Ciclinas y puntos de control
Objetivo. Asociar cada ciclina con la fase que abre. Distinguir ciclina de CDK. Explicar qué pregunta hace un punto de control antes de dejar pasar.
para partir
En 1983 Tim Hunt encontró en huevos de erizo de mar una proteína que aparecía antes de la mitosis y se destruía al terminarla, y la llamó ciclina. Ese hallazgo, junto con el de Hartwell y Nurse, les valió el Nobel de Medicina de 2001: el ciclo celular no avanza solo porque pasa el tiempo, avanza porque una proteína se fabrica y después se degrada.
G1, S y G2 ya están ordenadas por lo que ocurre en cada una. Falta qué da la orden de pasar de una fase a la otra. Hay dos piezas: las ciclinas, cuya cantidad sube y baja, y las CDK, quinasas que están todo el tiempo pero solo trabajan cuando una ciclina se les une. Los puntos de control verifican que se cumplan ciertas condiciones antes de seguir.
Para partir, responde de memoria:
- Si el ADN no se copió entero, ¿la célula debería entrar a mitosis?
- ¿Una enzima que fosforila otras proteínas es una ciclina o una CDK?
- ¿G0 es una fase del anillo o una salida?
La ciclina de Hunt
Tim Hunt fecundó huevos del erizo de mar Arbacia punctulata y les agregó metionina marcada con azufre radiactivo (³⁵S), de modo que cada proteína sintetizada desde ese momento quedaba marcada. Cada 10 minutos tomó una muestra, separó sus proteínas por tamaño en un gel de electroforesis y midió cuánta marca tenía cada banda. En paralelo fijó huevos de la misma suspensión para contar al microscopio cuántos se habían dividido.
La mayoría de las proteínas acumuló marca en forma continua. Una banda se comportó distinto: subía durante la interfase y desaparecía justo cuando los huevos se dividían, para volver a subir en el ciclo siguiente. Hunt la llamó ciclina porque su cantidad sigue el ciclo de división.
La proteína B sirve de control: si la caída de la ciclina fuera un problema de la técnica, la proteína B también caería. Como solo cae la ciclina, y siempre en la división, la célula la destruye en un momento preciso del ciclo.
Ciclina y CDK
Una quinasa es una enzima que transfiere un grupo fosfato desde el ATP a otra proteína (fosforilación), y ese fosfato cambia la actividad de la proteína que lo recibe. Una quinasa dependiente de ciclina (CDK) está presente durante todo el ciclo, pero sola es inactiva. La ciclina es la subunidad reguladora: aparece en un tramo del ciclo, se une a su CDK y forma el complejo ciclina–CDK, que es la forma activa. Ese complejo fosforila las proteínas que ejecutan el trabajo de cada fase, como las que replican el ADN, condensan los cromosomas o arman el huso.
Cuando la fase termina, la ciclina se marca con ubiquitina y el proteasoma la degrada. El complejo se desarma sin destruir la CDK, que queda disponible para la ciclina siguiente. Esa degradación es la caída que midió Hunt.
Es común decir que las ciclinas fosforilan proteínas. Eso es incorrecto, porque la ciclina no tiene actividad de quinasa: la que fosforila es la CDK, y solo cuando está unida a su ciclina. Por eso la forma correcta de decirlo es “el complejo ciclina–CDK fosforila”.
Cada fase tiene su propia ciclina, y la cantidad de cada una sube y baja en su tramo. La CDK no se dibuja porque su cantidad se mantiene constante, y el complejo activo aparece donde coincide con su ciclina.
En mamíferos, el emparejamiento habitual es:
- Ciclina D–CDK4/6 en G1, lleva la célula hacia el punto de restricción.
- Ciclina E–CDK2 en el paso G1/S, inicia la replicación.
- Ciclina A–CDK2 durante S, mantiene la replicación.
- Ciclina B–CDK1 en G2/M, inicia la mitosis.
No hay que memorizar cada número de CDK como una lista suelta: la pregunta útil es qué fase abre ese complejo.
Una proteína del ciclo se mantiene en cantidad casi constante a lo largo de G1, S, G2 y M, y solo fosforila sus blancos cuando se le une otra proteína que aparece y desaparece. ¿Qué es cada una?
Mitógenos, Rb y p53
La entrada al ciclo depende de señales que llegan desde fuera de la célula y de proteínas que revisan el estado del ADN desde dentro.
Un factor de crecimiento es una proteína que secretan otras células (por ejemplo, el PDGF que liberan las plaquetas en una herida) y que se une a un receptor en la membrana de la célula blanco. Cuando el factor de crecimiento estimula la división se le llama mitógeno. La unión al receptor activa una cascada de proteínas dentro de la célula que termina en el núcleo, donde se transcribe el gen de la ciclina D. Sin mitógeno no hay ciclina D, y la célula queda en G1 o sale a G0. En un cultivo, los mitógenos vienen en el suero que se agrega al medio.
Rb (proteína del retinoblastoma, el tumor de retina infantil en que se describió) es una proteína que se une a E2F, un factor de transcripción que activa los genes necesarios para la fase S, entre ellos el de la ciclina E. Mientras Rb está unido, E2F no puede transcribir esos genes. El complejo ciclina D–CDK4/6 fosforila a Rb, y después el complejo ciclina E–CDK2 completa esa fosforilación. Rb fosforilado suelta a E2F y la célula entra a S. Rb es un gen supresor de tumores, porque su función normal es frenar la entrada al ciclo.
p53 es un factor de transcripción que la célula mantiene en baja cantidad. Cuando hay roturas en el ADN, p53 se estabiliza y activa la transcripción de p21, una proteína que se une a los complejos ciclina–CDK y los inhibe. Con los complejos inhibidos, Rb no se fosforila y el ciclo se detiene para reparar. Si el daño no se puede reparar, p53 activa genes de apoptosis (muerte celular programada). p53 también es un supresor de tumores.
En un cultivo de células en G1 se mide cuánto Rb está fosforilado. ¿Qué proteína transfiere el fosfato a Rb?
Tres puntos de control
Un punto de control es una etapa en que la célula verifica una condición antes de seguir. Si la condición no se cumple, el ciclo se detiene.
Punto de restricción (final de G1). Se verifica si hay mitógeno, si la célula alcanzó el tamaño necesario y si el ADN está entero. Con mitógeno, el complejo ciclina D–CDK4/6 fosforila a Rb, E2F queda libre y la célula se compromete a replicar. Sin mitógeno, Rb sigue unido a E2F y la célula puede salir a G0. Si hay daño en el ADN, p53 activa p21, p21 inhibe los complejos ciclina–CDK y el ciclo se detiene en G1.
Punto G2/M. Se verifica si la replicación terminó y si quedan roturas en el ADN. El complejo ciclina B–CDK1 no se activa del todo hasta que esas dos condiciones se cumplen.
Punto del huso (metafase). Se verifica si todos los cromosomas están anclados al huso, y hasta que lo están no empieza la anafase. La mitosis todavía no se detalla, pero si este punto falla salen células con cromosomas de más o de menos.
Los tres puntos existen porque una célula que replica un genoma dañado o reparte mal sus cromosomas transmite ese error a toda su descendencia, mientras que una célula detenida puede reparar el daño.
Asocia cada pieza con su papel.
La es la subunidad reguladora que aparece y se degrada. La es la enzima, y el complejo de ambas fosforila a sus blancos. Un no es una fase: es la verificación que se hace antes de seguir. El de final de G1 se llama punto de .
En un cultivo se bloquea el proteasoma, así que las ciclinas dejan de degradarse. Predice qué le pasa al ciclo y nombra la fase que quedaría más tiempo encendida.
síntesis
Para cerrar
El ciclo avanza porque una ciclina se sintetiza, activa a su CDK y después se degrada. El complejo ciclina–CDK es el que fosforila, porque la ciclina sola no tiene actividad de quinasa. En G1, el mitógeno permite que el complejo fosforile a Rb y libere a E2F, mientras que p53 y p21 detienen el ciclo si el ADN está dañado. Cuando esos controles fallan, la célula sigue dividiéndose con el ADN dañado o mal repartido, y ese es el camino al cáncer.
Piensa sobre tu aprendizaje
- ¿Qué hace cada una, la ciclina y la CDK, y por qué es incorrecto decir que la ciclina fosforila?
- ¿Qué papel cumplen un mitógeno, Rb y p53 en el punto de restricción?
- Si un punto de control no verifica, ¿qué tipo de células salen?
- ¿Qué del tema de hoy sigue sin quedarte claro?
referencias
Bibliografía
- 01Evans, T., Rosenthal, E. T., Youngblom, J., Distel, D. & Hunt, T. (1983). Cyclin: a protein specified by maternal mRNA in sea urchin eggs that is destroyed at each cleavage division. Cell, 33(2), 389-396. https://doi.org/10.1016/0092-8674(83)90420-8
- 02Nobel Prize Outreach (2001). The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2001: Hartwell, Hunt and Nurse. https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2001/press-release/
- 03Alberts, B. et al. (2015). Molecular Biology of the Cell, 6.ª ed., cap. 17: The Cell Cycle. Garland Science.
- 04OpenStax (2020). Biology 2e, cap. 10.3: Control of the Cell Cycle (CC BY 4.0). https://openstax.org/books/biology-2e/pages/10-3-control-of-the-cell-cycle
- 05Hunt, T. (2002). Nobel Lecture: Protein synthesis, proteolysis, and cell cycle transitions. https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2001/hunt/lecture/