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CICLO CELULAR

Cap. 8

ASPECTOS GERAIS

A manuteno de um organismo vivo se dpor uma srie de processos celulares e bioqu-micos que esto submetidos a rigorosos contro-les. Dentre esses processos est a diviso celular,essencial para o crescimento e desenvolvimentonormal do organismo.

A proliferao celular importante em pelomenos duas situaes: primeiro, durante a em-briognese, em que existe a necessidade de for-mao de clulas que iro constituir o novoorganismo; e segundo, quando o organismo jformado precisa repor clulas perdidas, naturalou acidentalmente.

A diviso celular o mecanismo pelo qual asclulas se reproduzem, gerando, a partir de umaclula-me, duas clulas-filhas idnticas. Essasclulas-filhas podem, por sua vez, crescer e sedividir, dando origem a uma populao de clu-las. Veremos, neste captulo, como uma clulanormal se divide e discutiremos os processosbioqumicos envolvidos no estmulo e no con-trole da proliferao celular.

A diviso celular deve ser rigorosamente con-trolada de maneira a assegurar que as clulas

Ciclo Celular

passem por todas as fases do ciclo celular e quetambm mantenham seu contedo gentico in-tacto. Nos eucariotos a progresso atravs dociclo celular controlada em dois nveis: exter-namente, pelos fatores de crescimento, horm-nios e seus respectivos receptores, que ativamcascatas de sinalizao intracelular, gerando,como resposta, a diviso; e, internamente, pelobalano das atividades das protenas quinases,fosfatases e ciclinas. Falhas no controle dos pro-cessos envolvidos na diviso celular levam, emgeral, morte celular por apoptose ou trans-formao maligna.

A importncia da proliferao controlada dasclulas pode ser claramente compreendida quan-do analisamos a embriognese. Nesse processo,aps a fertilizao, ocorrem milhes de divisescelulares seguidas de diferenciao celular. To-dos esses eventos devem ser muito bem contro-lados e coordenados para que se forme um novoorganismo. Da mesma maneira, no processo dereposio celular existem mecanismos de con-trole que indicam quando necessrio que seiniciem as divises celulares e tambm quandoesse processo deve cessar.

Marimlia A. PorcionattoLcia O. Sampaio

Leny TomaYara M. Michelacci

Helena B. Nader

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Cap. 8

CICLO CELULAR

Podemos dividir o ciclo celular em duas eta-pas bem definidas. Uma delas a interfase, pe-rodo em que ocorre crescimento celular eduplicao dos cromossomos e organelas celu-lares. O outro perodo a mitose propriamentedita, processo pelo qual a clula divide o mate-rial duplicado durante a interfase entre as duasclulas-filhas.

Fases do Ciclo Celular

Uma clula eucaritica em cultura, por exem-plo, fibroblasto humano, se divide a cada 24 ho-ras, aproximadamente. A mitose pode seracompanhada por microscopia e possvel visua-lizar cada fase desse perodo: prfase, metfase,anfase e telfase. Entretanto, antes da mitose,durante a interfase, as clulas esto aparentemen-te paradas, ou seja, no possvel, com a tecno-logia disponvel atualmente, visualizar modificaesno citoplasma ou no ncleo da clula durante essafase. Porm, durante a interfase, a clula est emfranca atividade, sintetizando os componentes queiro constituir as clulas-filhas. A mitose propria-mente dita dura, em geral, uma hora, em pratica-mente todos os tipos celulares, enquanto a interfasetem uma durao varivel, dependendo do tipocelular analisado.

A replicao do DNA ocorre durante um de-terminado perodo da interfase, denominado faseS (S de sntese de DNA) que dura, em mdia,oito horas. Entre o final da mitose, tambm de-nominada fase M, e o incio da fase S, h umintervalo, chamado de fase G1 (G de gap = in-tervalo), cuja durao varia de clula para clu-la. Um segundo intervalo existe entre o final dafase S e o incio da fase M, denominado fase G2.Portanto, a interfase composta da sucesso dasfases G1, S e G2 (Fig. 8.1)1.

Clulas que no esto proliferando, tambmdenominadas quiescentes, esto em um estadoespecial de G1 chamado de G0.

G0 e fase G1

Clulas diferenciadas, in vivo, por exemplohepatcitos e neurnios, podem permanecernum estado no-proliferativo ou quiescente (G0)por longos perodos de tempo. Clulas normaisem cultura tambm podem entrar em G0. A entra-

Fig. 8.1 Representao esquemtica das fases do ciclocelular de uma clula eucaritica.

da de clulas em cultura no estado quiescente podeser obtida pelo cultivo das mesmas na ausncia totalou parcial de fatores de crescimento. Culturas declulas normais quando atingem confluncia totaltambm entram em G0.

Clulas em G0 tm o DNA no duplicadocomo as clulas em G1, porm, diferem em mui-tos outros aspectos. Em G0, a atividade de v-rias enzimas e as velocidades de sntese demacromolculas e de transporte transmembra-na so mais baixas do que nas clulas em G12.

Na fase G1, as clulas se preparam para aentrada na fase de sntese de DNA (fase S). Parasair de G0 e entrar em G1 as clulas necessitamde fatores de crescimento3. Os fatores de cresci-mento podem ser classificados em fatores decompetncia, que permitem que a clula inicie oprocesso de diviso celular e em fatores de pro-gresso, que fazem com que a clula progridaatravs do ciclo celular4.

Fase S, Fase G2 e Fase M

Durante a fase S do ciclo celular todo o DNAcontido no ncleo deve ser duplicado completa-mente e com preciso. O ncleo induzido aentrar em S por sinais moleculares que vm docitoplasma5.

Um ncleo que completa a fase S e entra nafase G2 tem seus cromossomos condensados esegue para a mitose (fase M)6 Essa fase um

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perodo de preparao para a produo de fato-res cruciais que disparam a mitose. A fase M amitose propriamente dita, onde ocorre a sepa-rao das duas novas clulas formadas.

CONTROLE DA PROLIFERAO CELULAR

Levando-se em considerao o que foi ex-posto aqui, fica evidente que a proliferao ce-lular um fenmeno bastante complexo queenvolve tanto fatores extracelulares (p. ex., osfatores de crescimento) quanto fatores intrace-lulares (p. ex., as ciclinas). Para que uma clulanormal se divida, gerando clulas-filhas idnti-cas, necessrio que todos os mecanismos ce-lulares funcionem corretamente e que haja umcontrole muito rigoroso de todo o processo. Essecontrole feito em determinados pontos do ci-clo que so chamados de pontos de verifica-o (checkpoints) (Fig. 8.2)7,8. Por exemplo, emeucariotos a mitose dependente da completareplicao do DNA. A falha ou eliminao des-ses controles pode resultar na morte celular, in-fidelidade na distribuio dos cromossomos ouorganelas, ou ainda num aumento da suscepti-bilidade a agentes nocivos clula, tais comoagentes que causam danos ao DNA.

FATORES DE CRESCIMENTO

Os fatores de crescimento foram inicialmentedescobertos quando se observou que fibroblas-tos em cultura proliferavam em meio suplemen-tado com soro, mas no em meio contendo

plasma. Um dos eventos da coagulao do san-gue a liberao do contedo dos grnulos se-cretrios das plaquetas. Um dos componentesdesses grnulos foi identificado como o respon-svel pelo efeito proliferativo sobre os fibroblas-tos em cultura. Esse composto, chamado PDGF(Platelet-derived Growth Factor), uma glico-protena que se liga a um receptor especfico queest presente na membrana plasmtica das clu-las, estimulando-as para a diviso.

A Tabela 8.1 apresenta alguns fatores de cres-cimento sintetizados por diferentes tipos celula-res, mostrando os principais efeitos biolgicosdesses compostos. Em geral, clulas normais re-querem mais de um fator de crescimento parapassar pelos pontos de restrio de G0/G1. Essesfatores so conhecidos como fatores de compe-tncia (quando agem no incio de G1) e fatores deprogresso (quando direcionam a clula atravsde G1). Dentre os fatores de competncia est oPDGF, enquanto que EGF (Epidermal GrowthFactor), IGF (Insulin-like Growth Factor) e FGF(Fibroblast Growth Factor) esto entre os fatoresde progresso.

Alm do efeito proliferativo, alguns fatores decrescimento so importantes na diferenciao esobrevivncia da clula, como, por exemplo, oNGF (Nerve Growth Factor), que promove a so-brevivncia de neurnios.

CICLINAS

A compreenso dos eventos moleculares queocorrem no citoplasma durante o ciclo celular

Fig. 8.2 Pontos de verificao do ciclo celular de uma clula eucaritica.

Fatores deprogresso

(EGF)

Fatores decompetncia

(PDGF)

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Cap. 8

tem avanado muito nos ltimos anos. Estudosfeitos em fungos e embries de eucariotos no-mamferos identificaram uma srie de protenasque tm papel regulatrio durante o ciclo.

Outros experimentos revelaram que essas pro-tenas regulatrias tambm esto presentes e ati-vas em clulas de mamferos. Dentre essasmolculas a primeira a ser descrita e estudada foiuma quinase com peso molecular de 34 kDa, que conhecida por diversos nomes, entre eles quina-se p34, MPF quinase (M-phase promoting factorkinase) e quinase cdc2/28*10-12. Em clulas demamferos o papel dos genes relacionados ao

cdc2/28 parece estar associado mitose e tam-bm passagem do ponto de restrio em G1.

A atividade enzimtica da quinase p34 emeucariotos inferiores flutua durante o ciclo celu-lar, embora a protena p34 esteja presente numnvel constante. A atividade dessa quinase maiornas fronteiras entre G1 e S, e na transio dafase G2 para M1.

Nesses pontos especficos do ciclo celular,a quinase ativa fosforila determinadas prote-nas-alvo, resultando no direcionamento daclula para as fases S ou M. Embora este con-trole ainda no tenha sido demonstrado con-clusivamente, pode-se especular sobre quaisprotenas-alvo devam ser fosforiladas pelasquinases nas fronteiras G1/S e G2/M. Por exem-plo, quando a clula entra na fase M, diversasmodificaes celulares acontecem, incluindo odesarranjo do envelope nuclear, a condensaodos cromossomos, e a perda da adeso ao subs-trato resultando no arredondamento da clula.Quando a clula se direciona para a mitose, al-guns dos candidatos a substrato para a quinasep34 so a histona H1 e as laminas nucleares13.Da mesma maneira, alvos potenciais das qui-

Tabela 8.1Funes de Alguns dos Principais Fatores de Crescimento

Fator de Crescimento Composio Principais Atividades

PDGF (platelet-derived AA, AB ou BB estimula a proliferao do tecido conjuntivo egrowth factor) cadeia A = 125aa de clulas nervosas

cadeia B = 160aa

EGF (epidermal growth 53aa estimula a proliferao de vrios tipos celularesfactor)

IGF-I; IGF-II (insulin-like 70aa; 73aa colaboram com PDGF e EGF;growth factor) estimulam a proliferao de adipcitos e clulas

do tecido conjuntivo

TGF- b (transforming 2 cadeias de 112aa pontecializa ou inibe a resposta da maioria dasgrowth factor b) clulas a outros fatores, dependendo do tipo de

clula; regula a diferenciao de alguns tipos celulares

FGF (fibroblast growth acdico: 140aa estimula a proliferao de muitos tipos celulares,factor) bsico: 146aa incluindo fibroblastos, clulas endoteliais e

mioblastos

IL-2 (interleukin-2) 153aa estimula a proliferao de linfcitos T

NGF (nerve growth promove o crescimento de axnio;factor) garante a sobrevivncia de neurnios

*cdc = cell division control genes: genes que foram identifi-cados em diferentes espcies de fungos (CDC para genesde Saccharomyces cerevisiae e cdc para genes de Schizo-saccharomyces pombe). A nomenclatura cdc2/28 refere-seaos genes de levedura que esto relacionados com o con-trole da diviso celular nesses organismos. Os primeirosgenes foram identificados em mutantes sensveis tempe-ratura, e atualmente so conhecidos mais de 50 genes. Ogene CDC2, em leveduras, codifica para a subunidade ca-taltica da DNA polimerase III, enquanto o gene CDC28codifica para uma protena que se associa s ciclinas e pos-sui homlogos em todos os eucariotos.

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nases na transio G1 fi S incluem vrias enzi-mas e polimerases envolvidas na sntese deDNA.

As protenas responsveis pela ativao dasquinases nas transies G1fi S e G2fi M sochamadas de ciclinas. As ciclinas so sintetiza-das e acumuladas durante cada ciclo celular,quando ento se ligam e ativam as quinases de-pendentes de ciclina ou cdks (cyclin-dependentkinases) (Fig. 8.3)14,15.

No caso das clulas de mamferos, a cdkp34cdc2, juntamente com sua subunidade regu-

Fig. 8.3 Perfil de sntese e degradao de ciclinas correlacionado com a variao da atividade enzimtica da quinase p34.

latria, a ciclina B, controla a entrada e a sadada clula na mitose, e seu estudo tem servido comoparadigma para a investigao de outras ciclinase cdks16. O controle da atividade desse complexose d atravs de uma srie de fosforilaes e des-fosforilaes do complexo ciclina-cdk.

A ciclina B no pode ser detectada no inciode G1, no entanto, sua sntese contnua durantea interfase, at atingir um determinado nvel jus-tamente quando a clula chega transio G2fi M.Nesse ponto, a ciclina ativa a quinase p34 resul-tando na entrada da clula na fase M. Aproxi-

Fig. 8.4 Papel das fosforilaes e desfosforilaes dos resduos de treonina (Thr) e tirosina (Tyr) na ativao da quinasep34 nas diferentes fases do ciclo celular.

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Fig. 8.5 Sntese e degradao da ciclina B ao longo do ciclo celular.

Fig. 8.6 Seqncia de aminociods das caixas de destruio das ciclinas.

madamente na metade da mitose, a ciclina de-gradada, a quinase p34 inativada por fosforila-o e os eventos do incio da mitose so revertidosdurante a telfase: os cromossomos desconden-sam, o envelope nuclear refeito e as clulas ade-rem ao substrato15.

De fato, o controle da atividade do comple-xo ciclina-cdk se d por fosforilaes e desfos-forilaes da quinase. Por exemplo, a p34 fosforilada nos resduos de treonina 14 (T14),tirosina 15 (Y15) e treonina 167 (T167), for-mando um complexo inativo com a ciclina. Es-sas duas fosforilaes s ocorrem quando a p34est ligada a ciclina, e a remoo desses dois

grupamentos fosfato essencial para a ativaodo complexo. A fosforilao da tirosina 15 inibea atividade da quinase, e a fosforilao da treo-nina 167 necessria para a atividade. Quandoos resduos T15 e T167 esto fosforilados o com-plexo inativo, mostrando uma dominncia dafosforilao inibitria (Fig. 8.4).

A degradao das ciclinas ocorre por pro-telise mediada por ubiquitinao (Fig. 8.5). Nofinal da mitose, o complexo ciclina B-cdk pro-move a ativao do sistema de poliubiquitinaoque, atravs da adio de ubiquitina ciclina,levar sua degradao com a conseqente ina-tivao da cdk. A adio de ubiquitina direcio-

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nada por uma seqncia de nove aminocidos,chamada de caixa de destruio que comums ciclinas (Fig. 8.6)16.

Existe um mecanismo similar ocorrendo natransio G1 fi S. As ciclinas dessa fase, as cicli-nas D, tambm so sintetizadas e degradadas demaneira oscilatria, ou seja, elas comeam a sersintetizadas e degradadas no incio de G1, atin-gem um pico no final dessa fase, quando entoativam a quinase p34 e a sntese de DNA15. AFig. 8.7 mostra como as quinases dependentesde ciclinas interagem com as ciclinas durante aprogresso da clula atravs do ciclo celular.

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Fig. 8.7 Formao dos complexos ciclina-cdks nas diferentes fases do ciclo celular.