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Punto de restricción

Etapas del ciclo celular. El punto de restricción se produce entre las fases G1 y S de la interfase . El punto de restricción (R), también conocido como punto de control de inic...

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Etapas del ciclo celular. El punto de restricción se produce entre las fases G1 y S de la interfase .

El punto de restricción (R), también conocido como punto de control de inicio o G1/S, es un punto de control del ciclo celular en la fase G1 del ciclo celular animal en el que la célula se " comprometía " al ciclo celular, y después del cual las señales extracelulares ya no son necesarias para estimular la proliferación. [ 1 ] La característica bioquímica definitoria del punto de restricción es la activación de los complejos ciclina-CDK de las fases G1 /S y S , que a su vez fosforilan proteínas que inician la replicación del ADN , la duplicación del centrosoma y otros eventos tempranos del ciclo celular. [ 2 ] Es uno de los tres puntos de control principales del ciclo celular, siendo los otros dos el punto de control del daño del ADN G2-M y el punto de control del huso .

Historia

Originalmente, Howard Martin Temin demostró que las células de pollo alcanzan un punto en el que se comprometen a replicar su ADN y no dependen de señales extracelulares. [ 3 ] Aproximadamente 20 años después, en 1973, Arthur Pardee demostró que existe un único punto de restricción en G 1. Anteriormente, G 1 se había definido simplemente como el tiempo entre la mitosis y la fase S. No se conocían marcadores moleculares o morfológicos para la posición de una célula en G 1. Pardee utilizó un método de doble bloqueo en el que cambió las células de un bloqueo del ciclo celular (como la privación de aminoácidos críticos o la privación de suero) a otro y comparó la eficiencia de cada bloqueo para prevenir la progresión a la fase S. Descubrió que ambos bloqueos, en todos los casos examinados, eran igualmente eficientes para bloquear la progresión a la fase S, lo que indicaba que debían actuar en el mismo punto de G 1 , al que denominó "punto de restricción" o punto R. [ 4 ]

En 1985, Zetterberg y Larsson descubrieron que, en todas las etapas del ciclo celular, la privación de suero produce una inhibición de la síntesis de proteínas. Solo en las células posmitóticas (es decir, células en la fase G1 temprana ) la privación de suero forzó a las células a entrar en quiescencia ( G0 ). De hecho, Zetterberg descubrió que prácticamente toda la variabilidad en la duración del ciclo celular puede explicarse por el tiempo que tarda la célula en pasar del punto de restricción a la fase S. [ 5 ]

señales extracelulares

Excepto durante el desarrollo embrionario temprano, la mayoría de las células en los organismos multicelulares persisten en un estado de quiescencia conocido como G0 , donde no se produce proliferación y las células suelen estar diferenciadas terminalmente; otras células especializadas continúan dividiéndose hasta la edad adulta. Para ambos grupos de células, se ha tomado la decisión de salir del ciclo celular y entrar en estado de quiescencia (G0 ) , o de volver a entrar en G1 .

La decisión de una célula de entrar o reingresar al ciclo celular se toma antes de la fase S en G1, en lo que se conoce como punto de restricción, y está determinada por la combinación de señales extracelulares promotoras e inhibidoras que se reciben y procesan. Antes del punto R, una célula requiere estos estimulantes extracelulares para comenzar a progresar a través de las tres primeras subfases de G1 ( competencia, entrada G1a , progresión G1b ) . Sin embargo, después de que se ha superado el punto R en G1b , las señales extracelulares ya no son necesarias y la célula se compromete irreversiblemente a prepararse para la duplicación del ADN . La progresión posterior está regulada por mecanismos intracelulares. La eliminación de los estimulantes antes de que la célula alcance el punto R puede resultar en la reversión de la célula a la quiescencia. [ 1 ] [ 3 ] En estas condiciones, las células retroceden en el ciclo celular y requerirán tiempo adicional (aproximadamente 8 horas más que el tiempo de retirada en cultivo) después de superar el punto de restricción para entrar en la fase S. [ 3 ]

Señalización de mitógenos

Los factores de crecimiento (p. ej., PDGF , FGF y EGF ) regulan la entrada de las células en el ciclo celular y la progresión hasta el punto de restricción. Después de pasar este punto de inflexión, la finalización del ciclo celular ya no depende de la presencia de mitógenos. [ 6 ] [ 4 ] [ 7 ]   La señalización sostenida de mitógenos promueve la entrada en el ciclo celular principalmente a través de la regulación de las ciclinas G1 (ciclina D1-3) y su ensamblaje con Cdk4/6, que puede estar mediado en paralelo a través de las vías MAPK y PI3K.

Cascada de señalización MAPK

La unión de factores de crecimiento extracelulares a sus receptores tirosina quinasas (RTK) desencadena un cambio conformacional y promueve la dimerización y autofosforilación de residuos de tirosina en la cola citoplasmática de los RTK. Estos residuos de tirosina fosforilados facilitan el acoplamiento de proteínas que contienen un dominio SH2 (por ejemplo, Grb2 ), que posteriormente pueden reclutar otras proteínas de señalización a la membrana plasmática y desencadenar cascadas de quinasas de señalización. El Grb2 asociado al RTK se une a Sos , que es un factor de intercambio de nucleótidos de guanina que convierte el Ras unido a la membrana en su forma activa (Ras-GDP).⟶{\displaystyle \longrightarrow }Ras-GTP). [ 8 ] El Ras activo activa la cascada de la MAP quinasa, uniéndose y activando Raf, que fosforila y activa MEK, que fosforila y activa ERK (también conocida como MAPK, ver también vía MAPK/ERK ).

La ERK activa se transloca al núcleo donde activa múltiples objetivos, como el factor de transcripción factor de respuesta al suero (SRF), lo que resulta en la expresión de genes de respuesta temprana inmediata, en particular los factores de transcripción Fos y Myc . [ 8 ] [ 9 ] Los dímeros Fos/Jun componen el complejo del factor de transcripción AP-1 y activan genes de respuesta retardada, incluida la principal ciclina G1 , la ciclina D1 . [ 8 ] Myc también regula la expresión de una amplia variedad de genes pro-proliferativos y pro-crecimiento, incluida cierta inducción de la ciclina D2 y Cdk4 . [ 5 ] Además, la actividad sostenida de ERK parece ser importante para la fosforilación y localización nuclear de CDK2 , [ 8 ] lo que apoya aún más la progresión a través del punto de restricción.

Vía de señalización PI3K

p85, otra proteína que contiene un dominio SH2, se une a los RTK activados y recluta a PI3K (fosfoinositida-3-quinasa), fosforilando el fosfolípido PIP 2 a PIP 3 , lo que lleva al reclutamiento de Akt (a través de su dominio PH). Además de otras funciones pro-crecimiento y pro-supervivencia, Akt inhibe la glucógeno sintasa quinasa-3β ( GSK3β ), previniendo así la fosforilación mediada por GSK3β y la posterior degradación de la ciclina D1 [ 10 ] ( véase la figura [ 11 ] ). Akt regula además los componentes G1/S mediante la promoción mediada por mTOR de la traducción de la ciclina D1, [ 12 ] la fosforilación de los inhibidores de Cdk p27 Kip1 (que impide su importación nuclear) y p21 Cip1 (que disminuye su estabilidad), y la fosforilación inactivadora del factor de transcripción FOXO4 (que regula la expresión de p27). [ 13 ] En conjunto, esta estabilización de la ciclina D1 y la desestabilización de los inhibidores de Cdk favorecen la actividad de G1 y G1/S-Cdk.

La señalización de Akt promueve la actividad de ciclina/Cdk.

Señalización antimitógena

Los antimitógenos como la citocina TGF-β inhiben la progresión a través del punto de restricción, causando una detención en G1. La señalización de TGF-β activa las Smads, que forman complejos con E2F4 /5 para reprimir la expresión de Myc y también se asocian con Miz1 para activar la expresión del inhibidor de Cdk p15 INK4b para bloquear la formación y actividad del complejo ciclina D-Cdk. [ 8 ] [ 14 ]  Las células detenidas con TGF-β también acumulan p21 y p27. [ 14 ]

Mecanismo

Descripción general

Como se describió anteriormente, las señales de los factores de crecimiento extracelulares se transducen de manera típica. El factor de crecimiento se une a receptores en la superficie celular, y diversas cascadas de fosforilación dan como resultado la captación de Ca²⁺ y la fosforilación de proteínas. Los niveles de fosfoproteínas se regulan mediante fosfatasas. Finalmente, se produce la activación transcripcional de ciertos genes diana. La señalización extracelular debe mantenerse, y la célula también debe tener acceso a suficientes nutrientes para sustentar una rápida síntesis de proteínas. La acumulación de ciclina D es esencial. [ 15 ]

Las Cdks 4 y 6 unidas a la ciclina D son activadas por la cinasa activadora de Cdk y dirigen la célula hacia el punto de restricción. Sin embargo, la ciclina D tiene una alta tasa de recambio (t 1/2 <25 min). Es debido a esta rápida tasa de recambio que la célula es extremadamente sensible a los niveles de señalización mitogénica, que no solo estimulan la producción de ciclina D, sino que también ayudan a estabilizar la ciclina D dentro de la célula. [ 15 ] [ 16 ] De esta manera, la ciclina D actúa como un sensor de señal mitogénica. [ 16 ] Los inhibidores de Cdk (CKI), como las proteínas Ink4 y p21 , ayudan a prevenir la actividad inadecuada de ciclina-cdk.

Los complejos ciclina H-cdk activos fosforilan la proteína del retinoblastoma (pRb) en el núcleo. La Rb no fosforilada actúa como un inhibidor de G1 al impedir la transcripción mediada por E2F . Una vez fosforilada, E2F activa la transcripción de las ciclinas E y A. [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] La ciclina E-cdk activa comienza a acumularse y completa la fosforilación de pRb, como se muestra en la figura. [ 18 ]

Inhibidores de Cdk y regulación de la actividad del complejo ciclina D/Cdk

p27 y p21 son inhibidores estequiométricos de los complejos G1/S y S-ciclina-Cdk. Mientras que los niveles de p21 aumentan durante la entrada al ciclo celular, p27 generalmente se inactiva a medida que las células progresan hacia la fase G1 tardía. [ 8 ]   La alta densidad celular, la privación de mitógenos y el TGF-β dan como resultado la acumulación de p27 y la detención del ciclo celular. [ 14 ] De manera similar, el daño al ADN y otros factores de estrés aumentan los niveles de p21, mientras que la actividad de ERK2 y Akt estimulada por mitógenos conduce a la fosforilación inactivadora de p21. [ 19 ]  

Los primeros trabajos sobre la sobreexpresión de p27 sugirieron que puede asociarse e inhibir los complejos ciclina D-Cdk4/6 y los complejos ciclina E/A-Cdk2 in vitro y en tipos celulares específicos. [ 14 ] Sin embargo, estudios cinéticos de LaBaer et al. (1997) encontraron que la titulación de p21 y p27 promueve el ensamblaje del complejo ciclina D-Cdk, aumentando la actividad general y la localización nuclear del complejo. [ 20 ] Estudios posteriores dilucidaron que p27 puede ser necesario para la formación del complejo ciclina D-Cdk, ya que los MEF p27 -/- , p21 -/- mostraron una disminución en la complejación de ciclina D-Cdk4 que pudo ser rescatada con la reexpresión de p27. [ 21 ]

El trabajo de James et al. (2008) sugiere además que la fosforilación de residuos de tirosina en p27 puede cambiar p27 entre un estado inhibidor y no inhibidor mientras está unido a ciclina D-Cdk4/6, ofreciendo un modelo de cómo p27 es capaz de regular tanto el ensamblaje del complejo ciclina-Cdk como la actividad. [ 22 ] La asociación de p27 con ciclina D-Cdk4/6 puede promover aún más la progresión del ciclo celular al limitar el conjunto de p27 disponible para inactivar los complejos ciclina E-Cdk2. [ 8 ] [ 23 ]  El aumento de la actividad de ciclina E-Cdk2 en G1 tardío (y ciclina A-Cdk2 en S temprano) conduce a la fosforilación de p21/p27 que promueve su exportación nuclear, ubiquitinación y degradación.

Dinámica

Un artículo publicado por los grupos de Lingchong You y Joe Nevins en la Universidad de Duke en 2008 demostró que un interruptor histérico biestable de E2F subyace al punto de restricción. E2F promueve su propia activación y también la inhibición de su propio inhibidor ( pRb ), formando dos bucles de retroalimentación (entre otros) que son importantes para el establecimiento de sistemas biestables. Los autores de este estudio utilizaron un sistema GFP desestabilizado bajo el control del promotor E2F como indicador de la actividad de E2F . Se estimularon células privadas de suero con diferentes concentraciones de suero y se registró la señal de GFP a nivel de célula individual. Descubrieron que el reportero GFP estaba activado o desactivado, lo que indicaba que E2F estaba completamente activado o desactivado en todos los diferentes niveles de suero analizados. Experimentos posteriores, en los que analizaron la dependencia histórica del sistema E2F, confirmaron que funciona como un interruptor biestable histérico . [ 24 ]

En el cáncer

El cáncer puede considerarse una alteración de la función normal del punto de restricción, ya que las células reingresan de forma continua e inapropiada al ciclo celular y no entran en la fase G0 . [ 1 ] Las mutaciones en diversas etapas de la vía hacia el punto de restricción pueden provocar el crecimiento canceroso de las células. Algunos de los genes que mutan con mayor frecuencia en el cáncer incluyen las Cdk y las CKI; la hiperactividad de las Cdk o la hipoactividad de las CKI disminuyen la rigurosidad del punto de restricción, lo que permite que más células eviten la senescencia. [ 17 ]

El punto de restricción es un factor importante en el desarrollo de nuevas terapias farmacológicas. En condiciones fisiológicas normales, la proliferación celular está regulada por este punto. Esto puede aprovecharse para proteger las células no cancerosas de los tratamientos de quimioterapia . Los fármacos quimioterapéuticos suelen atacar a las células que proliferan rápidamente. Al utilizar fármacos que inhiben la finalización del punto de restricción, como los inhibidores de los receptores de factores de crecimiento , se impide la proliferación de las células normales, protegiéndolas así de los tratamientos de quimioterapia. [ 16 ]

Véase también

Referencias

  1. 1 2 3 Pardee AB (noviembre de 1989). "Eventos G1 y regulación de la proliferación celular". Science . 246 (4930): 603– 8. Bibcode : 1989Sci...246..603P . doi : 10.1126/science.2683075 . PMID 2683075 . 
  2. ↑ Morgan, David Owen, 1958- (2007). El ciclo celular : principios de control . Londres: New Science Press. ISBN  978-0-19-920610-0OCLC 70173205​​ {{cite book}}: CS1 maint: nombres múltiples: lista de autores ( enlace ) CS1 maint: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )
  3. 1 2 3 Zetterberg A, Larsson O, Wiman KG (diciembre de 1995). "¿Qué es el punto de restricción?". Current Opinion in Cell Biology . 7 (6): 835– 42. doi : 10.1016/0955-0674(95)80067-0 . PMID 8608014 . 
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  7. ↑ Pardee AB (abril de 1974). "Un punto de restricción para el control de la proliferación normal de células animales" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 71 (4): 1286– 90. Bibcode : 1974PNAS...71.1286P . doi : 10.1073/pnas.71.4.1286 . PMC 388211. PMID 4524638 .  
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