División celular Las células se reproducen duplicando su contenido y dividiéndose en dos. En los organismos unicelulares, como las bacterias y las levaduras, cada división celular produce un nuevo organismo completo, mientras que para producir un nuevo organismo multicelular a partir de un huevo fertilizado, se requieren varias series de divisiones celulares. Este ciclo de duplicación y división, esencial para la reproducción de todos los organismos vivos, se conoce como ciclo celular. En el capítulo 18 analizamos la manera en que las células eucariontes controlan las diferentes fases del ciclo para que se produzcan en el momento correcto y en la secuencia correcta. En este capítulo nos concentraremos en la fase final del ciclo celular, cuando la célula divide su núcleo (mitosis) y luego su citoplasma (citocinesis). La mitosis y la citocinesis en conjunto constituyen la fase M del ciclo celular (véase fig. 19-1). Fig. 19-1 La fase M del ciclo celular consiste en la división nuclear (mitosis) seguida por la división citoplasmática (citocinesis). Aunque la fase M se produce durante un lapso relativamente breve -de alrededor de una hora en una célula de mamífero que se divide una vez por día o incluso una vez por año-, indudablemente es la fase más impresionante del ciclo celular. Durante este breve período la célula reorganiza casi todos sus componentes y los distribuye en forma equitativa en las dos células hijas. El resto del ciclo celular, en efecto, sirve para preparar las condiciones para la fase M. En las células que proliferan más rápidamente este período preparatorio, denominado inferfase, se divide en tres fases: la fase S, durante la cual se replica el DNA, y dos intervalos o fases gap, G1 y G2, que proporcionan un tiempo adicional para que la célula crezca (véase fig. 19-2). Durante la interfase los sucesos que preparan a la célula para la fase M, como todos los demás sucesos del ciclo celular, están coordinados por el sistema de control del ciclo celular. Como se vio en el capítulo 18, el núcleo del sistema de control es un conjunto de proteínas que se activan en forma secuencial para desencadenar el comienzo de los diferentes pasos del ciclo. Entre estas proteínas regulatorias se encuentran las cinasas dependientes de ciclina (Cdk) que controlan el ingreso en la fase S y en la fase M. Fig. 19-2 El ciclo celular de las células eucariontes comprende cuatro fases sucesivas La división nuclear y luego la división citoplasmática se producen en la fase M. La interfase se divide en tres fases: • la replicación del ADN se lleva a cabo durante la fase S • la fase G1 es el intervalo entre la fase M y la fase S • la fase G2 es el intervalo comprendido entre la fase S y la fase M. La célula crece continuamente durante la interfase pero detiene su crecimiento durante la fase M. En este capítulo la más importante de estas cinasas es la Cdk de la fase M (Cdk-M), que inicia esta fase (como se explicó en el capítulo 18). La activación de la Cdk-M impulsa muchos de los cambios morfológicos que se producen en las células animales durante la mitosis: los cromosomas se condensan, la envoltura nuclear se rompe, el retículo endoplasmático y el aparato de Golgi se reorganizan, la célula pierde sus adherencias a otras células y a la matriz extracelular y el citoesqueleto sufre una reorganización radical para formar las estructuras especializadas que segregarán los cromosomas replicados y dividirán la célula en dos. La fase M finaliza cuando se inactiva la Cdk-M. Comenzaremos este capítulo con una descripción general de la fase M. Luego analizaremos, por partes, los eventos que se producen durante la mitosis y la citocinesis, especialmente en las células animales. Descripción general de la fase M El problema central de una célula en fase M es separar y distribuir (segregar) con precisión sus cromosomas, que ya fueron replicados en la fase S precedente, para que cada célula hija nueva reciba una copia idéntica del genoma. Con mínimas variantes todas las células eucariontes resuelven este problema de manera similar: ensamblan máquinas especializadas en el citoesqueleto que separan la dotación cromosómica duplicada desplazándola hacia ambos lados y luego escinden el citoplasma en dos mitades. Sin embargo, antes de que los cromosomas duplicados puedan separarse y distribuirse en partes iguales en las dos células hijas en la fase M deben configurarse adecuadamente y este proceso comienza en la fase S. En la preparación de la fase M las proteínas que se unen al ADN configuran cromosomas replicados para la segregación Cuando los cromosomas se duplican en la fase S las dos copias de cada cromosoma replicado permanecen íntimamente unidas entre sí como cromátídas hermanas idénticas. Éstas se mantienen juntas porque unos complejos proteicos denominados cohesinas se ensamblan a lo largo de cada una de ellas a medida que se va replicando el DNA. Esta cohesión entre las cromátidas hermanas es esencial para la segregación apropiada de los cromosomas y desaparece recién en una fase tardía de la mitosis para permitir la separación de las cromátidas hermanas. 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 de los cromosomas. La Cdk-M que inicia el ingreso en la fase M desencadena el ensamblaje de complejos de condensinas sobre el DNA mediante la fosforilación de ciertas subunidades de condensina. La acumulación de condensinas sobre el DNA facilita la condensación progresiva de los cromosomas. Con la condensación los cromosomas mitóticos se tornan más compactos y se reducen a pequeños paquetes que físicamente pueden ser separados y segregados con mayor facilidad en los densos confines de la célula en división. Las cohesinas y las condensinas están relacionadas estructuralmente y trabajan en conjunto para ayudar a configurar los cromosomas replicados para la mitosis. Como se ilustra en la figura 19-3, las cohesinas se unen a dos moléculas paralelas de DNA -las cromátidas hermanas idénticas- y las mantienen juntas, mientras que las condensinas se unen a una molécula individual de DNA para ayudar a condensarla. Fig. 19-3 Relación entre la estructura y función de las cohesinas y condensinas. (A) Ambas proteínas tienen en un extremo dos dominios de unión al ADN idénticos y en el otro extremo una región bisagra. Los dos extremos están unidos entre sí por dos regiones largas y enrolladas. Esta estructura flexible está bien adaptada para su función de unir dos moléculas de ADN. (B) Las cohesinas se disponen entre dos cromátidas hermanas adyacentes, uniéndolas entre sí. (C) Las condensinas median las uniones intramoleculares del enrollamiento del ADN, en el proceso de condensación de los cromosomas. El citoesqueleto lleva a cabo la mitosis y la citocinesis Después de la condensación de los cromosomas replicados se forman secuencialmente dos estructuras citoesqueléticas diferentes que llevan a cabo los dos procesos mecánicos que se producen en la fase M: la división nuclear (mitosis) y la división citoplasmática (citocinesis). Ambas estructuras se desorganizan enseguida después de haber cumplido sus funciones. Para producir dos células hijas genéticamente idénticas la célula eucarionte tiene que realizar el delicado trabajo de separar los cromosomas replicados y asignan una copia de cada cromosoma a cada célula hija. En todas las células eucariontes, este proceso tiene lugar durante la mitosis por una compleja maquinaria citoesquelética que se denomina huso mitótico. El huso está compuesto por microtúbulos y diferentes proteínas que interactúan con ellos, incluidas las proteínas motoras dependientes de los microtúbulos. En las células animales y en muchos eucariontes unicelulares una estructura citoesquelética diferente es responsable de la citocinesis. Esta estructura se denomina anillo contráctil porque consiste principalmente en filamentos de actina y miosina distribuidos en forma de anillo alrededor del ecuador de la célula. El anillo contráctil comienza a formarse hacia el final de la mitosis, justo por debajo de la membrana plasmática. Cuando el anillo se contrae empuja la membrana hacia adentro, lo que determina que la célula se divida en dos (véase fig. 19-4). Luego veremos de qué manera las células vegetales, que tienen que enfrentarse con su pared, dividen su citoplasma mediante un mecanismo muy diferente. Fig. 19-4 Dos estructuras transitorias del citoesqueleto posibilitan la fase M en las células animales. El huso mitótico se forma en primer lugar para separar los cromosomas replicados. Luego se forma el anillo contráctil que divide a la célula en dos. Mientras que el huso mitótico está constituido por microtúbulos, anillo contráctil está constituido por filamentos de actina y miosina. Las células vegetales utilizan un mecanismo muy diferente para dividir el citoplasma, como se explicará después, La formación del huso mitótico en las células animales depende de los centrosomas, que se duplican antes de que comience la fase M y luego colaboran en la formación de los polos del huso, como se explicará a continuación. Los centrosomas se duplican para ayudar a que se formen los dos polos del huso mitótico Antes de que comience la fase M deben completarse dos eventos críticos: el DNA tiene que replicarse totalmente y, en las células animales, debe duplicarse el centrosoma. El centrosoma, que es el principal centro organizador de los microtúbulos 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. Además, cada célula hija debe recibir su propio centrosoma. Cada centrosoma consta de una matriz amorfa de proteínas que contiene centenares de anillos de y tubulina. Estos complejos anulares sirven como sitios de nucleación para el crecimiento de los microtúbulos que irradian hacia afuera del 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 comienza la mitosis los dos centrosomas se separan y cada uno nuclea una estructura radial de microtúbulos que se denomina áster. Los dos ásteres se desplazan en direcciones opuestas del núcleo para formar los dos polos del huso mitótico (véase fig. 195). Cuando se rompe la envoltura nuclear el huso captura los cromosomas y finalmente los separa en una fase más tardía de la mitosis. Como estudiaremos más adelante, la duplicación del centrosoma es desencadenada por las mismas Cdk que desencadenan la replicación del DNA lo que explica por qué comienza al principio de la fase S. 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 Fig. 19-5 El ciclo del centrosoma de una célula animal El centrosoma de una célula en interfase se duplica formando los dos polos del huso mitótico. En la mayoría de las células animales el par de centríolos se asocia con la matriz del centrosoma que nuclea a los microtúbulos. La duplicación del centríolo empieza en G1 y se completa en G2. Inicialmente los dos pares de centríolos y la matriz del centrosoma asociada, permanecen juntos como un complejo único. En los inicios de la fase M este complejo se separa en dos y cada centrosoma nuclea una formación de microtúbulos radiales llamada áster. Los dos ásteres, que inicialmente permanecen uno al lado del otro cerca de la envoltura nuclear, se separan. Al final de la profase el haz de microtúbulos polares que interactúan preferentemente entre los dos ásteres, se alarga mientras los dos centrosomas se separan siguiendo caminos opuestos a lo largo de la parte exterior del núcleo. De esta forma se forma rápidamente el huso mitótico. En la prometafase la envoltura nuclear se rompe, permitiendo que los microtúbulos del huso interactúen con los cromosomas; en la citocinesis la envoltura nuclear se forma de nuevo alrededor de los dos conjuntos de cromosomas segregados, excluyendo los centrosomas. La fase M se divide convencionalmente en seis etapas Aunque la fase M se produce como una secuencia continua de eventos, tradicionalmente se la dividió en seis etapas. Las primeras cinco etapas -profase, prometafase, metafase, anafase y telofase- constituyen la mitosis, que originalmente se definió como el período en el que los cromosomas son visiblemente condensados. 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 -en los que participan los cromosomas, el citoesqueleto y los centrosomas- se desarrollan en forma coordinada para producir dos células hijas genéticamente idénticas. Las cinco etapas de la mitosis se producen en un estricto orden secuencial, mientras que la citocinesis comienza en la anafase y continúa a través de la telofase. Durante la profase los cromosomas replicados se condensan y el huso mitótico comienza a formarse afuera del núcleo. Durante la prometafase la envoltura nuclear se rompe, y esto permite que los microtúbulos del huso entren en contacto con los cromosomas y se unan a ellos. Durante la metafase el huso mitótico reúne a todos los cromosomas en el centro (ecuador). Durante la anafase, las dos cromátidas hermanas de cada cromosoma replicado se separan en forma sincrónica y el huso las arrastra hacia los polos opuestos de la célula. Durante la telofase se reconstituye la envoltura nuclear alrededor de cada uno de los dos conjuntos de cromosomas separados para formar dos núcleos. La citocinesis se completa al final de la telofase, cuando el núcleo y el citoplasma de cada una de las células hijas vuelven a la interfase, lo que indica el final de la fase M. Mitosis Antes de la división nuclear, o mitosis, cada cromosoma ha sido replicado y está constituido por dos cromátidas idénticas. Estas se mantienen unidas a lo largo de toda su extensión mediante proteínas denominadas cohesinas (véase fig. 19-3A y B). Durante la mitosis estas proteínas se separan y las cromátidas hermanas se escinden hasta transformarse en cromosomas hijos independientes, que el huso mitótico arrastra hacia los polos opuestos de la célula (véase fig. 19-6). En esta sección explicaremos cómo se forma el huso mitótico y cómo funciona. Veremos de qué manera la inestabilidad dinámica de los microtúbulos y la actividad de las proteínas motoras asociadas con ellos facilitan la formación del huso y la separación de los cromosomas hijos. Fig. 19-6 Cada par de cromátidas hermanas se separa para transformarse en dos cromosomas hijos. Luego los cromosomas hijos son arrastrados hacia los polos opuestos de la célula mediante el huso mitótico. La inestabilidad dinámica de los microtúbulos facilita la formación del husos mitótico En la mayoría de las células animales los microtúbulos citoplasmáticos irradian de un único centrosoma. Los extremos de rápido crecimiento de los microtúbulos, llamados extremos (+), se proyectan hacia afuera en dirección al perímetro de la célula, mientras que sus extremos (-) se asocian con el centrosoma. Estos microtúbulos se polimerizan y se despolimerizan continuamente debido a la adición y la pérdida de las subunidades de tubulina que los componen. Los microtúbulos individuales alternan entre el crecimiento y la involución: un proceso que se denomina inestabilidad dinámica. Al comienzo de la mitosis los microtúbulos que se encuentran distribuidos en el citoplasma se desorganizan y empiezan a reordenarse en un huso mitótico (véase fig. 19-7). Este cambio decisivo se produce en forma abrupta y se asocia con un marcado aumento de la inestabilidad dinámica de los microtúbulos, que es crucial tanto para la formación del huso mitótico como para su funcionamiento. Los microtúbulos originales que irradian desde cada uno de los centrosomas hijos duplicados al comienzo de la mitosis alternan entre la polimerización y la despolimerización a una velocidad 20 veces mayor que la de los microtúbulos en la interfase. Además, muchos otros microtúbulos emergen de cada centrosoma y son, en promedio, mucho más cortos. Por ende, al comienzo de la mitosis, los microtúbulos largos y relativamente escasos que estaban distribuidos en la interfase se convierten rápidamente en un número mayor de microtúbulos dinámicos y más cortos que van a formar el huso mitótico. Estas diferencias de comportamiento de los microtúbulos entre las células en interfase y las células en mitosis son impulsadas por modificaciones de la actividad de varías proteínas asociadas con los microtúbulos (MAP, sigla correspondiente a microtubule-associated proteins). Durante la interfase muchas MAP diferentes unen a los microtúbulos y los estabilizan. Al comienzo de la mitosis la Cdk-M que desencadena el ingreso de la célula en la fase M fosforila algunas de las MAP y reduce su capacidad de estabilizar a los microtúbulos. La presencia de otras proteínas llamadas catastrofinas desestabiliza aun más a los microtúbulos al promover su despolimerización repentina. Estos cambios en conjunto ayudan a impulsar la reorganización masiva de los microtúbulos de la célula que tiene lugar al principio de la fase M. Fig. 19-7 El huso mitótico bipolar se forma mediante la estabilización selectiva de los microtúbulos interactuantes. Nuevos microtúbulos crecen en direcciones aleatorias desde los dos centrosomas. Los dos extremos de un microtúbulo, denominados extremos (+) y (-), tienen propiedades diferentes y es el extremo (-) el que se ancla en el centrosoma. Los extremos (+) libres son “dinámicamente inestables” y alternan en forma brusca entre un crecimiento uniforme (flechas rojas que apuntan hacia fuera) y un rápido acortamiento (flechas rojas que apuntan hacia adentro). Cuando dos microtúbulos de centrosomas opuestos interactúan en una zona de superposición las proteínas motoras y otras proteínas asociadas con los microtúbulos, los unen (puntos negros) de una manera que estabiliza sus extremos (+) disminuyendo la probabilidad de despolimerización. El huso mitótico comienza a formarse en la profase Como se explicó, al comienzo de la fase S la célula empieza a duplicar su centrosoma para producir dos centrosomas hijos, que al principio permanecen juntos a un lado del núcleo. Cuando se inicia la profase los dos centrosomas hijos se separan para organizar su propio sistema de microtúbulos y comenzar a desplazarse hacia los polos opuestos de la célula (véase fig. 19-5), impulsados, en parte, por proteínas motoras asociadas con los microtúbulos que utilizan la energía de la hidrólisis del ATP para desplazarse a lo largo de los microtúbulos. Los microtúbulos, que crecen y se acortan rápidamente, se extienden en todas las direcciones desde los dos centrosomas, para explorar el interior de la célula. Durante la profase algunos de los microtúbulos que crecen un centrosoma interactúan con los microtúbulos del otro centrosoma. Esta interacción estabiliza los microtúbulos, impide su despolimerización y une los dos conjuntos de microtúbulos para formar el armazón básico del huso mitótico, con su forma bipolar característica. Los dos centrosomas que dieron origen a estos microtúbulos se denominan entonces polos del huso y los microtúbulos que interactúan se llaman microtúbulos interpolares (véase fig. 19-7). El ensamblaje del huso es promovido en parte por proteínas motoras asociadas con los microtúbulos interpolares que ayudan al enlace cruzado de estos dos conjuntos de microtúbulos que forman el huso mitótico Las células vegetales carecen de centrosomas, pero construyen igualmente husos mitóticos bipolares totalmente funcionales. El hecho de que lo hagan indica la importancia de las proteínas motoras, y de los cromosomas propiamente dichos, en la formación del huso. En las células sin centrosomas los cromosomas nuclean el ensamblaje de los microtúbulos y las proteínas motoras desplazan y organizan los microtúbulos y los cromosomas en un huso bipolar funcional. De esta manera se forman los husos en las células vegetales y en las células animales que han sido inducidas a dividirse sin centrosomas (véase fig. 19-8). Fig.19-8 El huso mitótico bipolar se forma mediante la estabilización selectiva de los microtúbulos interactuantes. En estas microfotografías por fluorescencia del embrión del insecto Sciara los microtúbulos están teñidos de verde y los cromosomas de rojo. La microfotografía superior muestra un huso normal formado con centrosomas en un embrión que inició su desarrollo normalmente fertilizado. La microfotografía inferior muestra un huso formado sin centrosomas en un embrión que inició su desarrollo sin fertilización y que por esa razón carece de centrosoma habitualmente proporcionado por el espermatozoide cuando fertiliza al óvulo. Obsérvese que el huso con centrosomas tiene un áster en cada polo, mientras que el huso formado sin centrosomas no lo tiene. Ambos tipos de huso están capacitados para segregar los cromosomas replicados. (De B. de Saint Phalle y W. Sullivan, 7. Ceil Biol. 141:1383-1391. ©The Rockefeller University Press.) En la siguiente etapa de la mitosis los cromosomas replicados se adhieren al huso de tal manera que cuando las cromátidas hermanas se separan son arrastradas hacia los polos opuestos. Durante la prometafase los cromosomas se adhieren al huso mitótico La prometafase se inicia en forma repentina con la desorganización de la envoltura nuclear, que se rompe en pequeñas vesículas de membrana. Como se explicará luego, este proceso se desencadena por la fosforilación y el consiguiente desensamblaje de las proteínas de los filamentos intermedios de la lámina nuclear, la red de proteínas fibrosas que subyace y estabiliza la envoltura nuclear. Los microtúbulos del huso, que estaban esperando afuera del núcleo, ahora tienen acceso a los cromosomas replicados y pueden unirse a ellos. Los extremos de los microtúbulos del huso se unen a los cromosomas por medio de complejos proteicos especializados denominados cinetocoros, que se formaron sobre los cromosomas condensados durante la profase tardía. Como se explicó, cada cromosoma replicado está formado por dos cromátidas hijas unidas en toda su extensión y cada una presenta un estrechamiento en una región con una secuencia especializada del DNA que se denomina centrómero. Inmediatamente antes de la prometafase las proteínas del cinetocoro forman un complejo de gran tamaño en cada centrómero. Por consiguiente, cada cromosoma duplicado tiene dos cinetocoros (uno en cada cromátida hermana), orientados en direcciones opuestas (véase fig. 19-9). La formación del cinetocoro depende de la presencia de la secuencia del DNA del centrómero: en ausencia de esta secuencia los cinetocoros no se forman y en consecuencia fracasa la segregación adecuada de los cromosomas durante la mitosis. Una vez rota la envoltura nuclear, un microtúbulo sonda que se encuentra por azar con un cromosoma se une a él y lo captura. El microtúbulos finalmente se adhiere al cinetocoro y pasa a denominarse microtúbulo del cinetocoro, que une el cromosoma con un polo del huso. Como los cinetocoros de las cromátidas hermanas se orientan en direcciones opuestas tienden a adherirse a microtúbulos de polos opuestos del huso, de manera que cada cromosoma replicado queda unido a los dos polos del huso. El número de microtúbulos adheridos a cada cinetocoro varía según las especies: cada cinetocoro humano se une a entre 20 y 40 microtúbulos, por ejemplo, mientras que un cinetocoro de levadura se une a uno solo. Las tres clases de microtúbulos que forman el huso mitótico se muestran en la figura 19-13 Fig. 19-9 Los cinetocoros unen los cromosomas al huso mitótico. (A) Microfotografía por fluorescencia de un cromosoma mitótico replicado. El DNA se tiñe con un colorante fluorescente y los cinetocoros se tiñen de rojo con anticuerpos fluorescentes que reconocen a las proteínas del cinetocoro. Estos anticuerpos provienen de pacientes con esclerodermia (una enfermedad que causa una sobreproducción progresiva de tejido conectivo en la piel y otros órganos) que por razones desconocidas producen anticuerpos contra sus propias proteínas cínetocóricas. (B) Dibujo esquemático de un cromosoma mitótico que muestra sus dos cromátidas hermanas unidas a los microtúbulos cinetocóricos, que se unen por sus extremos (+). Cada cinetocoro forma una placa sobre la superficie del centrómero. (A, cortesía de B. R. Brinkley.) Fig. 19-13 Tres clases de microtúbulos constituyen el huso mitótico. (A) Dibujo esquemático de un huso con los cromosomas unidos que muestra los tres tipos de microtúbulos del huso: microtúbulos del áster, microtúbulos del cinetocoro y microtúbulos interpolares. Los cromosomas reales son mucho más grandes y en general hay múltiples microtúbulos unidos a cada cinetocoro. (B) Microfotografía por fluorescencia de los cromosomas en la placa metafásica de un huso mitótico real. En esta imagen, los cinetocoros están teñidos de rojo, los microtúbulos de verde y los cromosomas de azul. (B, de A. Desai, Curr. Biol. 10:R508, 2000. © Elsevier Science). En la metafase los cromosomas se alinean en el ecuador del huso Durante la prometafase los cromosomas unidos al huso mitótico comienzan a moverse de un lado para el otro. Finamente se alinean en el ecuador del huso, a mitad de camino entre ambos polos del huso, y de esa manera forman la placa metafásica. Esto define el comienzo de la metafase (véase fig. 19-14). Aunque las fuerzas que actúan para trasladar los cromosomas hasta el ecuador no se conocen bien, se cree que participan tanto el continuo crecimiento y acortamiento de los microtúbulos como la acción de las proteínas motoras asociadas con los microtúbulos. También se requiere un equilibrio continuo entre el agregado y la pérdida de subunidades de tubulina para mantener el huso metafásico: cuando el agregado de tubulina a los extremos de los microtúbulos se bloquea con el fármaco colchicina la pérdida de tubulina continúa hasta que el huso desaparece. Fig. 19-14 Durante la metafase los cromosomas se reúnen a mitad de camino entre los dos polos del huso. Esta microfotografía por fluorescencia muestra múltiples husos mitóticos durante la metafase en un embrión de mosca de la fruta (Drosophila). Los microtúbulos están teñidos de rojo y los cromosomas de verde. En este estadio de desarrollo de Drosophila hay múltiples núcleos en un gran compartimiento citoplasmático y todos los núcleos se dividen de manera sincrónica, lo que explica por qué todos los núcleos que se muestran aquí están en la metafase. Aunque los husos metafásicos generalmente se representan en dos dimensiones, como en esta figura, cuando se los observa en tres dimensiones los cromosomas se ven amontonados en una región con forma de placa en el ecuador del huso: la denominada placa metafásica. (Cortesía de William Sullivan.) Los cromosomas situados en el ecuador del huso metafásico oscilan hacia adelante y hacia atrás, ajustando continuamente sus posiciones, lo que indica que el tira y afloje entre los microtúbulos unidos a cada polo del huso persiste aun después de que todos los cromosomas se encuentran alineados. Si uno de los dos pares de uniones de los cinetocoros sufre un daño con un rayo láser durante la metafase, todo el cromosoma se desplaza de inmediato hacia el polo al que permanece unido. En forma similar, si se corta la unión entre las cromátidas hermanas, éstas se separan y se desplazan hacia los polos opuestos. Estos experimentos revelan que los cromosomas que se encuentran en la placa metafásica se mantienen allí sometidos una considerable tensión. Evidentemente, las fuerzas que finalmente arrastran y separan a las cromátidas hermanas comienzan a actuar inmediatamente después de que los microtúbulos se unen a los cinetocoros. Los cromosomas hijos se segregan en anafase La anafase comienza abruptamente con la liberación de la unión con la cohesina que mantenía juntas a las cromátidas hermanas (véase fig. 19-3A). Esto permite que cada cromátida (ahora denominada cromosoma hijo) sea arrastrada gradualmente hacia el polo del huso al que está unida (véase fig. 19-15). Este desplazamiento distribuye, es decir segrega, dos conjuntos de cromosomas idénticos hacia los extremos opuestos del huso mitótico. La ruptura abrupta de la unión entre las dos cromátidas hermanas y la cohesina se desencadena por la activación del complejo promotor de la anafase (APC), como se explicará en siguiente capítulo. Una vez que este complejo proteolítico se activa, escinde una proteína inhibidora, y de esa manera libera una enzima proteolítica que rompe la unión con la cohesina (véase fig. 19-16). Fig. 19-15 Las cromátidas hermanas se separan en la anafase. En la transición de la metafase (A) a la anafase (B) las cromátidas hermanas (teñidas de oscuro) se separan súbitamente y se desplazan hacia los polos opuestos, como se observa en estas células vegetales teñidas con anticuerpos conjugados con oro para marcar los microtúbulos. Las células vegetales en general carecen de centrosomas y por esa razón tienen polos huso menos nítidamente definidos que las células animales (véase fig. 19-22E) pero aquí los polos del huso están presentes en las partes superior je inferior de cada microfotografía, aunque no pueden verse. (Cortesía de Andrew Bajer Fig. 19-16 El complejo APC desencadena la separación de las cromátidas hermanas al promover la destrucción de las cohesinas. El APC activado desencadena indirectamente la separación de las cohesinas que mantienen unidas a las cromátidas hermanas. Cataliza la ubiquitinación y la destrucción de una proteína que inhibe la actividad de una enzima proteolítica. Liberada de esta proteína inhibitoria la enzima proteolítica degrada los complejos de cohesina. Cuando las cohesinas se disocian el huso mitótico está en condiciones de arrastrar y separar a las dos cromátidas hermanas. Una vez liberados todos los cromosomas hijos recién separados se desplazan hacia los polos del huso a la misma velocidad, generalmente a razón de 1 µm por minuto. El desplazamiento es consecuencia de dos procesos independientes mediados por partes diferentes del huso mitótico. Estos procesos se denominan anafase A y anafase B y se producen en forma más o menos simultánea. En la anafase A los microtúbulos del cinetocoro se acortan por despolimerización y los cromosomas unidos a ellos se desplazan en dirección al polo. En la anafase B los propios polos del huso se separan uno del otro y esto contribuye todavía más a la segregación de los dos grupos de cromosomas hijos (véase fig. 19-17). Fig. 19-17 Dos procesos independientes separan las cromátidas hermanas durante la anafase En la ANAFASE A los cromosomas hijos son arrastrados hacia los polos opuestos cuando los microtúbulos cinetocóricos se despolimerizan en el cinetocoro. La fuerza que conduce este movimiento se genera principalmente en el cinetocoro. En la ANAFASE B los dos polos del huso se separan como resultado de dos fuerzas distintas: a) el alargamiento y deslizamiento de los microtúbulos polares unos a otros empuja los dos polos a separarse b) las fuerzas ejercidas hacia fuera por los microtúbulos del áster en cada polo del huso separan ambos polos y los empujan hacia la periferia de la célula. Se piensa que todas estas fuerzas dependen de la acción de proteínas motoras asociadas a los microtúbulos. Se piensa que la fuerza que impulsa los desplazamientos en la anafase A se genera principalmente por la acción de proteínas motoras asociadas con los microtúbulos que actúan en el cinetocoro, ayudadas por la pérdida de subunidades de tubulina que se produce sobre todo en el sitio en el que los microtúbulos del cinetocoro se unen a los cromosomas. La pérdida de subunidades de tubulina en el cinetocoro depende de una catastrofina que está unida tanto al microtúbulo como al cinetocoro y que utiliza la energía de la hidrólisis del ATP para eliminar subunidades de tubulina del microtúbulo. En la anafase B los microtúbulos interpolares superpuestos se alargan se deslizan uno sobre el otro de modo que empujan los polos del huso y 1 dos grupos de cromosomas y los separan aun más. Se piensa que las fuerzas que impulsan este proceso son generadas por dos grupos de proteínas motoras -miembros de las familias de la cinesina y de la dineína-que actúan sobre los microtúbulos del huso. Un grupo actúa sobre los largos microtúbulos interpolares superpuestos que forman el huso propiamente dicho; estas proteínas motoras determinan que los microtúbulos interpolares de los polos opuestos se deslicen unos sobre otros en el ecuador del huso, lo que fuerza la separación de los polos. El otro grupo de proteínas actúa sobre los microtúbulos del áster que se extienden desde los polos del huso y se alejan del ecuador del huso hacia la periferia de la célula. Se piensa que estas proteínas motoras están asociadas con la corteza de las células, que se extiende por debajo de la membrana plasmática, y que empujan cada polo hacia la corteza adyacente y lo separan del otro polo (véase fig. 19-17). La envoltura nuclear se reconstruye en la telofase Hacia el final de la anafase los cromosomas hijos se separaron en dos grupos iguales, uno en cada polo del huso. Durante la telofase, la etapa final de la mitosis, se reorganiza una envoltura nuclear alrededor de cada grupo de cromosomas para formar los dos núcleos hijos. En primer término se agrupan algunas vesículas de la membrana nuclear alrededor de cada cromosoma y después se fusionan para reconstruir la envoltura nuclear. Durante este proceso los poros nucleares se vuelven a formar en la envoltura, y las lamininas nucleares, las subunidades proteicas de filamentos intermedios que se fosforilaron durante la profase, se desfosforilan y reasocian para formar nuevamente la lámina nuclear (véase fig. 19-18). Una vez reconstruida la envoltura nuclear los poros bombean proteínas en el interior del núcleo, el núcleo se expande y los cromosomas mitóticos condensados se descondensan hasta recuperar su estado de inferfase. Como consecuencia de la descondensación puede reanudarse la transcripción génica. Se formó un nuevo núcleo y se completó la mitosis. Lo único que falta es que la célula complete su división en dos células. Fig. 19-18 La envoltura nuclear se desorganiza y reconstituye durante la mitosis La fosforilación de las laminas contribuye a desencadenar el desensamblaje de la lámina nuclear en la prometafase, que a su vez provoca que la envoltura nuclear se desorganice y forme vesículas. La desfosforilación de las laminas en la telofase contribuye a invertir el proceso. Algunos orgánulos se fragmentan durante la mitosis El proceso de la mitosis asegura que cada célula hija reciba una dotación completa de cromosomas pero cuando una célula eucarionte se divide cada célula hija también debe heredar todos los otros componentes esenciales de la célula, incluidos los orgánulos encerrados en la membrana. Los orgánulos como las mitocondrias y los cloroplastos no pueden formar sus propios componentes; solo se originan a partir del crecimiento y la división de los orgánulos preexistentes. De la misma manera, las células no pueden producir un nuevo retículo endoplasmático (RE) ni un nuevo aparato de Golgi a menos que alguna parte de ellos esté presente, para que luego pueda aumentar de tamaño. ¿Cómo se segregan entonces estos diferentes orgánulos cuando la célula se divide? Los orgánulos como las mitocondrias y los cloroplastos generalmente están presentes en gran cantidad y seguramente se heredarán en caso de que, simplemente, su número se duplique con cada ciclo celular. En las células en interfase el RE se continúa con la membrana nuclear y es organizado por los microtúbulos del citoesqueleto. Una vez que la célula ingresa en la fase M la reorganización de los microtúbulos libera el RE, que se fragmenta cuando se rompe la envoltura nuclear. Es probable que el aparato de Golgi también se fragmente, aunque en algunas células parece que se distribuyera en forma transitoria en el RE, para reaparecer recién en la telofase. Algunos de los fragmentos de los orgánulos asociados con los microtúbulos del huso mediante las proteínas motoras se trasladan a las células hijas cuando el huso mitótico se elonga en la anafase. Otros componentes de la célula, incluidas todas las proteínas solubles, se heredan en forma aleatoria cuando la célula divide su citoplasma en el estadio final de la fase M, que analizaremos a continuación. Citocinesis La citocinesis, el proceso por el cual el citoplasma se escinde en dos, generalmente comienza en la anafase pero no se completa hasta después de la formación de los dos núcleos hijos. Mientras que la mitosis implica la formación de una estructura transitoria basada en los microtúbulos, el huso mitótico, la citocinesis en las células animales implica la participación de una estructura transitoria basada en filamentos de actina y de miosina, el anillo contráctil (véase fig. 19-4). Sin embargo, tanto el plano de segmentación como la cronología de la citocinesis están determinados por el huso mitótico. El huso mitótico determina el plano de segmentación citoplasmático El primer signo visible de la citocinesis en las células animales es la aparición de un pliegue y luego un surco de la membrana plasmática que se producen durante la anafase (véase fig. 19-19). El surco invariablemente se forma en un plano perpendicular al eje mayor del huso mitótico. Esta posición asegura que el surco de segmentación corte la célula entre los dos grupos de cromosomas hijos segregados, para que cada célula hija reciba una dotación idéntica y completa de cromosomas. Si en el momento en que aparece el surco de segmentación se desplaza deliberadamente el huso mitótico con una delgada aguja de vidrio introducida en la célula, ese surco desaparece y se desarrolla una nueva en el sitio correspondiente a la nueva localización y orientación del huso. Sin embargo, una vez que el surco es lo suficientemente profundo la escisión continúa aunque el huso mitótico se extraiga en forma artificial de la célula o se despolimerice mediante el fármaco colchicina. El mecanismo responsable de que el huso mitótico determine la posición del surco de segmentación sigue siendo un misterio. Fig. 19-19. El surco de segmentación de la membrana plasmática se forma por la acción del anillo contráctil subyacente. En esta fotografía obtenida mediante microscopía electrónica de barrido de un huevo de rana fertilizado durante su división el surco de segmentación se encuentra desacostumbradamente bien definido. (A) Imagen con poco aumento de la superficie del huevo. (B) Imagen con mayor aumento del surco de segmentación. (De H. W. Beams y R. G. Kessel, Am. So. 36:279-290, 1976. © Reproducida con autorización de American Stientist, revista de Sigma Xi.) Cuando el huso mitótico se localiza en la región central de la célula -la ubicación más frecuente en la mayoría de las células que se dividen- las dos células hijas producidas son del mismo tamaño. Sin embargo, durante el desarrollo embrionario hay casos en los que el huso mitótico ocupa una posición asimétrica y en consecuencia el surco crea dos células de diferente tamaño. En la mayoría de los casos, las células hijas resultantes también difieren en las moléculas que heredan y generalmente evolucionan hasta convertirse en tipos celulares diferentes. En esas divisiones asimétricas se requieren mecanismos especiales para determinar la posición excéntrica del huso mitótico. El anillo contráctil de las células animales está constituido por actina y miosina El anillo contráctil está compuesto principalmente por una estructura de filamentos de actina y filamentos de miosina superpuestos (véase fig. 19-20). Se forma durante la anafase y está unido a proteínas asociadas con la membrana sobre la cara citoplasmática de la membrana plasmática. Los mecanismos responsables de desencadenar el comienzo del ensamblaje del anillo contráctil puede ejercer una fuerza lo bastante intensa como para doblar una aguja de vidrio fina introducida en la célula antes de la citocinesis. Esta fuerza se genera por el deslizamiento de los filamentos de actina contra los filamentos de miosina, como ocurre durante la contracción muscular. Sin embargo, a diferencia del aparato contráctil del músculo, el anillo contráctil es una estructura transitoria: se forma para llevar a cabo la citocinesis, va disminuyendo paulatinamente de tamaño a medida que ésta progresa y se desorganiza por completo una vez que la célula se dividió en dos. La división de muchas células animales se acompaña de grandes modificaciones en la forma de la célula y de una disminución de la adherencia de la célula a la matriz extracelular. Estas modificaciones son resultado de la reorganización de los filamentos de actina y de miosina en la corteza celular, uno de cuyos aspectos es la formación del anillo contráctil. Los fibroblastos de mamíferos en cultivo, por ejemplo, durante la interfase están completamente extendidos como resultado de los intensos contactos adhesivos que establecen con la superficie sobre la que están creciendo, denominada sustrato. En cambio, cuando entran en la fase M las células se redondean, por lo menos en parte, porque algunas de las proteínas de la membrana plasmática responsables de la adherencia de las células al sustrato -las integrinas- se fosforilan y en consecuencia su adherencia se debilita. Una vez completada la citocinesis, las células hijas restablecen sus contactos con el sustrato y vuelven a extenderse otra vez (véase fig. 19-21). Cuando las células se dividen en un tejido animal este ciclo de adherencia y separación presumiblemente les permite reorganizar sus contactos con las células vecinas y con la matriz extracelular, de manera que las nuevas células producidas durante la división celular puedan acomodarse en el interior del tejido. Fig. 19-20 El anillo contráctil divide a la célula en dos. (A) MEB de una célula animal en cultivo en las últimas etapas de la división. (B) Diagrama esquemático de la región media de una célula similar que muestra el anillo contráctil por debajo de la membrana plasmático y los restos de ambos conjuntos de microtúbulos interpolares. (C) MET de una célula animal en división. La escisión es casi completa pera las células hijas permanecen unidas por una estrecha banda de citoplasma que contiene los restos de los microtúbulos interpolares, superpuestos del huso central. (A cortesía de Guenter Albrecht, C, cortesía de J. M. Mullins.) Fig. 19-21 Las células animales cambian forma durante la fase M. En estas microfotografías de un fibroblasto de ratón dividiéndose en cultivo, la misma célula fue fotografiada en intervalos sucesivos. Obsérvese cómo se redondea cuando ingresa en la mitosis; las dos células hijas se extienden y se aplanan nuevamente una vez que se completa la citocinesis. (Cortesía de Guenter Albrecht-Buehler.) La citocinesis en las células vegetales implica la formación de una pared celular nueva El mecanismo responsable de la citocinesis en los vegetales superiores es completamente diferente del observado en las células animales, supuestamente porque las células vegetales están rodeadas por una pared celular resistente. Las dos células hijas no se separan por la acción de un anillo contráctil situado en la superficie de la célula sino por la formación de una pared nueva en el interior celular. La pared celular en crecimiento está rodeada por una membrana y aumenta progresivamente de tamaño hasta que divide el citoplasma en dos. La posición de esta nueva pared determina con precisión la localización de las dos células hijas en relación con las células vecinas. De esta manera, los planos de la división celular, junto con el aumento de tamaño de la célula, determinan la forma definitiva de la planta. Fig.19-22 La citocinesis de una célula vegetal es guiada por una estructura especializada basada en los microtúbulos que se denomina fragmoplasto. La pared celular nueva comienza a ensamblarse en el citoplasma entre los dos grupos de cromosomas segregados al comienzo de la telofase. El proceso de ensamblaje es guiado por una estructura que se denomina fragmoplasto y que está formada por los restos de los microtúbulos interpolares en el ecuador del antiguo huso mitótico. Pequeñas vesículas de membrana, en su mayor parte derivadas del aparato de Golgi y llenas de los polisacáridos y proteínas requeridos por la matriz de la pared celular, son transportadas a lo largo de los microtúbulos hasta el ecuador del fragmoplasto. Una vez allí se fusionan para formar una estructura de membrana con forma de disco que se expande hacia afuera con nuevas fusiones de vesículas hasta que alcanza la membrana plasmática y la pared celular original y divide la célula en dos (véase fig. 19-22). Más tarde se depositan dentro de la matriz fibrillas de celulosa para completar la construcción de la nueva pared celular. Tomado y modificado de ALBERTS. B. − HOPKIN K. – JOHNSON A. − LEWIS J. −RAFF M. −ROBERTS K. −WALTER P. Introducción a la Biología Celular, 2ª edición−2006