Ciclo celular:
Controle e Mecanismos de Divisão
Profa. Dra. Lucilene Regina Maschio

É a divisão de uma célula
Um dos fenômenos
mais intrigantes
de toda natureza
Este encontra-se nos
mecanismos que regem
esta duplicação
Duplicam
perpetuando a
vida
Se houver caminho
para
imortalidade
POR QUE UMA CÉLULA SE DIVIDE?

Reprodução
de
multicelulares
organismos

Crescimento dos indivíduos:
embrião  adulto

Reposição de células mortas ou lesadas:
epitelial, hepático e sangüíneo
unicelulares
e
tecido
Todas as células de um indivíduo adulto contêm a mesma informação
genética.
mecanismo
Primeiro replica o material genético e depois divide uma cópia completa da
informação genética para cada célula-filha.
Esse ciclo celular compreende, portanto, uma série de eventos pelos quais
as células progride de uma divisão para a próxima.
VISÃO GERAL DO CICLO CELULAR
• A duração do ciclo celular varia muito de um tipo de célula para
outro.
CICLO CELULAR EM EMBRIÃO
. Os estágios iniciais de desenvolvimento de células embrionárias são caracterizados por
divisões rápidas e sincronizadas.
. As primeiras poucas divisões celulares após a fertilização servem para subdividir
uma célula-ovo gigante em várias células menores, o quão rápido possível.
Para explicar como as células se reproduzem devemos
considerar três questões principais:
1. Como as células duplicam o seu conteúdo?
2. Como elas repartem o conteúdo duplicado e se separam em duas?
3. Como elas coordenam toda a maquinaria que é necessária para esses
dois processos?
CICLO CELULAR DE EUCARIOTOS
CICLO CELULAR
4 fases
1. Como as células duplicam o seu conteúdo?
INTÉRFASE
No período entre duas mitoses, denominado
intérfase, os cromossomos ocorrem como
filamentos distendidos e espalhados por toda
área nuclear, não sendo individualmente
visualizados ao microscópio de luz.
. A intérfase é um período de intensa síntese de todos os constituintes
celulares.
. Quando a célula recebe o sinal para divisão, sintetiza os
componentes necessários para esse processo e dobra seu volume
para possibilitar que duas novas células aproximadamente iguais no
tamanho e composição sejam originadas por mitose.
Período G1 (G, do inglês, gap = intervalo)
Célula permanece em intérfase por anos
sem se dividir
. A subfase G1 é a que tem o tempo de duração mais variável.
. Em muitas células eucarióticas, G1 dura de três a quatro horas,
mas pode prolongar-se por dias meses ou anos, de acordo com as
condições fisiológicas.
Neurônios: dependendo da lesão
podem voltar ao ciclo celular
Células de mamíferos privadas de
fatores de crescimento interrompem
o ciclo celular durante G1 num
estágio chamado G0
Algumas como linfócitos do sangue
humano:presença de um antígeno e
hepatócitos: perda do tecido
hepático podem voltar a se dividir se
houver um estímulo.
Nesse período ocorre também:
. Máxima síntese de proteínas não histonas;
. Intensa síntese de proteínas no citoplasma;
. Intensa síntese de RNAm, RNAt e RNAr;
. Síntese de proteínas responsáveis pela replicação de
DNA e duplicação dos centrossomos - CdKs
. Síntese do complexo de proteínas COESINAS;
. Síntese do complexo protéico CONDENSINA
COESINAS
S
G1
4 subunidades: 1 heterodímero de Smc1 e Smc3 ( Structural maintenance of chromosome), que se associam a
Scc1 e esta a Scc3 (Sister chromatid cohesion)
. Heterodímero forma dois longos braços em espiral-espirada antiparalela, cujas cabeças (extremidades N e Cterminais_ têm função ATPásica.
CONDENSINAS
Período S
1. Duplicação do centrossomo;
2. Gatilho para replicação do DNA
(mecanismo do tudo ou nada);
3. Síntese de histonas.
1.CENTROSSOMOS
Localizado próximo ao núcleo da célula em intérfase e contém,
na maioria das células animais, um par de centríolos.
Centrossomo
Microtúbulos
Envoltório
nuclear
Fases do ciclo do centrossomo:
1. Duplicação semi-conservativa: inicia no final de G1 e início da fase S
2. Maturação do centrossomo: ocorre em G2
3. Separação dos centrossomos: transição G2-M
4. Desorientação dos centrossomos: final da mitose e início de G1
Célula de mamífero
na fase S, após a
duplicação dos
centríolos
. Em fungos, na maioria das plantas e nos ovócitos humanos, os centros
organizadores de microtúbulos não contêm centríolos.
FUNGOS
microtúbulos são
nucleados a partir de
uma estrutura
denominada
corpúsculo polar do
fuso, que se encontra
embebido no
envoltório nuclear
C. VEGETAIS
Microtúbulos
emanam de centros
organizadores de
microtúbulos
distribuídos ao redor
do envoltório nuclear
O. HUMANOS
Um centro
organizador
acentriolar é
responsável pela
nucleação dos
microtúbulos.
Apesar da ausência dos centríolos, o fuso de divisão celular se forma normalmente uma vez que
todas essas células contêm -tubulina, que é necessária para a nucleação dos microtúbulos.
2. REPLICAÇÃO DO DNA
Garante que as células-filhas possam receber uma cópia exata
de cada molécula de DNA da célula parental.
Células humanas
diplóides
Têm 2n = 46 cromossomos
Essas
células
continuam
diplóides, contendo 2n = 46
cromossomos, embora com o
dobro do conteúdo de DNA (4C)
Em G2, a célula humana contém 92
moléculas de DNA, sendo que cada
um dos 46 cromossomos contém
duas
moléculas
de
DNA
(denominadas cromátidas irmãs)
Célula em G1
46 moléculas de DNA (uma
molécula para cada um dos 23
pares de homólogos)
Durante a fase S, cada molécula
de DNA dá origem a outra
idêntica a ela.
2. SÍNTESE DE HISTONAS
Período G2
. Período em que a célula verifica, por exemplo, se todo DNA
duplicou corretamente e se houve aumento adequado do
volume, antes de iniciar a divisão celular propriamente dita.
. Portanto as subfases S e G2, ocorrem somente em células que
irão se dividir.
2. Como elas repartem o conteúdo duplicado e se separam em
duas?

.
MITOSE
Fase final de um processo que teve
início em nível molecular com a
duplicação do DNA
O processo de divisão celular é
essencialmente o mesmo em todos os
eucariotos, funcionando de maneira
altamente controlada, de forma a
garantir que, a cada ciclo de divisão,
duas
células
idênticas
sejam
originadas.
MITOSE








Condensação cromossômica
Formação do fuso mitótico
Desorganização do envelope nuclear
Ligação dos microtúbulos do fuso aos
cinetócoros dos cromossomos
Migração das cromátides-irmãs para pólos
opostos
Organização do envelope nuclear
Descondensação dos cromossomos
Citocinese: divide a célula
FASES DA MITOSE
1º) Prófase
2º) Pro-Metáfase
3º) Metáfase
4º) Anáfase
5º) Telófase
Caracteriza-se pelo início da condensação da cromatina. Isso se deve em grande parte à atuação de um
complexo proteico denominado condensina.
Um centrossomo
inicia a formação do
fuso mitótico
Fragamentação do nucléolo: componentes em
parte se dispersam pelo citoplasma na forma de
ribonucleoproteínas e em parte permanecem
associados a periferia dos cromossomos.
Os dois centrossomos cada um com seu par de
centríolos, começam a se mover para pólos
opostos da célula e entre eles, pode se observar
a formação de fibras polares (= microtúbulos)
Cada um dos filamentos
está constituído por duas
cromátides (ditas irmãs).
Coesina garante a coesão
entre as cromátides-irmãs
até o fim da metáfase.
Cromatina mais condensada, mostrando filamentos mais grossos e
mais curtos, e o nucléolo não é mais visualizado. Envoltório nuclear e
as organelas membranosas, fragmentam-se em pequenas vesículas.
2. Forma-se os cinetocoro, estrutura
protéica ligada à região do centrômero
de cada cromátide irmã, na qual os
microtúbulos do fuso (cinetocóricos)
se associam e exercem tensão sobre
essas cromátides.
4. OBS: Nos fungos, as coesinas permanecem
associadas ao longo de todo o comprimento do
cromossomo até o final da metáfase.
1.
Contêm
laminas
B:
permanecem
associadas
a
membrana interna e laminas A:
ficam livres no citosol.
3. Remoção das das coesinas presentes entre os
braços das cromátides, mas não das coesinas da
região centromérica.
As 3 classes de
microtúbulos
do fuso mitótico
Microtúbulos
astrais
Microtúbulos
cinetocóricos
Microtúbulos
interpolares
Cromatina atinge o máximo de condensação
1. Tensão proporcional que o s
microtúbulos exercem em direção
opostas sobre as cromátides-irmãs leva
os cromossomos a assumir uma
posição de equilíbrio em um plano na
região equatorial da célula entre os
dois pólos.
4. ANÁFASE
Inicia-se repentinamente com a liberação da coesina que mantém as duas cromátides-irmã
unidas.
3. Topoisomerase: enzima presente na região do cinetócoro, libera
as fibras cromatínicas entrelaçadas para facilitar a separação das
cromátides irmãs.
Começa
abruptamente
com
a
separação das cromátides-irmãs, que
se movem para os pólos.
O posicionamento de cada homólogo do par
independente um do outro no equador da célula
permite que, ao separar as cromátides-irmãs, cada
célula-filha receba todos os pares de cromossomos,
mantendo assim a ploidia.
O movimento das cromátides
irmãs
(cada
uma
agora
denominada cromossomo-filho)
para pólos opostos é resultante
da
combinação
de
dois
processos:
Anáfase A e Anáfase B.
.
Nesse
processo,
ocorre
o
encurtamento dos microtúbulos do
cinetocoro
. Os pólos das células se separam
por alongamento dos microtúbulos
polares
Se caracteriza pela reestruturação do envoltório nucleara a partir da reassociação
dos componentes dispersos pelo citosol na pró-metáfase.
.
Os
microtúbulos
cinetocóricos desaparecem e
os
polares
permanecem
apenas na região equatorial,
na qual se dará a citocinese.
. Os cromossomos irão se
descompactar
gradativamente até o final
desta fase, assumindo o
estado mais distendido da
cromatina e característico da
intérfase.
Divisão citoplasmática da célula em duas, de maneira a assegurar que cada célulafilha receba um núcleo e quantidades suficientes dos constituintes celulares.
Citocinese
Animais  anel contrátil (actina e miosina)
Vegetais ocorre a formação de uma nova
parede celular.
Mitose
Divisão celular em procariotos
. Nos procariotos a divisão celular se dá por um
processo denominado fissão binária, que é bastante
simples comparado ao mecanismo observado nos
eucariotos.
. Antes da divisão física da célula, a molécula de DNA
circular ancorada a membrana plasmática se replica.
. Essa replicação ocorre de forma concomitante a um
alongamento da célula e á uma expansão do volume
da mesma.
As tarefas básicas do ciclo celular são realizadas de maneira
bastante ordenada
- O núcleo não se divide antes do término da síntese de DNA
- E ao final de cada mitose, as células somáticas recém-formadas
têm o mesmo tamanho de sua antecessora.
Essas observações sugerem a existência de mecanismos de
controle para as diferentes fases do ciclo.
3. Como elas coordenam toda a maquinaria que é
necessária para esses dois processos?
• O sistema de controle do ciclo celular funciona, de forma muito
semelhante, ao sistema de uma máquina de lavar-roupas.
• Freios moleculares que podem parar o ciclo em vários pontos de
checagem
• Dois tipos de maquinaria estão envolvidos na divisão celular:
1.
Uma produz os novos componentes da célula em crescimento;
2.
Atrai os componentes para os seus locais corretos e os reparte
apropriadamente quando a célula se divide em duas.
Qual o sistema de controle central que ativa e desativa toda essa maquinaria
nos momentos corretos e coordena as atividades que produzirão o
produto final?????
•Na década de 1970, Y. Masui e D. Smith, trabalhando de forma
independente, iniciaram um período intenso de descobertas
científicas.
• Identificaram um fator que controlaria o início da divisão
celular em oócitos anfíbios.
Oócitos em meiose contêm uma substância capaz de induzir a divisão celular em outros oócitos, ainda imaturos e extraídos
cirurgicamente de fêmeas de sapos.
Uma microinjeção com 5% do citoplasma em meiose era suficiente para que oócitos
imaturos iniciassem o primeiro ciclo meiótico, semelhante ao que ocorre quando
recebem diretamente o estímulo hormonal.
Experimentos sugeriram:
 qualquer que fosse o fator causador da maturação, seria um componente do
citoplasma das células em divisão
 por induzir a maturação dos oócitos, foi batizado de
Fator promotor de maturação - MPF (maturation promoting factor)
. Presente em todas as células em divisão estudadas, incluindo leveduras, células de
invertebrados marinhos e de mamíferos.
. Capaz de induzir mitose – fator promotor de mitose – mitosis promoting factor MPF
Sempre antes da divisão celular
A atividade do MPF apresentava
oscilações
Durante intérfase
O que poderia causar essa flutuação durante o ciclo
celular?
Uma das pistas veio da seguinte constatação:
-Divisões celulares podem ocorrer na ausência do próprio
núcleo, mas não há progressão do ciclo sem síntese protéica;
- Imaginou-se que o MPF, ou algum de seus componentes,
fosse sintetizado periodicamente durante o ciclo celular,
promovendo a divisão da célula.
Década de 1980, Tim Hunt et al. observaram alterações dramáticas nos níveis de síntese protéica em ovos de
ouriço do mar após fertilização
Intérfase
Mitose
Intérfase
Mitose
Intérfase
Mitose
Tempo
Ovos eram incubados com um aminoácido radioativo e, a cada 10
minutos, analisava-se o padrão das proteínas sintetizadas, marcadas
radioativamente.
- Maioria das proteínas se acumulava ao longo do ciclo, uma classe
apresentava um padrão periódico, cíclico - ciclinas Acumulavam-se a cada intérfase,
chegando ao máximo na transição
metáfase-anáfase da mitose quando, em seguida eram abruptamente
destruídas
. 1988 – Lohka e Maller: purificaram alguns microgramas de MPF a partir de
um litro de ovos de anfíbios: o MPF era formado por duas proteínas: Ciclinas e
CdKs (quinases dependentes de ciclinas).
Estrutura do MPF
Ciclina B
Dímero de ciclina B e proteína quinase Cdc2
• CICLINAS: proteínas transcritas e traduzidas em um determinado
momento no ciclo celular (G1), especializadas na ativação de CdKs
. CdKs: são proteínas que, ao se ligarem à ciclinas específicas, são ativadas,
tornando-se capazes de adicionar grupos fosfato à certos resíduos de
aminoácidos de proteínas alvo específicas, cuja fosforilação pode levar á
uma alteração da atividade dessas proteínas alvo.
CONTROLEADORES POSITIVOS DO CICLO CELULAR
Proteinoquinases dependentes de ciclinas são reguladas pelo acúmulo e pela
destruição das ciclinas
•
•
•
Ciclinas são proteínas que passam por ciclos de síntese e degradação durante o ciclo celular.
Dois tipos principais: Ciclinas mitóticas e ciclinas G1.
CDK é constante ao longo do ciclo.
A diminuição súbita na concentração de M-ciclina no final da mitose é
resultado da sua rápida destruição pelo sistema proteolítico dependente de
ubiquitina
•
Mitose se aproxima do término, múltiplas
moléculas de proteína ubiquitina são
ligadas as moléculas de ciclina-M
O que controla quando as ciclinas são ubiquitinadas e, dessa
forma, marcadas para serem eliminadas?
Ciclina-M: Complexo Promotor de Anáfase (APC – anaphase promoting
complex) adiociona ubiquitina à ciclina.
> Não está ativa em todos os estágios do ciclo celular;
> Atividade acionada no final da mitose
Atividade das Cdks também é regulada pela
fosforilação e desfosforilação
No caso de M-Cdk, a concentração de M-ciclina
aumenta gradualmente durante a intérfase, mas a
atividade de M-Cdk é ativada subitamente no final da
intérfase
O que aciona aciona essa rápida ativação de
M-Cdk??????
Essa retroalimentação positiva produz o súbito aumento
explosivo na atividade de M-Cdk que conduz a célula
repentinamente para a fase M.
Mecanismos de Regulação das Cdks
Associação com
Ciclinas
Ciclina
Associação com
inibidores de Cdk
(CKIs)
Desfoforilação da treonina
14 e tirosina 15
Fosforilação
ativadora da
treonina 160/161
Cdk inicia a replicação do DNA
. A replicação do DNA inicia nas origens de replicação: sequencias nucleotídicas
que estão dispersas em vários locais ao longo de cada cromossomo.
Complexo
multiprotéico
–
complexo
de
reconhecimento da origem (ORC: origin recognition
complex)
Permenece
ligado
as
origens de replicação
pelo ciclo celular, onde
serve como um tipo de
plataforma
de
aterrissagem
para
proteínas
regulatórias
adicionais que se ligam
antes do início da fase S
Quando se liga as ORCs em G1, ela promove a ligação de proteínas adicionais para formar o complexo
pré-replicativo.
Proteínas inibitórias do ciclo celular
Uma série de sinais fisiológicos é capaz de impedir a proliferação celular: a ligação entre a maquinaria do ciclo e os sinais que inibem a proliferação
faz-se por proteínas inibitórias do ciclo celular: pontos de checagem.
Proteínas capazes de inibir
a atividade das CDKs
p19
2 famílias
p18
p15
Família
INK4:
interage
exclusivamente com as CDK 4
e6
Família KIP (kinase inhibitor
protein)
inibe
múltiplos
complexos.
p57
Principal substrato para as cinases
CDK4/6 é a pRB, esses inibidores teriam
como
função
primordial
modular
indiretamente o estado de fosforilação
dessa proteína supressora de tumor
Radiação
Dano no DNA
Aumento no nível de p53
Proteína reguladora de genes
Parada em G1
Um dos mecanismos de ponto de
checagem melhor compreendidos pára o
ciclo celular em G1 se o DNA é danificado
Controle da transição metáfase-anáfase
. Ponto de checagem do fuso: garante
um atraso na progressão do ciclo
celular enquanto as condições para
entrada na anáfase não forem
alcançadas, assegurando a separação
simultânea
das
cromátides-irmãs
somente
quando
todos
os
cromossomos estiverem alinhados na
placa
metafásica
com
seus
cinetocoros-irmãos
ligados
a
microtúbulos de pólos opostos.
Nesta fase, os cinetocoros que ainda não estabeleceram ligação com os microtúbulos
recebem um complexo protéico contendo, dentre outras, as proteínas Mad2 e RubR1, que
recrutam a proteína Cdc20 (ativadora do complexo promotor de anáfase – APC) para esse
local, formando o chamado complexo de checagem. Estando aprisionada no complexo de
checagem, Cdc20 não é capaz de ativar o APC, bloqueando, desse modo, o início da
anáfase.
. Quando ocorre a ligação de
microtúbulos
ao
cinetocoro,
o
complexo de checagem se desfaz,
liberando a Cdc20.
. Essa proteína se liga ao APC
ativando-o
e
possibilitando
a
degradação da securina, que por sua
vez libera separase, que degradrá as
coesinas,
permitindo
o
desencadeamento da anáfase.
A segregação não balanceada dos cromossomos pode levar à produção de células
denominadas aneuplóides, que apresentam como conseqüência desse erro, cromossomos a
mais ou a menos que o normal.
CÉLULAS ANIMAIS REQUEREM SINAIS EXTRACELULARES PARA
SE DIVIDIR, CRESCER E SOBREVIVER
Para que uma célula animal se divida ou cresça, ou até mesmo
sobreviva, apenas nutrientes não são suficientes – sinais químicos
A maioria das moléculas de sinalização extracelulares são proteínas
solúveis secretadas por outras células ou proteínas ligadas à
superfície de outras células ou da matriz extracelular.
1. Mitógenos: estimulam a divisão celular, principalmente pela
superação dos mecanismos de freio intracelulares que tendem a
bloquear o avanço pelo ciclo celular
2. Fatores de crescimento: estimulam o crescimento celular
3. Fatores de sobrevivência: promovem a sobrevivência da célula
pela supressão de apoptose.
Proteína Rb e o ponto de restrição
Retinoblastoma define um tipo de câncer infantil
decorrente da inativação de ambos os alelos do gene Rb.
. Cada célula tem duas cópias replicadas do gene do
retinoblastoma (Rb). Quando as duas cópias do gene Rb sofrem
mutação, uma proteína Rb anormal induz o crescimento
cancerígeno de células da retina.
. Quando uma única cópia do gene sofre mutação, a outra cópia do
gene Rb funciona normalmente e suprime a proliferação celular
irregular, a menos que ocorra uma segunda mutação.
Proteína Rb como um inibidor do ciclo celular
Proteína Rb como um supressor
O gene Rb codifica uma proteína nuclear envolvida na
regulação da atividade de um grupo de proteínas – fatores de
transcrição – envolvidos na síntese de DNA e na progressão
do ciclo celular.
Atividade gênica é
reprimida e não há síntese
de DNA e progressão do ciclo celular.
Dissociação da Rb dos
fatores de transcrição
durante o final da fase G1
Fosforilação da Rb pelo
complexo ciclina D-CdK4.
Proteína Rb
fosforilada
Ligação dos fatores de
transcrição aos genes-alvo
Aumentam a síntese e
diminuem a degradação de
macromoléculas
Em fim......
. Apesar dos detalhes do ciclo celular diferirem, dependendo
do organismo e do estágio do desenvolvimento, os
mecanismos centrais são os mesmos para todas as células.
. Pode-se dizer que, de um modo geral, a síntese de ciclinas e
a conseqüente ativação de CDK sempre resulta na
fosfarilação de proteínas específicas que promovem a
progressão do ciclo celular.
. Alterações no microambiente celular e danos internos geram
sinais intracelulares que influenciam o ciclo celular,
justamente porque exercem controle sobre os complexos CDK
acoplados a ciclinas.