Cuestiones biológicas
1 El concepto de ciclo celular
Las células vivas crecen hasta una determinada etapa y se reproducen o mueren, con pocas excepciones. Después de la división celular, la nueva célula crece y luego se divide en dos células hijas que, en promedio, son iguales a la célula madre original. Este ciclo de crecimiento y división celular se llama ciclo celular. Más concretamente, el ciclo celular es el proceso por el cual las células comienzan a crecer después de una división y finalizan con la siguiente división. El tiempo requerido se llama tiempo del ciclo celular.
Según Howard et al. (Howard y Pelc) en 1953, el programa de cuatro etapas del ciclo celular es el siguiente: (1) El intervalo desde la mitosis hasta la replicación del ADN se denomina g 1; período de replicación del ADN Se llama fase S. El contenido de ADN se duplica durante la fase S, y sólo durante esta fase se puede mezclar la timidina marcada con tritio con el ADN, lo que proporciona una firma con otras fases. (El intervalo desde la finalización de la replicación del ADN hasta el inicio de la mitosis se llama fase G2; (4) Desde el principio hasta el final de la división celular, es decir, desde la condensación y separación de los cromosomas hasta la distribución equitativa de los dos. En las células hijas, el ADN de la célula se reduce a la mitad después de la división. Este período se llama fase M o fase D (Figura 14-1).
Después de la división celular. Se completa la división, solo algunas células hijas entran en la fase G1 y comienzan el segundo ciclo. Las células no entran en el ciclo y se diferencian. En la fase G1 tardía, hay un punto de decisión (D) que determina si la célula inicia la secuencia metabólica. nuevamente, dando lugar a la mitosis, o abandona el ciclo y entra en estado de latencia y luego deja de seguir el ciclo. Pero existen diferencias en las células de los mamíferos, que se pueden dividir en tres categorías según su capacidad para sintetizar el ADN y dividirse: la primera categoría mantiene el ciclo. capacidad de continuar dividiéndose, y luego entra en el ciclo celular, desde esta mitosis hasta la siguiente división; el segundo grupo de células pierde permanentemente la capacidad de dividirse. El tercer tipo es una población de células estáticas. En circunstancias normales, no pueden sintetizar ADN y. no pueden dividirse, sin embargo, después de una estimulación adecuada, pueden volver a entrar en el ciclo y comenzar a dividirse. Estas células se denominan células G0 (no incluidas en el ciclo). Figura 14-2. , Por ejemplo, ambas pueden sintetizar ARN y proteínas, pero las células G0 potencian la unión de actinomicina D y naranja de acridina
2 El proceso del ciclo celular
Como se puede ver en. Las actividades bioquímicas del ciclo celular en la tabla 14-3, las proteínas, el ARN y el ADN se sintetizan en interfase y luego entran en la fase G1. En cuanto al crecimiento, lo más importante es controlar la velocidad de reproducción celular. pasan rápidamente por la fase G1, y en los organismos multicelulares, algunas células pueden dejar de replicarse temporal o permanentemente en esta fase. La fase de replicación del ADN es cuando se sintetizan las enzimas necesarias para la replicación del ADN. Hay muchas unidades de replicación en las moléculas de ADN de los eucariotas. Por ejemplo, hay alrededor de 70.000 unidades de replicación en los 46 cromosomas humanos. El número promedio de cada cromosoma es de aproximadamente 65.438 0.300. No todas estas unidades de replicación se replican al comienzo de la fase S, pero algunas están escalonadas en la profase y. anafase, y todos se replican en la fase S. Se replican temprano en el ciclo S anterior, se replicará temprano en el siguiente ciclo S. Se encuentra que la replicación del ADN en la eucromatina y la heterocromatina también se puede replicar en la eucromatina. La fase S temprana y la heterocromatina se pueden replicar en la fase S tardía. Lo que se transcribe está en la fase S temprana, y lo que no se transcribe está en la fase S tardía. En cuanto al mecanismo que controla la replicación de tantas unidades de replicación. aún se desconoce.
La fase G2 es el período de preparación para que las células entren en la mitosis. Durante este período es necesario sintetizar nuevos ARN y proteínas, si se inhibe su síntesis, se impide que entren en la mitosis. Fase G2. Algunas proteínas aparecen en la fase G2, pero algunas de estas proteínas se denominan factores promotores de la maduración (MPF), que se sintetizan solo durante la fase G2. Pueden condensar la cromatina fragmentada en la membrana nuclear en interfase en la forma del cromosoma mitótico. . Este MPF se identificó por primera vez en ovocitos maduros de Xenopus laevis y posteriormente durante la meiosis en ovocitos de mamíferos, la mitosis en células somáticas y la mitosis en levaduras.
Si se inyecta MPF semipuro extraído de células mitóticas de mamíferos en ovocitos inmaduros de Xenopus laevis, la envoltura nuclear también puede alterarse y acumularse cromosomas inmaduros.
Johnson y Rao descubrieron el fenómeno de la condensación prematura de los cromosomas ya en 1970 en células fusionadas obtenidas mediante la inactivación del virus Sendai. La fusión de células mitóticas y en interfase da como resultado el colapso de la membrana nuclear en interfase y la condensación de la cromatina en cromosomas separados. La morfología de los cromosomas condensados prematuramente depende de la posición de la célula en interfase durante la fusión. Los cromosomas precondensados en la fase S están "fragmentados", probablemente porque la replicación del ADN ocurre en muchas unidades de replicación de longitud del ADN. Los cromosomas precondensados en la fase G2 están compuestos por dos cromátidas. Composición corporal (Figura; 14-3). En los últimos años, (Sunkara et al., 1979) descubrieron que algunos de los factores que causan la condensación cromosómica y que a menudo ocurren durante la mitosis, la meiosis y el colapso del blastocisto (núcleo del óvulo inmaduro) en los ovocitos de Xenopus son proteínas, llamadas factores mitogénicos. Se sintetizan en la fase G2, alcanzan su punto máximo durante la mitosis y comienzan a disminuir rápidamente en la fase G1.
A partir de estos estudios se descubrió en la fase G2 de los ovocitos de Xenopus una proteína, el factor promotor de la maduración (MPF), que también puede provocar la condensación mitótica de los cromosomas. Si este MPF continúa existiendo, las células en división permanecerán en metafase. ¿Cómo se puede completar la mitosis? Actualmente, se han identificado inhibidores que inhiben el MPF a partir de ovocitos de Xenopus laevis. Aparece a medio plazo y puede inactivar el MPF. Debido a que puede liberarse durante la metafase, puede completar la mitosis o la meiosis y volver a entrar en otra interfase. Se puede observar que este inhibidor juega un papel regulador importante en la condensación cromosómica.
Los núcleos aislados en interfase se cultivaron con MPF extraído de ovocitos de Xenopus laevis. Se descubrió que 15 minutos después de agregar MPF, dos proteínas en la capa fibrosa nuclear, la laminina sA y C, estaban hiperfosforiladas y luego la capa fibrosa nuclear se rompía, lo que puede ser el resultado de la hiperfosforilación de la lámina fibrosa nuclear. Después de 30 minutos, la membrana nuclear se fundió. Al final de la división, la lámina se desfosforila y la membrana nuclear se reorganiza. Por lo tanto, la fosforilación de proteínas está estrechamente relacionada con la tasa de desfosforilación, la condensación de la cromatina, la ruptura de la capa de fibras nucleares, el colapso y la reorganización de la membrana nuclear.
3 Velocidad del ciclo celular
En el ciclo celular, las fases iniciales G1, S y G2 son la fase de crecimiento, y la fase M final es la fase de división. La duración de estas cuatro etapas varía entre los tipos de células, pero a pesar de la influencia de las condiciones ambientales, las diferencias entre células del mismo tipo aún son pequeñas (tabla 14-1).
Aunque la duración de cada período es diferente, todavía existen similitudes, como el período S largo y el período M corto. La fase más notable es G1. Algunas son tan cortas como un huevo y G1 no puede detectarlas en absoluto. Algunas son tan largas como las células leucémicas y pueden durar más de diez días. Incluso las células del mismo sistema tienen diferentes duraciones de ciclo celular debido a diferentes ubicaciones, como el sistema digestivo, las células epiteliales esofágicas y duodenales del ratón. Los tiempos totales de su ciclo celular son 115 horas y 15 horas respectivamente. La fase G1 del esófago dura 103 horas, mientras que la fase g1 del duodeno dura 6 horas.
Bioquímica del ciclo celular
La mejor manera de comprender los cambios sintéticos y bioquímicos en cada etapa del ciclo celular es dejar que las células en cultivo crezcan sincrónicamente, de lo contrario es imposible obtenerlas. resultados muy correctos. Ahora se sabe que la adición de muchos productos químicos al medio de cultivo o la falta de ciertos compuestos en el medio de cultivo puede provocar que el crecimiento de células asincrónicas se sincronice, obteniendo así una población celular homogénea para análisis bioquímicos y otros estudios en biología celular. . Por ejemplo, la colchicina se puede utilizar para detener las células de la fase M en metafase, que se puede utilizar para analizar bandas cromosómicas. El cuadro 14-2 resume estos fármacos y sus fases de inhibición del ciclo celular.
Existen muchos métodos para la sincronización celular. La siguiente es una breve introducción a los más utilizados:
1. El método de recolección por división celular se utiliza para el cultivo en monocapa de células animales. Cuando las células no se dividen, se adhieren a la superficie de la pared de la botella. Cuando comienza la mitosis, la célula "se levanta" (forma una bola). En este momento, si agita la botella suavemente, las células en división se desprenderán.
De esta forma, agitar una vez cada hora y cosechar una vez, y conservar en frigorífico a 2-4°C. Se puede recoger de forma continua durante 24 horas. Después de la recolección, colóquelo en un medio de cultivo que contenga una cantidad adecuada de colchicina y cultívelo en una incubadora a 37 °C. Las células en fase M pueden empezar a crecer inmediatamente y permanecer en metafase.
2. Método de inhibición metabólica. El fármaco comúnmente utilizado en este método es añadir un exceso de timidina al medio de cultivo. La timidina es un precursor de la síntesis de ADN y es indispensable. La dosis adecuada es 10-5-10-7mol/L. Si se administra una sobredosis de timidina (es decir, 10-3mol/L), se inhibirá la síntesis de desoxitimidina, lo que impedirá la síntesis de ADN. Cuando las células en cultivo reciben un exceso de timidina, 24 horas después y luego se lavan, todas las células en la fase S avanzan a G1, M y G1. Luego, las células se detuvieron en la fase G1/s añadiendo un exceso de timidina para continuar con el cultivo. Después del lavado, se puede eliminar el exceso de timidina y obtener células sincronizadas. Si la sincronización no se completa en este punto, se puede volver a añadir el exceso de timidina.
3. Método de cultivo a baja temperatura Este método consiste en cultivar células de cáncer de cuello uterino a 37 ℃ durante 24 horas, luego cultivar a 4 ℃ durante 65438 ± 0 horas y luego regresar a 37 ℃ para continuar con el cultivo. Después de 17 horas, casi no se observó división, pero después de 1 hora, alrededor de 95 células se dividieron al mismo tiempo, duplicando el número de células. Si se mantiene esta división sincronizada, las células en división se pueden procesar nuevamente a bajas temperaturas.
A través del método de sincronización anterior, la población celular en cultivo se puede bloquear en una determinada etapa del ciclo celular para diversos análisis bioquímicos, a fin de comprender los cambios bioquímicos de las células en diferentes etapas. Las actividades bioquímicas de cada fase del ciclo celular se resumen en la tabla 14-3.
Las células G0 son fértiles y tienen la capacidad de reingresar al ciclo celular bajo condiciones o estímulos adecuados. Si la mayoría de las células del hígado están en un estado G0 normal y si se extirpa parte del hígado, las células restantes pueden volver a ingresar a la circulación y regenerar células para reemplazar el tejido hepático extirpado. Otro ejemplo son las células de las glándulas salivales, que también se encuentran en la fase G0. Las células G0 pueden estimularse para que proliferen si se tratan con isoproterenol (IPR). Esta célula G0 despierta sufre una serie de cambios metabólicos antes de entrar en la etapa de síntesis de ADN. Estas actividades bioquímicas se muestran en la figura 14-4.
Regulación de la proliferación celular
Para mantener una vida normal y un peso corporal constante, los organismos multicelulares deben proliferar constantemente nuevas células que reemplacen a las que envejecen y mueren. Por ejemplo, se estima que cada día desaparecen entre 1 y 2 células, por lo que cada día nacen cientos de millones de células nuevas. En diferentes tejidos del cuerpo, la tasa de transformación celular es diferente. Por ejemplo, nacen pocas neuronas, mientras que otros tipos de células proliferan rápidamente, como la mucosa intestinal y la epidermis, y algunos órganos crecen en algún punto intermedio. Por ejemplo, las células del hígado cambian constantemente, pero muy lentamente. La vida media de una célula hepática es de unos 18 meses, mientras que las células de la mucosa del intestino delgado sólo pueden sobrevivir dos días. La proliferación, diferenciación, migración y muerte celular son bastante complejas, y la dinámica de la población celular emergente estudia estas cuestiones.
En cuanto a cómo regular la proliferación celular, este artículo introduce primero la inhibición por contacto en condiciones de cultivo que se menciona a menudo. Cuando los fibroblastos normales forman monocapas en el cultivo de tejidos, se inhibe su crecimiento y movimiento. Las células inhibidas permanecen en la fase G1. Pueden permanecer aquí muchos días sin efectos secundarios. Cuando estas células se trasplantan de un tubo de cultivo a un tubo de cultivo nuevo, pueden continuar creciendo durante el ciclo celular. ¿Por qué sucede esto? El mecanismo no está claro. Alguien (Burger et al., 1970) señaló que la formación de esta regulación está determinada por la estructura de la membrana celular. Sus experimentos trataron fibroblastos normales con tripsina y otras proteasas, lo que dio a las células la capacidad de proliferar nuevamente cuando se cultivaron in vitro. Esto se debe a que después de que las células se tratan con tripsina, el exterior de la membrana plasmática se digiere, el sitio de aglutinación queda expuesto y ya no hay inhibición por contacto. Sin embargo, si estas células tratadas se lavan con tripsina y luego se cultivan, pueden regenerar membranas plasmáticas normales (es decir, tienen una membrana externa intacta) y se restablece la inhibición por contacto. Este experimento muestra que la inhibición por contacto está estrechamente relacionada con la estructura de la membrana celular (Figura 14-5).
La regulación de la reproducción celular en los organismos es más compleja. Como se mencionó anteriormente, las velocidades a las que se reproducen las células son diferentes en las células animales y vegetales. Las células de diferentes tejidos del mismo cuerpo se reproducen a ritmos diferentes. Algunas están reguladas por hormonas, mientras que otras pueden regularse por sí mismas. Por ejemplo, la velocidad a la que las células de la médula ósea se diferencian en glóbulos rojos está determinada por la estimulación de la hormona eritropoyetina. La velocidad de su síntesis en las células renales está determinada por el nivel de O2 en la sangre. Cuando los niveles de O2 disminuyen, la producción de eritropoyetina aumenta en los riñones, lo que resulta en un aumento de la tasa de producción de glóbulos rojos en la médula ósea. Un aumento de glóbulos rojos aumenta la capacidad de la sangre para transportar O2. A medida que aumentan los niveles de O2, la eritropoyetina disminuye. Este mecanismo regulador no sólo puede mantener la tasa de producción de glóbulos rojos para reemplazar los glóbulos rojos perdidos y muertos, sino también aumentar la producción de glóbulos rojos para adaptarse a la pérdida de sangre después de una hemorragia y al impacto de la reducción de O2 en la meseta. atmósfera.
En el cultivo de células vegetales, el efecto regulador de las hormonas sobre la reproducción celular también es evidente. Por ejemplo, en el cultivo de células de cultivos de cereales, agregar una cantidad adecuada de auxina 2,4-D al medio de cultivo puede hacer que las células se dividan en grupos de células y luego eliminen esta hormona para crecer con éxito hasta convertirse en embriones somáticos.
El ejemplo más evidente de autorregulación de la reproducción celular es la reproducción de células hepáticas de mamíferos adultos. Normalmente las células del hígado se encuentran en la fase G1. Las células del hígado tienen una larga vida útil y una tasa de reproducción lenta. Pero una vez que se extirpa la mayor parte del hígado, las células restantes sufren mitosis durante la fase G1. Si se cortan tres cuartas partes del hígado de un ratón, la parte restante puede multiplicarse rápidamente y volver a su tamaño original en unos días.
Ahora se sabe que la división y diferenciación celular también están reguladas por dos receptores situados en la membrana celular.
Mucha evidencia muestra que los cambios en los mediadores intracelulares AMPc y GMP causados por la activación de dos receptores en la membrana celular, así como los cambios resultantes en la función celular, también pueden explicarse por el Yin y el Yang. teoría (Goldberg, 1973).
6 genes del ciclo celular
Cada fase del ciclo celular requiere proteínas con diferentes funciones. Los genes que codifican estas proteínas se denominan genes del ciclo celular o genes del ciclo de división celular. Por ejemplo, se sintetizan varias enzimas durante la replicación del ADN, lo que requiere la aparición de factores promotores de la maduración (MPF) para provocar la condensación de los cromosomas. La levadura es el gen del ciclo celular más estudiado. Se sabe que se han identificado aproximadamente 50 genes cdc diferentes mediante mutagénesis condicional. Las mutaciones condicionales se refieren a mutaciones que afectan la actividad de un producto genético sólo bajo ciertas condiciones de cultivo. Casi todas las mutaciones condicionales son sensibles a la temperatura (mutaciones Ts). Por ejemplo, se han encontrado varias mutaciones sensibles a la temperatura en la levadura, y la temperatura normal de supervivencia es de 35°C. Si se cultiva a 37°C, se impedirá la síntesis de determinadas proteínas, lo que se denomina mutación termosensible. Cuando se cultivó a 23°C, se produjo otra mutación, llamada mutación sensible al frío. Por lo general, esta mutación Ts es el resultado de la sustitución de uno de los aminoácidos. Cambia la estabilidad de la forma estructural tridimensional de la proteína producto del gen. Por encima o por debajo de una determinada temperatura, perderá su efecto. A partir del estudio de estos mutantes, se descubrió que las funciones de algunas proteínas específicas están estrechamente relacionadas con el ciclo celular, y muchas proteínas de la levadura desempeñan sus respectivas funciones en diversos eventos del ciclo celular.
7 Desarrollo de la Dinámica Celular
¿Qué es la Dinámica Celular? La dinámica celular es una materia que estudia cuantitativamente las leyes de las poblaciones celulares, proliferación y diferenciación, distribución y muerte, así como su regulación y respuesta a factores fisiológicos y físicos y químicos. El estudio de la dinámica celular no sólo está estrechamente relacionado con el diagnóstico, tratamiento y patogénesis de enfermedades tumorales, sino también con la proliferación y reparación de los tejidos corporales, especialmente enfermedades del sistema hematopoyético (como la anemia perniciosa), enfermedades de la piel (como la psoriasis) , enfermedad por radiación, cuestiones importantes como la planificación familiar y la producción y regulación de linfocitos inmunes están estrechamente relacionadas. Para esta nueva disciplina, especialmente las células madre. , que existe en las células somáticas y germinales, es la célula madre multipotente más básica y su descendencia puede transformarse en diferentes direcciones. Cualquier tipo de célula hematopoyética puede diferenciarse de las células madre hematopoyéticas. En animales irradiados letalmente, todos los órganos linfoides pueden reconstituirse mediante una infusión de células de la médula ósea, que contienen células madre. Esta investigación está relacionada con las vías fundamentales de aparición y reversión del cáncer y el tratamiento de tumores, por lo que debe tomarse en serio.
Se puede observar que la aparición del concepto de ciclo celular y el desarrollo de la dinámica celular como tema no solo han tenido un impacto importante en la biología celular, sino que también tienen un papel rector importante en el tratamiento de los tumores humanos. Algunos principios básicos obtenidos del estudio de la dinámica de proliferación y el ciclo celular de poblaciones de células normales y tumorales pueden proporcionar una base teórica sólida para formular planes de tratamiento razonables.
Uno de los principios de la quimioterapia contra la leucemia es utilizar la diferencia en el tiempo del ciclo entre las células tumorales y las células normales de la médula ósea (tabla 14-1) para destruir las células tumorales al máximo y preservar las células de la médula ósea. Las células normales de la médula ósea tienen un ciclo celular corto y se recuperan rápidamente, mientras que las células leucémicas tienen un ciclo celular largo. Después de la primera dosis, cuando la médula ósea vuelve a la normalidad y la cantidad de células leucémicas no se ha recuperado, la segunda dosis se usa para matar una sola vez y se combina con quimioterapia en dosis repetidas. En teoría, las células leucémicas pueden eliminarse para lograr la "recuperación" y en la práctica se han logrado grandes avances. Sin embargo, debemos darnos cuenta de que el desarrollo de la dinámica celular está todavía en su infancia y que la aplicación clínica del conocimiento de la dinámica celular apenas ha comenzado. Por lo tanto, es necesario seguir estudiando el ciclo celular de los tejidos humanos normales y los tumores en el futuro para estrechar la relación entre la dinámica de proliferación celular y el tratamiento de los tumores.
La división celular requiere de una gran cantidad de energía y material.