Puntos de control del ciclo celular y mecanismos de conservación de la integridad genómica

La proliferación celular no consiste simplemente en una sucesión automática de fases, sino en un proceso sometido a mecanismos de vigilancia molecular que permiten a la célula comprobar si las condiciones necesarias para continuar son adecuadas. Estos mecanismos reciben el nombre general de puntos de control del ciclo celular y funcionan como sistemas de decisión distribuidos a lo largo de G1, S, G2 y M. Su finalidad esencial es impedir que una célula replique un genoma incompleto o dañado y, posteriormente, distribuya cromosomas incorrectamente entre las células hijas. La conservación de la integridad genómica depende de la coordinación entre las proteínas que impulsan el ciclo celular, los sistemas de reparación del DNA, las vías de respuesta al daño genómico y el punto de control del huso mitótico.

El fundamento molecular de esta vigilancia se encuentra en que la progresión del ciclo celular está impulsada principalmente por oscilaciones coordinadas de la actividad de las quinasas dependientes de ciclina. Estas enzimas forman complejos con diferentes ciclinas y fosforilan proteínas que permiten pasar de una fase a la siguiente. La actividad de estos complejos no aumenta simplemente de manera continua, sino que es regulada mediante síntesis y degradación de ciclinas, fosforilación y desfosforilación de proteínas reguladoras, inhibidores de quinasas dependientes de ciclina y sistemas de ubiquitinación que determinan la destrucción selectiva de proteínas esenciales. Esta organización permite que determinadas transiciones sean dependientes de acontecimientos anteriores y que una célula pueda detener temporalmente su progresión cuando una condición indispensable no se ha cumplido.

Por esta razón, conviene precisar una idea contenida en la afirmación original. Los puntos de control no constituyen un único mecanismo que determine la cronología de cada acontecimiento de la mitosis. Existen varios sistemas de vigilancia con funciones diferentes. Algunos actúan antes de la replicación del DNA, otros durante la propia fase S, otros antes de la entrada en mitosis y otro sistema especializado funciona durante la mitosis para impedir la separación prematura de las cromátidas hermanas. Por tanto, el control de la integridad genómica y el control de la segregación cromosómica están estrechamente relacionados, pero no son equivalentes.

Uno de los primeros niveles de control se establece durante G1, antes de que comience la fase S. En esta etapa, los cromosomas deben quedar preparados para ser replicados y cada origen de replicación debe adquirir la capacidad de iniciar la síntesis de DNA. Este proceso se denomina licenciamiento de los orígenes de replicación. El complejo de reconocimiento del origen, junto con Cdc6, Cdt1 y el complejo MCM2-7, establece los complejos prerreplicativos que preparan los orígenes para la replicación posterior. La separación temporal entre el licenciamiento y la activación de los orígenes constituye una protección fundamental contra la rereplicación del DNA, porque impide que un mismo origen pueda iniciar repetidamente la síntesis dentro del mismo ciclo celular.

Este mecanismo es importante porque la precisión de la replicación no depende únicamente de que las DNA polimerasas incorporen nucleótidos correctamente. También es necesario garantizar que cada región del genoma sea replicada una sola vez. La regulación de los niveles y de la actividad de los factores de licenciamiento limita la posibilidad de que una región cromosómica vuelva a iniciar la replicación después de haber sido duplicada. La pérdida de este control puede producir rereplicación, conflictos con la maquinaria de replicación y daño genómico, favoreciendo la inestabilidad cromosómica.

Una vez que la célula entra en S, comienza la duplicación del genoma. Esta fase exige una coordinación extraordinariamente precisa porque todos los cromosomas deben ser copiados antes de que pueda producirse una segregación cromosómica normal. La replicación comienza en múltiples orígenes distribuidos a lo largo de los cromosomas y progresa mediante horquillas de replicación. La regulación de la activación de los orígenes, la progresión de las horquillas y la disponibilidad de mecanismos de reparación permite completar la duplicación del material genético dentro del intervalo temporal correspondiente. La alteración de cualquiera de estos procesos puede provocar estrés replicativo, interrupción de las horquillas y generación de estructuras de DNA susceptibles de convertirse en lesiones permanentes.

Durante S existe, por tanto, una vigilancia particularmente importante del estado de las horquillas de replicación. Cuando una horquilla se detiene, se acumulan regiones de DNA monocatenario recubiertas por RPA, que constituyen una señal molecular para la activación de ATR mediante ATRIP. La activación de ATR desencadena una cascada que incluye CHK1 y que modifica la actividad de múltiples proteínas implicadas en la replicación, la reparación y la progresión del ciclo celular. El resultado es una disminución de la probabilidad de que la célula continúe avanzando de manera descontrolada mientras persiste el problema. Al mismo tiempo, se favorece la estabilización de las horquillas y la reparación de las lesiones que interfieren con la replicación.

Esto explica por qué es más exacto hablar de una red de respuesta al daño del DNA que de un único punto de control. Las células deben detectar diferentes tipos de lesiones, porque una rotura de doble cadena, una región de DNA monocatenario, una horquilla de replicación detenida o una alteración de la estructura de la cromatina no constituyen exactamente la misma señal molecular. Las quinasas ATM y ATR ocupan posiciones centrales en esta respuesta. ATM responde particularmente a lesiones como las roturas de doble cadena, mientras que ATR tiene una función fundamental en la respuesta al estrés replicativo y a estructuras de DNA monocatenario.

Cuando se produce una rotura de doble cadena, el complejo MRN participa en el reconocimiento inicial de los extremos de DNA y en la activación de ATM. Esta activación provoca la fosforilación de múltiples sustratos, entre ellos H2AX, CHK2 y p53. La modificación de H2AX genera γH2AX, que contribuye a organizar una región de cromatina alrededor de la lesión capaz de reclutar y concentrar proteínas adicionales de la respuesta al daño. De esta manera, la señal no queda limitada al punto físico de ruptura, sino que se amplifica y organiza espacialmente dentro de la cromatina para facilitar la reparación.

La conexión entre detección del daño y detención del ciclo celular es especialmente importante. ATM y ATR pueden activar quinasas efectoras como CHK2 y CHK1, respectivamente. Estas vías modifican reguladores del ciclo celular y reducen la actividad de los complejos que impulsan las transiciones entre fases. En el caso de una lesión que impide completar correctamente la replicación, esta respuesta evita que la célula avance hacia la mitosis con un genoma incompletamente duplicado. En el caso del daño detectado antes de la mitosis, la respuesta puede establecer un bloqueo en G2 que proporciona tiempo adicional para la reparación.

Un elemento central de esta decisión es la proteína p53. Cuando la respuesta al daño genómico activa las vías ATM, ATR y sus quinasas efectoras, se favorece la estabilización y activación de p53. Esta proteína actúa como un factor de transcripción capaz de modificar la expresión de genes relacionados con detención del ciclo celular, reparación, senescencia y muerte celular. De esta manera, p53 funciona como un importante integrador de la información procedente del estado genómico de la célula.

La detención del ciclo celular tiene una finalidad esencialmente protectora. Si una lesión puede repararse, detener la progresión proporciona tiempo para que actúen las vías correspondientes. La reparación puede implicar mecanismos diferentes dependiendo de la naturaleza de la lesión, y la respuesta celular debe coordinar la reparación con la progresión del ciclo para evitar que el DNA lesionado sea convertido en una mutación o en una alteración cromosómica durante la replicación o la segregación. Por ello, la detención del ciclo no representa necesariamente el destino final de la célula: puede ser temporal y reversible si el daño es reparado adecuadamente.

Después de la replicación, la célula entra en G2, donde existe otro nivel de vigilancia antes de la entrada en mitosis. Este control es particularmente importante porque la mitosis representa una transición en la que la célula debe distribuir físicamente los cromosomas ya duplicados. Una célula que entre en mitosis con DNA no reparado, replicación incompleta o estructuras cromosómicas anómalas puede transmitir alteraciones a las células hijas. Por ello, la respuesta al daño puede impedir la activación completa de la maquinaria mitótica mientras persistan determinadas señales de daño.

La mitosis introduce un problema diferente. Aunque el DNA haya sido correctamente replicado, todavía es necesario garantizar que las dos copias de cada cromosoma, denominadas cromátidas hermanas, sean distribuidas de manera adecuada. Para ello, la célula construye el huso mitótico, una estructura dinámica formada principalmente por microtúbulos. Los microtúbulos se organizan desde los centrosomas y establecen interacciones con estructuras especializadas de los cromosomas llamadas cinetocoros. El objetivo no consiste simplemente en construir un huso, sino en conseguir que cada cromosoma quede conectado al huso de manera compatible con una segregación bipolar correcta.

Aquí aparece el punto de control del ensamblaje del huso, denominado spindle assembly checkpoint. Su función principal es impedir la transición de metafase a anafase mientras existan cinetocoros que no hayan establecido las condiciones apropiadas de interacción con los microtúbulos. Por ello, aunque tradicionalmente se denomina punto de control del ensamblaje del huso, su función molecular está relacionada de manera particularmente estrecha con el estado de los cinetocoros y con las conexiones cromosoma-microtúbulo.

La razón de este control es fundamental. Si las cromátidas hermanas comenzaran a separarse antes de que todos los cromosomas estuvieran correctamente conectados al huso bipolar, podrían producirse errores de segregación. Una consecuencia posible sería que una célula hija recibiera un cromosoma adicional mientras otra quedara sin la copia correspondiente. Este fenómeno produce aneuploidía y constituye una fuente importante de inestabilidad cromosómica. El punto de control del huso reduce esa probabilidad retrasando la anafase hasta que se hayan satisfecho las condiciones necesarias para una segregación cromosómica apropiada.

La señal molecular que mantiene detenido este proceso se genera en gran medida en los cinetocoros que todavía no han satisfecho las condiciones del punto de control. Entre los componentes fundamentales se encuentran MPS1, BUB1, BUB3, BUBR1, MAD1 y MAD2. Cuando un cinetocoro permanece sin una unión adecuada, MPS1 participa en una cascada de fosforilación que favorece el reclutamiento de componentes del punto de control y la formación del complejo de control mitótico.

Uno de los componentes centrales de esta señal es MAD2. En el cinetocoro no satisfecho, la maquinaria del punto de control favorece la conversión conformacional de MAD2 y su asociación con CDC20. Posteriormente, esta interacción permite la formación del complejo de control mitótico, constituido por MAD2, CDC20, BUBR1 y BUB3. Este complejo funciona como un potente inhibidor del complejo promotor de la anafase o complejo promotor de la anafase y del ciclo, conocido como APC/C.

El APC/C es una ligasa de ubiquitina de tipo E3 cuya actividad resulta esencial para la transición de metafase a anafase. En condiciones normales, cuando el punto de control del huso ha sido satisfecho, el APC/C activado por CDC20 favorece la ubiquitinación de proteínas específicas que posteriormente son degradadas por el proteasoma. Entre sus objetivos fundamentales se encuentran securina y ciclina B. La degradación de securina permite la activación de separasa, una proteasa que escinde la cohesina que mantiene unidas a las cromátidas hermanas. La degradación de ciclina B contribuye a disminuir la actividad de CDK1 y favorece la salida de la mitosis.

Mientras exista un cinetocoro que no haya satisfecho el punto de control, la formación del complejo de control mitótico mantiene inhibida la actividad del APC/C dependiente de CDC20. En consecuencia, securina no se degrada, separasa permanece inhibida y las cromátidas hermanas continúan unidas. Paralelamente, la estabilización de ciclina B mantiene la actividad de CDK1 necesaria para conservar el estado mitótico. De esta manera, una señal localizada en un cromosoma puede convertirse en una señal molecular capaz de retrasar la transición de toda la célula hacia la anafase.

Cuando finalmente todos los cinetocoros alcanzan una configuración apropiada y las interacciones con los microtúbulos satisfacen los requisitos del punto de control, la señal inhibitoria se extingue. La unión de los microtúbulos y los cambios estructurales asociados con los cinetocoros contribuyen a la eliminación de los componentes del punto de control y a la desactivación de la señal inhibitoria. Entonces el APC/C dependiente de CDC20 puede actuar sobre sus sustratos, se degrada securina, se activa separasa y comienza la separación de las cromátidas hermanas. Esta secuencia garantiza que la separación cromosómica sea posterior a la correcta preparación del sistema de segregación.

Por ello, la red de microtúbulos mencionada en la afirmación original no debe considerarse simplemente una estructura mecánica que mueve cromosomas. El huso mitótico constituye también un sistema de información espacial. Los cinetocoros permiten detectar si los cromosomas están conectados apropiadamente al aparato de segregación y transmiten esa información hacia el sistema regulador que decide si la célula puede iniciar la anafase. Así, la célula convierte un problema estructural, como la ausencia de una conexión cromosoma-microtúbulo, en una respuesta bioquímica que detiene la progresión del ciclo.

También es importante diferenciar el control de la replicación del DNA del punto de control del huso. La replicación ocurre fundamentalmente durante S, mientras que el punto de control del huso actúa durante M, particularmente antes de la transición metafase-anafase. Por consiguiente, decir que los “controles mitóticos” comprueban la precisión de toda la síntesis de DNA resulta demasiado amplio. La fidelidad de la duplicación del genoma es vigilada por una red de mecanismos que comienza antes de S y continúa durante S y G2, mientras que el punto de control del huso se especializa en asegurar la correcta segregación de los cromosomas durante la mitosis.

Esta separación funcional no significa que las distintas vías trabajen de forma independiente. Existe comunicación entre la respuesta al daño del DNA y el punto de control del huso. La evidencia experimental indica que las vías de respuesta al daño pueden influir en procesos mitóticos y que componentes asociados con la vigilancia mitótica pueden participar en respuestas relacionadas con la integridad cromosómica. Esta comunicación resulta lógica desde el punto de vista biológico porque una lesión del DNA puede modificar la estructura de los cromosomas y afectar posteriormente la segregación cromosómica.

Si el daño genómico persiste, la célula puede adoptar destinos diferentes. No existe una regla universal según la cual cualquier daño excesivo produzca inmediatamente apoptosis. La respuesta depende del tipo y magnitud del daño, del contexto celular, de la actividad de p53, de la capacidad de reparación y de otras señales que determinan el destino celular. Cuando la reparación resulta insuficiente y las señales proapoptóticas predominan, la célula puede activar apoptosis como mecanismo de eliminación de una célula potencialmente peligrosa para el organismo.

La apoptosis constituye una forma regulada de muerte celular caracterizada por una secuencia molecular altamente organizada. En la vía intrínseca, el daño genómico puede contribuir a la activación de p53 y a la modificación del equilibrio entre proteínas proapoptóticas y antiapoptóticas de la familia BCL-2. Cuando las señales proapoptóticas predominan, BAX y BAK pueden promover la permeabilización de la membrana externa mitocondrial. Como consecuencia, el citocromo c puede liberarse desde el espacio intermembranoso hacia el citosol y participar, junto con APAF1 y caspasa 9, en la formación del apoptosoma. Esta estructura activa una cascada de caspasas efectoras que ejecuta la destrucción ordenada de la célula.

El valor biológico de este mecanismo es evidente cuando se considera el riesgo de transmitir una alteración genética. Una célula con DNA gravemente dañado podría adquirir mutaciones, alteraciones estructurales de los cromosomas o errores de segregación y transmitirlos a su descendencia. Los puntos de control disminuyen inicialmente este riesgo mediante la detención del ciclo y la reparación. Si la recuperación no es posible o si las alteraciones comprometen suficientemente la integridad celular, la eliminación mediante apoptosis evita que esa célula continúe proliferando. La pérdida de estos mecanismos de vigilancia favorece la acumulación de alteraciones genómicas y constituye una característica fundamental de numerosos procesos tumorales.

La idea central puede entenderse como una cadena de decisiones sucesivas. Primero, la célula prepara el DNA para su replicación y evita que los mismos orígenes se activen repetidamente. Después, durante S, controla la progresión de la replicación y responde al estrés replicativo. Posteriormente, durante G2, verifica que las condiciones sean compatibles con la entrada en mitosis y activa mecanismos de reparación cuando existe daño. Finalmente, durante M, el punto de control del huso comprueba que los cromosomas hayan establecido conexiones adecuadas con el aparato de segregación antes de permitir la anafase. Si las alteraciones genómicas pueden resolverse, la célula intenta repararlas y reanudar el ciclo; si la respuesta al daño conduce a una decisión irreversible de eliminación, se activa un programa de muerte celular regulada.

Los puntos de control pueden considerarse sistemas de seguridad molecular que subordinan la progresión del ciclo celular al cumplimiento de condiciones biológicas indispensables. Su función no consiste simplemente en “detener” la célula, sino en convertir información sobre la integridad del genoma, el estado de la replicación y la configuración del aparato mitótico en decisiones bioquímicas concretas. Estas decisiones controlan la actividad de quinasas, fosfatasas, ligasas de ubiquitina, proteasas y factores de transcripción. Gracias a esta arquitectura, la célula no inicia la separación de los cromosomas simplemente porque haya transcurrido determinado tiempo, sino cuando las señales moleculares indican que los acontecimientos precedentes han alcanzado un estado compatible con una división segura.

La importancia de esta regulación se vuelve especialmente evidente al considerar que la división celular produce dos células hijas que deben heredar copias suficientemente fieles del genoma parental. Un defecto durante la replicación puede generar cambios en la secuencia del DNA; un defecto en la reparación puede permitir que esas lesiones persistan; un defecto en el punto de control del ciclo puede permitir que una célula dañada continúe proliferando; y un defecto en el punto de control del huso puede generar una distribución desigual de los cromosomas. Estos problemas son molecularmente distintos, pero convergen en una consecuencia común: la pérdida de estabilidad genómica. Por ello, la célula necesita una red integrada de vigilancia que controle tanto la integridad de la molécula de DNA como la arquitectura física necesaria para distribuirla correctamente durante la división.

No existe un único conjunto de “controles mitóticos” que vigile simultáneamente todos los acontecimientos desde la síntesis de DNA hasta la apoptosis. Lo que existe es una red jerárquica e interconectada de mecanismos de control. La regulación de la replicación garantiza que el genoma se duplique una sola vez y con la mayor fidelidad posible; la respuesta al daño detecta lesiones y activa reparación o detención del ciclo; el control G2 evita que determinados tipos de daño conduzcan prematuramente a la mitosis; y el punto de control del huso impide la separación de las cromátidas hasta que las condiciones de segregación cromosómica sean adecuadas. Cuando estos mecanismos no consiguen restaurar una integridad genómica compatible con la supervivencia y proliferación, las vías de muerte celular regulada pueden eliminar la célula. Estos sistemas constituyen una estrategia molecular de conservación de la estabilidad del genoma y explican por qué la progresión del ciclo celular está estrictamente subordinada a la correcta ejecución de los acontecimientos que la preceden.

Genética médica en líneak

Estudia medicina

FUENTE Y BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA:

1. Ciliberto, A., & Shah, J. V. (2009). A quantitative systems view of the spindle assembly checkpoint. Methods in Molecular Biology, 545, 201–222. https://doi.org/10.1007/978-1-60327-993-4_11.
2. Cortez, D. (2007). Homing in on the origins of DNA replication. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 8, 537–543. https://doi.org/10.1038/nrm2175.
3. Finn, K., Lowndes, N. F., & Grenon, M. (2012). Eukaryotic DNA damage checkpoint activation in response to double-strand breaks. Cellular and Molecular Life Sciences, 69, 1447–1473. https://doi.org/10.1007/s00018-011-0871-1.
4. Hochegger, H., Takeda, S., & Hunt, T. (2008). Cyclin-dependent kinases and cell-cycle transitions: Does one fit all? Nature Reviews Molecular Cell Biology, 9, 910–916. https://doi.org/10.1038/nrm2514.
5. Lara-Gonzalez, P., Westhorpe, F. G., & Taylor, S. S. (2012). The spindle assembly checkpoint. Current Biology, 22(22), R966–R980. https://doi.org/10.1016/j.cub.2012.10.006.
6. Méndez, J., & Stillman, B. (2000). Chromatin association of human origin recognition complex, cdc6, and minichromosome maintenance proteins during the cell cycle: Assembly of prereplication complexes in late mitosis. Molecular and Cellular Biology, 20(22), 8602–8612. https://doi.org/10.1128/MCB.20.22.8602-8612.2000.
7. Musacchio, A. (2015). The molecular biology of spindle assembly checkpoint signaling dynamics. Current Biology, 25(20), R1002–R1018. https://doi.org/10.1016/j.cub.2015.08.051.
8. Sherr, C. J., & Roberts, J. M. (2004). Living with or without cyclins and cyclin-dependent kinases. Genes & Development, 18(22), 2699–2711. https://doi.org/10.1101/gad.1256504.
9. Shiloh, Y. (2003). ATM and related protein kinases: Safeguarding genome integrity. Nature Reviews Cancer, 3, 155–168. https://doi.org/10.1038/nrc1011.
10. Zhou, B. B. S., & Elledge, S. J. (2000). The DNA damage response: Putting checkpoints in perspective. Nature, 408, 433–439. https://doi.org/10.1038/35044005.
11. Zou, L., & Elledge, S. J. (2003). Sensing DNA damage through ATRIP recognition of RPA-ssDNA complexes. Science, 300(5625), 1542–1548. https://doi.org/10.1126/science.1083430.