Fase G2

La entrada mitótica está determinada por un nivel umbral de complejo ciclina-B1 / CDK1 activo, también conocido como ciclina-B1 / Cdc2 o el factor promotor de la maduración (MPF). La ciclina-B1 / CDK1 activa desencadena acciones irreversibles en la mitosis temprana, incluida la separación del centrosoma, la ruptura de la envoltura nuclear y el ensamblaje del huso. En los vertebrados, hay cinco isoformas de ciclina B (B1, B2, B3, B4 y B5), pero el papel específico de cada una de estas isoformas en la regulación de la entrada mitótica aún no está claro. Se sabe que la ciclina B1 puede compensar la pérdida de ambas ciclina B2 (y viceversa en Drosophila). Saccharomyces cerevisiae contiene seis ciclinas de tipo B (Clb1-6), siendo la Clb2 la más esencial para la función. Tanto en vertebrados como en S. cerevisiae, se especula que la presencia de múltiples ciclinas de tipo B permite que diferentes ciclinas regulen diferentes partes de la transición G2 / M al mismo tiempo que hace que la transición sea robusta a las perturbaciones.

Posteriormente Las discusiones se centrarán en la activación espacial y temporal de ciclina B1 / CDK en células de mamíferos, pero vías similares son aplicables tanto en otros metazoos como en S. cerevisiae.

Síntesis y degradación de ciclina B1Editar

Los niveles de ciclina B1 se suprimen en todas las fases G1 y S por el complejo promotor de anafase (APC), una ubiquitina ligasa E3 que se dirige a la ciclina B1 para la proteólisis. La transcripción comienza al final de la fase S después de la replicación del ADN, en respuesta a la fosforilación de factores de transcripción como NF-Y, FoxM1 y B-Myb por los complejos G1 y G1 / S ciclina-CDK corriente arriba.

Regulación de actividad ciclina-B1 / CDK1Editar

Los niveles elevados de ciclina B1 provocan niveles crecientes de complejos ciclina B1-CDK1 en todo G2, pero el complejo permanece inactivo antes de la transición G2 / M debido a la fosforilación inhibidora por Wee1 y quinasas Myt1. Wee1 se localiza principalmente en el núcleo y actúa en el sitio Tyr15, mientras que Myt1 se localiza en la superficie exterior del ER y actúa predominantemente en el sitio Thr14.

Los efectos de Wee1 y Myt1 son contrarrestados por fosfatasas en la familia cdc25, que elimina los fosfatos inhibidores en CDK1 y, por lo tanto, convierte el complejo ciclina B1-CDK1 en su forma completamente activada, MPF.

La ciclinaB1-CDK1 activa fosforila y modula la actividad de Wee1 y las isoformas A y C de Cdc25. Específicamente, la fosforilación de CDK1 inhibe la actividad de la quinasa Wee1, activa la actividad de la fosfatasa de Cdc25C mediante la activación de la quinasa intermedia PLK1 y estabiliza la Cdc25A. Por lo tanto, CDK1 forma un ciclo de retroalimentación positiva con Cdc25 y un ciclo de retroalimentación negativa doble con Wee1 (esencialmente un ciclo de retroalimentación positiva neta).

Retroalimentación positiva y activación similar a un interruptor id = «2144be6567»>

Este gráfico ilustra los equilibrios estables para la actividad ciclina-B1 / CDK1 a concentraciones variables de ciclina B1, con el umbral de concentración de ciclina B para entrar en mitosis más alto que el umbral para salir de la mitosis.

Estos bucles de retroalimentación positiva codifican un interruptor biestable histerético en la actividad de CDK1 en relación con los niveles de ciclina B1 (ver figura). Este cambio se caracteriza por dos equilibrios estables distintos sobre una región biestable de concentraciones de ciclina B1. Un equilibrio corresponde a la interfase y se caracteriza por la inactividad de Cyclin-B1 / CDK1 y Cdc25, y un alto nivel de actividad Wee1 y Myt1. El otro equilibrio corresponde a la fase M y se caracteriza por una alta actividad de Ciclina-B1 / CDK1 y Cdc25, y una baja actividad de Wee1 y Myt1. Dentro del rango de biestabilidad, el estado de una célula depende de si estaba previamente en interfase o en fase M: la concentración umbral para entrar en la fase M es más alta que la concentración mínima que mantendrá la actividad de la fase M una vez que una célula ya ha salido de la interfase. .

Los científicos han validado tanto teórica como empíricamente la naturaleza biestable de la transición G2 / M. El modelo de Novak-Tyson muestra que las ecuaciones diferenciales que modelan el bucle de retroalimentación ciclina-B / CDK1-cdc25-Wee1-Myt1 admiten dos equilibrios estables en un rango de concentraciones de ciclina-B. Experimentalmente, la biestabilidad ha sido validada bloqueando la síntesis de ciclina B1 endógena y titulando células en interfase y fase M con concentraciones variables de ciclina B1 no degradable.Estos experimentos muestran que la concentración umbral para entrar en la fase M es más alta que el umbral para salir de la fase M: la ruptura de la envoltura nuclear ocurre entre 32-40 nm ciclina-B1 para las células que salen de la interfase, mientras que el núcleo permanece desintegrado a concentraciones superiores 16-24 nm en células que ya se encuentran en la fase M.

Este interruptor histérico biestable es fisiológicamente necesario por al menos tres razones. Primero, la transición G2 / M señala el inicio de varios eventos, como la condensación cromosómica y la ruptura de la envoltura nuclear, que cambian notablemente la morfología de la célula y solo son viables en células en división. Por lo tanto, es esencial que la activación de ciclina-B1 / CDK1 se produzca de manera similar a un interruptor; es decir, las células deben asentarse rápidamente en un estado de fase M discreto después de la transición y no deben persistir en un continuo de estados intermedios (por ejemplo, con una envoltura nuclear parcialmente descompuesta). Este requisito se satisface por la fuerte discontinuidad que separa los niveles de equilibrio de interfase y fase M de la actividad de CDK1; a medida que la concentración de ciclina-B aumenta más allá del umbral de activación, la célula cambia rápidamente al equilibrio de la fase M.

En segundo lugar, también es vital que la transición G2 / M ocurra unidireccionalmente, o solo una vez por célula. ciclo Los sistemas biológicos son intrínsecamente ruidosos, y las pequeñas fluctuaciones en las concentraciones de ciclina B1 cerca del umbral para la transición G2 / M no deberían hacer que la célula cambie entre los estados de interfase y fase M. Esto está garantizado por la naturaleza biestable del interruptor: después de que la célula pasa al estado de fase M, pequeñas disminuciones en la concentración de ciclina B no hacen que la célula vuelva a la interfase.

Finalmente, la continuación del ciclo celular requiere oscilaciones persistentes en la actividad ciclina-B / CDK1 a medida que la célula y sus descendientes entran y salen de la fase M. La retroalimentación negativa proporciona un elemento esencial de esta oscilación a largo plazo: la ciclina-B / CDK activa la APC / C, lo que provoca la degradación de la ciclina-B desde la metafase en adelante, restaurando la CDK1 a su estado inactivo. Sin embargo, los circuitos simples de retroalimentación negativa conducen a oscilaciones amortiguadas que eventualmente se establecen en un estado estable. Los modelos cinéticos muestran que los bucles de retroalimentación negativa junto con motivos de retroalimentación positiva biestables pueden conducir a oscilaciones persistentes, no amortiguadas (ver oscilador de relajación) del tipo requerido para el ciclo celular a largo plazo.

Retroalimentación positivaEditar

El ciclo de retroalimentación positiva mencionado anteriormente, en el que ciclina-B1 / CDK1 promueve su propia activación inhibiendo Wee1 y Myst1 y activando cdc25, no incluye inherentemente un «disparador ”Mecanismo para iniciar el ciclo de retroalimentación. Recientemente, ha surgido evidencia que sugiere un papel más importante para los complejos ciclina A2 / CDK en la regulación del inicio de este cambio. La actividad de ciclina A2 / CDK2 comienza en la fase S temprana y aumenta durante G2. Cdc25B ha sido demostrado que desfosforila Tyr15 en CDK2 en G2 temprano a medio de una manera similar al mecanismo CDK1 mencionado anteriormente. La regulación a la baja de ciclina A2 en células U2OS retrasa la activación de ciclina-B1 / CDK1 al aumentar la actividad de Wee1 y reducir la actividad de Plk1 y Cdc25C. Sin embargo, Los complejos de ciclina A2 / CDK no funcionan estrictamente como activadores de ciclina B1 / CDK1 en G2, ya que se ha demostrado que CDK2 es necesaria para la activación de la actividad del punto de control de G2 independiente de p53, tal vez a través de una fosforilación estabilizadora en C dc6. Las células CDK2 – / – también tienen niveles aberrantemente altos de Cdc25A. También se ha demostrado que la ciclina A2 / CDK1 media la destrucción proteasomal de Cdc25B. Estas vías a menudo están desreguladas en el cáncer.

Regulación espacialEditar

Además de los aspectos biestables e histeréticos de la activación de la ciclina B1-CDK1, la regulación de la localización de proteínas subcelulares también contribuye a la G2 / M transición. La ciclina B1-CDK1 inactiva se acumula en el citoplasma, comienza a ser activada por cdc25 citoplásmico y luego se secuestra rápidamente en el núcleo durante la profase (a medida que se activa más). En los mamíferos, la translocación de la ciclina B1 / CDK1 al núcleo se activa mediante la fosforilación de cinco sitios de serina en el sitio de retención citoplasmática (CRS) de la ciclina B1: S116, S26, S128, S133 y S147. En Xenopus laevis, la ciclina B1 contiene cuatro sitios análogos de fosforilación de serina de CRS (S94, S96, S101 y S113) que indican que este mecanismo está altamente conservado. La exportación nuclear también se inactiva mediante la fosforilación de la señal de exportación nuclear de ciclina B1 (NES). Los reguladores de estos sitios de fosforilación aún se desconocen en gran medida, pero se han identificado varios factores, incluidas las quinasas reguladas por señales extracelulares (ERK), PLK1 y la propia CDK1. Al alcanzar algún nivel umbral de fosforilación, la translocación de ciclina B1 / CDK1 al núcleo es extremadamente rápida.Una vez en el núcleo, la ciclina B1 / CDK1 fosforila muchas dianas en preparación para la mitosis, incluidas la histona H1, laminas nucleares, proteínas centrosómicas y proteínas asociadas a microtúbulos (MAP).

La localización subcelular de cdc25 también cambia de el citosol al núcleo durante la profase. Esto se logra mediante la eliminación de la secuencia de localización nuclear (NLS) -obscuring fosfatos y la fosforilación de la señal de exportación nuclear. Se cree que el transporte simultáneo de cdc25 y ciclina-B1 / CDK1 al núcleo amplifica la naturaleza de cambio de la transición al aumentar las concentraciones efectivas de las proteínas.