Universidad Nacional Autónoma de México

1. Universidad Nacional Autónoma de México Curso Genética y Biología Molecular (1630) Licenciatura Químico Farmacéutico Biológico Facultad de Química Dra. Herminia Loza Tavera Profesora Titular de Carrera Departamento de Bioquímica Lab 105, Edif E 5622-5280 hlozat@unam.mx

2. VIII. Regulación de la Expresión genética • Objetivo general • El alumno identificará los diferentes mecanismos que operan en la regulación de la expresión genética en procariontes y eucariontes

3. Objetivos del tema

4. Ciclo celular y cáncer

5. Los tejidos de un organismo multicelular mantienen su tamaño gracias a una estricta regulación de ciclo celular y apoptosis acorde a las señales extracelulares e intracelulares que perciben las células Falta de nutrientes Radiación UV Infección viral Estrés térmico Mitogenos Hormonas Factores de crecimiento DESBALANCE = TRANSFORMACION CELULAR

6. Cáncer • El cáncer es un conjunto de enfermedades en las que el organismo produce un exceso de células malignas, las cuales tienen un índice de crecimiento y división más allá de los límites normales • Potencialmente, cualquier célula puede llegar a ser cancerosa.

7. Cáncer = desbalance entre división celular y muerte

8. Tumores benignos y malignos • Tumor benigno: las células permanecen en su sitio de origen y no se diseminan a otro tejidos. Se eliminan fácilmente por cirugía. Por ejemplo una verruga • Tumor maligno: es capaz de invadir otros tejidos. Su tratamiento es muy complicado

9. Metástasis: invasión a otros tejidos

10. Clasificación del cáncer, dependiendo del tipo celular • Carcinoma: células epiteliales (90% de los conocidos) • Sarcoma: células de tejido conectivo (músculo, hueso o cualquier tejido fibroso) • Leucemia y linfoma: el primero es en células de la sangre y el segundo en células del sistema inmune (8% en humanos)

11. Fases de desarrollo del cáncer • Iniciación: mutación en una o varias células, ciclo celular alterado • Progresión: mutaciones adicionales que brindan ventaja selectiva a la célula, selección clonal

12. El cáncer es el resultado de la acumulación de anormalidades en una célula

13. Factores que promueven el desarrollo del cáncer • Ambientales • químicos: ésteres de forbol, asbestos, hormonas esteroideas • físicos: rayos UV, X o gamma • biológicos: virus (retrovirus, papiloma) y bacterias (Helicobacter pylori) • Genéticos • mutaciones en genes que regulan el ciclo celular Para que una célula se transforme (se haga cancerosa) es necesaria la combinación de dos o más de estos factores

14. Agentes iniciadores: generan daño a nivel de DNA • Agentes promotores: inducen división celular

15. Características de las células cancerosas • No sufren inhibición por contacto • Producen sus propios factores de crecimiento: estimulación de crecimiento autócrina • Producen menos moléculas de adhesión en su superficie (esto promueve la metástasis) • Secretan proteasas que rompen la matriz extracelular de tejidos adyacentes y les permiten colonizarlos • Secretan factores de crecimiento que promueven la generación de vasos sanguíneos a su alrededor (angiogenesis) • Por lo general fallan en diferenciarse • No presenta apoptosis

16. Factores genéticos • Alteraciones en protooncogenes o en genes supresores de tumores • Mutaciones más frecuentes: • puntuales • amplificación de segmentos de DNA • translocaciones cromosómicas Protooncogenes Genes que pueden convertirse en oncogenes Los oncogenes estimulan la proliferación celular Genes supresores de tumores Detienen la proliferación celular

17. Ciclo celular

18. En organismos unicelulares, el avance en el ciclo celular depende fuertemente del ambiente

19. La frecuencia de división y/o crecimiento depende del tipo celular • La mayor parte de las células diferenciadas de los organismos pluricelulares permanecen en G0 indefinidamente. • Las neuronas nunca vuelven a entrar en G1 • Las células cancerosas son incapaces de entrar en G0 y se dividen de manera continua • Las células embrionarias se dividen cada treinta minutos Células embrionarias

20. Los factores de crecimiento y las hormonas son señales para continuar o detener el crecimiento/división celular

21. Factores de crecimiento y citocinas

22. ¿Qué es lo que hace que las células transiten a través del ciclo celular? Ciclinas y Cdk Las encargadas del control del ciclo celular son dos tipos de proteínas: - ciclinas - cinasas dependientes de ciclinas (Cdk) El patrón o tipo de ciclinas presentes en cada fase del ciclo celular es específico. • Las Cdk fosforilan diferentes proteínas que participan en el ciclo celular. • La actividad de las CDKs dependen de su interacción con las ciclinas.

23. Las ciclinas se sintetizan y se degradan en las diferentes fases del ciclo celular en las que participan

24. Las CDKs se unen con diferentes ciclinas a lo largo del ciclo celular

25. El ciclo celular progresa solo si las condiciones son las óptimas

26. Tipos principales de Ciclinas • Ciclinas G1/S: promueven el crecimento de la célula y la preparanpara la replicación de su DNA • Ciclinas S: son indispensables para la replicación del DNA • Ciclinas M: regulan los eventos de la mitosis • Ciclinas D: determinansi la célulaentra o no en G0

27. Complejos Ciclina-Cdka lo largo del ciclo celular

28. Regulación de los complejos ciclina/CDK Los complejos ciclina/CDK se regulan por cuatro mecanismos: • Asociación de la CDK con su ciclina específica: niveles de síntesis y degradación de ciclinas • Activación/Inactivación del complejo mediante fosforilación • Transporte • Unión a proteínas inhibitorias

29. Asociación de la CDK con su ciclina específica: niveles de síntesis y degradación de ciclinas • Para que los pasos a través del ciclo celular sean irreversibles, la ciclina se degrada por un mecanismo de proteólisis dependiente de ubiquitina, las dos más importantes son: • SCF: actúa en las ciclinas G1 y S • APC: actúa sobre ciclinas M

30. Activación del complejo ciclina/Cdk por fosforilación • Se fosforila un residuo de treonina en la posición 160 de la Cdk por acción de la enzima CAK (Cdk-activating kinase) • La ciclina y su correspondiente cinasa se pueden unir pero el complejo no es funcional hasta que es activado por la CAK

31. Fosforilación inhibitoria • Fosforilación de los residuos de tirosina 15 en levaduras o treonina 14 en vertebrados, dichos aminoácidos se encuentran en el amino terminal de la Cdk • Proceso catalizado por la cinasa Wee1.

32. Proteínas que inhiben la actividad de los complejos Ciclina/CDK • Los complejos Cdk/ciclina también pueden ser regulados por la unión a proteínas inhibidoras llamadas CKIs, en células de mamífero las CKIs principales son: - Proteínas de la familia CIp/Kip, regulan la interfase G1/S - Proteínas de la familia Ink4 presentes en el punto de restricción en G1

33. Ciclinas D • Responden a factores de crecimiento a través de la vía Ras/Rb/ERK • Se encargan de proseguir a la fase S. • Si el factor de crecimiento no está presente, la célula entra en G0

34. El ciclo celular está estrictamente regulado en distintos puntos • En levaduras, el principal punto de control ocurre en G1 y está definido por señales externas

35. Profase Pro-metafase Metafase Anafase Telofase 3 2 La célula se prepara El DNA se replica Se corrigen errores 1 En mamíferos hay tres puntos de control del ciclo celular G1/S CHECKPOINT

36. G1/S, en mamíferos depende de factores de crecimiento • Si no hay factores de crecimiento la célula permanece en estado quiescente (G0) hasta que haya un estímulo

37. G2/M y ovogenesis Estradiol

38. Regulación de la replicación del DNA Complejo pre-replicativo S-Cdk/Ciclina A P Inicio Replicación

39. p53 censa el daño al DNA

40. Si la célula no puede reparar los daños, entra en apoptosis

41. Regulación de la mitosis

42. MPF es el regulador maestro de la mitosis • MPF (MaturationPromoting Factor) está formado por la Cliclina B y la Cdk2 Cdk2

43. Ruptura de la membrana nuclear Los componentes principales de la membrana nuclear se ven afectados por la actividad del MPF • La membrana nuclear se fragmenta en vesículas • Los poros nucleares se disocian • La lámina nuclear se despolimeriza

44. M-Cdk regula al complejo que promueve la separación de las cromátidas

45. Las cohesinas unen a las dos cromátidas hermanas

46. Transición metafase/anafase • Degradación de las proteínas Smc1 (cohesina) • y de la ciclina B

47. Reensamblaje de la membrana nuclear

48. Regulación del ciclo celular Señales extracelulares G0 Diferenciación Apoptosis

49. Factores genéticos • Alteraciones en protooncogenes o en genes supresores de tumores • Mutaciones más frecuentes: • puntuales • amplificación de segmentos de DNA • translocaciones cromosómicas Protooncogenes Genes que pueden convertirse en oncogenes Los oncogenes estimulan la proliferación celular Genes supresores de tumores Detienen la proliferación celular

50. Oncogenes vs Genes supresores de tumores 1 mutación súper-activa del oncogen es suficiente para promover cáncer Se requieren 2 mutaciones sobre el gen supresor para eliminar su actividad y promover cáncer