Replicación en Eucariotas
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El paso de una fase a la siguiente es un evento altamente regulado. Los puntos críticos de control, o puntos de control, se encuentran en la transición G1 a S y en la transición G2 a M. El punto de control a finales de G1 es el momento para que la célula evalúe si tiene suficientes nucleótidos, proteínas y otros materiales para formar dos células. El punto de control previo a la transición G2/M permite realizar cualquier reparación o corrección necesaria en el ADN antes de la mitosis. La pérdida de control de la transición G0 a G1, o en los otros puntos de control, genera células que crecen de manera incontrolada. Esta expansión inapropiada en el número de células es fundamental para la progresión de los cánceres, y de ahí que el estudio de los eventos moleculares en estos puntos de control sea un área de investigación intensamente activa en biología celular y bioquímica. Un tratamiento completo de este importante tema está más allá del alcance de este curso. En general, la progresión del ciclo celular está regulada por señales ambientales (como factores de crecimiento extracelular) y monitores intracelulares del estado metabólico, integridad del ADN, etc. Estas señales dispares eventualmente inciden en proteínas quinasas altamente reguladas. La activación de proteínas quinasas particulares es necesaria para la progresión a través de cada punto de control. En general, se han visto dos tipos de regulación.
- Control de la cantidad de proteínas clave. La concentración de proteínas llamadas ciclinas sube y baja a través del ciclo celular. Algunas de las ciclinas son componentes de proteínas quinasas cuya actividad regula el paso por los puntos de control. Las ciclinas deben estar presentes a una concentración suficientemente alta para que la quinasa sea activa.
- Control del estado de fosforilación. Las proteínas que regulan el ciclo celular (como es cierto para muchas proteínas reguladoras) pueden modificarse covalentemente, por ejemplo, mediante fosforilación en un proceso catalizado por proteínas quinasas. El estado de fosforilación determinará el nivel de actividad de la proteína. Entonces, por ejemplo, una proteína quinasa clave que regula el paso a través del punto de control G1 a S debe tener su subunidad catalítica en el estado correcto de fosforilación, además de tener cantidades suficientes de su subunidad ciclina.
Se están persiguiendo muchas líneas de investigación para comprender mejor la regulación del ciclo celular. Un enfoque fundamental ha sido el aislamiento de puntuaciones de mutantes condicionales de levadura que son defectuosos en su progresión a través del ciclo celular a la temperatura restrictiva. Estos mutantes tienen fenotipos particulares dependiendo de en qué etapa del ciclo celular se detienen en condiciones no permisivas. Los grupos de complementación definidos por dichos mutantes se denominan CDC, para los fenotipos c ell d ivision c ycle, seguido de un número. Por ejemplo, una proteína quinasa cuya actividad es necesaria tanto para la transición G1/S como para la G2/M en S. cerevisiae es el producto del gen CDC28, y el polipéptido se llama Cdc28p.
Una vez que una celda ha entrado en la fase S, cada origen de replicación debe dispararse una vez, pero solo una vez. Como se discutió anteriormente, el ORC es requerido para el inicio de la replicación en un origen, pero ¿qué determina cuándo se dispara el origen? Este es un tema de considerable estudio actual, y muchos de los detalles aún se desconocen. En S. cerevisiae, el ORC se une a secuencias específicas de ADN, los orígenes de replicación, a lo largo del ciclo celular, no solo durante la fase S cuando los orígenes están activos. Durante la fase G1, ORC recluta otras proteínas, como las proteínas Cdc6 y Mcm (m ini c hromosoma m aintenace), para formar un complejo de prereplicación. En la transición G1/S, factores adicionales se asocian con este complejo, y una actividad de quinasa dependiente de ciclina (CDK) estimula la iniciación de la replicación en la fase S. Después del inicio, las proteínas Cdc6 y Mcm se liberan del complejo de prereplicación, dejando el ORC aún unido al origen pero incapaz de reiniciar la replicación hasta el siguiente ciclo celular. En mamíferos, un ORC intacto no está unido de manera estable al origen, sino que una de las subunidades, ORC1, es reclutada al origen en un tiempo definido durante G1. Sin embargo, tanto en levaduras como en mamíferos, los eventos en G1 que involucran el complejo de preiniciación marcan un origen para la cocción en la siguiente fase S.
Como se discutió anteriormente, muchos orígenes de replicación, y por lo tanto muchos replicones, se utilizan para replicar cada cromosoma. Estos orígenes no disparan todos al mismo tiempo. De hecho, los replicones pueden iniciarse en diferentes momentos durante la fase S. Los replicones que contienen genes que se expresan activamente en una determinada célula tienden a replicarse antes en la fase S que los replicones que contienen genes no expresados. Este es un ejemplo de variación específica de tejido en el tiempo de replicación. El tiempo durante la fase S en el que se disparará un origen particular se determina temprano en G1, en el momento en que los dominios de cromatina se reposicionan en el núcleo después de la mitosis y antes de que se forme el complejo de preiniciación. Los eventos importantes para la regulación del inicio en los orígenes de replicación ocurren en diversos momentos durante G1, pero la gama completa de proteínas y actividades que llevan a cabo estos eventos aún es cuestión de estudio.