Ciclo Celular: Introdução

Rodrigo MartinsICB _ LaNCE _ HU

rodrigomartins@ufrj.br

Células são geradas a partir de células e a única maneira de se fazer nova célula é a DIVISÃO de 

uma célula pré‐existente

De bactérias a mamíferos multicelulares

Ciclos sucessivos de duplicação

Quando na presença de estímulos adequados as células podem se multiplicar através de repetidos ciclos de proliferação e divisão 

celular, que em função dessa natureza cíclica, esse ciclo de vida das células proliferantes foi 

denominado CICLO CELULAR

> Proliferação Celular vs. Crescimento Celular

> Nem todas as células precisam crescer para se dividir

Divisão Celular em Blastômeros

Roteiro

• Fases do Ciclo Celular• Relevância da Pesquisa sobre Ciclo Celular• Histórico• Os “Artistas do Espetáculo”: Ciclinas e CDKs• Métodos de Estudo do Ciclo Celular

Copiar e segregar/dividir material genômico de modo perfeito! 

Fases do Ciclo Celular

> Mitose pode ocorrer sem citocinese > Formação de célulacom muitos núcleos

> Embriões de Drosophila

Mitose

G1

Síntese de DNA (S)

G2

G0(pós-mitótica)

Particularidades do Ciclo Celular durante a Organogênse/

Desenvolvimento de Organismos Multicelulares

“Nascimento”

Ciclo Celular está Acoplado a

Mecanismos de Diferenciação Celular

**divisões simétricas vs. assimétricas

Divisão Meiótica Gera Células Germinativas Haplóides

Relevância do Estudo do Ciclo Celular

Biologia do Desenvolvimento

wt Sox2

Fantes et al. Nature Genet. 33: 461‐2, 2003 

Olena et al. Genes and Dev. 20: 1187‐02, 2006 

Microftalmia

A Retina de Vertebrados

Mitose

Fase S

Desenvolvimento

Proliferação

Saída do Ciclo Celular

Especificação do Tipo Celular

Morte Celular

Migração

Sinaptogênese

Coordenação entre Proliferação, Saída do Ciclo e Diferenciação é Crucial para Formação da Retina

Particular Importância do Controle de Ciclo Celular para o Desenvolvimento da Retina

Saída Precoce do Ciclo Saída Tardia do CicloFunctional RetinaRetinoblastoma

Importância Clínica do Estudo do Ciclo: Biologia do Câncer

Saída de um estado quiescente para um estado de proliferação celular 

ativa é um pré‐requisito para formação de diversos tumores

Necessidade de Controle Inequívoco do Estado Pós-mitótico

Células‐Tronco e Terapias Celulares

Teratomas

Células Multipotentes com capacidadede gerar diferentes tipos celulares / tecidos / órgãos

Prêmio NobelO Nobel em Fisiologia ou Medicina de 2001 foi dado a pesquisadores

que fizeram descobertas sobre os mecanismos moleculares do ciclocelular (proteínas cdk e ciclina e seus mecanismos de ação).

Hartwell, H. L.,Culotti, J. & Reid, B. Genetic control of the cell‐division cycle in yeast. I Detection of mutants. PNAS 66, 352–359 (1970).

Leland Hartwell Tim Hunt Paul Nurse

Hartwell, L. H., Culotti, J., Pringle, J.R. & Reid, B.J. Genetic control of the cell division cycle in yeast. Science 183, 46‐51 (1974).

Nurse, P. et al. Genetic control of the cell division cycle in the fission yeast Schizosaccharomyces pombe. Mol. Gen. Genet. 146, 167–178 (1976).

Evans, R., Rosenthal, E.T., Youngblom, J., Distel, D. & Hunt, T. Cyclin: a protein specified by maternal mRNA in sea urchin eggs that is destroyed at each cleavage division. Cell 33, 389–396 (1983)

Desde 2002

Periódicos Internacionais Especializados

www.landesbioscience.com/journals/cc/

Histórico

Rudolf Virchow, 1821 – 1902

“ Toda célula se origina de outra célula similar pré‐existente.“

1858

Robert Remak, 1815‐1865

Omnis cellula e cellula 

Na vidada para o XX, a divisão celular foi estudadaem detalhe por embriologistas e microscopistas 

• Eduard Strasburger (1875), botânico, e Walther Flemming (1979), que estudava células 

animais, são considerados os descobridores da MITOSE;

• Flemming descreveu a cromatina e ambos deduziram que o núcleo estaria relacionado com 

hereditariedade;

Walther Flemming, 1843 – 1905 Eduard Strasburger, 1844 ‐ 1912

• Nas décadas de 1970 e 1980, novas metodologias de biologia molecular 

permitiram os pesquisadores das áreas de biologia celular, bioquímica e 

genética, de forma conjunta, elucidar os mecanismos moleculares de 

controle do ciclo celular;

• Novamente, o progresso científico foi fruto das pesquisas e descobertas

terem sido feitas em diversos organismos vivos cada um com suas

“vantagens” biológicas ou metodológicas;

• Embriologistas vs. Geneticistas

Embriologistas ‐ Anfíbios, Ouriço do mar e outros invertebrados marinhos

Geneticistas ‐ Leveduras

“Cell Cycle Classics”

Pesquisas em leveduras levaram a descoberta de Genes essenciais para o Ciclo Celular

• Reprodução rápida• Genoma relativamente pequeno ( em torno de 1% do nosso)• Fácil manipulação genética• Rápida identificação e caracterização de mutantes genéticos;

Genes Cdc (Cell‐division cycle)

Busca sistemática por mutações que inativavam genes necessários para o ciclo/divisão celular

Cdc15 selvagem

Cdc15 mutante

Muitas Descobertas sobre a Bioquímica do Ciclo  foram feitas Estudando de Ovócitos Anfíbios

• 1 ovócito de Xenopus tem 1mm de diâmetro e um volume de citoplasma 100.000 vezes maior que uma célula humana;

• Fertilização dispara Divisão por Clivagem* do ovócito;• Total de 4096 células em 7 horas ( ~15 minutos de fase S e M)• Fases G1 e G2 indetectáveis;• Fácil de injetar substâncias nas células e observar efeitos no ciclo.

Descoberta do MPF  (“Maturation promotion factor”)

Masui e Markert, 1971 - J. Exp. Zool. 177: 129-146

Maturação = indução de entrada em meiose

MPF = complexo proteico formado pelas ptns :Cinase Cdc2 (hoje também chamada de Cdk1)eCiclina B2

COMPORTAMENTOCÍCLICODO MPF

Ger

hart,

J.;

Wu,

M. &

Kirs

chne

r, M

.J.

Cel

l Bio

l. 98

: 124

7-12

55, 1

984

ATIVIDADE DO MPFDEPENDE DESÍNTESE PROTÉICA

New

port,

J.W

. & K

irsch

ner,

M.

Cel

l 37:

731

-742

, 198

4

A “natureza” do MPF  (“Maturation promotion factor”)

MPF E CICLINAS

IDENTIFICAÇÃODE CICLINASEM OVOS DEINVERTEBRADOMARINHO

Hunt, T.; Luca, F.C. & Ruderman, J.V.J. Cell Biol. 116: 707-724, 1992

Cdc2 = CDK1 !!

Alguns dos genes essenciais para divisão das leveduras codificavam

exatamente proteínas que mediavam a atividade

bioqímica/biológica do MPF

“MPF was first known for its function, then as a protein and finally as a 

gene. In contrast, CDC28 (S. cerevisiae) or cdc2 (S. pombe) was  first 

described as a gene with a known function and only later was the 

protein identified. Cyclin was first discovered as a protein, then as a 

gene and finally its function was known as a component of MPF”

Os Artistas do Espetáculo: Ciclinas e CDKs

• Ciclinas – Proteínas cuja expressão varia de forma dependente da fase do ciclo celular

• CDK (cinases dependentes de ciclina ) 1‐ Proteínas cinase  ‐ capazes de transferir radicais fosfato para seus substratos (vídeo)

2‐ CDKs são serina‐treonina cinases

3‐ Atividade de cinase das CDK depende de associação com as ciclinas

4‐ Eventos pós‐traducionais de fosforilação e defosforilação contribuem para a ativação plena das CDK

Moléculas Reguladoras do Ciclo são extremamente conservadas evolutivamente

Em camundongos, por exemplo, existem aproximadamente 20 enzimas CDK, mas somente algumas regulam a transição entre as fases do ciclo celular (ex: CDK1, CDK2, CDK4, CDK6 e CDK7

Alterações cíclicas na atividade das CDKs depende da associação dessas cinases com as ciclinas. Ao contrário das CDK, cuja expressão não varia muito, a expressão das ciclinas muda dependendo da fase ciclo celular.

A fosforilação de dezenas de substratos celulares por enzimas CDKs específicas em estágios específicos do ciclo celular induz modificações funcionais dos diferentes substratos

Eventos como a desmantelamento da membrana nuclear, condensação da cromatina, indução da replicação do DNA e montagem dos fusos mitóticos dependem das fosforilações mediadas por diferentes CDKs

• A transição entre as 

fases do ciclo celular é 

regulada por diferentes 

complexos ciclina/CDK

• Como as células conseguem variar a quantidade das ciclinas ?

Transcrição Gênica e Síntese de proteínas

vs. 

Proteólise Controlada  Ubiquitinação e Degradação proteossomal

CDK1 regula Mitose e tem degradaçãomediada pelo complexo APC (“anaphase‐promoting complex”)

Além da Expressão de Ciclinas (transcricional vs. proteólise) a atividade das CDKs também é regulada 

por eventos PÓS‐TRADUCIONAIS

Wee1

Cdc25CAK (MO15, Cdk7/CycH)

Regulação Pós‐traducional da Ativação de CDK1

Regulação Simplificada da Transição G1-S do Ciclo Celular

“Rb” = Rb, p107 ou p130

Ciclina / CDK

Ciclina D1Ciclina D3Ciclina E

CDK4/6CDK2

Proto‐oncogenes (MYC)

Ativação de vias de sinalização por Mitógenos

Reguladores “Upstream”

Entrada na fase S

“Rb”

Ciclina/CDK

“Rb”

G1

S

G0(Pós-mitótica)

Proteínas Rb: Supressores de Tumor que controlam o Ciclo Celular

Rb1 +/-

• RBL: Terceiro tipo de câncer pediátrico mais comum

• Somente ~10% de sobrevivência quando ocorre metástase

• Enucleação: Perda de visão

Proteínas CKI (CDK inhibitor) Inibem as CDKs

Regulação Simplificada da Transição G1-S do Ciclo Celular

“Rb” = Rb, p107 ou p130

Ciclina / CDK

Ciclina D1Ciclina D3Ciclina E

CDK4/6CDK2

CKIKip

p21

p27

p57

Ink

p15, p16p18, p19

Proto‐oncogenes (MYC)

Supressores de Tumor (p53/Arf)

Reguladores “Upstream”

Entrada na fase S

“Rb”

CKI

Ciclina/CDK

“Rb”

G1

S

G0(Pós-mitótica)

Pontos de Checagem ou Checkpoints

É necessário um controle de qualidade da replicação do DNA

A perfeição na divisão mitotica é crucial para que os cromossomos duplicados sejam corretamente distribuídos para as células‐filha

O ambiente está propício para que a célula continue se proliferando e entre na fase S novamente?

Mecanismos Moleculares de Checkpoints regulam diretamente a atividade das CDKs

Técnicas de Estudo

Timidina Tritiada 3[H] Bromodeoxi-Uridina – BrdU

Iododeoxi-Uridina - IrdU

Como determinar em que fase do ciclo celular uma célula está?

Citofluorometria

Análogos de timidina são incorporados ao DNAna fase S do Ciclo

Uso de múltiplos marcadores de Fase S permite detectarRe-Entrada no Ciclo Celular

In vivoBrdU

48 h 

In vitro3[H]‐timidina

24 h 24 h 

In vivointervalo

P30 “p107‐single”

Comparando a Quantidade Total de Células Proliferantes

time (hr)

3[H]‐thymidine

RB1H3-thymidine

p27Kip1H3-thymidine

Rb

p27Kip1

3[H]‐thymidine

3[H]‐thymidine

Proportion of progenitorsdividing at that developmental stagefor each animal

retinas

Estudo da Cinética de Progressão no Ciclo Celular:Saída do Ciclo Celular ou Aumento do tempo de Ciclagem?

(Exit or Lengthening? )

Proporção de célulasproliferantes se dividindo

time (hr)

Velocidade de progressãono ciclo celular

1234 5

6789

Clone de 9 células   

1

Infecção por Retrovírus Incompetente de Replicação no Estudo da Proliferação Celular (Expansão Clonal)

retinaretinasE14.5

10 dias de cultura

11

Retrovírus Incapaz de Replicação

Modelos de Estudo mais Modernos

Repórter fluorescente das diferentes fases do ciclo celular in vivo

Sakaue‐Sawano  et al., 2008 Cell. 132(3):487‐98. Visualizing spatiotemporal dynamics of multicellular cell‐cycle progression

Mais Informações

• Molecular Biology of THE CELL ‐ Cap 17

• http://www.hchs.hunter.cuny.edu/wiki/index.php?title=19th_Century_Science

• http://www.nature.com/ncb/journal/v3/n1/full/ncb0101_e1.html