Fig.1 Genoma. É no núcleo celular que se encontra o material genético da célula. Nas imagens acima podemos observar a diferença do genoma destes diferentes tipos celulares. Em A e B encontramos células haploides com apenas uma cópia de cada gene. Seres diploides, geralmente possuem gametas haploides gerados a partir do processo de meiose. Em C encontramos uma célula qualquer do nosso corpo, uma célula diploide que possui duas cópias de cada gene. Todos estes tipos celulares representados possuem características genéticas distintas devido sua função determinada e consequentemente possuem origens diversas. É preciso salientar que existem diversos seres haploides exclusivos e muitos seres diploides que não geram gametas para se reproduzir. Entretanto, para uma grande gama de células, para possuir um estado haploide é preciso inicialmente portar um estado diploide para que a divisão desta célula primordial desenvolva duas células com a metade de seu genoma. Esta divisão é denominada meiose, que representa a  divisão celular especializada para a geração dos gametas, que após reprodução sexuada manterá o seu genoma em um tamanho apropriado (diploide, igual a célula primordial) . A divisão celular que mantém constante o tamanho do genoma, ou seja, produz células diploides é denominada mitose.

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Fig. 2 Mitose.  A mitose é um processo extremante importante, a maior parte dos organismos iniciam como uma única célula que se divide através da mitose formando um organismo completo. Os humanos (seres diploides) começam como uma única célula, o zigoto, formado a partir da união do espermatozoide com o óvulo (haploides). O zigoto se divide (por mitose) até fazer aproximadamente dez trilhões de células.  Durante o processo de divisão, as células adquirem funções especializadas para formar tecidos e órgãos do corpo. Somente órgãos especializados e órgãos reprodutores, fazem divisão por meiose para produzir os gametas.

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Fig. 3 Ciclo Celular da mitose. O ciclo celular é basicamente o período de vida de uma célula e todos os processos envolvidos em sua divisão. As células passam a existir a partir da divisão de uma célula pré-existente, chamada célula mãe ou célula parental, e proliferam quando se dividem gerando duas células filhas. Inicialmente, temos uma célula filha que para se reproduzir necessita crescer e duplicar seu genoma (1). Posteriormente, esse genoma deve ser dividido (segregado) de forma igual entre duas novas células (2). Por último, a célula, com seu novo tamanho e com o seu genoma segregado irá se dividir ao meio dando origem a duas células filhas. Dessa forma, o processo de mitose é claramente um ciclo, que é indispensável para a manutenção da vida. Portanto, é necessário um sistema de controle do processo de duplicação celular por mitose, que consiste em uma série de interruptores bioquímicos que regulam diversos eventos, como a duplicação e segregação do DNA, assim como a duplicação de organelas e macromoléculas. Este controle do ciclo celular responde a sinais tanto intra quanto extracelulares que irão se adaptar de acordo com a necessidade do sistema.

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Fig. 4 Primeiras divisões do Ciclo Celular. Inicialmente o ciclo celular pode ser divido em duas grandes fases: fase S e fase M. A fase S representa a preparação da célula para sua divisão. Ela é denominada  fase de síntese, pois nela a célula, mesmo realizando suas funções metabólicas, inicia o processo de produção substâncias que irão contribuir para a formação das duas novas células, duplica do seu material genético e todas as organelas essências para sua sobrevivência. A fase M (Mitose) representa, como mostrado na figura,  a fase da efetiva divisão celular em que ao seu termino possuímos duas novas células filhas. Nela ocorre a segregação do DNA.    

 

Fig. 5 O Ciclo Celular completo. Entre as duas fases principais do ciclo celular, fase S e fase M, existem duas fases de intervalo chamadas de G1 e G2 (de GAP, intervalo em inglês). Portanto, o ciclo celular pode ser divido em 4 fases sequenciais: fase G1, S, G2 e M. Assim como descrito anteriormente cada fase possui uma característica peculiar: A fase G1 inicia-se logo após o fim da divisão celular anterior. Nesta fase as células-filhas crescem, aumentam de volume, sintetizam membrana e organelas novas para adquirir volume semelhante ao da célula-mãe. Portanto, a maioria das células se encontram nessa fase que possuí duração altamente variável, dependendo do ambiente onde a célula se encontra, sinais exteriores e tipo celular. Na fase S o DNA é duplicado e, portanto, é denominada a fase de síntese. A fase G2 pode ser considerada uma segunda fase de crescimento em que ocorre o preparo para a divisão celular e a analise se o DNA foi corretamente replicado e não possui danos em sua estrutura. Na fase M, o material genético duplicado é dividido para duas células-filhas.  Também podemos encontrar a divisão em Interfase e Fase M, em que a interfase representa a união das fases G1,  S e G2 e a fase M é dividida em Prófase, Prometáfase, Metáfase, Anáfase, Telofase e Citocinese .

 

Fig. 6 Duração do Ciclo Celular. As imagens A e B representam de forma linear o tempo de duração do ciclo celular de dois tipos celulares diferentes ou de células recebendo estimulos ou quantidades de nutrientes variados. Podemos observar que há variações significativas. Como demonstrado em B , em geral a duração da fase que mais varia é da G1. O tempo de S vai depender diretamente do tamanho do DNA a ser duplicado, ou seja,  aproximadamente de 10 a 12h em mamíferos  e em seres mais simples, como as bactérias, poucos minutos. Existe ainda um estado denominado QUIESCÊNCIA ou G0 em que se encontram os neurônios, células musculares (que não se proliferam) e hepatócitos (que somente proliferam 2 vezes por ano), que é um estado constante de incapacidade de ploriferação devido a fatores externos e/ou internos.

 

Fig. 7 Clivagem.  Existe também um tipo diferente de ciclo celular, em que ocorrem diversas divisões celulares sem crescimento e sem restabelecimento total do corpo celular: a Clivagem. Como podemos observar na imagem, a clivagem ocorre durante o desenvolvimento embrionário e pode ser facilmente visualizado em animais como o sapo Xenopus. Na figura é claramente representado como um organismo multicelular surge através de uma série de divisões mitóticas, a partir de um grande volume de citoplasma do embrião que é dividido em numerosas e pequenas células nucleadas, chamadas blastômeros. O zigoto é dividido inicialmente ao meio, depois em quartos, oitavos, e assim por diante. Essa divisão sem crescimento do volume citoplasmático ocorre pela ausência das fases G1 e G2 da mitose, entretanto a divisão nuclear ocorre em níveis extremamente altos.

 

Fig. 8 Pontos de Verificação. Para a manutenção e funcionamento do organismo é fundamental que o processo de divisão celular ocorra sem erros.  O controle e a manutenção do ciclo celular são realizados através dos pontos de verificação esquematizados na figura acima. Nesses pontos de verificação (ou checagem  do inglês Checkpoint) a célula confere se todas as etapas anteriores a ele, do ciclo celular, ocorreram de forma correta, com o intuito de evitar que os erros se propaguem para  célula filha. O ponto de Checagem de iniciação (ponto G1/S) analisa se há condições ambientais para a célula proliferar (nutrientes, fatores de crescimento, sinais vindo de células vizinhas...). Esse ponto garante que a célula não vá entrar na fase S sem que haja condições nutricionais, garantindo a conclusão completa e correta da fase. Além disso, nesse ponto a célula percebe sinais de células vizinhas e de seu ambiente que sinalizam se é necessário ou importante sua proliferação naquele momento.  Sendo assim, este processo evita o crescimento  demasiado de tecido e permite que feridas ou danos teciduais sejam reparados. A Checagem da entrada em Mitose (G2/M) verifica se não há danos no DNA. Esse ponto de Checagem garante que apenas células que copiaram seu DNA (replicação do DNA na fase S) completamente e corretamente entrem na fase M de divisão celular. Impedindo, portanto, que qualquer dano ou erro no DNA seja propagado para suas filhas. A Checagem para a anáfase e citocinese confere se há problemas na formação do fuso mitótico e consequentes problemas na segregação do DNA. Esse mecanismo, como representado na imagem, funciona como um relógio que liga cada evento em um tempo específico e faz com que os mesmos sejam sempre ordenados. Como são acontecimentos cíclicos, essa verificação garante que cada evento ocorra somente uma vez e que as etapas sejam realmente finalizadas antes do inicio da próxima. Apesar de ser claramente um processo complexo e muitas vezes eficiente, alguns erros podem acontecer. É um processo facilmente adaptável à tipos celulares específicos ou condições ambientais adversas.

 

Fig. 9 Controladores do Ciclo celular.  As diferentes etapas do ciclo celular funcionam através de sensores que garantem que o inicio da próxima etapa só aconteça se a etapa anterior estiver completa e correta. A figura ilustra o funcionamento dos principais componentes moleculares do controle do Ciclo Celular, representado por interruptores que trabalham na determinação de quando cada etapa é iniciada e finalizada completamente. A enzima denominada CDK (proteína cinase dependente de ciclina) é a principal proteína responsável pelo início de cada etapa do ciclo celular. Existem diferentes CDKs específicas para cada etapa do ciclo e que se encontram sempre expressas, mas com baixa atividade catalítica quando sozinhas (representado pelo interruptor desligado). Quando há a ligação da CDK com uma segunda proteína, também específica de cada etapa do ciclo, denominada CICLINA, a CDK se torna ativa cataliticamente. A expressão das CICLINAS é variável e obedece ao ciclo celular (daí o seu nome). A expressão das CICLINAS é regulada por sensores que indicam que determinada etapa do ciclo pode começar ou se os pontos de Checagem foram cumpridos. A ligação das CICLINAS com as Cinases Dependes de Ciclina (CDK) que indica a passagem para próxima etapa, ou seja, a continuidade correta do ciclo (interruptor ligado). Uma vez ligadas às CICLINAS, as CDKs se tornam ativas cataliticamente e podem fosforilar (isso é o que uma proteína cinase faz, adiciona fosfatos a outras proteínas regulando sua função) outras proteínas levando a regulação do ciclo celular.

 

Fig. 10  Os complexos CICLINA-Cdk. Em A encontramos um resumo ilustrado do ciclo celular relacionado com seus complexos controladores. Pode-se observar que enquanto as proteínas CDKs são expressas e se mantém constante, o nivel de expressão das proteínas CICLINAS variam ao longo do ciclo celular. Essas proteínas são altamente expressas em determinado momento e logo após são rápidamente degradadas. Isso garante que a atividade catalítica das CDKs só estejam em seu máximo em momentos específicos do ciclo, permitindo sua fina regulação. E em B apresentamos um quadro em que demonstra as condições necessárias para a ativação dos complexos Ciclina/CDK em cada etapa e suas consequências. É importante observar que todas as etapas possuem criterios bem definidos de inicio e fim, isso só reafirma a importância do intenso controle de cada fase para que não ocorra nenhum problema e garanta as futuras gerações da célula, produzindo a manutenção do tecido e organismo como um todo. É preciso esclarecer também que os níveis de expressão das ciclinas variam de acordo com cada fase do ciclo, apresentando obviamente condições e efeitos distintos. Como mostrado no quandro C são diferentes CICLINAS que formam 4 complexos ciclina-Cdk que atuam em pontos diferentes do ciclo celular. Portanto, o controle do ciclo depende da expressão (produção de proteínas) de CICLINAS e sua degradação.

 

Fig.11 Regulação das proteínas CDKs: A atividade catalítica das protéinas CDKs não é apenas regulada pela sua ligação com as CICLINAS, apesar desta ser um evento limitante. A atividade catalítica das proteínas CDKs pode ser aumentada por uma fosforilação ativadora feita pela proteína Ativadora de CDK (CAK), que potencializa a ativação mediada pela ligação da CICLINA (figura 11, topo A, B e C; observar a presença do fosfato ativador na CDK). Além disso, em fases específicas do ciclo celular, como na transição G1/S, mesmo após a ligação da CICLINA na CDK e depois de sua fosforilação ativadora por CAK, uma proteína denominada p27 pode se ligar a esse complexo e inibir completamente a atividade da CDK (D). A expressão de p27 está ligada e uma regulação fina do ciclo celular onde mesmo havendo sinais para a célula proliferar, podem haver outros sinais mais fortes que levem a expressão de p27 e consequentemente a parada do ciclo. Outra forma de modular o ciclo celular ocorre na entrada da fase M do ciclo: a proteina cinase Wee1 é capaz de fosforilar o complexo CDK/CICLINA ativo em um outro sítio, levando a sua inativação (figura E, notar fosfato inibidor). Esse fosfato pode ser retirado (defosforilação) por uma proteina fosfatase chamada de Cdc25. Uma vez retirado o fosfato inibidor, a CDK se torna totalmente ativa e o ciclo celular progride.Dessa forma diversos sinais provenientes de dentro da célula e de fora podem ser integrados para indicar se a célula pode ou não progredir no ciclo celular. Ao inves do interruptor ser controlado por apenas um botão, diversos devem ser ativados e alguns inativados ao mesmo tempo para que haja progressão do ciclo.    

 

Fig.12 Complexo pré-replicativo e Coesinas: Em A podemos observar o Complexo pré-replicativo ligado nas origens de replicação. Este complexo só se forma no início da Fase G1 e garante que o DNA seja replicado apenas uma vez. Em B está representada a Coesina que é expressa somente na fase S e possui a função de aproximar as cromátides-irmãs e as manter juntas até o final do processo de divisão celular. A expressão de ciclinas da Fase M induzem a quebra das coesinas e separação das cromatides (segregação programada).

 

Fig.13 Os complexos CICLINA-Cdk que possuem entrada na Fase M (Divisão Celular). A figura A está representando todo o processo de funcionamento em que o complexo M-Cdk induz a entrada da celula na fase M do ciclo celular. Portanto, este complexo vai atuar ativando diversas proteínas, provocando muitos eventos necessários, como a fosforilação das laminas e filamentos intermediários, provocando a fragmentação da lâmina nuclear e o desaparecimento do envoltório nuclear; a fosforilação da condensina que promoverá uma maior condensação dos cromossomos e das coesinas que levará a separação das cromatides irmãs; e a fosforilação de proteínas associadas aos microtúbulos, importantes para a formação do fuso mitótico. Em B encontramos a Condensina que, resumidamente, contribui para a espiralização e condensação do DNA na fase M formando os cromossomos mitóticos.

 

Fig, 14 Microscopia óptica de fluorescência, mostrando em sequência as fases da mitose de uma célula eucariótica. Em verde estão marcados os microtúbulos formando os fusos mitóticos e em vermelho o DNA. Esses eventos serão detalhados na figura 15.

 

Fig. 15 As fases da mitose (fase M do ciclo celular). As fases da mitose ocorrem durante a fase M do ciclo celular e são fases contínuas e simultâneas. Na primeira delas, a Prófase, a cromatina torna-se mais condensada, com auxílio das proteínas condensinas, que contribuem para espiralar o DNA ao redor de sua estrutura; há dois pares de centríolos, cada par dentro de um centrossomo, cada um localizado em polos opostos da célula, e que começam a polimerizar seus microtúbulos, formando o fuso mitótico. Nesta fase, o envelope nuclear ainda encontra-se intacto. Já na Prometáfase, o envelope nuclear começa a se desfazer (as fibras de lamininas são fosforiladas, desfazendo a lâmina nuclear), assim como ocorre a fragmentação das organelas, como o retículo endoplasmático, Complexo de Golgi e mitocôndrias, para que sejam segregados às futuras células-filhas. Os microtúbulos se conectam ao cinetócoro (complexo proteico localizado no centrômero dos cromossomos, um em cada cromátide-irmã). Na Metáfase já há a formação do fuso mitótico, e todos os cromossomos encontram-se na “placa metafásica”, quando estão alinhados no meio da célula e estão conectados no fuso. Após o alinhamento correto de todos os cromossomos na placa metafásica e ligação dos microtúbulos em cada cinetócoro, a célula passa pelo último ponto de checagem e entra na Anáfase. Nesta fase ocorre a segregação dos cromossomos para cada polo da célula devido à clivagem das coesinas (as quais antes mantinham as cromátides-irmãs unidas) e à tração dos microtúbulos em direção ao centrossomo. Em seguida, na Telófase, os cromossomos chegam aos polos, próximos ao centrossomo, e os cromossomos descondensam, ao passo que o envelope nuclear é remontado (as lamininas ligam-se novamente à medida que são desfosforiladas). Há o início da formação do anel contráctil, que rodeia a célula no meio, formado por microfilamentos de actina. Por fim, na Citocinese, os filamentos do anel contráctil se contraem, formando uma cavidade chamada de “sulco de clivagem”, até dividir a célula ao meio e separar as duas células-filha, cada uma com seu material genético e fragmentos de organelas.

 

Fig. 16 Ligação das fibras do fuso mitótico ao cinetócoro. O cinetócoro é um complexo proteico localizado no centrômero das cromátides, destacado em vermelho nas figuras A, B e C, e esquematizado em D e E. Ele é formado na prófase, por onde as fibras do fuso mitótico (microtúbulos que saem dos centrossomos) se ligam. Na prometáfase as fibras encaixam-se no “anel” do cinetócoro (em amarelo, nas figuras D e E) através de sua extremidade (+).  A figura C demonstra como o microtúbulo “sabe” que se encaixou nos cinetócoros certos para segregar os cromossomos de forma correta; a única forma estável de ligação é a em que cada microtúbulo conecta-se a apenas um cinetócoro de cada cromátide, em um mesmo cromossomo. Desta forma, a tensão para puxar cada cromátide é igual, podendo separá-las, diferentemente das outras formas, que são instáveis. É na anáfase que ocorre a separação das cromátides. Há a clivagem das proteínas coesinas (localizadas no centrômero e que eram antes responsáveis pela união das cromátides, formando o cromossomo) pelas separases; dessa forma, as duas cromátides podem então ser separadas. Além disso, há a ação de duas forças motoras para tracionar as fibras do fuso em direção ao centrossomo: ocorre uma despolimerização dos microtúbulos do cinetocoro, na região (+) (figura E), tracionando o cromossomo em direção ao centrossomo, além de polimerização dos microtúbulos polares, afastando um centrossomo do outro. Dessa forma, os cromossomos podem ser separados, para que na telófase cada cromátide siga para um polo da célula.

 

Fig. 17 Microtúbulos que formam o fuso mitótico. São três os tipos de microtúbulos, e todos partem dos centrossomos. Os microtúbulos astrais seguem próximo à membrana plasmática, em contato somente com ela. Os microtúbulos do cinetócoro, como o próprio nome já diz, ligam-se ao cinetócoro das cromátides, conectadas umas às outras no meio da célula (na fase de metáfase). Os microtúbulos interpolares conectam uma fibra do fuso à outra (de outro centrossomo), por meio de proteínas motoras (como cinesinas e dineínas).

 

Fig. 18 Formação do anel contráctil na citocinese. O anel contráctil (em vermelho, na figura A) é formado por microfilamentos de actina, associado a proteínas motoras, como a miosina. Os microfilamentos ficam no meio da célula, contornando-a. Com a contração da miosina, a actina encurta e contrai o anel, formando uma fenda chamada de “sulco de clivagem”, até que a célula se divida em duas células-filhas. O sulco pode ser visto nas microscopias eletrônicas, com uma visão da célula toda, com o sulco ao centro (figura B) e mais próximo do sulco (figura C).

 

Fig. 19 Fases da meiose. A meiose é um processo que, em organismos multicelulares de reprodução sexuada, ocorre nos órgãos reprodutores, com finalidade de gerar células reprodutoras – os gametas. A meiose consiste em duas etapas de divisão (ao invés de apenas uma, como na mitose); logo, uma célula divide-se em duas células haploides, cada uma com um cromossomo (duas cromátides unidas), e estas dividem-se novamente em duas, originando, no final, quatro células diferentes, cada uma com uma cromátide. Na meiose, a célula passa por todas as etapas do ciclo celular - G1, S e G2 – e, ao invés de Mitose (fase M), ela entra em Meiose. A Meiose se inicia na prófase I, a qual é composta por cinco subfases: leptóteno, zigóteno, paquíteno, diplóteno e diacenese. Na prófase I, a célula diploide, com seu DNA já duplicado na fase S, começa a ter o cromossomo condensado em maior grau no leptóteno; os cromossomos homólogos se pareiam ponto a ponto, formando as sinapses cromossômicas (zigóteno) e se unem (paquíteno), formando uma célula tetraploide (com duas cópias do cromossomo). Após a formação da tétrade, ocorre o “crossing over” ou entrecruzamento (ainda no zigóteno), ou seja, a troca de fragmentos das cromátides e, consequentemente, de material genético. Essa troca ocorre em pontos do cromossomo chamados de quiasma. O crossing over (representado na micrografia na figura B e no esquema da figura C) é essencial para criar variabilidade genética entre indivíduos ou mesmo em um mesmo organismo, gerando vários gametas diferentes, com cromossomos diferentes. É no diplóteno e na diacenese que os cromossomos que sofreram crossing over começam e terminam de se afastar um do outro. Após a prófase I, ocorrem as etapas de metáfase I, anáfase I e telófase I. Seguindo a mesma base da mitose, nessas fases, as tétrades se alinham no fuso meiótico para serem segregadas, cada cromossomo separa-se e segue em direção a uma extremidade da célula. Ao final da citocinese, ocorre um curto intervalo, a “intercinese”. Agora, há duas células haploides, com duas cromátides unidas. A segunda etapa da meiose, semelhante à primeira: inicia-se na prófase II e termina na telófase II, seguida da citocinese. Destaca-se que na anáfase II, ao segregar o material genético para os polos das células, as cromátides-irmãs são separadas e cada uma segue para um polo da célula. Ao final da segunda citocinese, há quatro células filhas, cada uma com uma cromátide diferente. A figura A mostra como os cromossomos podem ser inicialmente segregados na metáfase I, antes da separação feita com a contração das fibras do fuso meiótico, gerando por fim células filhas com quatro diferentes combinações. Já o esquema da figura B destaca as duas fases de metástase; a primeira, quando a tétrade é desfeita e cada cromossomo segue para uma célula-filha, e a segunda, quando o cromossomo se separa e cada cromátide segue para sua célula-filha.

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