Ciclo celular: etapas, regulación y células madre

Ciclo celular para la mitosis y la meiosis

Muchas células somáticas y germinales (para los hombres) tienen que dividirse para producir más células con una estructura genética similar. La mitosis es el proceso por el cual dichas células se dividen para generar nuevas células hijas que permanecen diploides (contenido de cromosomas 2n). La meiosis es similar a la mitosis pero implica dos rondas de división que dan como resultado células haploides (contenido de cromosomas 1n), y esto ocurre en células germinales masculinas y femeninas (espermátidas y ovocitos, respectivamente). La fertilización de un óvulo por espermatozoides da como resultado un cigoto que tiene contenido de cromosomas 2n (1n de los espermatozoides y 1n del óvulo). La mitosis y la meiosis se dividen en cuatro fases distintas del ciclo celular :

• Gap (G) 1 fase
• Fase S (síntesis)
• Fase G2 (interfase)
• Fase M (mitosis y citocinesis)

Se considera que las células que no pueden o han dejado de dividirse tienen un período de inactividad llamado fase G0, es decir, que no entran en el ciclo celular. Durante la fase G1 , las células aumentan de tamaño y es en este momento cuando los mecanismos reguladores de los puntos de control verifican que todos los sistemas sean aptos para la síntesis de ADN. La fase S se caracteriza por la replicación del ADN en preparación para la mitosis o la meiosis. La fase G2 se clasifica por la brecha entre la síntesis de ADN y la mitosis donde la célula continúa creciendo. Al igual que con G1, los mecanismos de control de puntos de control ocurren durante G2 para garantizar que la célula esté lista para comenzar la mitosis y para que se produzca la división celular. La fase M es cuando cesa el agrandamiento celular y la maquinaria celular se centra en la separación uniforme de las dos células hijas. Así, la fase M incluye una división del núcleo celular y una citocinesis , división del citoplasma de la célula para dar lugar a dos células hijas. Se incluye un punto de control en esta fase para garantizar que la célula esté configurada para completar la división celular. En la meiosis, las células germinales masculinas y femeninas se someten a otra ronda de división para generar una célula haploide. Para el óvulo, solo da como resultado un único óvulo haploide, ya que la primera y la segunda ronda de meiosis generan cuerpos polares que se consideran material «basura», ya que no pueden ser fertilizados y, con el tiempo, se desintegran. Para los machos, un solo espermatocito primario, que es la célula que entrará en la meiosis, da lugar a dos espermatocitos secundarios que son haploides pero contienen ADN de doble hebra. En la siguiente ronda de división, la meiosis II, los dos espermatocitos secundarios producirán cuatro espermátidas redondas, cada una de las cuales es haploide y contiene ADN monocatenario. En los machos, un solo espermatocito primario que es diploide y contiene ADN bicatenario dará como resultado cuatro espermátidas redondas que son haploides con ADN monocatenario. La mitosis también se divide en estas diferentes fases:

• Profase : tanto para la mitosis como para la meiosis, es la primera etapa de la división celular. Comienza después de la interfase. Antes de entrar en la profase, el ADN se ha replicado. El nucleolo desaparece en esta etapa y la cromatina se condensa en esta etapa.

• Prometafase : esta etapa se encuentra entre la profase y la metafase y se caracteriza por la ruptura de la membrana nuclear.

• Metafase : en esta etapa, los centrómeros del cromosoma condensado se alinean en el centro de la célula en la placa de la metafase, lo que se debe a que los microtúbulos del cinetocoro en cada polo « tiran » de esta región de los cromosomas para que resulte en una alineación uniforme .

• Anafase : esta etapa es cuando los cromosomas replicados se dividen y las cromátidas hijas se segregan en los polos celulares opuestos. En la anafase tardía, se produce la máxima condensación de los cromosomas, lo que facilita la separación de los cromosomas y el restablecimiento del núcleo.

• Telofase y citocinesis : la telofase marca el final de la mitosis y la meiosis. Este período invierte los cambios que ocurrieron durante la profase y la prometafase en la que se reforman el nucleolo y la membrana nuclear. Los cromosomas que ahora están rodeados por una envoltura nuclear experimentan descondensación para expandirse en la misma medida en que lo están durante la interfase. El huso mitótico se deshace y los microtúbulos del huso se despolimerizan. La citocinesis ocurre antes de la telofase tardía y da como resultado la separación de los dos núcleos hijos y las propias células.

Este diagrama muestra las diferentes etapas de la mitosis, que incluyen profase, anafase, telofase y citocinesis.

Regulación del ciclo celular

Este diagrama muestra las diferentes etapas del ciclo celular y las ciclinas / quinasas dependientes de ciclina (discutidas a continuación) que regulan las diferentes etapas del ciclo celular.

Ciclinas y quinasas dependientes de ciclina (CDK)son los reguladores primarios del ciclo celular. Los niveles de ciclina D aumentan en respuesta a estímulos mitogénicos. Cantidades mayores de ciclina D se unen a CDK4 / 6, lo que conduce a un complejo ciclina D-CDK4 / 6 activo. Este complejo fosforila la proteína de susceptibilidad al retinoblastoma (Rb) de modo que se convierte en pRb. El Rb no fosforilado actúa como supresor de tumores al inhibir la inducción del ciclo celular y mantener la célula en G0. El Rb fosforilado se separa del complejo E2F / DP1 / Rb, que se une a genes que responden a E2F y, por lo tanto, inhibe la transcripción. La disociación de este complejo da como resultado la activación de E2F y la transcripción de ciclina E, ciclina A, ADN polimerasa, timidina quinasa y otros genes necesarios para la replicación del ADN y la mitosis. La ciclina E recién formada se une a CDK2, lo que lleva a la formación del complejo ciclina E-CDK2. Esto da como resultado que la célula avance de G1 a la fase S y finalmente inicia la transición G2 / M. El complejo ciclina B-CDK1 da como resultado la ruptura de la envoltura nuclear y la transición a profase. La desactivación del complejo ciclina B-CDK1 da como resultado la detención de la mitosis.

Enfermedades debidas a la desregulación del ciclo celular

Como se mencionó anteriormente, existen varios puntos de control a lo largo del ciclo celular y mecanismos para suprimir la entrada al ciclo celular y la eventual división celular. Los genes supresores de tumores, como Rb, actúan principalmente para prevenir la entrada en el ciclo celular. Sin embargo, la disfunción de dichos puntos de control, la regulación a la baja o la mutación en la expresión de genes supresores de tumores (Rb o p53, u otros), o la regulación al alza de protooncogenes (como c-myc) pueden resultar en una entrada inapropiada en el ciclo celular y permitir que las células se multipliquen indiscriminadamente. En otras palabras, la desregulación de uno o más de los componentes del ciclo celular puede resultar en hiperplasia (mayor número de células) y eventual transformación neoplásica (formación de tumores). La duración del ciclo celular es equivalente en células cancerosas frente a no cancerosas. Sin emabargo, el cáncer se compone de más células en división en comparación con G0, lo que da como resultado una proliferación celular neta. Si bien algunas de las células de un tumor pueden sufrir apoptosis (muerte celular) o permanecer en G0, hay muchas más disponibles para reemplazar estas células. Muchos agentes quimioterapéuticos actúan sobre las células que se dividen rápidamente, con la intención de eliminar las células cancerosas. Sin embargo, estos medicamentos también pueden dirigirse a células sanas que tienen un índice mitótico alto, como los folículos pilosos, las células intestinales y las células de la médula ósea. Por lo tanto, cuando es posible, la quimioterapia o la radiación a menudo se combinan con la extirpación quirúrgica para tratar de eliminar la mayor cantidad posible de células cancerosas. Curiosamente, los agentes quimioterapéuticos más recientes tienen como objetivo los cambios epigenéticos, que son modificaciones que regulan la transcripción y traducción de genes pero sin cambiar la secuencia de ADN. Tales agentes se han mostrado prometedores en el tratamiento de algunos cánceres, como la leucemia.

Células madre y diferenciación embrionaria

Las células madre son indiferenciadas a células parcialmente diferenciadas que pueden diferenciarse en varios linajes celulares. La otra propiedad de las células madre es que tienen la capacidad de proliferar indefinidamente para generar células hijas del mismo tipo de células madre. Si bien las células madre son más numerosas durante el período embrionario, los adultos tienen diferentes órganos con diferentes tipos de células madre o nichos, como en la médula ósea (células hematopoyéticas) para regenerar glóbulos rojos y blancos, testículos para reponer células germinales masculinas intestinos para regenerar las células que recubren las vellosidades. Las células madre son diferentes a las células progenitoras, que tienen una capacidad finita para dividirse, y a las células blásticas, que solo pueden dar lugar a un tipo de célula. Después de la fertilización, el cigoto se desarrolla primero, luego se escinde en dos células, luego en cuatro células, etc. Cuando el embrión preimplantado alcanza la etapa de blastocisto, consta de 50-150 células que forman la masa celular interna. Son estas células las que se consideran células madre, ya que pueden, con el tiempo, diferenciarse en todas las células del cuerpo. Por tanto, se consideran pluripotentes. En la gastrulación, se formarán tres capas germinales:

• Ectodermo: células que recubren el exterior del cuerpo, como la epidermis de la piel.
• Mesodermo: células que formarán los tejidos medios, como la dermis de la piel, el músculo esquelético, el hueso, el cartílago y el tejido adiposo. Todos estos se derivan de células mesenquimales.
• Endodermo: células que forman los órganos internos, como el revestimiento del tracto gastrointestinal.

Las células madre se pueden clasificar en función de sus propiedades de ‘tallo’, que incluyen:

• Las células madre totipotentes (omnipotentes) pueden regenerar un organismo completo. Para hacerlo, estas células tienen la capacidad de diferenciarse en tipos de células embrionarias y extraembrionarias (placenta). Estas células totipotentes son el resultado de la fusión de los óvulos y los espermatozoides, incluso en las primeras rondas de división del cigoto se obtienen células totipotentes.

• Las células madre pluripotentes se diferencian de las células totipotentes. Sin embargo, solo pueden dar lugar a las tres capas germinales embrionarias que formarán el feto, pero no las capas extraembrionarias, ya que las células del trofectodermo del blastocisto son necesarias para diferenciarse en la porción corion de la placenta.

• Las células madre multipotentes tienen la capacidad de diferenciarse en varios tipos de células estrechamente relacionadas. Los ejemplos incluyen células madre hematopoyéticas en la médula ósea que pueden diferenciarse en líneas de glóbulos blancos y rojos y células de la cripta del intestino delgado.

• Las células madre oligopotentes se diferencian en sólo unos pocos tipos de células, por ejemplo, son células madre linfoides o mieloides en la médula ósea.

Las células madre unipotentes solo pueden generar un tipo de célula que sea idéntica a ellas, pero dichas células pueden autorrenovarse. Un ejemplo serían las espermatogonias de tipo A en los testículos que pueden sufrir mitosis para generar más espermatogonias de tipo A.

Este diagrama muestra los diferentes tipos de células madre, incluidas totipotente, pluripotente, multipotente, oligopotente y unipotente.

Resumen de la lección

En esta lección, cubrimos los temas de cómo las células se dividen para producir más del mismo tipo de células como ellas. Este proceso se llama mitosis . Para reproducirse, las células germinales deben someterse a la meiosis , que es similar a la mitosis pero implica dos rondas de división que dan como resultado células haploides, y cuando las células germinales se combinan, esto forma un cigoto. Se considera que las células que no pueden o han dejado de dividirse tienen un período de inactividad llamado fase G0, es decir, que no entran en el ciclo celular. En la fase G1 , las células aumentan de tamaño. La fase S se caracteriza por la replicación del ADN en preparación para la mitosis o la meiosis. Las células continúan creciendo durante la fase G2 . La fase Mincluye división del núcleo celular y citocinesis , división del citoplasma de la célula para dar dos células hijas. El orden de la mitosis es profase, prometafase, metafase, anafase, telofase y citocinesis. Las ciclinas y las CDK desempeñan un papel importante en el inicio y la regulación del ciclo celular, siendo la ciclina D y la CDK4 / 6 los iniciadores primarios para la entrada en el ciclo celular. La desregulación de cualquier componente en la maquinaria del ciclo celular puede resultar en cáncer con muchos agentes quimioterapéuticos dirigidos a las células que se dividen rápidamente que caracterizan a las células cancerosas. Nuestra propia existencia depende de las células madre, que no se diferencian de las células parcialmente diferenciadas que pueden dar lugar a otros linajes celulares. Están presentes durante la embriogénesis y en la edad adulta en determinadas regiones del cuerpo. Las células madre totipotentes pueden regenerar un organismo completo. Las células madre pluripotentes solo pueden regenerar las capas fetales. Las células madre multipotentes pueden diferenciarse en muchos tipos de células estrechamente relacionadas. Las células madre oligopotentes se diferencian en solo unos pocos tipos de células. Las células madre unipotentes solo pueden generar un tipo de célula que sea idéntica a ellas, pero dichas células pueden autorrenovarse.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador