Endoreduplicación


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Endorreduplicación (también referido como endoreplication o endocycling ) es la replicación del nuclear del genoma en ausencia de mitosis , que conduce a nuclear elevado gen contenido y poliploidía . La endorreplicación puede entenderse simplemente como una forma variante del ciclo celular mitótico (G1-S-G2-M) en el que la mitosis se evita por completo, debido a la modulación de la actividad quinasa dependiente de ciclina (CDK). [1] [2] [3] [4] Ejemplos de endorreplicación caracterizada en artrópodos , mamíferos yLas especies vegetales sugieren que es un mecanismo de desarrollo universal responsable de la diferenciación y morfogénesis de los tipos de células que cumplen una serie de funciones biológicas . [1] [2] Si bien la endorreplicación a menudo se limita a tipos celulares específicos en los animales, está considerablemente más extendida en las plantas, de modo que la poliploidía se puede detectar en la mayoría de los tejidos vegetales. [5]

Ejemplos en la naturaleza

Tipos de células endoreplicantes que se han estudiado ampliamente en organismos modelo

Endoreplicación, endomitosis y poltenización

La endoreplicación, la endomitosis y la poltenización son tres procesos algo diferentes que dan como resultado la poliploidización de una célula de manera regulada. En la endorreplicación, las células se saltan la fase M por completo, lo que da como resultado una célula poliploide mononucleada . La endomitosis es un tipo de variación del ciclo celular donde se inicia la mitosis, pero algunos de los procesos no se completan. Dependiendo de cuánto avance la célula a través de la mitosis, esto dará lugar a una célula poliploide mononucleada o binucleada . La poltenización surge con una amplificación insuficiente o excesiva de algunas regiones genómicas, creando cromosomas politénicos . [3] [4]

Endociclado frente a endomitosis

Importancia biológica

Sobre la base de la amplia gama de tipos de células en las que se produce la endorreplicación, se han generado una variedad de hipótesis para explicar la importancia funcional de este fenómeno. [1] [2] Desafortunadamente, la evidencia experimental para respaldar estas conclusiones es algo limitada:

Tamaño de la célula / organismo

La ploidía celular a menudo se correlaciona con el tamaño celular, [12] [14] y, en algunos casos, la interrupción de la endorreplicación da como resultado una disminución del tamaño de las células y los tejidos [16], lo que sugiere que la endorreplicación puede servir como un mecanismo para el crecimiento tisular. En relación con la mitosis, la endorreplicación no requiere reordenamiento citoesquelético o la producción de nueva membrana celular y, a menudo, ocurre en células que ya se han diferenciado. Como tal, puede representar una alternativa energéticamente eficiente a la proliferación celular entre tipos de células diferenciadas que ya no pueden permitirse sufrir mitosis. [17] Si bien la evidencia que establece una conexión entre la ploidía y el tamaño del tejido es frecuente en la literatura, también existen ejemplos contrarios. [18]

Diferenciación celular

En el desarrollo de tejidos vegetales, la transición de la mitosis a la endorreplicación a menudo coincide con la diferenciación celular y la morfogénesis . [18] Sin embargo, queda por determinar si la endorreplicación y la polipoidía contribuyen a la diferenciación celular o viceversa. La inhibición dirigida de la endorreplicación en los progenitores de tricomas da como resultado la producción de tricomas multicelulares que exhiben una morfología relativamente normal, pero que finalmente se desdiferencian y se absorben en la epidermis de la hoja . [19] Este resultado sugiere que la endorreplicación y la poliploidía pueden ser necesarias para el mantenimiento de la identidad celular.

Ovogénesis y desarrollo embrionario

La endoreplicación se observa comúnmente en las células responsables de la nutrición y protección de ovocitos y embriones . Se ha sugerido que un mayor número de copias de genes podría permitir la producción masiva de proteínas necesarias para satisfacer las demandas metabólicas de la embriogénesis y el desarrollo temprano. [1] De acuerdo con esta noción, la mutación del oncogén Myc en las células del folículo de Drosophila da como resultado una endorreplicación reducida y ovogénesis abortiva . [20] Sin embargo, la reducción de la endosperma del maíz tiene un efecto limitado sobre la acumulación de almidón y proteínas de almacenamiento , lo que sugiere que los requisitos nutricionales del embrión en desarrollo pueden involucrar los nucleótidos que componen el genoma poliploide en lugar de las proteínas que codifica. [21]

Almacenar el genoma

Otra hipótesis es que la endorreplicación protege contra el daño y la mutación del ADN porque proporciona copias adicionales de genes importantes . [1] Sin embargo, esta noción es puramente especulativa y hay pruebas limitadas de lo contrario. Por ejemplo, el análisis de cepas de levadura poliploide sugiere que son más sensibles a la radiación que las cepas diploides . [22]

Respuesta al estrés

La investigación en plantas sugiere que la endorreplicación también puede desempeñar un papel en la modulación de las respuestas al estrés. Al manipular la expresión de E2fe (un represor del endociclado en las plantas), los investigadores pudieron demostrar que el aumento de la ploidía celular reduce el impacto negativo del estrés por sequía en el tamaño de las hojas. [23] Dado que el estilo de vida sésil de las plantas requiere una capacidad para adaptarse a las condiciones ambientales, es atractivo especular que la poliploidización generalizada contribuye a su plasticidad de desarrollo.

Control genético de la endorreplicación

El ejemplo mejor estudiado de una transición de mitosis a endociclo se produce en las células del folículo de Drosophila y se activa mediante la señalización de Notch . [24] La entrada a los endociclos implica la modulación de la actividad de la quinasa dependiente de ciclina (CDK) mitótica y de la fase S. [25] La inhibición de la actividad de CDK en fase M se logra mediante la activación transcripcional de Cdh / fzr y la represión de la cadena reguladora G2-M / cdc25 . [25] [26] Cdh / fzr es responsable de la activación del complejo promotor de anafase (APC) y posteriorproteólisis de las ciclinas mitóticas . String / cdc25 es una fosfatasa que estimula la actividad mitótica del complejo ciclina-CDK. La regulación al alza de la actividad de CDK en fase S se logra mediante la represión transcripcional de la quinasa inhibidora dacapo. Juntos, estos cambios permiten la elusión de la entrada en mitosis, la progresión a través de G1 y la entrada en la fase S . La inducción de endomitosis en megacariocitos de mamíferos implica la activación del receptor c-mpl por la citoquina trombopoyetina (TPO) y está mediada por ERK1 / 2señalización. [27] Al igual que con las células del folículo de Drosophila, la endorreplicación en los megacariocitos resulta de la activación de los complejos de ciclina-CDK en fase S y de la inhibición de la actividad mitótica de ciclina-CDK. [28] [29]

Regulación de la muesca del endociclado

La entrada en la fase S durante la endorreplicación (y la mitosis) se regula mediante la formación de un complejo prerreplicativo (pre-RC) en los orígenes de la replicación , seguido del reclutamiento y la activación de la maquinaria de replicación del ADN . En el contexto de la endorreplicación, estos eventos se ven facilitados por una oscilación en la actividad de ciclina E - Cdk2 . La actividad de la ciclina E-Cdk2 impulsa el reclutamiento y la activación de la maquinaria de replicación, [30] pero también inhibe la formación pre-RC, [31]presumiblemente para asegurar que solo se produzca una ronda de replicación por ciclo. Si no se mantiene el control sobre la formación de pre-CR en los orígenes de la replicación, se produce un fenómeno conocido como " repetición ", que es común en las células cancerosas. [2] El mecanismo por el cual la ciclina E-Cdk2 inhibe la formación pre-RC implica la regulación a la baja de la proteólisis mediada por APC - Cdh1 y la acumulación de la proteína Geminina , que es responsable del secuestro del componente pre-RC Cdt1 . [32] [33]

Oscilaciones en ciclina E - Cdk2 actividad se modulan a través de la transcripción mecanismos y post-transcripcional. La expresión de ciclina E es activada por factores de transcripción E2F que se demostró que eran necesarios para la endorreplicación. [34] [35] [36] Un trabajo reciente sugiere que las oscilaciones observadas en los niveles de proteína E2F y ciclina E son el resultado de un ciclo de retroalimentación negativa que involucra la ubiquitinación dependiente de Cul4 y la degradación de E2F. [37] La regulación postranscripcional de la actividad de ciclina E-Cdk2 implica la degradación proteolítica de ciclina E mediada por Ago / Fbw7[38] [39] e inhibición directa por factores como Dacapo y p57 . [40] [41]Se describe la verdadera endomitosis en el tapete antera de la planta liliácea Eremurus. La membrana nuclear no desaparece, pero durante la metafase los cromosomas se condensan, a menudo considerablemente más que en la mitosis normal. Cuando las células madre del polen (PMC) pasan por la última mitosis premeiótica, las células tapetales tienen un núcleo diploide que se divide mientras que la célula permanece indivisa. Los dos núcleos diploides pueden sufrir una endomitosis y los núcleos tetraploides resultantes una segunda endomitosis. Una vía alternativa es una mitosis ordinaria, nuevamente sin división celular en lugar de uno de los ciclos endomitóticos. El cuadro citológico en el tapete se complica aún más por la restitución en anafase y la fusión de los grupos metafase y anafase durante la mitosis, procesos que podrían dar lugar a células con uno, dos o tres núcleos.en lugar de los dos o cuatro esperados. En estas células tapetales no se observa ningún signo de la llamada mitosis "inhibida". Cuando las PMC están en leptoteno-cigoteno, muy pocos núcleos tapetales están en endomitosis. Cuando las PMC han alcanzado el diploteno, casi el 100% de las células que no están en interfase muestran un estadio endomitótico.

Endorreplicación y oncogénesis

La poliploidía y la aneuploidía son fenómenos comunes en las células cancerosas. [42] Dado que la oncogénesis y la endorreplicación probablemente implican la subversión de los mecanismos reguladores del ciclo celular común, una comprensión profunda de la endorreplicación puede proporcionar información importante para la biología del cáncer.

Endomitosis premeiótica en vertebrados unisexuales

Las salamandras unisexuales (género Ambystoma ) son el linaje de vertebrados unisexuales más antiguo conocido, habiendo surgido hace unos 5 millones de años. [43] En estas hembras unisexuales poliploides, una replicación endomitótica premeiótica adicional del genoma duplica el número de cromosomas. [44] Como resultado, los huevos maduros que se producen después de las dos divisiones meióticas tienen la misma ploidía que las células somáticas de la salamandra hembra adulta. Se cree que la sinapsis y la recombinación durante la profase meiótica I en estas hembras unisexuales ocurren normalmente entre cromosomas hermanos idénticos y ocasionalmente entre cromosomas homólogos. Por tanto, se produce poca o ninguna variación genética. La recombinación entre cromosomas homeólogos ocurre raramente, si es que ocurre.[44] Dado que la producción de variación genética es débil, en el mejor de los casos, es poco probable que proporcione un beneficio suficiente para explicar el mantenimiento de la meiosis durante millones de años. Quizás la reparación recombinacional eficiente de los daños del ADN en cada generación proporcionada por la meiosis ha sido una ventaja suficiente para mantener la meiosis. [ cita requerida ]

Referencias

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enlaces externos

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