«¿ Cuánto tiempo tardan las diferentes etapas del ciclo celular?
¿Cuánto tiempo duran las diferentes etapas del ciclo celular?
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La replicación es una de las características distintivas de la materia viva. El conjunto de procesos conocidos como el ciclo celular que se llevan a cabo a medida que una célula se convierte en dos ha sido un tema de investigación dominante en la era molecular con aplicaciones que se extienden a lo largo y ancho, incluido el estudio de enfermedades como el cáncer, que a veces se caracteriza como una enfermedad del ciclo celular que salió mal. Los ciclos celulares son interesantes tanto por las formas en que son similares de un tipo de célula al siguiente como por las formas en que son diferentes. Para traer alivio al sujeto, consideramos los ciclos celulares en una variedad de organismos diferentes, incluido un modelo de procariota, para células de mamíferos en cultivo de tejidos y durante el desarrollo embrionario en la mosca de la fruta. Concretamente, nos preguntamos cuáles son los pasos individuales que se llevan a cabo para que una célula se divida en dos y cuánto tiempo duran estos pasos.
la Figura 1: Se muestra el ciclo celular de 150 minutos de Caulobacter, destacando algunos de los eventos morfológicos y metabólicos clave que tienen lugar durante la división celular. La fase M no está indicada porque en Caulobacter no hay un verdadero aparato mitótico que se ensamble como en los eucariotas. Gran parte de la segregación cromosómica en Caulobacter (y otras bacterias) ocurre concomitantemente con la replicación del ADN. Los pasos finales de la segregación cromosómica y especialmente la decatenación de los dos cromosomas circulares se producen durante la fase G2. (Adaptado de M. T. Laub et al., Science 290:2144, 2000.)
Podría decirse que el ciclo celular procariótico mejor caracterizado es el del organismo modelo Caulobacter crescentus. Una de las características atractivas de esta bacteria es que tiene una división celular asimétrica que permite a los investigadores unir a una de las dos progenies a un deslizamiento de la cubierta del microscopio, mientras que la otra hija se aleja, lo que permite un estudio adicional sin obstrucciones. Esto ha dado lugar a representaciones cuidadosas del ciclo celular de ≈150 minutos (BNID 104921), como se muestra en la Figura 1. Los componentes principales del ciclo celular son G1 (primera fase de Crecimiento, ≈30 min, BNID 104922), donde al menos una cantidad mínima de aumento de tamaño celular necesita tener lugar, Fase S (Síntesis, ≈80 min, BNID 104923) donde el ADN se replica y G2 (segunda fase de Crecimiento, ≈25 min, BNID 104924) donde se desarrolla la segregación cromosómica que conduce a la división celular (fase final que dura ≈15 min). Caulobacter crescentus proporciona un ejemplo interesante de la forma en que ciertos organismos son promovidos al estado de «organismo modelo» porque tienen alguna característica particular que los hace particularmente oportunos para la cuestión de interés. En este caso, la progresión del ciclo celular va de la mano con el proceso de diferenciación, dando etapas identificables fácilmente visualizadas que las hacen preferibles a los biólogos del ciclo celular sobre, por ejemplo, la bacteria modelo E. coli.
El comportamiento de las células de mamíferos en el cultivo de tejidos ha servido de base para gran parte de lo que sabemos sobre el ciclo celular en eucariotas superiores. El ciclo celular eucariótico se puede separar ampliamente en dos etapas, la interfase, la parte del ciclo celular en la que los materiales de la célula se duplican y la mitosis, el conjunto de procesos físicos que asisten a la segregación cromosómica y la división celular posterior. Las tasas de procesos en el ciclo celular, se acumulan principalmente a partir de muchos de los eventos moleculares, como la polimerización del ADN y los filamentos citoesqueléticos, cuyas tasas ya hemos considerado. Para el tiempo de ciclo celular característico de 20 horas en una célula HeLa, casi la mitad se dedica a G1 (BNID 108483) y cerca de otra mitad es la fase S (BNID 108485), mientras que G2 y M son mucho más rápidos en aproximadamente 2-3 horas y 1 hora, respectivamente (BNID 109225, 109226). La etapa más variable en duración es G1. En condiciones de crecimiento menos favorables, cuando la duración del ciclo celular aumenta, esta es la etapa más afectada, probablemente debido al tiempo que toma hasta que se alcanza algún punto de control de tamaño regulador. Aunque hay diferentes tipos de pruebas que apuntan a la existencia de un puesto de control de este tipo, actualmente se entiende muy poco. Históricamente, las etapas del ciclo celular generalmente se han inferido utilizando células fijas, pero recientemente, biosensores codificados genéticamente que cambian la localización en diferentes etapas del ciclo celular han hecho posible obtener información temporal de células vivas sobre la progresión y detención del ciclo celular.
Figura 2: ciclo Celular tiempos para los diferentes tipos de células. Cada gráfico circular muestra la fracción del ciclo celular dedicada a cada una de las etapas primarias del ciclo celular. El área de cada gráfico es proporcional a la duración total del ciclo celular. Las duraciones del ciclo celular reflejan tiempos de duplicación mínimos en condiciones ideales. (Adaptado de» The Cell Cycle – Principles of Control » de David Morgan.)
¿Cómo se compara la longitud del ciclo celular con el tiempo que tarda una célula en sintetizar su nuevo genoma? Existe un desacoplamiento entre la longitud del genoma y el tiempo de duplicación en eucariotas debido al uso de múltiples sitios de inicio de replicación de ADN. Para las células de mamíferos, se ha observado que para muchos tejidos con tiempos de ciclo celular generales muy variables, la duración de la fase S donde se produce la replicación del ADN es notablemente constante. Para tejidos de ratón como los que se encuentran en el colon o la lengua, la fase S varió en un pequeño rango de 6,9 a 7,5 horas (BNID 111491). Incluso cuando se compararon varios tejidos epiteliales en humanos, ratas, ratones y hámsteres, la fase S estuvo entre 6 y 8 horas (BNID 107375). Estas mediciones se llevaron a cabo en la década de 1960 mediante la realización de una especie de experimento de persecución de pulso con el nucleótido timidina marcado radioactivamente. Durante el pulso corto, el compuesto radiactivo se incorporó solo en el genoma de las células en fase S. Al medir la duración de la aparición y luego la desaparición de las células marcadas en la fase M, se puede inferir cuánto duró la fase S El hecho de que la duración de la fase S es relativamente constante en tales células se usa hasta el día de hoy para estimar la duración del ciclo celular a partir de un conocimiento de solo la fracción de células en una instantánea dada en el tiempo que están en la fase S. Por ejemplo, si un tercio de las células se ven en la fase S que dura aproximadamente 7 horas, se infiere que el tiempo del ciclo celular es de aproximadamente 7 horas / (1/3) ≈20 horas. Hoy en día, este tipo de mediciones se realizan principalmente utilizando BrdU como marcador para la fase S. No tenemos conocimiento de una explicación satisfactoria para el origen de este tiempo de replicación relativamente constante y cómo se relaciona con la tasa de ADN polimerasa y la densidad de los sitios de iniciación de replicación a lo largo del genoma.
La diversidad de ciclos celulares se muestra en la Figura 2 y representa varios organismos modelo y la duración y el posicionamiento de las diferentes etapas de sus ciclos celulares. Un ejemplo extremo ocurre en el fascinante proceso de desarrollo embrionario de la mosca de la fruta Drosophila melanogaster. En este caso, la situación es diferente de las divisiones celulares convencionales, ya que en lugar de sintetizar nuevos materiales citoplásmicos, la masa se conserva esencialmente, excepto para la replicación del material genético. Esto sucede de manera muy sincrónica durante aproximadamente 10 generaciones y un ciclo de replicación de las miles de células en el embrión, digamos entre el ciclo 10 y 11, ocurre en aproximadamente 8 minutos, como se muestra en la Figura 2 (BNID 103004, 103005, 110370). Esto es más rápido que los tiempos de replicación de cualquier bacteria a pesar de que el genoma es ≈120 millones de bp de largo (BNID 100199). Un ejemplo sorprendente de la capacidad de las células para adaptar su dinámica temporal.
