Fase G2 (Português)

A entrada mitótica é determinada por um nível de limiar do complexo ciclina-B1 / CDK1 ativo, também conhecido como ciclina-B1 / Cdc2 ou o fator de promoção da maturação (MPF). A ciclina-B1 / CDK1 ativa desencadeia ações irreversíveis na mitose inicial, incluindo separação do centrossoma, quebra do envelope nuclear e montagem do fuso. Em vertebrados, existem cinco isoformas de ciclina B (B1, B2, B3, B4 e B5), mas o papel específico de cada uma dessas isoformas na regulação da entrada mitótica ainda não está claro. Sabe-se que a ciclina B1 pode compensar a perda de ambas as ciclina B2 (e vice-versa na Drosophila). Saccharomyces cerevisiae contém seis ciclinas do tipo B (Clb1-6), sendo Clb2 a mais essencial para a função. Em vertebrados e em S. cerevisiae, especula-se que a presença de múltiplas ciclinas do tipo B permite que diferentes ciclinas regulem diferentes partes da transição G2 / M, ao mesmo tempo que torna a transição robusta a perturbações.

Subseqüente as discussões se concentrarão na ativação espacial e temporal da ciclina B1 / CDK em células de mamíferos, mas vias semelhantes são aplicáveis em outros metazoários e em S. cerevisiae.

Síntese e degradação de ciclina B1Editar

Ciclina B1 são suprimidos ao longo das fases G1 e S pelo complexo promotor da anáfase (APC), uma ubiquitina ligase E3 que tem como alvo a ciclina B1 para proteólise. A transcrição começa no final da fase S após a replicação do DNA, em resposta à fosforilação de fatores de transcrição como NF-Y, FoxM1 e B-Myb pelos complexos ciclina-CDK G1 e G1 / S a montante.

Regulamento de ciclina-B1 / CDK1 activityEdit

Níveis aumentados de ciclina B1 causam níveis crescentes de complexos de ciclina B1-CDK1 ao longo de G2, mas o complexo permanece inativo antes da transição G2 / M devido à fosforilação inibitória por Wee1 e cinases Myt1. Wee1 está localizado principalmente no núcleo e atua no local Tyr15, enquanto Myt1 está localizado na superfície externa do ER e atua predominantemente no local Thr14.

Os efeitos de Wee1 e Myt1 são neutralizados por fosfatases em a família cdc25, que remove os fosfatos inibidores em CDK1 e, assim, converte o complexo ciclina B1-CDK1 em sua forma totalmente ativada, MPF.

A ciclina B1-CDK1 ativa fosforila e modula a atividade de Wee1 e as isoformas A e C de Cdc25. Especificamente, a fosforilação de CDK1 inibe a atividade de Wee1 quinase, ativa a atividade de Cdc25C fosfatase por meio da ativação da quinase intermediária PLK1 e estabiliza Cdc25A. Assim, CDK1 forma um loop de feedback positivo com Cdc25 e um loop de feedback negativo duplo com Wee1 (essencialmente um loop de feedback positivo líquido).

Feedback positivo e activationEdit semelhante a um switch

Esses loops de feedback positivo codificam uma chave biestável histérica na atividade de CDK1 em relação aos níveis de ciclina B1 (veja a figura). Esta mudança é caracterizada por dois equilíbrios estáveis distintos sobre uma região biestável de concentrações de ciclina B1. Um equilíbrio corresponde à interfase e é caracterizado pela inatividade de Cyclin-B1 / CDK1 e Cdc25, e um alto nível de atividade de Wee1 e Myt1. O outro equilíbrio corresponde à fase M e é caracterizado pela alta atividade de Cyclin-B1 / CDK1 e Cdc25, e baixa atividade de Wee1 e Myt1. Dentro da faixa de biestabilidade, o estado de uma célula depende se ela estava anteriormente em interfase ou fase M: a concentração limite para entrar na fase M é maior do que a concentração mínima que manterá a atividade da fase M uma vez que uma célula já tenha saído da interfase .

Os cientistas validaram teórica e empiricamente a natureza biestável da transição G2 / M. O modelo Novak-Tyson mostra que as equações diferenciais que modelam o ciclo de feedback de ciclina-B / CDK1-cdc25-Wee1-Myt1 admitem dois equilíbrios estáveis em uma faixa de concentrações de ciclina-B. Experimentalmente, a biestabilidade foi validada bloqueando a síntese de ciclina B1 endógena e titulando células em interfase e fase M com concentrações variáveis de ciclina B1 não degradável.Esses experimentos mostram que a concentração limite para entrar na fase M é maior do que o limite para sair da fase M: a quebra do envelope nuclear ocorre entre 32-40 nm de ciclina-B1 para células que saem da interfase, enquanto o núcleo permanece desintegrado em concentrações acima 16-24 nm em células já na fase M.

Essa troca biestável e histérica é fisiologicamente necessária por pelo menos três razões. Em primeiro lugar, a transição G2 / M sinaliza o início de vários eventos, como condensação cromossômica e quebra do envelope nuclear, que alteram marcadamente a morfologia da célula e são viáveis apenas nas células em divisão. Portanto, é essencial que a ativação da ciclina-B1 / CDK1 ocorra de maneira semelhante a uma troca; isto é, as células devem se estabelecer rapidamente em um estado de fase M discreto após a transição e não devem persistir em um continuum de estados intermediários (por exemplo, com um envelope nuclear parcialmente decomposto). Este requisito é satisfeito pela descontinuidade acentuada que separa os níveis de equilíbrio da interfase e da fase M da atividade de CDK1; conforme a concentração de ciclina-B aumenta além do limite de ativação, a célula muda rapidamente para o equilíbrio da fase M.

Em segundo lugar, também é vital que a transição G2 / M ocorra unidirecionalmente, ou apenas uma vez por célula ciclo Os sistemas biológicos são inerentemente barulhentos, e pequenas flutuações nas concentrações de ciclina B1 perto do limite para a transição G2 / M não devem fazer com que a célula alterne entre os estados de interfase e M. Isso é garantido pela natureza biestável da troca: após as transições da célula para o estado de fase M, pequenas diminuições na concentração de ciclina B não fazem com que a célula volte para a interfase.

Finalmente, a continuação do ciclo celular requer oscilações persistentes na atividade da ciclina-B / CDK1 conforme a célula e seus descendentes entram e saem da fase M. O feedback negativo fornece um elemento essencial dessa oscilação de longo prazo: a ciclina-B / CDK ativa APC / C, que causa a degradação da ciclina-B da metáfase em diante, restaurando o CDK1 ao seu estado inativo. No entanto, loops de feedback negativo simples levam a oscilações amortecidas que eventualmente se estabelecem em um estado estacionário. Modelos cinéticos mostram que loops de feedback negativo juntamente com motivos de feedback positivo biestáveis podem levar a oscilações persistentes e não amortecidas (veja oscilador de relaxamento) do tipo necessário para ciclos celulares de longo prazo.

FeedbackEdit positivo

O ciclo de feedback positivo mencionado acima, em que o cyclin-B1 / CDK1 promove sua própria ativação inibindo Wee1 e Myst1 e ativando cdc25, não inclui inerentemente um “gatilho “Mecanismo para iniciar o ciclo de feedback. Recentemente, surgiram evidências sugerindo um papel mais importante para os complexos de ciclina A2 / CDK na regulação da iniciação desta troca. A atividade da ciclina A2 / CDK2 começa na fase S inicial e aumenta durante G2. Cdc25B foi mostrado para desfosforilar Tyr15 em CDK2 no início a meio G2 de uma maneira semelhante ao mecanismo CDK1 mencionado acima. A regulação negativa da ciclina A2 em células U2OS atrasa a ativação da ciclina-B1 / CDK1 aumentando a atividade de Wee1 e diminuindo a atividade de Plk1 e Cdc25C. Os complexos de ciclina A2 / CDK não funcionam estritamente como ativadores de ciclina B1 / CDK1 em G2, já que CDK2 demonstrou ser necessário para a ativação da atividade do ponto de verificação independente de p53 G2, talvez por meio de uma fosforilação estabilizadora em C dc6. As células CDK2 – / – também têm níveis aberrantemente altos de Cdc25A. A ciclina A2 / CDK1 também mostrou mediar a destruição proteassomal de Cdc25B. Essas vias são frequentemente desreguladas no câncer.

Edição da regulação espacial

Além dos aspectos biestáveis e histeréticos da ativação da ciclina B1-CDK1, a regulação da localização da proteína subcelular também contribui para o G2 / Transição M. A ciclina B1-CDK1 inativa se acumula no citoplasma, começa a ser ativada pelo cdc25 citoplasmático e, em seguida, é rapidamente sequestrada para o núcleo durante a prófase (conforme é posteriormente ativada). Em mamíferos, a translocação da ciclina B1 / CDK1 para o núcleo é ativada por fosforilação de cinco locais de serina no local de retenção citoplasmática (CRS) da ciclina B1: S116, S26, S128, S133 e S147. Em Xenopus laevis, a ciclina B1 contém quatro locais de fosforilação de serina CRS análogos (S94, S96, S101 e S113) indicando que este mecanismo é altamente conservado. A exportação nuclear também é inativada pela fosforilação do sinal de exportação nuclear da ciclina B1 (NES). Os reguladores desses locais de fosforilação ainda são amplamente desconhecidos, mas vários fatores foram identificados, incluindo quinases reguladas por sinal extracelular (ERKs), PLK1 e o próprio CDK1. Ao atingir algum nível limite de fosforilação, a translocação da ciclina B1 / CDK1 para o núcleo é extremamente rápida.Uma vez no núcleo, a ciclina B1 / CDK1 fosforila muitos alvos em preparação para a mitose, incluindo histona H1, laminas nucleares, proteínas centrossomais e proteínas associadas a microtúbulos (MAPs).

A localização subcelular de cdc25 também muda de do citosol para o núcleo durante a prófase. Isto é conseguido através da remoção da sequência de localização nuclear (NLS) – fosfatos de obstrução e fosforilação do sinal de exportação nuclear. Pensa-se que o transporte simultâneo de cdc25 e ciclina-B1 / CDK1 para o núcleo amplifica a natureza do tipo switch da transição, aumentando as concentrações eficazes das proteínas.