Citoquinesis en células eucariotas




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títuloCitoquinesis en células eucariotas
fecha de publicación06.03.2016
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Citoquinesis en células eucariotas Pardo, Mercedes



esde el descubrimiento de la división celular, proceso por el que de una célula progenitora se forman dos células, con el que nació la teoría celular en el siglo xix, la fascinación por este proceso no ha decaído.
La citoquinesis constituye la etapa final del ciclo celular. Tras hacerlo el material genético, se divide el citoplasma y orgánulos de la célula, que así da origen a dos. La naturaleza ha diseñado una sorprendente nanomaquinaria para llevar a cabo un proceso que va desde el reparto del material genético hasta la separación física de una célula en dos, en sutil coordinación para asegurar que cada célula hija recibe un conjunto completo de cromosomas y orgánulos celulares.
Los primeros estudios sobre citoquinesis se realizaron con embriones de erizos de mar, de fácil manejo. Predominaba el enfoque morfológico. Así se identificaron las estructuras implicadas en la división celular. Con el avance de la genética, los modelos experimentales se ampliaron y permitieron esclarecer los procesos y mecanismos moleculares involucrados.
Los experimentos realizados en levaduras, la mosca del vinagre (Drosophila melanogaster), el gusano Caenorhabditis elegans y células de mamíferos en cultivo han aumentado nuestro conocimiento de la citoquinesis. Se ha llegado al descubrimiento de un modelo común, si bien se admite que cada tipo celular posee sus parti-cularidades. Aquí nos ceñiremos a la citoquinesis en células eucariotas; los procariotas emplean un sistema diferente.
La citoquinesis ocurre inmediatamente después de la mitosis o segregación del material genético. Procede a través de la sucesión ordenada de varias etapas: elección del plano de división, ensamblaje de la maquinaria de división, invaginación de la membrana plasmática y separación celular.
En células animales, protozoos y hongos unicelulares el componente fundamental de la maquinaria de división es un anillo contráctil formado por actina y miosina. Las plantas carecen de este anillo y utilizan el fragmoplasto; además, no invaginan la membrana plasmática, sino que construyen la pared de separación entre las células hijas de forma centrífuga, desde el centro celular hacia el exterior. Los hongos, aislados del medio exterior por una pared celular rígida que los rodea, sintetizan un septo de separación entre las dos células hijas, pero lo hacen de forma centrípeta y simultánea con la invaginación de la membrana plasmática.




1. PRINCIPALES ETAPAS DE LA CITOQUINESIS. Antes o durante la mitosis, se selecciona el plano de división (a). Allí se ensambla la maquinaria de división, que en la mayoría de los eucariotas, vegetales excluidos, es un anillo contráctil formado por las proteínas actina y miosina (b). El anillo se contrae y provoca la invaginación de la membrana plasmática, a la vez que se produce la inserción de nueva membrana (rosa) para aumentar la superficie celular (c). Por último se produce la separación celular, que requiere de la inserción de nueva membrana (d). El material genético se muestra en azul, el anillo contráctil en rojo y los microtúbulos en verde.


Elección del plano de división


La coordinación espacial de la citoquinesis con la mitosis es crucial para el mantenimiento de la estabilidad genética, es decir, para que cada célula reciba el conjunto exacto de cromosomas que le corresponde. La inestabilidad genómica puede provocar la muerte celular, está asociada con patologías del desarrollo y constituye una de las notas características de la mayoría de los cánceres humanos.
Para que cada célula hija reciba una copia completa del material genético, el plano de división ha de ser perpendicular al eje de la segregación de los cromosomas. Durante la mitosis, corresponde al huso mitótico la segregación del material genético. Sépase, además, que el mecanismo utilizado para determinar el plano de división es el apartado de la citoquinesis que ha experimentado más cambios en el curso evolutivo de los eucariotas. Las células animales recurren a un mecanismo basado en la posición del huso mitótico, mientras que las plantas y las levaduras —hongos unicelulares— lo hacen de forma independiente del huso.
La levadura de la cerveza (Sac-charomyces cerevisiae) se divide por gemación, es decir, mediante la formación de una yema que brota de la célula madre. El plano de división es el cuello entre las células madre e hija; depende, por tanto, del lugar donde emerge la yema. El sitio de gemación se selecciona en estadios tempranos del ciclo celular, antes de que se forme el huso mitótico; guarda relación con el sitio por donde se dividió la célula progenitora en el ciclo celular anterior.
Según la cepa de levadura, la nueva yema aparece adyacente al sitio de la gemación anterior o en el polo opuesto. La determinación del sitio de gemación precisa una serie de proteínas que constituyen "puntos de referencia". La localización de éstas depende del anillo de septinas. Las septinas son proteínas con dominio GTPasa que se asocian en filamentos; se ensamblan, en una estructura anular, en la cara interna de la superficie celular. Este anillo marca el sitio de la futura gemación en la fase G1 del ciclo, antes de la mitosis; luego, permanecerá en el cuello entre madre e hija durante la mayor parte del ciclo celular. Al final del ciclo, el anillo de septinas organiza a las proteínas de referencia. Estas atraen y organizan la maquinaria necesaria para el crecimiento de la nueva yema.
Además de actuar en la selección del sitio de gemación, las septinas participan de manera directa en la citoquinesis: intervienen en el ensamblaje del anillo contráctil y en la formación del septo.
Las septinas se identificaron en S. cerevisiae mediante el análisis de mutantes que se caracterizan por presentar defectos en la septación (de ahí su nombre). Posteriormente, se descubrieron en la mayoría de los grupos eucariotas, excepto en plantas. En células animales, las septinas se colocan en el surco de división y se sospecha que también desempeñan alguna función en la citoquinesis.
La levadura de fisión (Schizosac-charomyces pombe) se divide por fisión binaria; de ahí su nombre. Para elegir el plano de división, emplea un mecanismo distinto, que no está basado en marcas de referencia previas. Con forma de bastón alargado, S. pombe presenta el plano de división determinado por la posición del núcleo justo antes de la mitosis, situado en el centro de la célula.
Ahora bien, ¿cómo señala el núcleo dónde ha de colocarse la maquinaria de división? El mecanismo molecular responsable se descifró mediante mutantes incapaces de colocar la maquinaria de división en el centro de la célula; las levaduras mostraban así una septación desplazada. A la proteína Mid1, que es defectuosa en uno de estos mutantes, le corresponde señalar el sitio de división.
Cuando la célula no está dividiéndose, Mid1 se halla en el núcleo; forma también una banda en la superficie celular en torno al núcleo. Pero al comienzo de la mitosis, se produce la fosforilación de Mid1 por la quinasa Polo, un importante regulador del ciclo celular que se activa justo antes de la mitosis. La fosforilación provoca que la banda se condense y forme un anillo fino en torno al núcleo. Sobre este anillo de Mid1 se ensambla entonces el anillo contráctil de actina y miosina. Mid1 permanece en el anillo contráctil hasta que comienza la septación.
En células que carecen de Mid1, el anillo contráctil se ensambla, pero lo hace en lugares erróneos, dando lugar en ocasiones a células binucleadas y a células pequeñas carentes de material genético.




2. MECANISMOS DE POSICION del plano de división en organismos eucariotas. En la levadura S. cerevisiae, la nueva yema surge al lado de la cicatriz de la anterior. La maquinaria de división se ensambla en este lugar, predeterminado por marcas o señales (naranja) depositadas en las primeras fases del ciclo celular. En la levadura de fisión (S. pombe) y en células vegetales la posición del núcleo antes de la mitosis determina el plano de división. En S. pombe la proteína Mid1 (naranja) transmite la posición del núcleo a la envoltura celular para el posterior ensamblaje del anillo de actomiosina. En las plantas, los microtúbulos forman una banda que deja marcada la envoltura celular en el plano de división. El tabique de división se erige mediante la fusión de vesículas membranosas (puntos rosas); crece hasta contactar con la superficie celular. En células animales los microtúbulos del huso mitótico determinan la posición del plano de división mediante interacciones con la superficie celular. Se ha representado el ADN en azul, el anillo contráctil de actomiosina en rojo y los microtúbulos en verde.


Células animales y vegetales


Existe una proteína semejante a Mid1 en células animales, la anillina, que también forma parte del anillo contráctil. Mas, a diferencia de Mid1, la anillina es indispensable para la citoquinesis. Se une a filamentos de actina y los agrupa en haces. La anillina podría funcionar como un adaptador entre los haces y las septinas, pues se une también a estas últimas, acoplando el anillo contráctil a la membrana plasmática.
En la célula vegetal el núcleo interfásico señala el plano de división. El primer paso en la elección del sitio de división es la formación del fragmosoma, un conjunto de microtúbulos que se acumulan transversalmente en el citoplasma en las zonas de menor distancia entre el núcleo y la superficie celular. (Los microtúbulos, polímeros de tubulina, forman parte del citoesqueleto celular.) Adyacente a la membrana, la acumulación de microtúbulos junto con actina crea un anillo llamado "banda de pre-profase", que determina dónde se establecerá la pared de separación entre las células hijas. La banda de pre-profase desaparece antes de iniciarse la metafase, o fase de alinea-ción de los cromosomas, no sin dejar marcada la envoltura celular. Esta señal guía la fusión de la nueva pared de separación con la membrana plasmática.

Dos modelos en células animales


Según demostró Rappaport, el plano de división de la célula animal queda determinado por el huso mitótico. Se desconocen el mecanismo molecular y los componentes del huso responsables de la ubicación de la maquinaria de división, aunque parece que cada sistema posee su mecanismo peculiar.
Los dos modelos clásicos atribuyen el papel principal en la selección del sitio de división a los microtúbulos astrales o a los microtúbulos de la zona central del huso, respectivamente. Denomínanse astrales los microtúbulos no comprendidos en el huso. De acuerdo con el primer modelo, basado en embriones de invertebrados marinos, los microtúbulos astrales de ambos polos, en estadios tempranos de la anafase, o fase de separación de los cromosomas, interaccionan con la envoltura celular y determinan la posición del plano de división. En embriones de invertebrados con dos husos mitóticos, la presencia de dos conjuntos de microtúbulos astrales de husos puede inducir la formación del surco de división entre ellos. Además, aunque mediara un obstáculo entre huso y envoltura, no se impediría la formación del surco.
El segundo modelo se apoya en resultados obtenidos en cultivos celulares. En las células sólo se desarrolla un surco de división donde hay huso mitótico o un haz de microtúbulos; si se interpone un obstáculo entre el huso y la superficie celular, no se produce la división. Por eso se propuso que la zona central del huso mitótico era la responsable de la selección del sitio de división.
La investigación reciente apunta hacia una conciliación de ambos modelos. En experimentos de micromanipulación con espermatocitos de saltamontes se ha comprobado que los microtúbulos astrales inducen la formación del surco de división. Paradójicamente, un huso mitótico al cual se eliminan los microtúbulos astrales posee también idéntica capacidad. Ahora bien, cuando los microtúbulos astrales promueven la invaginación de la membrana, sufren reorganizaciones y se agrupan en haces compactos, similares a la zona central del huso mitótico. Con otras palabras, los haces de microtúbulos podrían ser, en general, los componentes del huso mitótico necesarios para inducir la formación del surco de división.
De ello no habría que deducir que sean los microtúbulos los responsables directos. Para el desarrollo correcto de la citoquinesis se requiere la presencia de numerosas proteínas motoras y factores reguladores alojados en ellos. Canman y sus colaboradores han descrito la existencia, en células de mamífero, de una subpoblación de microtúbulos del huso mitótico que se hallan asociados a cromosomas y establecen interacciones estables con la superficie en el ecuador celular; podrían estimular la contractilidad de esta zona.
De acuerdo con el modelo de Canman, los cromosomas desempeñarían una función directa en la ubicación del plano de división a través de los microtúbulos; contribuirían a su estabilización mediante el transporte de factores estabilizadores desde los centrómeros.




3. DESLIZAMIENTO DE FILAMENTOS de actina y miosina, similar al que ocurre en un músculo. Resulta determinante para la contracción del anillo citoquinético. Las moléculas de miosina (azul) son proteínas motoras que "caminan" sobre los filamentos de actina (rojo), a la vez que tiran de ellos, consiguiendo así la contracción de los filamentos.


Ensamblaje de la maquinaria y división


La estructura encargada de llevar a cabo la partición del citoplasma en animales y hongos es un anillo contráctil que se ensambla en la cara interna de la superficie celular, unido a la membrana plasmática. A través de su movimiento contráctil, dirige la invaginación de la membrana plasmática. Pese a que los hongos poseen una pared celular rígida que ciñe a la membrana plasmática, se sirven también de un anillo contráctil para llevar a cabo la citoquinesis.
Los componentes esenciales del anillo son filamentos de actina y miosina. Las moléculas de actina se ensamblan en un polímero, o filamento. La miosina, proteína con actividad motora, "camina" sobre los filamentos de actina aprovechando la energía producida por su actividad ATPasa. Se atribuye a la miosina la fuerza de contracción del anillo. Si se inhibe la actividad ATPasa de la miosina durante la división celular, el anillo no se contrae. Pero no acaba de comprenderse el mecanismo de contracción; se requiere, cierto, el deslizamiento de los filamentos de miosina y actina. Sin embargo, en varios tipos de células los filamentos de actina y miosina no se hallan longitudinalmente alineados en el anillo contráctil; es decir, no podemos simplemente asimilar el proceso a una contracción muscular.
Además de actina y miosina, el anillo contráctil contiene otros componentes necesarios para su formación y mantenimiento. Tales componentes han perdurado a lo largo de la filogenia. La ausencia de cualquiera de ellos provoca defectos en la organización del anillo y el fracaso de la citoquinesis; aparecen entonces células binucleadas. Varios componentes del anillo son proteínas estructurales, que, a la manera de un andamio, permiten el anclaje de otras moléculas.
El anillo contráctil, una estructura dinámica, se halla en permanente renovación. Encontramos, pues, entre sus componentes, proteínas implicadas en la polimerización o despolimerización de filamentos de la actina; por ejemplo, las forminas. Estas proteínas poseen dominios FH1 y FH2, mediante los que se unen a profilina —otro componente del anillo contráctil que se une a monómeros de actina y los coloca en el extremo en crecimiento del filamento— y participan en la formación de filamentos de actina. Para la renovación de éstos, y reforzar el dinamismo del anillo, se requiere la intervención de cofilina.
Corresponde a la familia de proteínas PCH, al menos en la levadura S. pombe, la presumible función de iniciar la construcción del anillo contráctil, pues resulta imprescindible para asociar a éste una formina y el complejo Arp2/3, ambos responsables de la polimerización de filamentos de actina.
Otros componentes participan en la regulación de la formación y función del anillo. La proteína IQGAP posee dominios de unión directa a actina, calmodulina y GTPasas pequeñas; podría, quizás, establecer la conexión entre la polimerización de actina y las rutas de señalización reguladoras del ensamblaje del anillo. La GTPasa Rho cumple, en el anillo, una función moduladora de proteínas que afectan a la dinámica de la actina (como cofilina, profilina y formina) y moduladora también de otras comprometidas con la regulación de la actividad de la miosina.
Hemos hablado antes de las septinas, que han persistido a lo largo de la evolución. En la levadura S.cerevisiae, además de marcar el sitio de división, ejercen una actividad directa en la citoquinesis, donde parecen operar como andamios para el anclaje de proteínas necesarias para el ensamblaje del anillo (como la miosina) y para la síntesis de quitina, parte del material que constituye el septo. Se sospecha que impiden la contracción del anillo hasta el momento adecuado. Sin embargo, en la levadura de fisión las septinas no parecen necesarias para el ensamblaje o localización del anillo contráctil, aunque sí intervengan, cabe presumir, en la separación celular. En células de mamífero, los filamentos de septinas se asocian con los de actina. Algunas septinas de mamíferos aparecen fusionadas a un protooncogén en casos de leucemia mieloide, lo que sugiere una posible implicación en la tumorigénesis, mientras que otra septina es un supresor de tumores.

Variación del ensamblaje


La secuencia temporal del ensamblaje del anillo contráctil varía según los organismos. Si en células animales el anillo se forma al final de la anafase, en S. cerevisiae, en cambio, se genera de un modo más escalonado, que se prolonga a lo largo del ciclo celular. Merced a esa peculiaridad, esta levadura se ha convertido en modelo ideal para el estudio de la secuencia temporal del ensamblaje y para determinar la interdependencia entre componentes.
En la levadura de la cerveza, el proceso comienza con el ensamblaje del anillo de septinas en la superficie celular, antes de la emergencia de la yema. Luego, la miosina se instala sobre el anillo; a continuación, en anafase, la actina se incorpora al anillo antes de la contracción. El proceso difiere algo en S. pombe, levadura en la que el anillo de actina y miosina se forma al principio de la mitosis; la contracción acontece al final de la anafase.
No se conoce bien el mecanismo del ensamblaje del anillo. En S.pombe se produce, primero, una acumulación de cables de actina y miosina y de otros componentes del anillo en el ecuador celular; poco a poco, estos componentes se condensan y crean un anillo definido. En células de mamífero la acumulación de actina en el ecuador celular podría deberse a un flujo cortical de actina polimerizada desde otras zonas de la célula.
En la célula animal la formación del anillo contráctil procede casi simultánea con la elección del plano de división. Cuando el anillo se contrae tirando de la membrana plasmática hacia el centro celular, se encuentra con la zona central del huso mitótico; esta estructura microtubular se ha constituido por la agrupación en haces de los microtúbulos que no están unidos a cromosomas. En los últimos estadios de la citoquinesis, tales haces de microtúbulos se compactan para dar origen al cuerpo medio.
La zona central del huso y el cuerpo medio resultan decisivos para que la citoquinesis se lleve a término. Varias proteínas alojadas en los microtúbulos de la zona central del huso mitótico dirigen la formación del surco de división y son necesarias para la culminación de la citoquinesis; su ausencia o mutación provoca fallos en el proceso. Podemos agrupar dichas proteínas en dos categorías: "pasajeros cromosómicos" y proteínas motoras de microtúbulos.




4. SECUENCIA DE VIDEOMICROSCOPIA de fluorescencia de la citoquinesis en la levadura S. pombe. Estas células llevan insertada en su genoma una copia de la miosina unida a proteína verde fluorescente; ello nos permite visualizar el anillo contráctil. Nótese la contracción del anillo y la división final de la célula en dos. Se indica el tiempo transcurrido entre cada imagen en minutos. Las formas en blanco definen el perímetro de las células.


Pasajeros cromosómicos


Integran el primer grupo un complejo proteico constituido por las proteínas INCENP, survivina, AuroraB y CSC-1. Recientemente se ha identificado al factor de intercambio RCC1 como otro pasajero cromosómico, aunque no se ha determinado si forma parte del complejo anterior y si interviene también en la citoquinesis.
La expresión "pasajeros cromosómicos" evoca su distribución celular: se trata de proteínas asociadas a los cromosomas al principio de la mitosis, concentrándose en los centrómeros en metafase. En anafase avanzan desde los centrómeros hasta los microtúbulos de la zona media del huso mitótico; luego se trasladan a la superficie ecuatorial de la célula. La presencia ecuatorial de los pasajeros cromosómicos resulta obligada para la citoquinesis.
Según parece, el componente activo del complejo proteico es la quinasa Aurora B. Las proteínas INCENP y survivina son necesarias para localizar correctamente dicha enzi-ma, amén de contribuir a su activación. De hecho, INCENP es uno de los componentes más precoces del plano de división; aparece incluso antes que la miosina. Se exige la actividad quinasa de Aurora B para la organización del cuerpo medio.
Cuando falta o está defectuoso alguno de los componentes del complejo, las células comienzan a invaginar el surco de división; después, éste retrocede, dando lugar a células multinucleadas. La regresión del surco de división se debe a un fallo en la organización de los microtúbulos de la zona media del huso.
Los pasajeros cromosómicos participan, además, en la condensación del ADN y la segregación de los cromosomas; podrían, pues, constituir el nexo de unión en la regulación coordinada de mitosis y citoquinesis. El acoplar la segregación de los cromosomas a la formación de la zona media del huso garantiza que la citoquinesis esté coordinada con el reparto del material genético. Muchas líneas celulares tumorales contienen niveles de Aurora B más elevados de lo normal, indicio de su posible intervención en procesos de tumorigénesis.

Proteínas motoras


El grupo de las proteínas motoras lo integran dos familias de quinesinas: MKLP1 y KLP3A. Ambas se alojan en la zona central del huso mitótico. Su presencia resulta imprescindible para la constitución de la zona central y la terminación de la citoquinesis.
La familia MKLP1 se une a una GAP (proteína activadora de GTPasa) de la familia Rho (HsCYK-4). El complejo resultante, la centralspind-lina, que ha perdurado en la escala evolutiva, promueve la agrupación de microtúbulos en haces in vitro. Si falta o ha sufrido una mutación cualquiera de los dos componentes, se desorganiza la zona central del huso mitótico.
Existe una relación funcional entre el complejo centralspindlina y el complejo Aurora B-survivina-INCENP. La ausencia de Aurora B o de INCENP provoca un defecto en la localización de MKLP1. Además, se ha observado que en células humanas Aurora B fosforila a CYK-4 y modula su especificidad, haciéndola actuar sobre RhoA. La proteína RhoA podría ser inactivada en los estadios finales de la citoquinesis, para dar término a este proceso.
Hemos dicho que la quinasa Polo, presente en los microtúbulos de la zona central del huso, desempeña un papel crucial en la citoquinesis. Polo fosforila a la quinesina MKLP1, y asegura su correcta localización.
En resumen, dos quinasas, AuroraB y Polo, son esenciales para asegurar la correcta organización de los microtúbulos de la zona media del huso mitótico y la culminación de la citoquinesis. Se trata de quinasas capacitadas, quizá, para fosforilar substratos y así promover el ensamblaje de la zona media del huso mediante uniones entre microtúbulos o el transporte de factores estabilizadores de los mismos. Podrían también originar señales en la red ecuatorial de actomiosina o controlar la dinámica de las membranas, con el fin de asegurar que esta fase de la citoquinesis llega a buen puerto. Entra dentro de lo posible que las quinesinas se requieran para estabilizar los microtúbulos de la zona central del huso o incluso que se encarguen del transporte de componentes necesarios para el ensamblaje del anillo hasta el plano ecuatorial de la célula.

Interdependencias


En los últimos años se han aportado pruebas de la relación de interdependencia, en la célula animal, entre los microtúbulos de la zona media del huso mitótico y el anillo contráctil. Cuando una de estas estructuras sufre una alteración, por mutación o agresión química, se resiente también la otra, con la desorganización consiguiente de la maquinaria de división y fracaso de la citoquinesis. Este fenómeno se ha observado principalmente en Drosophila y en células de mamífero en cultivo.
Las mutaciones en componentes del anillo contráctil que provocan la desorganización del mismo ocasionan también defectos en la zona central del huso. Si se despolimerizan químicamente los microtúbulos durante estas fases, o se altera la estructura mediante mutaciones en las quinesinas antes mencionadas, se desorganizan los filamentos de actina del anillo, llegándose incluso a la regresión del surco de división.
Así pues, parece que los microtúbulos de la zona central del huso mitótico desempeñan una función en la estabilización del anillo contráctil durante la anafase y la telofase. Acontece, asimismo, el proceso inverso. En la levadura de fisión, hemos observado una interdependencia similar de las estructuras equivalentes. El anillo de actina se requiere para que, al final de la mitosis, se formen estructuras microtubulares necesarias para la citoquinesis. Y si se eliminan estas estructuras mediante tratamiento con agentes despolimerizantes de microtúbulos se desplaza el anillo contráctil hacia uno de los extremos celulares, fenómeno que desemboca en inestabilidad genética cuando se divide la célula.




5. LOS "PASAJEROS CROMOSOMICOS" son un grupo de proteínas esenciales para la citoquinesis. Al principio de la mitosis o división nuclear, se alojan en los centrómeros, la zona de los cromosomas por donde éstos interaccionan con los microtúbulos del huso mitótico (a). Cuando los cromosomas comienzan a separarse, los pasajeros cromosómicos se redistribuyen por los microtúbulos de la zona central del huso (b). Algo más tarde, aparecen en la superficie ecuatorial, por donde se va a dividir la célula (c). Cuando el anillo se contrae y se invagina la membrana, quedan en el cuerpo medio, una estructura microtubular que une ambas células hijas, para desaparecer tras la separación celular (d). Los pasajeros cromosómicos contribuyen a la estabilidad de la zona central del huso y el cuerpo medio, que son esenciales para la citoquinesis.


Fragmoplasto


Las plantas poseen un mecanismo diferente para llevar a cabo la citoquinesis. No utilizan el anillo contráctil. Para construir el tabique de separación entre las dos células hijas, desde el centro de la célula hacia el exterior, se sirven de los microtúbulos y de la fusión de vesículas de secreción. La estructura responsable de la división celular en los vegetales se denomina fragmoplasto.
Aparece al final de la anafase. Consta de microtúbulos y filamentos de actina. Los microtúbulos del fragmoplasto transportan vesículas derivadas del aparato de Golgi, que contienen los materiales para la construcción de la placa de separación (constituida por nueva membrana y pared celular) entre las futuras células hijas. El ensamblaje de la placa de separación se produce mediante la fusión de vesículas entre sí y con la placa en crecimiento, desde el centro celular hacia el exterior, hasta contactar con la pared de la célula parental.
Sin embargo, ciertos descubrimientos recientes en células animales y levaduras apuntan a que el mecanismo utilizado por los vegetales quizá no resulte, a la postre, tan diferente. La fusión de vesículas para la adición de membrana se considera ahora un elemento común de la citoquinesis en todos los eucariotas. Esta hipótesis viene avalada por la observación de que se exige la intervención de varias proteínas implicadas en la secreción, lo mismo en vegetales que en células animales, para la citoquinesis. Además, el transporte de estas vesículas se perfila como la función universal de los microtúbulos de la zona central del huso mitótico.

Membranas y sintaxina


Para aumentar la superficie membranosa durante la citoquinesis, debe llegar nueva membrana al plano de división, aportada, según diversos indicios, por vesículas procedentes del aparato de Golgi, y que acabarían por fusionarse con la membrana plasmática en el surco de división.
Los receptores SNARE son un conjunto de proteínas persistentes en el curso evolutivo que median la fusión de membranas en varias rutas de tráfico intracelular. Existen dos tipos de SNARE: t y v. Las t-SNARE se localizan en la membrana diana (t, de "target"), o receptora, y las v-SNARE en la membrana de las vesículas (v, de "vesicle"). La unión de t-SNARE y v-SNARE media la fusión de las vesículas a la membrana receptora. Se cree que la fusión en cada paso de la ruta secretora viene posibilitada por una pareja específica de SNAREs.
La sintaxina es una t-SNARE. El descubrimiento de que la mutación de la sintaxina KNOLLE en plantas provoca un fallo en la citoquinesis fue la primera prueba del nexo entre la fusión de membranas y la citoquinesis. Posteriormente, se observó que la fusión de vesículas con la membrana plasmática mediada por sintaxina resultaba, asimismo, crítica para la citoquinesis en células animales.
Todos los eucariotas poseen varias sintaxinas, aunque sólo alguna de ellas funciona específicamente en citoquinesis. En el gusano la carencia de sintaxina 1 da lugar a células multinucleadas, con defectos en la invaginación del surco de división, mientras que el homólogo en la mosca es necesario para la celularización, una forma especializada de la división celular. La sintaxina 1 se aloja en el surco de división; las mutaciones en la misma provocan un fallo en la fusión de vesículas, sin repercusión, no obstante, en el transporte de las mismas. Así se asegura que no se produzca la división celular hasta que no se hayan separado los cromosomas.
En células de mamífero, la sintaxina 2 se encuentra en el cuerpo medio. Se la requiere para la abscisión o separación final de las células hijas, pero no para la invaginación del surco de división. Queda así patente que estos dos procesos de la citoquinesis utilizan mecanismos de fusión de membranas, aunque diferentes.
Otro grupo de proteínas de la ruta secretora tiene una función en la citoquinesis. Se trata del complejo exocítico, integrado por siete unidades y requerido para el funcionamiento correcto de la ruta de secreción. Se cree que el complejo exocítico dirige las vesículas hasta sitios específicos de la membrana plasmática. Varios miembros del complejo interaccionan con las septinas, vinculadas a su vez con las sintaxinas.

Regulación espacial


La regulación espacial de la citoquinesis podría transcurrir a través de la regulación de los sitios disponibles para la inserción de nueva membrana. Es posible que el complejo exocítico dirija las vesículas hacia el lugar donde han de fusionarse con la membrana plasmática.
Las septinas podrían funcionar como nexo entre los componentes citoesqueléticos y los componentes membranosos; o, quizá, tener un papel regulador de la delimitación del área de inserción de nueva membrana en el sitio correcto. Esta segunda hipótesis resulta bastante atractiva, sobre todo porque las septinas funcionan a modo de barrera limítrofe entre las células madre e hija durante la división en la levadura S. cerevisiae, impidiendo la difusión de factores de crecimiento desde la célula hija a la célula madre. Una vez que las vesículas llegan al lugar de constricción, su fusión con la membrana plasmática está regulada por las sintaxinas presentes en ese punto.
En embriones de vertebrados e invertebrados marinos se ha descubierto un conjunto de microtúbulos tangentes al surco de división. La despolimerización de estos microtúbulos bloquea la inserción de membrana e insta la regresión del surco de división, con el fracaso consiguiente de la citoquinesis. De ello se desprende la importancia, para la división celular, del transporte de componentes membranosos por los microtúbulos. Aunque estas estructuras no se han observado en células somáticas, los microtúbulos de la zona central del huso y el cuerpo medio podrían quizá desempeñar un papel semejante en el caso de las células de mamífero.

Regulación temporal


Para que la división celular culmine con éxito, resulta imprescindible no sólo la coordinación espacial, sino también la coordinación temporal de los distintos episodios del ciclo celular.
La citoquinesis no debe ocurrir antes de la formación del huso mitótico y la segregación de los cromosomas. Si se desarrollara antes de la mitosis, se producirían cambios en el número de cromosomas y, por tanto, en la dotación genética de las células. La citoquinesis constituye un proceso acompasadamente coordinado con otros eventos del ciclo.
Las células poseen varios mecanismos para prohibir la citoquinesis hasta que termine la segregación de cromosomas. El primer mecanismo pone en juego a las principales quinasas reguladoras del ciclo celular, CDK (o quinasa dependiente de ciclinas) y la quinasa Polo.
La citoquinesis depende de la entrada de la célula en mitosis, regulada por la Cdk1 y la ciclina B. La inhibición de la actividad quinasa por destrucción de la ciclina inicia la anafase, o separación de los cromosomas. Ahora bien, si se expresa en las células una ciclina que no puede ser degradada por el complejo promotor de la anafase (APC), se bloquea el ciclo celular en anafase; no se pasa a la citoquinesis.
La quinasa Polo, al igual que la CDK, desempeña varias funciones en mitosis. Además, parece cumplir una misión más directa en la citoquinesis. En S. pombe, la proteína homóloga a Polo induce la septación en células en G2, indicio claro de que se trata de un regulador principal de la citoquinesis. En las levaduras, la quinasa Polo se aloja en el anillo contráctil. En células animales, Polo, que se encuentra en la zona central del huso y en el cuerpo medio, es decisiva para la citoquinesis. Esta quinasa, además, forma complejos proteicos con varias proteínas de los microtúbulos del cuerpo medio necesarias para el mantenimiento estructural de los mismos. Lo que nos mueve a pensar que el papel de Polo en la citoquinesis atañe a la fosforilación y activación de varias de estas proteínas.
En levaduras se ha identificado un segundo mecanismo para coordinar la citoquinesis con la segregación de los cromosomas. Se trata de una cascada de transducción de señales ubicada en el cuerpo polar del huso (CPH), que se activa durante la mitosis.




6. COORDINACION DE LA CITOQUINESIS con el final de la mitosis. La ruta SIN, responsable de ese acompasamiento, se organiza y activa en el cuerpo polar del huso (CPH). Las proteínas Sid4 y Cdc11 persisten en el CPH a lo largo de todo el ciclo celular; constituyen el anclaje para las demás proteínas de esta ruta de señalización. Durante la interfase, la GTPasa Spg1 y su GAP, el complejo Cdc16-Byr4, se alojan en el CPH. La inhibición de Spg1 por Cdc16-Byr4 hace que se mantenga unido a GDP. Cuando la célula entra en mitosis, Cdc16-Byr4 desaparece del CPH, Spg1 se une a GTP, se activa y recluta a la quinasa Cdc7. Al comenzar la anafase, Cdc16-Byr4 vuelve a uno de los CPH y provoca la pérdida de Cdc7 del mismo. Además, al disminuir la actividad de CDK, la quinasa Sid1 junto con Cdc14 es reclutada al CPH donde queda Cdc7. Aquí activan al complejo formado por la quinasa Sid2 y Mob1; instan su traslado hasta el anillo de actina-miosina. La ruta SIN se encarga de ubicar, en la membrana plasmática adyacente al anillo, la enzima responsable de la síntesis del tabique de división, desencadenando la contracción del anillo y la septación. Otro de los efectores de la ruta es la fosfatasa Flp1, que actúa en la salida de mitosis y podría intervenir también en la citoquinesis.


La ruta SIN


En S. pombe la función de señalización del CPH coordina directamente el final de la mitosis con la citoquinesis; la ruta de señalización se denomina SIN. Aunque las células mutantes en esta vía puedan originar el anillo contráctil, éste no es estable, ni se contrae, sino que se desestructura al final de la mitosis. Pero el ciclo nuclear progresa sin contratiempo y da lugar a células multinucleadas.
El regulador principal de la ruta SIN es la proteína Spg1, una GTPasa. La activación de esta enzima mediante su conversión a la forma unida a GTP desencadena la cascada durante la mitosis. En interfase, Spg1 se mantiene inactiva por su GAP o inhibidor, un complejo formado por las proteínas Cdc16 y Byr4. Al principio de la mitosis se activa Spg1 y se produce el reclutamiento y la activación secuencial de las quinasas Cdc7, Sid1 y Sid2.
La presencia de Sid1 en el cuerpo polar del huso y su activación dependen de la inactivación de CDK. Se asegura con ello que la citoquinesis se demore hasta la segregación cromosómica, coordinando la citoquinesis con la separación de los cromosomas.
La activación de Sid2 provoca su traslado al anillo contráctil, donde insta probablemente la contracción del mismo y la citoquinesis. La contracción del anillo en S. pombe está ligada a la formación del septo o pared de separación entre las dos células hijas; uno de los efectores de esta ruta es una enzima responsable de la síntesis del mismo. Es decir, en esta levadura la inhibición de la citoquinesis por la CDK tiene lugar a través de la ruta SIN, impidiendo la localización y activación de la quinasa Sid1.

La ruta MEN


En la levadura S. cerevisiae se descubre una cascada equivalente, denominada MEN, cuya función principal es, sin embargo, la de promover la salida de mitosis. La ruta MEN retrasa la salida de mitosis hasta que el huso mitótico ha pasado por el cuello y se encuentra entre las células madre e hija.
En la regulación de la salida de mitosis, el elemento clave es la fosfatasa Cdc14; corresponde a MEN mantenerla activada. No obstante, la investigación reciente sugiere que esta ruta de señalización podría intervenir en la propia regulación de la citoquinesis. Algunos componen-tes de la misma se alojan en el cuello entre madre e hija; la ruta es necesaria para la contracción del anillo, aunque el mecanismo no está tan claro como en el caso de la ru-ta SIN. La pérdida de Flp1, proteína homóloga a Cdc14 en S. pombe, provoca fallos en la citoquinesis; con otras palabras, Cdc14 también podría intervenir en la citoquinesis.
Se ignora si las células de mamífero poseen una ruta de señalización equivalente a SIN o MEN. Algunos de los componentes de esta ruta han persistido a lo largo de la evolución; se han encontrado homólogos de la quinasa Sid2/Dbf2, de la GAP Cdc16/Bub2, de Mob1 y de la fosfatasa Cdc14. Pese a que ese dato no supone una prueba definitiva, permite sospechar la existencia de una cascada similar o que hayan persistido, en eucariotas superiores, algunos aspectos de su función al final de la mitosis.
A ese respecto, se ha identificado en células de mamífero la centriolina, una proteína que posee una zona semejante a Cdc11/Nud1, las proteínas responsables del anclaje de las rutas SIN/MEN en el cuerpo polar del huso. La centriolina interviene en los episodios finales de la citoquinesis, en la separación celular en concreto, amén de reque-rírsela para la progresión hacia la siguiente fase S, otro apoyo más para esta hipótesis.
El cuerpo polar del huso se perfila así como regulador principal de la citoquinesis en levaduras, en un proceso coordinado con la división nuclear. El centrosoma, la estructura equivalente en células animales, muestra, a su vez, su relevancia en la terminación de la citoquinesis. En células humanas, el equipo dirigido por Piel ha observado que, en los últimos estadios de la citoquinesis, el centriolo madre se mueve hacia el puente de unión entre las dos células hijas. Hasta que no ha regresado a su posición inicial, no se completa la citoquinesis y tiene lugar la separación de las dos células. Abona esa observación la hipótesis de que el centrosoma ejerza alguna función de control espacial sobre la citoquinesis, semejante al papel del cuerpo polar del huso en levaduras. Añádase que la falta de centrosomas provoca fallos en la citoquinesis.

Citoquinesis, desarrollo y enfermedad


No todas las células se dividen por el ecuador celular para originar dos células hijas del mismo tamaño. La primera división del embrión de C.elegans o la división de neuroblastos de Drosophila, por ejemplo, se desarrollan de forma asimétrica, con el resultado de dos células de distinto tamaño y contenido. Esta división asimétrica es parte del mecanismo para determinar el destino de las células hijas durante el desarrollo del organismo.
La investigación de ese aspecto de la citoquinesis ha llevado a la identificación de los factores determinantes de la asimetría de la división. En ausencia de los mismos, las células se dividen por el ecuador y se originan dos células hijas iguales. El modelo más extendido supone que la reorientación del huso mitótico hacia un extremo de la célula se debe al distinto dinamismo de los microtúbulos en ambos polos celulares, causado por diferencias en las interacciones entre microtúbulos y superficie celular; de ello resultan distintas fuerzas ejercidas en los polos del huso y el desplazamiento de éste hacia uno de los extremos celulares.
Otra de las formas especializadas de citoquinesis es la citoquinesis incompleta. Se observa durante el desarrollo del oocito de Dro-sophila o en la espermatogénesis en mamíferos. En este tipo de división, el surco de división se invagina, pero no llega a cerrarse ni, por ende, separar las células hijas. No se sabe muy bien si en estos tipos celulares existen factores que impiden que se complete la citoquinesis o si carecen de los factores necesarios para culminarla. Estos dos sistemas resultan muy útiles para la investigación del mecanismo de la citoquinesis.
El cáncer se caracteriza por una proliferación incontrolada de células que no responden a las señales del desarrollo normal. La inhibición o el mal funcionamiento de la citoquinesis puede contribuir a que una célula gane o pierda genes, promoviendo su transformación en célula cancerosa. Pero, por otra parte, los procesos necesarios para la proliferación celular constituyen dianas habituales en la terapia antitumoral. La citoquinesis no parece estar sometida a puntos de control que impiden que la célula continúe el ciclo celular en caso de algún fallo; pudiera, pues, ser una eficiente diana para nuevas drogas antitumorales. De momento sólo se ha identificado un punto de control de este tipo en levaduras.
La citoquinesis es un ejemplo extraordinario de mecánica celular. Pese a los avances en el esclarecimiento de cómo funciona y está regulada la bioquímica responsable de la citoquinesis, aún quedan muchos misterios por descubrir.


La autora

MERCEDES PARDO, doctorada en Farmacia por la Universidad Complutense de Madrid, trabaja en el Laboratorio de Ciclo Celular de Cancer Research UK en Londres.

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Revista Investigación y Ciencia:  346 -  JULIO 2005 

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