El punto de restricción ( R ), también conocido como punto de control de inicio o G 1 / S , es un punto de control del ciclo celular en la fase G 1 del ciclo celular animal en el que la célula se "compromete" con el ciclo celular, y después del cual Ya no se requieren señales extracelulares para estimular la proliferación. [1] La característica bioquímica definitoria del punto de restricción es la activación de los complejos de ciclina-CDK de fase G 1 / S y S , que a su vez fosforilan proteínas que inicianReplicación del ADN , duplicación del centrosoma y otros eventos tempranos del ciclo celular. [2] Es uno de los tres puntos de control principales del ciclo celular, los otros dos son el punto de control de daños en el 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 hay lugar-marcadores moleculares o morfológicos para la posición de una celda en G 1 eran conocidos. Pardee usó un método de doble bloqueo en el que cambió las células de un bloque del ciclo celular (como la abstinencia de aminoácidos críticos o la abstinencia de suero) a otro y comparó la eficiencia de cada bloque para prevenir la progresión a la fase S. Encontró que ambos bloques en todos los casos examinados eran igualmente eficientes para bloquear la progresión de la fase S, lo que indica que todos deben actuar en el mismo punto en G 1 , 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 da como resultado la inhibición de la síntesis de proteínas. Sólo en células posmitóticas (es decir, células en G 1 temprano ) la retirada del suero obligó a las células a permanecer inactivas ( G 0 ). De hecho, Zetterberg descubrió que prácticamente toda la variabilidad en la duración del ciclo celular puede explicarse en el tiempo que le toma a la célula moverse desde el punto de restricción a la fase S. [5]
Señales extracelulares
Excepto por el desarrollo embrionario temprano, la mayoría de las células en organismos multicelulares persisten en un estado inactivo conocido como G 0 , donde la proliferación no ocurre, y las células típicamente se diferencian 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 volverse inactivo (G 0 ), o volver a entrar en G 1 .
La decisión de una célula de entrar o volver a entrar en el ciclo celular se toma antes de la fase S en G 1 en lo que se conoce como el punto de restricción, y está determinada por la combinación de señales extracelulares promocionales e inhibidoras que se reciben y procesan. Antes del punto R, una célula requiere que estos estimulantes extracelulares comiencen a progresar a través de las tres primeras subfases de G 1 (competencia, entrada G 1a , progresión G 1b ). Sin embargo, una vez que se ha pasado el punto R en G 1b , las señales extracelulares ya no son necesarias y la célula se compromete irreversiblemente a prepararse para la duplicación del ADN . La progresión adicional está regulada por mecanismos intracelulares. La eliminación de estimulantes antes de que la célula alcance el punto R puede resultar en la reversión de la célula a la inactividad. [1] [3] En estas condiciones, las células en realidad retroceden en el ciclo celular y requerirán tiempo adicional (aproximadamente 8 horas más que el tiempo de retiro en cultivo) después de pasar el punto de restricción para ingresar a la fase S. [3]
Señalización mitógena
Los factores de crecimiento (por ejemplo, PDGF , FGF y EGF ) regulan la entrada de células en el ciclo celular y la progresión al punto de restricción. Después de pasar este "punto sin retorno" parecido a un interruptor, 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 las RTK. Estos residuos de tirosina fosforilados facilitan el acoplamiento de proteínas que contienen un dominio SH2 (p. Ej., Grb2 ), que posteriormente pueden reclutar otras proteínas de señalización en la membrana plasmática y desencadenar cascadas de cinasas de señalización. Grb2 asociado a 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-GDPRas-GTP). [8] Active Ras activa la cascada de MAP quinasa, uniendo y activando Raf, que fosforila y activa MEK, que fosforila y activa ERK (también conocido como MAPK, ver también vía MAPK / ERK ).
A continuación, la ERK activa se trasloca al núcleo donde activa múltiples dianas, como el factor de transcripción factor de respuesta sérica (SRF), lo que da como resultado la expresión de genes tempranos inmediatos, en particular los factores de transcripción Fos y Myc . [8] [9] Los dímeros Fos / Jun comprenden el complejo del factor de transcripción AP-1 y activan genes de respuesta retardada, incluida la ciclina G1 principal , la ciclina D1 . [8] Myc también regula la expresión de una amplia variedad de genes pro-proliferativos y pro-crecimiento, incluida cierta inducción de ciclina D2 y Cdk4 . [5] Además, la actividad sostenida de ERK parece ser importante para la fosforilación y la localización nuclear de CDK2 , [8] apoyando aún más la progresión a través del punto de restricción.
Señalización de la vía PI3K
p85, otra proteína que contiene el dominio SH2, se une a las RTK activadas y recluta PI3K (fosfoinositido-3-quinasa), fosforilando el fosfolípido PIP2 en PIP3, 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 ), evitando así la fosforilación mediada por GSK3β y la posterior degradación de la ciclina D1 [10] ( ver figura [11] ). Akt regula además los componentes G1 / S mediante la promoción de la traducción de ciclina D1 mediada por mTOR, [12] fosforilación de los inhibidores de Cdk p27 kip1 (evitando su importación nuclear) y p21 Cip1 (disminución de la estabilidad) e inactivando la fosforilación 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 favorece la actividad de G1 y G1 / S-Cdk.
Señalización anti-mitógena
Los antimitógenos como la citocina TGF-β inhiben la progresión a través del punto de restricción, provocando una detención de G1. La señalización de TGF-β activa Smads, que forma un complejo con E2F4 / 5 para reprimir la expresión de Myc y también se asocia 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 una manera típica. El factor de crecimiento se une a los receptores en la superficie celular y una variedad de cascadas de fosforilación dan como resultado la captación de Ca 2+ y la fosforilación de proteínas. Los niveles de fosfoproteína están compensados por las fosfatasas. En última instancia, se produce la activación transcripcional de ciertos genes diana. Se debe mantener la señalización extracelular y la célula también debe tener acceso a suficientes suministros de nutrientes para apoyar la síntesis rápida de proteínas. La acumulación de ciclina D es esencial. [15]
Las cdks 4 y 6 unidas a ciclina D se activan mediante la quinasa de activación de cdk y conducen a la célula hacia el punto de restricción. La ciclina D, sin embargo, tiene una alta tasa de rotación (t 1/2 <25 min). Debido a esta rápida tasa de renovación, 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 mitogénico. [16] Los inhibidores de Cdk (CKI), como las proteínas Ink4 y p21 , ayudan a prevenir una actividad inadecuada de ciclina-cdk.
Los complejos activos de ciclina D-cdk fosforilan la proteína del retinoblastoma (pRb) en el núcleo. El Rb no fosforilado actúa como inhibidor de G 1 al prevenir 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 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 G1 tardía. [8] La alta densidad celular, la inanición de mitógenos y el TGF-β provocan la acumulación de p27 y la detención del ciclo celular. [14] De manera similar, el daño del ADN y otros factores estresantes aumentan los niveles de p21, mientras que la actividad de ERK2 y Akt estimulada por mitógenos conduce a la fosforilación inactivante de p21. [19]
Los primeros trabajos sobre la sobreexpresión de p27 sugirieron que puede asociarse e inhibir los complejos de ciclina D-Cdk4 / 6 y los complejos de ciclina E / A-Cdk2 in vitro y en tipos celulares seleccionados. [14] Sin embargo, los estudios cinéticos de LaBaer et al. (1997) encontraron que la titulación en p21 y p27 promueve el ensamblaje del complejo ciclina d-Cdk, aumentando la actividad general y la localización nuclear del complejo. [20] Estudios posteriores aclararon que la p27 puede ser necesaria para la formación del complejo ciclina D-Cdk, ya que los MEF de p27 - / - , p21 - / - mostraron una disminución en la complejación de ciclina D-Cdk4 que podría rescatarse 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 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 de 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 Lingchong You y Joe Nevins en la Universidad de Duke en 2008 demostró que el interruptor E2F histérico biestable subyace al punto de restricción. E2F promueve su propia activación y también promueve la inhibición de su propio inhibidor ( pRb ), formando dos bucles de retroalimentación (entre otros) que son importantes para establecer sistemas biestables. Los autores de este estudio utilizaron un sistema de GFP desestabilizado bajo el control del promotor E2F como una lectura de la actividad E2F . Las células privadas de suero se estimularon con concentraciones de suero variables y la lectura de GFP se registró a nivel de una sola célula. Descubrieron que el indicador de GFP estaba encendido o apagado, lo que indica que E2F estaba completamente activado o desactivado en todos los diferentes niveles séricos analizados. Otros experimentos, en los que analizaron la dependencia de la historia del sistema E2F confirmaron que funciona como un interruptor biestable histerético . [24]
En cáncer
El cáncer puede verse como una interrupción de la función normal del punto de restricción, ya que las células vuelven a entrar en el ciclo celular de forma continua e inapropiada y no entran en G 0 . [1] Las mutaciones en muchos pasos del camino hacia el punto de restricción pueden resultar en un crecimiento canceroso de células. Algunos de los genes que mutan con mayor frecuencia en el cáncer incluyen Cdks y CKI; Los Cdks hiperactivos o los CKI hipoactivos reducen el rigor del punto de restricción, lo que permite que más células eviten la senescencia. [17]
El punto de restricción es una consideración importante en el desarrollo de nuevas terapias farmacológicas. En condiciones fisiológicas normales, toda la proliferación celular está regulada por el punto de restricción. Esto se puede aprovechar y utilizar como una forma de proteger las células no cancerosas de los tratamientos de quimioterapia . Los fármacos de quimioterapia suelen atacar a las células que proliferan rápidamente. Mediante el uso de fármacos que inhiben la finalización del punto de restricción, como los inhibidores del receptor del factor de crecimiento , se evita que las células normales proliferen y, por tanto, se protegen de los tratamientos de quimioterapia. [dieciséis]
Ver también
- Factor promotor de la fase S
- Ciclina D
- Vía MAPK / ERK
- p21
- p27
Referencias
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