se utilizaron en este estudio estaban infectadas con el virus de simio 40 (SV40).[4] El descubrimiento de que las proteínas oncogénicas de los virus tumorales (como el antígeno grande T de SV40, E1A deadenovirus y E7 deHPV), desactivan el checkpoint de G1/S mediante su interacción inhibidora con el producto del gen deretinoblastoma,[6][7] proporcionó datos fundamentales para la comprensión de los mecanismos moleculares que subyacen en este mecanismo de control.
Este punto de control está controlado fundamentalmente por la acción de los inhibidores deCDKs (CKI) denominados p16 (también INK4A) y p21Waf1.[8] Estas proteínas inhiben CDK4/6 y aseguran que no pueda interaccionar con la ciclina D1 para continuar el avance en el ciclo celular. En condiciones de crecimiento inducido o expresiónoncogénica de ciclina D, este checkpoint se supera porque la expresión aumentada de ciclina D permite su interacción con CDK4/6. Una vez que se forman los complejos activos CDK4/6-ciclina D, éstos fosforilan la proteína supresora de tumoresretinoblastoma (Rb) y otras proteínas de la misma familia (p130 y p107), lo que libera la inhibición delfactor de transcripción denominadoE2F. Esto a su vez genera la expresión de moléculas requeridas para la transición G1/S, como las ciclinas E y A, la timidina kinasa, la timidilato sintetasa, la ADN polimerasa α o la dihidrofolato reductasa (DHFR), entre otras. Las ciclinas E y A interaccionan y activan laquinasa dependiente de ciclina 2 (CDK2), el principal activador de la transición G1/S, que impulsa el paso hacia la fase S.
La variación de la secuencia del ADN en lalínea germinal es esencial para mantener la variabilidad genética y asegurar la aparición de modificaciones que permitan una mejor adaptación al medio. Sin embargo, en lalínea somática los cambios genéticos normalmente son nocivos, y las células han desarrollado estrictos mecanismos de seguridad para detectar y corregir las posibles alteraciones que haya podido sufrir el ADN. Una única alteración genómica (unamutación) que produzca una simple modificación en la cantidad producida de una proteína, o la sustitución de un únicoaminoácido en su secuencia, puede desencadenar una serie de variaciones que culminen con la generación de untumor. La aparición de este tipo de errores están asociados con los fallos en los mecanismos que deberían haber detectado y corregido la lesión en el ADN que causó la mutación, o en último término, dirigido la célula afectada hacia un proceso demuerte celular. Por ello, los mecanismos que aseguran la integridad del ADN son fundamentales para el correcto funcionamiento celular.
Las modificaciones en la secuencia del ADN pueden generarse por modificaciones químicas espontáneas de sus componentes, por errores durante la replicación o por daños infligidos al ADN, debido a la presencia de agentes endógenos (generados por el propio metabolismo celular normal) o exógenos (procedentes del exterior). Entre éstos se encuentran laradiación ionizante (IR) y determinados productos químicos (véaseDaño del ADN). El daño en el ADN inicia una respuesta que activa diferentes mecanismos de reparación que reconocen lesiones específicas en el ADN, que son reparadas en el momento para recuperar la secuencia original del ADN. Asimismo, el daño en el ADN provoca una parada en el ciclo celular, que conlleva la alteración de numerosos procesos fisiológicos, que a su vez implica síntesis, transporte y degradación de proteínas. La comprensión de cuál es la señal que emana de las lesiones en el ADN y cómo afecta a las numerosas rutas celulares implicadas se ha obtenido en gran parte estudiando la sofisticada respuesta a las roturas de doble hebra (DSBs, porDouble Strand Breaks), que está conservada desde levaduras hasta humanos. Esta respuesta es una intricada red de señalización movilizada fundamentalmente por dos proteínaskinasas asociadas:ATM (Ataxia-telangiectasia Mutated, el gen mutado en esta enfermedad humana) yATR (ATM- and Rad3- Related).[9][10]
Este checkpoint impide la preparación para lareplicación del ADN hasta que se haya eliminado el daño detectado en el ADN. Uno de los eventos clave en este proceso es la activación inducida por el daño en el ADN de la moléculap53. La activación de p53 incluye sufosforilación,acetilación ysumolación, además de su estabilización y su translocación hacia elnúcleo celular. La fosforilación de p53 perturba su interacción con la ligasa E3 deubiquitina hMdm2, lo que impide la ubiquitinación y degradación de p53. La principal responsable de la fosforilación de p53 en diferentesaminoácidos es ATM, que además contribuye a la estabilización de p53 mediante la fosforilación de hMdm2 (que inhibe su interacción con p53) y delfactor de transcripción E2F1 (que activa la trascripción de çl,19ARF, un inhibidor de hMdm2). Una vez estabilizada, p53 entra en el núcleo celular e induce latranscripción de varios genes, entre los cuales se incluyen el inhibidor dekinasas dependientes de ciclinas (CDKs) denominado p21Waf1. Esta molécula inhibe la formación de los complejos ciclina D-CDK4, lo que impide la transición G1/S. Simultáneamente, p53 induce la transcripción de genes implicados en lareparación del ADN.
Alternativamente, si el daño genómico es demasiado grande para que pueda ser reparado, ATM induce la activación de una serie de rutas celulares que culminan en lamuerte celular.
ATM juega también un papel importante en el control de la respuesta al daño al ADN inducido por IR durante la fase S. En este caso, ATM fosforila e induce hChk2, que a su vez fosforila Cdc25A. Esta es una proteína que defosforilatirosinas y que, en células no irradiadas, defosforila CDK2 para promover la transición de G1 a S. Cuando hChk2 está activado y fosforila Cdc25A, promueve la degradación de esta fosfatasa por elproteasoma, lo que impide la activación de los complejos ciclina E-CDK2, provocando así una parada en la iniciación y progresión de lareplicación del ADN.
Además, la activación de ATM inducida por IR produce la fosforilación de la proteínaBRCA1, lo cual produce la disociación de BRCA1 de los complejos en los que se encuentra. BRCA1 se asocia a muchas proteínas que están implicadas en la respuesta al daño al ADN y hay múltiples evidencias que sugieren que BRCA1 realiza funciones múltiples en este proceso a través de sus proteínas asociadas. Entre estas, se encuentran proteínas implicadas en modificaciones de la cromatina (SWI/SNF, HDAC1/2, p300/CBP), proteínas implicadas en la reparación del ADN (BACH1, BLM...) y proteínas implicadas en el control de la transcripción (GADD45, BARD1...).[11] BRCA1 es el gen de susceptibilidad alcáncer de mama yovario, mutado en el 50% de todos los casos familiares de estos tipos de cáncer.
El checkpoint de G2/M evita que entren en mitosis células que o bien han terminado la replicación de su ADN y han sido posteriormente expuestas a agentes que lo han dañado, o bien células que han traspasado el checkpoint intra-S con daño en el ADN sin reparar.
ATM también es importante para el funcionamiento de este checkpoint. Como en el caso anterior, ATM es necesario para la fosforilación de hChk2, y hChk2 es necesario para el mantenimiento del checkpoint de G2/M. hChk2 fosforila e inhibe la fosfatasa hCdc25C, que por tanto no puede defosforilar y activar los complejosciclina B1-CDK1, que son necesarios para promover la entrada en mitosis.
Por otro lado, aunque ATM es la primera molécula en activarse en la respuesta de daño al ADN, y es la responsable de la respuesta rápida e inmediata, ATR se une en una fase tardía y mantiene el estado fosforilado de sustratos específicos. Esta importante redundancia añade una mayor complejidad a la respuesta. Sin embargo, además de su papel en la fase tardía de la respuesta, ATR también responde a daños al ADN que no activan ATM, como tratamientos deradiación UV,horquillas de replicación bloqueadas e hipoxia, defosforilando al menos algunos de los sustratos de ATM, como p53 y BRCA1.[9][10]
Durante lamitosis, la célula organiza un huso mitótico con dos polos, al cual se anclan loscromosomas mediante unas estructuras proteicas denominadascinetocoros. Los cromosomas constan de dos moléculas idénticas deADN, lascromátidas hermanas, que permanecen unidas hasta la anafase a través de unas proteínas denominadascohesinas. El mecanismo que detecta que se ha formado correctamente un huso mitótico, que todos los cromosomas están asociados a dicho huso de manera bipolar, y que todos ellos se encuentran alineados en la placa metafásica es el denominadocheckpoint de mitosis, de anafase o tambiénpunto de control del ensamblaje del huso, abreviadoSAC por sus siglas en inglés (Spindle Assembly Checkpoint).[12]
Si uno de los cromosomas, por alguna razón, se retrasa durante el proceso de alineamiento, esta maquinaria produce una detención temporal de la progresión en elciclo celular : la célula se detiene en metafase, dando tiempo a los mecanismos de reparación a resolver el problema detectado. Si pasado un tiempo, el problema no se ha corregido, la célula será abocada a un proceso de muerte celular, un mecanismo de seguridad para evitar que se produzca una situación deaneuploidía, generalmente con consecuencias graves para el organismo.
Cuando todos los cromosomas se congregan correctamente en la placa metafásica, el checkpoint de mitosis se inactiva, de manera que se produce el corte de las cohesinas que mantenían unidas lascromátidas hermanas, disparándose de este modo la entrada en anafase. Finalmente, ambos juegos de cromátidas hermanas se organizan alrededor de los polos de las células hijas en telofase, y por tanto ambas células reciben un complemento cromosómico completo.
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Datos:Q1068809
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