Capítulo 2: Ciclo celular

En 1858, Rudolf Virchow estableció lo que puede considerarse el segundo principio de la teoría celular: “Toda célula procede de otra célula preexistente por división de ésta” (omnis cellula e cellula). Por esto, se considera que la célula es la unidad de origen de todos los seres vivos.

Para que esta acción pueda llevarse a cabo es necesario que la célula pase por un proceso denominado división celular. En los organismos unicelulares, como las bacterias y las levaduras, cada división celular produce un organismo nuevo completo, mientras que para dar origen a un organismo pluricelular como el ser humano, a partir de un cigoto (originado por la unión de dos gametos sexuales), se necesitará una gran cantidad de divisiones celulares. Sin embargo, éstas no se detienen una vez que el organismo está completo, sino que continúan durante toda la vida del individuo y son necesarias para reponer las células muertas o senescentes, así como en situaciones de traumatismo o lesión.

El ciclo celular representa el mecanismo fundamental subyacente a la reproducción de todos los seres vivos, y se divide en etapas, a través de las cuales la célula pasa de una división celular a la siguiente. Estos acontecimientos se realizan mediante una secuencia ordenada de procesos en los que la célula duplica su contenido y luego se divide en dos.

El ciclo celular se divide en dos fases principales: la fase M, o fase mitótica, y la interfase, o periodo preparatorio. La fase M, a su vez, se subdivide en mitosis, en la cual los cromosomas duplicados se dividen en dos núcleos, y citocinesis, donde toda la célula se divide en dos células hijas. Por otra parte, la interfase se subdivide en: fase G₁, fase S y fase G_2. Durante la interfase varía el grado de condensación del material genético así como el contenido de ADN, sin modificarse el número de cromosomas, mientras que la fase M suele durar aproximadamente 1 h en las células de mamíferos (figura 2-1). La interfase puede tener una duración de días, semanas o incluso más tiempo, según el linaje celular y las condiciones ambientales o fisiológicas imperantes (figura 2-2).

De acuerdo con su potencial proliferativo, las células pueden categorizarse en:

Células lábiles, que en condiciones normales tienen una alta actividad mitótica. Se encuentran en tejidos que se renuevan constantemente (por ejemplo, el revestimiento epitelial de las cavidades y la superficie corporal, los precursores hematopoyéticos en la médula ósea y las espermatogonias, que dan origen a los espermatozoides).

Células estables, que en condiciones normales no se dividen, pero cuya división puede inducirse mediante el estímulo apropiado. Estas células renuevan de manera lenta los tejidos menos expuestos, pero pueden aumentar la velocidad de renovación en caso de pérdida tisular, como sucede con el hígado, los túbulos renales proximales y las células endoteliales de vasos sanguíneos.

Células permanentes, que carecen de la capacidad de división. Son células totalmente diferenciadas, muy especializadas, incapaces de entrar nuevamente al ciclo celular; un ejemplo representativo son los eritrocitos, que se originan de su precursor y pasan por un proceso de maduración en el cual pierden su núcleo y con ello su capacidad de división.

Una visión global del ciclo celular permite observar cómo la célula transcurre de manera ordenada y sin discontinuidad por dos grandes etapas bien diferenciadas: la fase M (mitosis en células somáticas y meiosis en células germinales) y la interfase (común en ambas).

Durante esta etapa, la célula se prepara para la siguiente división y duplica su material genético, es decir el ADN, y todo su contenido (proteínas, ARN, organelos, membranas), de manera que duplica su tamaño antes de dividirse en dos células hijas.

La mayor parte de la vida celular, ya sea en la interfase o en quiescencia (reposo), la molécula de ADN no está presente en la forma extendida de doble hélice ni tampoco en la forma compacta de cromosomas, sino en un estado parcialmente condensado conocido como cromatina.

El ciclo celular transcurre entre dos divisiones celulares sucesivas; se divide en cuatro fases, con una duración desigual, que se exponen a continuación.

Tras la mitosis, la célula entra en la fase G₁ (G, de gap, “intervalo”), durante la cual se dedica a sus actividades especializadas. La principal diferencia entre las células de división rápida y las de división lenta es la duración de la fase G₁, que proporciona tiempo adicional de crecimiento.

De las tres etapas de la interfase, la G₁ es la más variable. Con notables excepciones, las células que han detenido su división de manera transitoria o permanente, en el cuerpo o en el medio de cultivo, se encuentran en una etapa previa al inicio de la síntesis de ADN.

Durante la fase G₁, las células mantienen un número constante de cromosomas diploides (2n) y su contenido en el ADN no está duplicado, por lo que se afirma que equivale a 2c (dos copias). La cromatina se descondensa de forma gradual hasta adoptar una conformación totalmente extendida (correspondiente a la doble hélice), necesaria para la separación de las dos hebras en la siguiente fase. En este periodo la célula determina si las condiciones ambientales e internas son adecuadas para la división celular.

En el caso de que las condiciones sean favorables, la célula atraviesa el punto de inicio (start) que compromete de forma irreversible el comienzo del ciclo celular. Si las condiciones ambientales vuelven a ser favorables, la célula puede repetir el ciclo varias veces más.

En la fase S, o de síntesis, se produce la replicación del ADN de los cromosomas individuales. Cada hebra de este ADN sirve de molde para la síntesis o producción de la hebra nueva, que permanece asociada por apareamiento de bases. Las dos moléculas de ADN resultantes permanecen unidas por el centrómero, con lo que dan lugar a cromosomas con cuatro hebras de ADN. Cada doble hebra constituye una cromátida; de esta forma el número de cromosomas es constantemente diploide en el núcleo (2n), pero el contenido de ADN se duplica de dos copias (2c) hasta cuatro (4c).

Las dos copias de cada cromosoma replicado permanecen íntimamente unidas entre sí como cromátidas hermanas idénticas. Éstas se mantienen juntas debido a complejos proteicos denominados cohesinas, que se ensamblan a lo largo de cada una de ellas a medida que el ADN se va replicando. La cohesión de las cromátidas es fundamental para la segregación adecuada de los cromosomas, misma que desaparece en la fase tardía de la mitosis, para permitir la separación de las cromátidas hermanas. Al terminar la replicación, la célula entra en la fase G₂.

En la fase G₂ la célula verifica si se ha completado la fase S de forma correcta y decide entre permitir el paso a mitosis, o en caso contrario, esperar a que se realicen las reparaciones necesarias.

En la fase G₂ se inicia la condensación gradual de la cromatina (proceso inverso a la fase G₁ o de descondensación), que se completa en las primeras etapas de la mitosis, lo que da lugar a cromosomas visibles al microscopio, con un aspecto típico de dos cromátidas y cuatro brazos. Aunque puede considerarse que cada molécula de ADN es un cromosoma en cualquier momento del ciclo, el término cromosoma corresponde estrictamente a esta forma de máxima condensación. En cambio, los términos cromosoma metafásico y cromosoma interfásico se utilizan para referirse a las formas de la cromatina condensada y descondensada, respectivamente.

La fase M es, en sí, un proceso continuo, que para su estudio se divide en seis etapas. Las primeras cinco (profase, prometafase, metafase, anafase y telofase) constituyen la mitosis, que originalmente se definió como el periodo en el que los cromosomas se condensan visiblemente. La citocinesis se produce en la sexta etapa, que se superpone con el final de la mitosis. En conjunto, estas etapas constituyen una secuencia dinámica en la que varios ciclos independientes se desarrollan de forma coordinada para producir dos células hijas genéticamente idénticas y en las que participan los cromosomas: el citoesqueleto y los centrosomas.

Cuando la célula está por ingresar en la fase M, los cromosomas replicados se condensan y se visualizan como estructuras filiformes; un conjunto de complejos proteicos denominados condensinas ayudan a producir esta condensación. Las cohesinas y las condensinas están relacionadas de forma estructural y trabajan en conjunto para ayudar a configurar los cromosomas replicados para la mitosis. Las cohesinas se unen a dos moléculas paralelas de ADN (cromátidas hermanas idénticas) y las mantienen juntas, en tanto que las condensinas se unen a una molécula individual de ADN para ayudar a condensarla.

Antes de que comience la fase M tienen que completarse dos eventos básicos: el ADN tiene que replicarse totalmente y en las células animales debe duplicarse el centrosoma. El centrosoma es el principal centro organizador de los microtúbulos, que en las células animales debe duplicarse para poder contribuir a la formación de los dos polos del huso mitótico, que luego separarán los cromosomas duplicados y los distribuirán en las dos células hijas, que deberán tener su propio centrosoma.

En las células animales el centrosoma también contiene un par de centríolos, cada uno constituido por una estructura cilíndrica de microtúbulos cortos.

Durante la interfase de cada ciclo de una célula animal, el centrosoma se duplica, y ambas copias permanecen juntas como un complejo único a un lado del núcleo. Cuando se inicia la mitosis, los dos centrosomas se separan y cada uno origina una estructura radial de microtúbulos denominada áster. Los dos ásteres se desplazan en direcciones opuestas del núcleo para formar los dos polos del huso mitótico; cuando se rompe la envoltura nuclear el huso captura los cromosomas y finalmente los separa en una fase más tardía de la mitosis. Cuando la mitosis termina y la envoltura nuclear se reconstituye alrededor de los cromosomas separados, cada célula hija recibe un centrosoma junto con sus cromosomas. El proceso de duplicación y separación del centrosoma se conoce como ciclo del centrosoma.

Mitosis

El eje central de la mitosis consiste en separar y distribuir de manera equitativa los cromosomas, ya replicados en la fase S que le precede, con la finalidad de que cada célula hija reciba una copia idéntica del genoma. Ésta es una etapa del ciclo celular en la que la célula cesa la mayor parte de sus actividades metabólicas y presenta una falta relativa de respuesta a estímulos externos, debido a que dedica toda su energía a la separación cromosómica. La mitosis, a su vez, se subdivide en cinco fases, llamadas profase, prometafase, metafase, anafase y telofase, acompañadas de un proceso denominado citocinesis, en el cual la célula en división se separa en dos.

Profase

Durante la profase los cromosomas replicados se condensan y se preparan para separarse, y el huso mitótico comienza a formarse afuera del núcleo. La envoltura nuclear se rompe, el citoesqueleto se desensambla, el complejo de Golgi y el retículo endoplásmico se fragmentan, y la envoltura nuclear se dispersa, lo que marca el inicio de la prometafase.

Prometafase

En esta fase se forma el huso mitótico definitivo que permite a los microtúbulos del huso entrar en contacto con los cromosomas, mismos que se mueven a una posición en el centro de la célula.

Metafase

En la metafase los cromosomas se encuentran alineados en el ecuador del huso, con una cromátide de cada cromosoma conectada a un polo opuesto. El plano de alineación de los cromosomas se conoce como placa de la metafase. El huso mitótico de la célula en metafase se encuentra altamente organizado para separar los cromosomas duplicados. Los microtúbulos del huso en esta fase tienen la misma polaridad pero funcionalmente se dividen en tres grupos: 1) microtúbulos astrales, que irradian hacia fuera a partir del centrosoma en la región situada por fuera del cuerpo del huso, y es probable que ayuden en la colocación del aparato del huso dentro de las células y determinen el plano de la citocinesis; 2) microtúbulos cromosómicos, que se extienden desde el centrosoma hacia una estructura proteica localizada en el centrómero del cromosoma, que permite el anclaje de los microtúbulos del huso a los cromosomas y se denomina cinetocoro; este proceso es necesario para el desplazamiento de los cromosomas hacia los polos durante la anafase, y 3) microtúbulos polares (o interpolares), que se extienden desde el centrosoma hasta pasar los cromosomas y forman una canastilla estructural que mantiene la integridad del huso.

Las dos cromátides hermanas de cada cromosoma replicado se comprimen una contra otra a lo largo de las superficies internas y aparentemente se mantienen juntas por unas proteínas de “pegamento” no cromosómicas denominadas cohesinas.

Anafase

Ésta se inicia cuando se separan en forma sincrónica y súbita las cromátides hermanas, y se acompaña de la liberación de la proteína “pegamento” dentro del citoplasma; todos los cromosomas de la placa metafásica se separan de manera sincronizada, y las cromátides (ahora conocidas como cromosomas, pues ya no se encuentran fijas a su duplicado) inician su migración hacia los polos. El movimiento de cada cromosoma hacia un polo se acompaña del acortamiento de los microtúbulos fijos al cinetocoro.

Telofase

Durante la telofase los cromosomas se acercan a sus respectivos polos y tienden a reunirse en una sola masa marcando el inicio de esta etapa final de la mitosis. La envoltura nuclear se reconstituye conforme las vesículas membranosas se unen a la superficie de los cromosomas y luego se fusionan lateralmente para formar una cubierta de doble membrana cada vez más grande. La envoltura nuclear reconstituida se acomoda alrededor de cada uno de los dos conjuntos de cromosomas separados para formar dos núcleos (figura 2-3).

Citocinesis o citodiéresis

La división del citoplasma se inicia al final de la anafase y continúa durante la telofase.

La citocinesis, o citodiéresis, es la separación física del citoplasma en dos células hijas durante la división celular y se produce después de la cariocinesis, al final de la telofase. El mecanismo de las células animales y el de las vegetales es distinto. En las células animales tiene lugar por estrangulación de la célula en el ecuador del huso, y se lleva a cabo mediante la participación de proteínas ligadas a la membrana (actina y miosina), que forman un anillo contráctil.

El primer indicio de citocinesis en animales se observa durante la anafase tardía como una depresión en la superficie de la célula dentro de una banda estrecha alrededor de ésta. Conforme avanza el tiempo, la indentación se profundiza y se convierte en un surco que rodea por completo a la célula. El plano del surco se sitúa en el mismo plano que ocupaban previamente los cromosomas de la placa de la metafase; en otras palabras, el plano del surco es perpendicular al eje del huso mitótico, lo que garantiza que los dos conjuntos de cromosomas se separen finalmente en dos células. El surco continúa profundizándose hasta que las superficies opuestas hacen contacto en el centro de la célula y ésta se separa en dos. Este proceso se lleva a cabo por el impulso de contracciones progresivas causadas por un anillo periférico contráctil.

Las células vegetales tienen un proceso diferente de división que consiste en la acumulación de vesículas procedentes del aparato de Golgi, que contienen elementos de la pared celular, en la zona media de la célula. Las vesículas se fusionan y entran en contacto con las paredes laterales de la célula. De esta forma se origina el tabique o fragmoplasto, que hará posible la división celular (figura 2-4).

Algunas células permanecen en reposo tras la fase M, que puede ser una etapa transitoria, durar largo tiempo o no dividirse definitivamente, a menos que se estimulen para ello. En el cuerpo o en un medio de cultivo se encuentran “detenidas”, y cuando se produce un estímulo adecuado, o si las condiciones ambientales son las idóneas, pueden proseguir a la fase G₁ del ciclo y continuar hasta la mitosis.

En el control del ciclo celular participan complejos de proteínas que actúan en cada una de las etapas y permiten, o no, el avance del ciclo. Estas proteínas se denominan ciclinas y cinasas dependientes de ciclinas (Cdk), que se unen formando complejos de dos subunidades: una posee actividad cinasa y transfiere grupos fosfato del adenosín trifosfato (ATP) a residuos serina y treonina de proteínas diana o blanco, implicadas en la progresión del ciclo celular, y la otra actúa como una subunidad reguladora llamada ciclina. Cuando la concentración de ciclina es baja, la cinasa permanece inactiva, pero si la concentración de ciclina se eleva, la cinasa se activa y la célula avanza dentro del ciclo celular. Debido a esto a las enzimas con actividad cinasa se las denominó Cdk, y se descubrió que dirigen diversas actividades durante el ciclo celular.

Estudios en levaduras permitieron observar que el ciclo celular en una célula eucariota se regula en distintas etapas. El primer punto de transición, denominado START, ocurre antes del final de G₁. Una vez que la célula ha pasado este punto, está destinada en forma irrevocable a replicar su ADN y a completar el ciclo celular. El paso por START requiere la activación de Cdk por una o más ciclinas G₁, cuyos niveles se elevan al final de G₁.

El paso de G₂ a la mitosis requiere de la activación de Cdk por un grupo diferente de ciclinas, las ciclinas mitóticas. A este complejo se lo denomina factor promotor de la mitosis (MPF), y se encarga de fosforilar los sustratos necesarios para que la célula inicie la mitosis. La salida de la mitosis y el ingreso a G₁ depende de un descenso rápido en la actividad de Cdk, consecuencia de una caída en la concentración de ciclinas mitóticas.

Puntos de revisión (check points)

Los puntos de revisión son mecanismos que detienen la progresión del ciclo celular en caso de que cualquier ADN cromosómico se dañe o si ciertos procesos no se llevaron a cabo de manera correcta, como la replicación del ADN en la fase S o la alineación cromosómica durante la fase M.

En estos puntos participan proteínas que, a manera de sensores, reconocen el daño en el ADN y las anormalidades celulares. Si una de estas proteínas detecta un defecto, inicia una respuesta que detiene de forma transitoria el progreso del ciclo celular. Entonces la célula puede reparar el daño o corregir el defecto antes de ingresar a una nueva etapa. En caso de que el daño sea mayor y no sea posible repararlo, el mecanismo de revisión transmite una señal que conduce a la muerte de la célula dañada. Los principales puntos de control se encuentran ubicados en G₁ antes de la síntesis de ADN, en G₂ antes de la mitosis y en la mitosis durante la metafase (figura 2-5).

Dos de las principales proteínas que funcionan como sensores en estos puntos de control son ATM (ataxiatelangiectasia mutada) y ATR (proteína relacionada con ataxia-telangiectasia y Rad3), que son parte de complejos multiproteicos capaces de unirse al ADN dañado. ATM es el principal mediador de la respuesta a las roturas de ambas cadenas del ADN, un tipo de daño característico de las radiaciones ionizantes, mientras que ATR interviene en respuesta al daño inducido por radiación ultravioleta (UV). Una vez unidas pueden fosforilar una variedad de proteínas que participan en los puntos de revisión del ciclo celular.

Otro tipo de proteínas con capacidad de regular el ciclo celular son las conocidas como proteínas supresoras de tumores. Entre las más importantes se encuentran Rb (proteína del retinoblastoma) y p53. Rb se encarga de detener la célula en la fase G₁, contiene pocos aminoácidos fosforilados, e impide la entrada a la fase S al unirse al factor de transcripción E2F, evitando que éste se asocie a secuencias potenciadoras en sus genes blanco. A medida que avanza el ciclo celular, Rb se hiperfosforila de manera progresiva, lo que provoca que Rb se desprenda de E2F, y le permite comenzar la síntesis de ADN. Por otra parte, p53 desempeña su función reguladora en la fase G_1. Las lesiones del ADN nuclear dan lugar a la fosforilación, la estabilización y la activación de p53. Al ser activada, esta proteína estimula la transcripción de la proteína p21 que detiene la progresión del ciclo celular para permitir la reparación del daño. Si éste es irreparable, p53 desencadena la apoptosis (figura 2-6).

La meiosis es el proceso durante el cual el número de cromosomas se reduce de modo que se forman células que sólo contienen un miembro de cada par de cromosomas homólogos. Así, la meiosis garantiza la producción de una fase haploide en el ciclo de vida, y la fertilización asegura una fase diploide. Sin meiosis, la reproducción sexual sería imposible. A diferencia de la mitosis, en la meiosis la duplicación de los cromosomas va seguida por dos divisiones en secuencia que distribuyen los cromosomas entre cuatro núcleos.

Para asegurar que cada núcleo hijo, formado durante la meiosis, posea un miembro de cada par de cromosomas homólogos, ocurre un elaborado proceso de formación de pares de cromosomas que no tienen contraparte en la mitosis. A medida que se alinean los pares de cromosomas se desarrolla un proceso de recombinación genética entre las cromátidas hermanas con intercambio de fragmentos de ADN entre un cromosoma paterno y su correspondiente cromosoma materno, dando como resultado la producción de cromosomas en donde ninguno de ellos es idéntico a otro.

Fases de la meiosis

La meiosis es un tipo especial de división celular que origina gametos o células germinales masculinas y femeninas (espermatozoides y óvulos, respectivamente), cada una de las cuales contiene la mitad de la dotación cromosómica normal. A esta dotación media de cromosomas de cada gameto se la conoce como número haploide (n). Por lo tanto, esta división, también conocida como gametogénesis, termina produciendo cuatro células hijas (gametos), que más tarde se fusionarán para formar cigotos, que ya tienen el número diploide de cromosomas (2n).

La meiosis se divide en dos fases separadas:

Meiosis I (o división reductora)

En ella tienen lugar algunos sucesos importantes:

• A diferencia de la mitosis, no ocurre separación de cromátidas, sino que cada cromosoma duplicado de cada par homólogo emigra a cada polo del huso.

• Durante esta primera división meiótica hay un intercambio de alelos (genes alternos que representan el código para una misma característica) entre las cromátidas de los pares homólogos de los cromosomas duplicados. Este intercambio supondrá la formación de cromátidas con diferente constitución genética en la célula madre.

PROFASE I

Ésta es la fase más larga de la meiosis, y en ella los cromosomas homólogos intercambian fragmentos de material genético. Se divide en cinco subfases:

• Leptoteno: los cromosomas individuales, compuestos por dos cromátidas unidas por el centrómero, empiezan a condensarse y hacerse visibles, y forman largas tiras en el núcleo.

• Cigoteno: los pares de cromosomas homólogos se aproximan entre sí, y tiene lugar la sinapsis o apareamiento, que suele comenzar por los extremos y se extiende a lo largo de los cromosomas. Esta sinapsis, que se establece por medio del complejo sinaptonémico, forma una tétrada.

• Paquiteno: se completa la sinapsis en todos los cromosomas. Tiene lugar un entrecruzamiento cromosómico mediante quiasmas, y como consecuencia tiene lugar una recombinación genética. Suelen darse dos o tres de estos entrecruzamientos por cada par bivalente.

• Diploteno: comienza la separación de los cromosomas homólogos, y pone aún más de manifiesto los quiasmas.

• Diacinesis: los cromosomas se condensan al máximo y desaparecen el núcleo y la membrana nuclear, por lo que quedan libres en el citoplasma. Se puede apreciar cómo cada bivalente está unido por cuatro cromátidas (tétradas).

METAFASE I

Durante esta fase los cromosomas homólogos se alinean en el plano ecuatorial completamente al azar, lo que garantiza la reunión de los cromosomas maternos y paternos.

ANAFASE I

Es la separación de cada bivalente, que se desplazan hacia los polos opuestos de la célula. Cada cromosoma sigue constituido aún por dos cromátidas.

TELOFASE I

Esta fase es parecida a la de la mitosis: los cromosomas llegan hasta los polos opuestos, se vuelven a formar los núcleos y comienza la citocinesis. Cada célula hija recibe 23 cromosomas (n), pero como cada cromosoma está compuesto por dos cromátidas, el contenido de ADN todavía es diploide. Cada una de las células hijas recién formadas entra en la meiosis II.

Meiosis II (o división ecuatorial)

Tan sólo tiene lugar la separación por el centrómero de cada cromosoma para liberar las cromátidas que emigran a cada polo opuesto del huso.

En el hombre, cada uno de los cuatro gametos resultantes sufre una transformación hasta espermatozoide maduro. En la mujer, el citoplasma se distribuye de manera desigual entre los cuatro gametos resultantes: uno de ellos lo gana casi todo (óvulo), mientras que los otros tres (cuerpos residuales) degeneran.

Esta división no va precedida por una fase S; por lo demás, resulta bastante similar a la mitosis:

PROFASE II

Es muy corta; se rompe la membrana nuclear y se forma el nuevo huso.

METAFASE II

Los cromosomas, cada uno de ellos formado por dos cromátidas, se alinean en el plano ecuatorial.

ANAFASE II

Se separan las cromátidas de cada cromosoma.

TELOFASE II

Se forma la membrana nuclear alrededor de los cuatro núcleos haploides y comienza la citocinesis.

El resultado final son cuatro células hijas que, a diferencia de lo que ocurre en la mitosis, contienen el número haploide de cromosomas y son distintas desde el punto de vista de su dotación genética. Esto significa que cada gameto contiene su propio complemento genético único (figura 2-7).