miniatura|Etapas do ciclo celular. O punto de restrición ocorre entre as fases G1 e S da interfase. O punto de control G2-M ocorre entre as fases G2 e M. O punto de control do fuso ten lugar durante a fase M. Ciclinas clave están asociadas con cada unha das fases mostradas.
Os puntos de control do ciclo celular (ou checkpoints do ciclo celular) son mecanismos de control do ciclo celular das células eucariotas que aseguran que este progrese adecuadamente. Cada punto de control serve como un posible punto de terminación situado en determinados momentos do ciclo celular, no cal se avalían as condicións da célula, e a progresión á seguinte fase do ciclo só ocorre cando as condicións son favorables. Hai moitos puntos de control no ciclo celular, pero os tres principais son: o punto de control G1, tamén coñecido como o Arranque ou punto de control de restrición ou punto de control maior; o punto de control G2/M; e a transición metafase-anafase, tamén coñecida como punto de control do fuso. A progresión a partir destes puntos de control está en gran medida determinada pola activación de quinases dependentes de ciclinas por subunidades proteicas reguladoras chamadas ciclinas, diferentes formas das cales prodúcense en cada etapa do ciclo celular para controlar eventos específicos que ocorren a continuación.
Introdución
Todos os organismos vivos son o produto de sucesivas roldas de divisións e crecemento celular desde as súas etapas iniciais. As células durante o proceso coñecido como ciclo celular duplican o seu contido e despois divídense en dúas. O propósito do ciclo celular é duplicar adecuadamente o ADN dos organismos e despois dividir a célula e o seu contido equitativamente entre as dúas células fillas resultantes. Nos eucariotas, o ciclo celular consta de catro grandes etapas: fase G1, durante a cal a célula é metabolicamente activa e crece continuamente; fase S, durante a cal ten lugar a replicación do ADN; fase G2, durante a cal o crecemento celular continúa e a célula sintetiza varias proteínas en preparación para a división; e a fase M (mitose), durante a cal os cromosomas duplicados (formados por cromátides irmás) sepáranse en dous núcleos fillos que aínda están na mesma célula, e finalmente a célula divídese en dúas (citocinese) orixinando as dúas células fillas cada unha cunha copia completa do ADN. Se comparamos o ciclo da célula procariota co da eucariota, o procariota (fisión binaria) é relativamente simple e rápido: o cromosoma replícase desde a orixe de replicación e a célula forma un septo de parede celular que divide a célula en dúas.
Como o ciclo celular eucariota é un proceso complexo, nos eucariotas evolucionou unha rede de proteínas reguladoras, coñecida como sistema de control do ciclo celular, que monitoriza e determina a progresión da célula polas sucesivas fases do ciclo. O sistema actúa como un temporizador ou reloxo, que establece un determinado lapso de tempo que a célula pasa en cada fase do ciclo, e ao mesmo tempo responde á información recibida dos procesos que controla. Os puntos de control ou checkpoints do ciclo celular teñen un importante papel no sistema de control ao detectaren os defectos que ocorren durante procesos esenciais como a replicación do ADN ou a segregación dos cromosomas, e inducen a parada do ciclo celular como resposta ata que os defectos sexan reparados. O principal mecanismo de acción dos puntos de control do ciclo celular é a regulación das actividades dunha familia de proteína quinase coñecida como quinases dependentes de ciclina (CDKs), que se unen a diferentes clases de proteínas reguladoras chamadas ciclinas, formándose así complexos específicos ciclina-CDK e activándose en diferentes fases do ciclo. Estes complexos, á súa vez, activan distintas dianas situadas augas abaixo para promover ou impedir a progresión do ciclo celular.
Punto de control de G1 (punto de restrición)
O punto de control de G1, tamén chamado punto de restrición nas células de mamíferos e punto de inicio ou arranque nos lévedos (start point), é o punto no cal a célula queda determinada para entrar no ciclo celular. A medida que a célula progresa ao longo da fase G1, dependendo das condicións internas e externas, pode facer tres cousas: prolongar o G1, entrar nun estado quiescente chamado G0, ou avanzar no ciclo e superar o punto de restrición. A presenza de danos no ADN é o principal indicador para que a célula se "restrinxa" e non entre no ciclo celular. A decisión de iniciar unha nova rolda de división celular ocorre cando a célula activa a transcrición dependente de ciclina-CDK, que promove a entrada na fase S. Este punto de control asegura o proceso posterior.
Durante os momentos iniciais da fase G1, hai tres represores transcricionais, coñecidos como proteínas peto (pocket proteins), que se unen a factores de transcrición E2F. A familia de xenes E2F é un grupo de factores de transcrición que teñen como diana moitos xenes que son importantes para o control do ciclo celular, entre os que están os das ciclinas, CDKs, reguladores dos puntos de control e proteínas de reparación do ADN. Unha regulación incorrecta da familia E2F obsérvase frecuentemente en casos de cancro, o que é unha proba de que a familia E2F é esencial para a regulación estreita da replicación do ADN e a división. As tres proteínas peto implicadas son: retinoblastoma (Rb), p107 e p130, que se unen a factores de transcrición E2F para impedir a progresión alén do punto de control de G1.
A familia de xenes E2F comprende algunhas proteínas con mecanismos activadores e outras con mecanismos represores. A p107 e a p130 actúan como correpresores para o E2F 4 e o E2F 5, que traballan reprimindo a transcrición de factores promocionadores do paso de G1 a S. A terceira proteína peto, a Rb, únese e reprime E2F 1, E2F 2 e E2F 3, que son os xenes das proteínas E2F con capacidades activadoras.
A retroalimentación positiva é esencial na regulación da progresión da fase G1 á S, e implica a fosforilación de Rb por un complexo proteico ciclina/CDK. A Rb que perdeu un fosfato (ou Rb desfosforilada) regula a saída da fase G0 do ciclo celular e a diferenciación. Durante o inicio da fase G1, factores de crecemento e os danos no ADN son os sinais para o incremento dos niveis de ciclina D, que despois se une a Cdk4 e Cdk6 para formar o complexo ciclina D:Cdk4/6. Este complexo sábese que inactiva Rb por fosforilación. Porén, os detalles da fosforilación de Rb son bastante complexos e específicos comparados cos coñecementos previos que se tiñan do punto de control de G1. A ciclina D:Cdk4/6 coloca só un fosfato (monofosforila) Rb nun dos seus catorce sitios de fosforilación accesibles e únicos. Cada un desas catorce isoformas con monofosforilación específica ten unha preferencia de unión diferencial aos distintos membros da familia E2F, o que probablemente se engade á diversidade de procesos celulares que hai no corpo dos mamíferos.
E2F 4 e E2F 5 dependen de p107 e p130 para manter a súa localización nuclear. Porén, a ciclina D:Cdk 4/6 tamén fosforila p107 e p130, un proceso que as libera da súa unión a E2F 4 e 5 (e entón escapan ao citoplasma), e permite que E2F 1-3 se unan ao ADN e inicien a transcrición da ciclina E. As proteínas Rb manteñen o seu estado monofosforilado durante os momentos iniciais da fase G1, mentres que a ciclina E se acumula e une a Cdk2.
A ciclina E:Cdk2 desempeña un papel importante adicional na fosforilación na transición de G1 a S. Concretamente, a ciclina E:Cdk2 promove un bucle de retroalimentación positiva que crea un interruptor de “todo ou nada”. En moitas redes de control xenético, as retroalimentacións positivas aseguran que as células non vaian para adiante e para atrás entre distintas fases do ciclo celular. A ciclina E:Cdk2 realiza a fosforilación de Rb en todos os seus sitios de fosforilación, polo que se di que está “hiperfosforilada”, o cal orixina a completa inactivación de Rb. A hiperfosforilación de Rb considérase o punto de restrición de G1 final, despois do cal a célula xa non pode ir cara a atrás no ciclo celular. Neste momento, as proteínas E2F 1-3 únense ao ADN e transcriben a ciclina A e Cdc 6.
O Inhibidor da quinase dependente de ciclina 1B (CDKN1B), tamén chamado p27, únese á ciclina E:Cdk2 impedindo a súa activación por inhibición. Porén, a medida que a ciclina A se acumula e se une a Cdk2, ambos forman un complexo e inhiben p27. A quinase dependente de ciclina da fase G1 funciona xunto coa quinase dependente de ciclina da fase S etiquetando p27 para a súa degradación. Á súa vez, isto permite unha activación completa do complexo ciclina A:Cdk2, un complexo que fosforila E2F 1-3 iniciando a súa disociación dos sitios promotores do ADN. Isto permite que E2F 6-8 se unan ao ADN e inhiban a transcrición. O bucle de retroalimentación negativo usado para inhibir con éxito ao inhibidor p27 é outro proceso esencial utilizado polas células para asegurar o movemento monodireccional e que non se recúe a fases previas no ciclo celular.
Cando ocorren danos no ADN ou cando a célula detecta algúns defectos que necesiten que o ciclo celular se atrase ou deteña en G1, esta parada do ciclo pode producirse por varios mecanismos. A resposta rápida implica eventos de fosforilación que se inician coa quinase ATM (ataxia telanxiectasia mutada) ou con ATR (proteína relacionada con ataxia telanxiectasia e Rad3), que actúan como sensores, dependendo do tipo de danos. Estas quinases fosforilan e activan as quinases efectoras Chk2 e Chk1, respectivamente, que á súa vez fosforilan a fosfatase Cdc25A, marcándoa así para a ubiquitinación e degradación. A medida que Cdc25A activa o antes mencionado complexo ciclina E-CDK2 ao retirar os fosfatos inhibidores de CDK2, en ausencia de Cdc25A, a ciclina E-CDK2 permanece inactiva, e a célula permanece na fase G1.
Hai outra resposta que se inicia para manter a detención do ciclo, pola cal Chk2 ou Chk1 fosforilan p53, un supresor de tumores, e isto estabiliza p53 ao impedir que se una a Mdm2, unha ubiquitina ligase que inhibe p53 ao etiquetalo para a súa degradación. A p53 estable actúa despois como un activador transcricional de varios xenes diana, incluíndo o de p21, un inhibidor do paso de G1 a S que promove o complexo ciclina E-CDK2. Ademais, outro mecanismo polo cal se activa p21 é pola acumulación de p16 en resposta a danos no ADN. A p16 distorsiona os complexos ciclina D-CDK4, o que causa a liberación de p21 dos complexos, e isto leva á desfosforilación e activación de Rb, o cal permite que Rb se una a e inhiba E2F 1-3, mantendo así a célula sen pasar á fase S. Recentemente, algúns aspectos deste modelo foron postos en cuestión.
Punto de control de G2
miniatura|441x441px|A concentración de ciclina mitótica mostra histérese e biestabilidade en relación coa activación de Cdk1. Despois da replicación do ADN na fase S, a célula experimenta unha fase de crecemento chamada G2. Durante este tempo, prodúcense as proteínas mitóticas necesarias e a célula queda unha vez mais suxeita a mecanismos reguladoros que aseguren que está nun estado axeitado para a súa entrada na fase mitótica proliferativa (M). Nesta transición de G2 a M interveñen múltiples puntos de control, cun factor común, a actividade da ciclina-Cdk.
Aínda que existen variacións nos complexos ciclina-Cdk requiridos entre os distintos organismos, a necesidade da actividade quinase está conservada e tipicamente orientada a ter un único acoplamento. Nos lévedos de fisión hai tres formas de ciclina mitótica, e seis no lévedo de xemación, aínda que a ciclina primaria utilizada é a ciclina B. A ciclina B servirá como referencia para a discusión da transición do punto de control G2/M.