C a p i tolul 13 203 CICLUL CELULAR Organismele vii sunt compuse din celule, a căror creştere şi diviziune necesită succesiunea programată a unor evenimente şi procese care formează ci clul celular . Unele din aceste procese sunt continue, ca de exemplu sinteza proteinelor sau a lipidelor. Altele, de exemplu sinteza ADN, din contra, sunt procese discontinui şi depind de procesul de diviziune celulară. Fiecare ciclu celular cuprinde două perioade dinamic şi calitativ distincte: interfaza şi mitoza (fig.13.1). Se accentuează că procesul multiplicării celulare are la origine replicarea ADN- ului cromozomial, replicare care are loc în perioada interfazică S. 13 Fig. 13.1. Etapele ciclului celular
CICLUL CELULAR
Organismele vii sunt compuse din celule, a cror cretere i diviziune
necesit succesiunea programat a unor evenimente i procese care
formeaz ciclul celular . Unele din aceste procese
sunt continue, ca de exemplu sinteza proteinelor sau a
lipidelor.
Altele, de exemplu sinteza ADN, din contra, sunt procese
discontinui i depind de procesul de diviziune celular. Fiecare
ciclu celular cuprinde dou perioade dinamic i calitativ distincte:
interfaza i mitoza (fig.13.1). Se accentueaz c procesul
multiplicrii celulare are la origine replicarea ADN-
ului cromozomial, replicare care are loc în perioada interfazic
S.
13
204
Interfaza
Interfaza ocup cea mai mare parte din durata ciclului celular
(90%), constituie perioada în care celula desfoar o susinut
activitate biosintetic (sinteza de ADN, ARN, proteine),
asigurând condiiile necesare realizrii diviziunii celulare. In
cadrul acestei etape au fost descrise trei perioade
distincte:
- decondensarea cromatinei – proces
important pentru
activarea transcripiei genelor; - reorganizarea
nucleolilor;
- cromozomii sunt monocromatidieni i se caracterizeaz prin
set diploid (2n = 2c).
Perioada S – perioada sintetic, se
caracterizeaz prin: - replicarea semiconservativ asincron a
moleculelor
de ADN;
- dublarea cantitatii de ADN ; - cromozomi
bicromatidieni (2n = 4c);
- sinteza simultan de proteine histone i nehistone implicate
în sinteza i compactizarea ADN;
- dublarea centriolilor (fig. 13.2).
Perioada G2 – perioada postsintetic
sau premitotic – care se caracterizeaz prin:
sau mitoza, se încheie cu diviziunea citoplasmei
sau
citochineza.
Mitoza i citochineza ocup o scurt perioad de timp (10%) din durata
desfurrii ciclului celular, numit perioada mitotic (M). Mitoza,
odat declanat, este un proces continuu. Dar pentru studiu i
descriere, a fost împrit în patru etape: profaza, metafaza,
anafaza i telofaza.
Profaza. Se caracterizeaz prin prezena în nucleu a cromozomilor
bicromatidieni (2n=4c). Aceste cromatide, unite
la nivelul centromerului, reprezint imaginea citologic a
procesului chimic de replicare a ADN-ului. Cromozomii
se
condenseaz puternic, se îngroa i devin vizibili. Pe ambele
pri ale centromerilor se maturizeaz câte un kinetocor.
La
sfâritul profazei nucleolul dispare iar membrana nuclear disociaz.
Concomitent se organizeaz aparatul de diviziune: centriolii se
deplaseaz spre polii opui ai celulei, se formeaz fusul de diviziune
prin asamblarea microtubulilor.
Fig. 13.2. Ciclul centriolilor
Metafaza. Firele fusului de diviziune unesc centriolii i cromozomii
prin intermediul kinetocorilor. Cromozomii sunt
dispui în plan ecuatorial, formând placa ecuatorial. La aceast faz
cromozomii sunt maximal condensai i prezint forma optim pentru
studiul citologic.
Anafaza. Începe prin clivarea longitudinal a centromerului
fiecrui cromozom, separarea celor dou cromatide surori i migrarea
lor simultan spre polii opui ai celulei (fig. 13.3). La aceast faz
cromozomii devin monocromatidieni, iar celula are un set tetraploid
de cromozomi
(4n = 4c).
Telofaza. În telofaz se încheie migrarea cromozomilor fii ctre
polii celulei, fiecare pol coninând 2n cromozomi
monocromatidieni (set diploid). Începe decondensarea
progresiv a cromozomilor i revenirea la starea
cromatinei
Fig. 13.3. Mecanismul micrii filamentelor fusului de
diviziune
disociaz. Se reasambleaz membrana nuclear în jurul fiecrui grup de
cromozomi. Reapar nucleolii.
Citochineza definete fenomenul de diviziune, în care are loc
separarea masei citoplasmatice în dou jumti i a organitelor
citoplasmatice în cele dou celule. La celulele animale diviziunea
citoplasmatic se realizeaz prin clivare.
Fiecare celul fiic motenete în urma citochinezei un set de
componente celulare. Deoarece, cu excepia nucleului, organitele
celulare nu se pot duplica în absena unei copii preexistente,
în celula parental are loc dublarea constituenilor celulari
înaintea declanrii citochinezei. Duplicarea organitelor celulare se
realizeaz prin mecanisme diferite. Mitocondriile cresc i se divid
prin fisiune semiautonom. Aparatul Golgi i RE se fragmenteaz în
vezicule din care vor fi constituite noile organite celulare, în
timp ce ribozomii se multiplic prin asamblarea elementelor
constituente (ARNr i proteine ribozomale). Se apreciaz c celula nu
dispune de un mecanism specializat de distribuire a organitelor
celulare, astfel încât celulele fiice nu sunt identice dup
coninutul citoplasmatic. Totodat replicarea ADN în interfaz i
mitoza asigur formarea celulelor identice genetic atât între ele
cât i cu celula mam.
Diviziunea mitotic st la baza înmulirii celulelor somatice, asigur
creterea organismului pluricelular, determin biomasa
organismului i regenerarea esuturilor.
Reglarea ciclului celular
superioare ciclul celular dureaz 10-25 ore, din care
diviziunea
celular dureaz o or. Perioada G1 are durata cea mai variabil, în
timp ce perioada S este cea mai constant pentru un anumit tip
celular.
Dup ce au depit perioada G1, timpul necesar pentru perioada S
i G2, deci pân la începutul diviziunii este foarte constant pentru
diferite celule. De acea s-a introdus noiunea de punct de restricie
(punct R) pentru momentul imediat, urmat
de sfâritul perioadei G1, care trebuie depit pentru ca celula s
poat parcurge etapele urmtoare ale ciclului celular (fig.
13.4).
Un alt punct de restricie se afl spre sfâritul perioadei G2.
Inhibarea sintezei proteinelor în aceast faz împiedic intrarea
celulei în mitoz. Se consider c o proteinkinaz solubil (o enzim ce
catalizeaz fosforilarea proteinelor) este activat spre sfâritul
perioadei G2 i acioneaz asupra proteinelor din lamina nuclear
i asupra histonelor H1. Fosforilarea proteinelor din lamina nuclear
induce dezasamblarea înveliului nuclear, pe când fosforilarea
histonelor H1 produce condensarea cromozomilor, fenomen
caracteristic mitozei.
Reglarea succesiunii evenimentelor ciclului celular
Acurateea proceselor de replicare i segregare a ADN depinde de
succesiunea evenimentelor ciclului celular într -o ordine
strict, astfel încât, declanarea unui nou eveniment s survin doar
în urma încheierii complete a evenimentului precedent.
- derularea replicrii materialului genetic nuclear este
controlat de alt factor – semnal de
întârziere a perioadei
mitotice; - declanarea procesului mitotic, în care are
loc segregarea
materialului genetic, este dirijat de factorul de activare a
mitozei (M-phase promoting factor: MPF ).
Factorii de cretere
factorii de cretere ai unor celule (nervilor, fibroblastelor),
poliamine (putrescina), hormoni (în special estrogenii).
Exist i factori tisulari, care inhib diviziunile celulare cum sunt
chalonele (peptide sau glicoproteine) (tab. 13.1).
Tabelul 13.1. Factorii de cretere i aciunea lor asupra
celulelor int
Factorul de cretere epidermal – EGF
Stimuleaz proliferarea mai multor tipuri celulare
Factori de cretere de tip insulinic – IGF1,
IGF2
Stimuleaz proliferarea adipocitelor i a celulelor din esutul
conjunctiv
Factorul de cretere a fibroblatilor – FGF
Stimuleaz proliferarea: fibroblatilor, celulelor endoteliale i
mioblatilor
Factorul de cretere neuronal – NGF
Induce cretere axonal i viabilitatea neuronilor simpatici i senzori
INTERLEUKINA 2 – IL2 Stimuleaz proliferarea
limfocitelor T
INTERLEUKINA 3 – IL3
ERITROPOIETINA Stimuleaz proliferarea celulelor precursoare ale
eritrocitelor
Factori de stimulare a
Factori de stimulare a
coloniilor de macrofage – M-CSF
Competiia celulelor pentru factorii de cretere menine constant
densitatea populaiei celulare. În momentul în care densitatea
populaiei celulare depete o valoare prag, concentraia factorilor de
cretere scade i în consecin diviziunea celular este
oprit.
Ciclinele
Descoperirea ciclinelor i a protein-kinazelor
dependente de cicline (cdk ) a permis interpretarea corect a
mecanismelor ce regleaz ciclul celular.
Ciclinele reprezint un grup restrâns de proteine a cror sintez se
realizeaz într -un mod dependent de perioadele ciclului
celular. Ele activeaz cdk, formând cu acestea complexe ce
prezint activitate kinazic. Pe parcursul formrii complexelor,
ciclinele induc modificri conformaionale i de locaie a cdk ceea ce
confer acestora specificitate în folosirea diferitelor substraturi.
Specificitatea activitii catalitice a complexelor ciclina /cdk st
la baza parcurgerii de ctre celul a ciclului celular.
Evenimentele ce marcheaz intrarea celulei în perioada mitotic sunt
rezultatul fosforilrii directe sau indirecte a unor proteine
de ctre MPF. Prin fosforilarea laminelor nucleare, MPF declaneaz
dezorganizarea membranei nucleare. Fosforilarea histonei H1, proces
ce iniiaz condensarea cromatinei, este catalizat de proteinkinaz,
enzim activat prin fosforilare de ctre MPF. Se consider c un
mecanism indirect similar de fosforilare st la baza asamblrii
fusului de diviziune. Ciclinele i protein-kinazele dependente de
cicline constituie
componentele motorului ciclului celular (fig. 13.4).
Ciclinele se clasific în trei grupe (fig. 13.5):
1. ciclinele perioadei G1 – ciclinele D i
E; 2. ciclinele perioadei S – ciclina
A;
3. ciclinele perioadei G2 – ciclina B.
Fig. 13.5. Activitatea ciclinelor în ciclul celular
Organismele multicelulare i-au dezvoltat sisteme
complexe de comunicare între celulele care le alctuiesc. Prin
intermediul acestor sisteme se asigur reglarea dezvoltrii i
organizrii esuturilor, controlul creterii i proliferrii,
coordonarea activitii celulelor, esuturilor i organelor. Sunt
descrise dou clase principale de gene care codific proteine
implicate în reglarea ciclului celular: protoncogenele i genele
supresoare de tumori (antioncogene).
Protooncogenele reprezint o clas eterogen de secvene de ADN,
aflate în celulele normale, ale cror funcii se exercit în cadrul
proceselor de cretere, proliferare i difereniere celular. Acestea
codific factori de cretere, receptori ai factorilor de cretere,
cicline i ali mitogeni. Protooncogenele sunt active în celulele
embrionare, iar la adult – doar în celulele
esuturilor proliferative (celulele epiteliale, celulele
hematopoezei). Prin
mutaii, eveniment accidental, protooncogenele se pot transforma în
oncogene (de ex., c-bcl, c-myc, c-ras, c-jun etc.).
Oncogena este, deci, forma anormal, activat, a unei
protooncogene, care se caracterizeaz prin capacitatea de a
induce i/sau promova proliferarea anormal (în exces) –
caracter specific celulelor canceroase.
Genele supresoare de tumori (GST) au roluri cruciale în fiziologia
celulelor. Produii lor proteici alctuiesc reele de
semnalizare intracelulare cu funcii diametral opuse celor pe care
le îndeplinesc reelele formate din proteinele codificate de
protooncogene. GST funcioneaz inhibând proliferarea i
diferenierea celular. Unele GST codific factori proteici ce
controleaz replicarea i reparaia ADN i stopeaz intrarea celulei în
mitoz atât timp cât aceste procese nu iau sfârit. Pierderea sau
inactivarea GST (de ex., prin hipermetilarea unor
secvene ADN reglatoare ale unor uniti transcripionale)
Adeziunea celular
formarea adeziunilor intercelulare i celula-matrice este o
condiie important în depirea punctului de restricie. Dup intrarea
în perioada sintetic, pân la încheierea mitozei, celulele
pierd parial legturile ce le stabilizeaz în esut i se
rotunjesc (fig.13.6).
S-a constatat c celulele cultivate în suspensie, supuse unei agitri
permanente, devin sferice i îi pierd capacitatea
proliferativ, fenomen numit dependen de ancorare a diviziunii
celulare.
Evoluia celulelor
dup diviziune
În dependen de perioada ontogenetic i tipul esutului dup diviziune
celulele pot avea o evoluie diferit, controlat genetic. Celulele
esuturilor proliferative se divid intens, producând populaii
noi de celule. Alte celule prsesc ciclul celular pentru o
difereniere (specializare) terminal i rmân într -o perioad de
activitate metabolic de susinere G0. Celulele
Fig. 13.6. Configuraia celulelor în diferite etape
ale ciclului celular
214
care i-au epuizat programul de supravieuire sunt eliminate din esut
prin apoptoz. Pe lâng proliferare i difereniere, în organism,
celulele a cror funcie este epuizat, sunt înlturate i înlocuite de
celule tinere. Procesul de înlturare este un proces fiziologic i a
fost denumit apoptoz sau moarte celular
programat.
Toate celulele unui organism pluricelular pornesc de la o
celul zigot cu setul de gene capabil s asigure
creterea i dezvoltarea unui organism complex format din diferite
esuturi. Replicarea ADN i mitoza asigur transmiterea aceleai
informaii genetice tuturor celulelor care vor rezulta din
diviziunea zigotului. În diferite perioade ontogenetice celulele îi
modific aspectul, compoziia i ca rezultat – funciile.
Diferite celule se deosebesc între ele prin setul de proteine
necesare pentru activitatea celulei i setul specializat de proteine
necesare pentru îndeplinirea unor funcii specifice esutului dat. De
exemplu, în celulele dermului se sintetizeaz keratin, în eritrocite
– hemoglobina, în celulele intestinului
– fermeni digestivi, în celulele retinei
– opsine etc. Coninutul difereniat de proteine în
diferite celule este determinat de expresia difereniat a genelor în
timp i spaiu. Astfel, diferenierea celular este determinat de
“conectarea” sau “deconectarea” unor gene cu expresie difereniat în
timp i spaiu.
Apoptoza
215
recunoscute ca strine sau preneoplazice (a cror apoptoz este indus
de celule citotoxice) sau celule care au pierdut contactul cu
mediul lor înconjurtor (de exemplu, celulele epidermice, care au
migrat, în urma unui traumatism în esutul subcutanat), sau celule
în exces care intr în competiie cu alte celule pentru un semnal
inhibitor.
S-a demonstrat c apoptoza are loc în: - cursul
dezvoltrii normale a embrionului; - regresia organelor
la larve în timpul metamorfozei; - pierderea
celulelor din spaiul interdigital al mânii la
embrionul uman;
- eliminarea celulelor senescente sau lezate din
esuturi; - eliminarea celulelor transformate
(canceroase);
- în sistemul imun - prin apoptoz se realizeaz
îndeprtarea unor clone limfocitare i selecia altora.
Fiecare celul primete multiple semnale (hor moni,
citokine) prin intermediul receptorilor specifici. Aceste
semnale
pot induce intrarea celulei în ciclul celular sau în apoptoz.
De exemplu, glucocorticoizii sau ionoforul de Ca2+ induc
apoptoza
în timocite. Acest proces este inhibat prin activarea
protein-
kinazei C de ctre un ester forbol sau de ctre IL1. Alterarea unui
receptor specific ar putea determina apariia unei clone maligne,
dezechilibrând aceast relaie între semnalele inductoare i
represoare ale apoptozei i ale proliferrii.
Caracter istica esenial a apoptozei este reprezentat de
clivajul ADN dublu – catenar la nivelul
linker -ilor
intranucleozomici (fig.13.7).
216
internucleozomal, dând natere la o serie de fragmente formate din
180-200 perechi de baze.
Dup clivarea ADN urmeaz fragmentarea nucleului urmat de
fragmentarea celulei i formarea corpilor apoptotici . Acetia
sunt fagocitai de celulele vecine sau de limfocte. Fagocitarea
corpilor apoptotici se realizeaz în urma recunoaterii de ctre
celulele fagocitare a noilor molecule, care sunt expuse pe suprafaa
membranei corpilor apoptotici (de ex., glicani bogai în reziduuri
de N-acetil- glucozamin). În mecanismul declanrii acestui proces au
fost identificate o serie
de gene. Din categoria acestor gene s-a demonstratrolul a dou
grupuri principale: oncogenele (myc, ras, bcl-2) i unele gene
Fig. 13. 7. Schema evenimentelor din apoptoz
217
supresoare ale creterii tumorale (p53) care pot fi implicate în
iniierea sau blocarea apoptozei.
Unele proto-oncogene (c-bcl-2) blocheaz specific moartea fiziologic
a celulei (apoptoza). Supraexpresia oncogenelor mutante c-ras poate
produce acelai efect blocant, chiar dac celulele au fost expuse la
diferii factori de cretere, la care ele sunt sensibile i care în
condiii normale ar fi condus la moartea lor prin apoptoz. În
schimb, gena supresoare a creterii tumorale, p53, are un efect
opus, ea induce apoptoza în celulele susceptibile.
Apoptoza i senescena
În timpul îmbtrânirii (senescenei), s-a observat în majoritatea
organelor o scdere a numrului de celule, ca rezultat al încetinirii
ritmului de cretere a celulelor i al eliminrii lor prin apoptoz.
Acestea ar putea fi consecine ale unei deficiene de factori
de cretere, a unor anomalii de
Fig. 13.7. Reglarea apoptozei
transmitere a semnalelor inter- i intracelulare i a modificrii
ciclului celular. Apoptoza intervine în eliminarea celulelor
senescente alterate. Dac apoptoza este perturbat, poate fi antrenat
eliminarea celulelor sntoase i pstrarea celulelor anormale.
Deci, în cursul îmbtrânirii apoptoza ar permite eliminarea
celulelor cu funcionare deficitar – apoptoza
normal. Mecanismele reglatoare ale apoptozei ar fi activate
de
ctre o leziune celular incompatibil cu supravieuirea celulei. În
alt caz, activarea acelorai mecanisme va avea drept
consecin dispariia celulelor normale – apoptoza abuziv.
De
exemplu, diminuarea progresiv a sintezei anumitor factori de
cretere i/sau de supravieuire o dat cu vârsta nu ar permite
meninerea decât a unei populaii celulare din ce în ce mai redus
numeric.
În alte cazuri, mecanismele de control ale apoptozei ar fi ele
însei afectate de îmbtrânire i activarea lor ar putea determina
deleia neadecvat a celulelor normale – apoptoz
aberant. Activarea inoportun i/sau disfuncia mecanismului
apoptotic ar contribui la moartea celular în exces, fenomen
caracteristic senescenei.
Verificarea cunotinelor: 1. Definii
noiunile: ciclu celular, mitoz, interfaz, kinetocor,
punct de restricie, cicline, factor de cretere,
apoptoz. 2. Care sunt perioadele ciclului
celular?
3. Ce procese au loc în interfaz?
4. Care este durata ciclului celular?
5. Ce factori controleaz evenimentele din
interfaz?
6. Ce factori induc mitoza?
7. Care este rolul biologic al mitozei?