Ciclo Celular, Mitose e Meiose

Autoria: Carlos Augusto BM Normann e Alessandra Angélica P. Bueno

(Ver: Normann, C.A.B.M. Práticas em Biologia Celular. Porto Alegre, Sulina. 2008)

O ciclo celular é o nome dado à série de eventos que ocorre nas células eucarióticas, levando-as à replicação do DNA e, por conseqüência, da própria célula. O ciclo é dividido basicamente em dois períodos: interfase e mitose. Na interfase, ocorrem dois eventos: o acúmulo de nutrientes e outras substâncias necessárias à mitose, e a duplicação do DNA. Na mitose, por outro lado, a célula, com o DNA duplicado, promove a sua divisão em duas “células-filhas”. O ciclo celular é vital para o desenvolvimento do zigoto, bem como para a renovação de vários tecidos do organismo.

O ciclo celular apresenta dois períodos e quatro fases distintas: G₁, S, G₂ (interfase) e M. A fase M é a mitose, com a divisão dos cromossomos duplicados, associada com a citocinese, que é a divisão do citoplasma, concluindo a formação de duas células diferentes. A ativação de cada fase do ciclo é dependente da própria progressão e da complementação das etapas sucessivamente. Algumas células que tenham temporária ou reversivelmente parado o processo divisional são ditas como entrando em um estágio denominado de G₀.

A fase M é considerada relativamente breve. Consiste na cariocinese, ou divisão nuclear, e na citocinese, ou divisão citoplasmática. Em plantas e algas, a citocinese é acompanhada pela formação de uma nova parede celular. Após cada fase M, as células-filhas logo começam a interfase de um novo ciclo celular. Embora os vários estágios da interfase não sejam morfologicamente distintos, cada fase do ciclo celular tem um grupo de processos bioquímicos especializados distintos, que preparam a célula para uma nova rodada de divisões celulares.

A primeira fase da interfase, após o final de uma mitose, inicia com a síntese de DNA. É o chamado G₁. A inicial G significa “gap” ou intervalo, levando em conta o conceito antigo de que a atividade celular estaria mais ligada à mitose. Hoje sabemos que na interfase a célula é extremamente ativa, tanto na síntese de DNA, na sua transcrição e tradução, entre outros vários processos. De fato, as atividades e processos metabólicos, que na mitose haviam diminuído radicalmente, voltam a ocorrer em altas taxas na fase G₁. É nesta fase que ocorre a síntese das várias enzimas requeridas para a fase S, onde irá ocorrer a replicação do DNA. A duração da G₁ é variável, de acordo com os tipos celulares.

A fase S inicia quando a célula está plenamente habilitada à síntese de DNA. Uma vez que a fase S esteja concluída, os cromossomos celulares estarão duplicados, possuindo duas cromátides filhas. Durante essa fase, a quantidade de DNA da célula efetivamente é dobrada, em que pese se mantenha a ploidia. As taxas de transcrição do RNA e síntese protéica são baixas na fase S, excetuando-se a produção de histonas. A duração da fase S é relativamente constante em células de uma mesma espécie.

A célula, após a fase S, inicia a fase denominada G₂. Esta fase é a última etapa da interfase antes da mitose. Novamente, ocorre a síntese protéica em taxas elevadas, em especial a produção de microtúbulos, altamente requeridos ao longo da mitose. A inibição da síntese protéica na fase G₁₂ evita que a célula inicie a mitose, e é uma estratégia de algumas técnicas de quimioterapia para neoplasias.

A expressão pós-mitótica é usada, às vezes, para se referir a células quiescentes e senescentes. Células não proliferativas, em organismos pluricelulares, entram, via de regra, num estado G₁ denominado G₀ , e podem permanecer quiescente por longos períodos de tempo, possivelmente indefinidamente, como os neurônios. Isso é muito comum em células que estão plenamente diferenciadas. A senescência celular é um estado que ocorre em resposta ao dano ao DNA, ou à degradação que faça a célula inviável para replicação. Essa é uma alternativa à auto-destruição da célula danificada pela chamada morte celular programada, ou apoptose.

Alguns tipos de células maduras, como as do parênquima hepático e renal, entram em G₀, mas de forma semi-permanente. Essas células, por estímulos adequados, podem ser reinduzidas à ingressar na fase S, G₂ e realizar novamente mitose, em circunstâncias bastante específicas. Outros tipos celulares, como as células da mucosa digestória, da pele, mucosa vaginal e das vias aéreas superiores, continuam a dividir ao longo de toda a vida do organismo.

Partindo dessas características do ciclo celular, podemos, então, classificar as células como:

Lábeis: alta capacidade de renovação epitelial, como na mucosa gástrica (20 dias para uma renovação total do epitélio); 

Estáveis: são células diferenciadas, que, em algumas circunstâncias, podem desdiferenciar-se e voltar a replicação. Ex: fibroblastos e parênquima hepático. 

Permanentes: são células altamente diferenciadas, que, via de regra, não desdiferenciam-se, não podendo, portanto, retomar o ciclo e proceder a mitose. Ex: neurônios e cardiomiócitos.

A regulação do ciclo envolve passos cruciais na vida da célula, o que inclui a detecção e reparo de danos ao material genético, bem como a preparação da célula para os chamados “checkpoints” que ocorrem ao longo do ciclo, que permitem a divisão celular somente se a célula está em plenas condições. Os eventos moleculares que controlam o ciclo celular são ordenados e direcionais, ocorrendo cada processo em uma seqüência, sem que haja a possibilidade de que o ciclo ocorra de forma reversa.

Para que o ciclo ocorra de forma correta, existem duas classes de moléculas que fazem a regulação do ciclo: as ciclinas e as quinases dependentes de ciclinas (CDK), que determinam o progresso da célula ao longo do ciclo. A descoberta dessas moléculas garantiu a Leland H. Hartwell, Timothy Hunt e Paul M. Nurse o Prêmio Nobel de Fisiologia e Medicina de 2001. Muitos dos genes que codificam as ciclinas e as CDKs são conservados entre todos os eucariotos, mas em geral organismos mais complexos têm sistemas de controle do ciclo celular mais elaborados, que incorporam outros componentes.

Ciclinas formam uma subunidade regulatória, e as CDKs agem como subunidades catalíticas, formando juntas uma espécie de heterodímero protéico. Ciclinas não possuem atividade enzimática, e CDKs são inativas sem a presença da ciclina. Quando ativadas por uma ciclina que se liga, as CDKs fosforilam outras proteínas, ativando-as ou inativando-as, a fim de coordenar a entrada na próxima fase. Cabe lembrar que quinases são proteínas fosforiladoras de outras proteínas. Diferentes combinações de ciclina e CDK determinam a cascata de proteínas-alvo. As CDK são expressas de forma mais continuada, enquanto que ciclinas são sintetizadas somente em estágios específicos do ciclo celular, em resposta a sinais moleculares específicos.

Após receber um sinal pró-mitótico extracelular, como um estímulo hormonal, por exemplo, o complexo ciclina G₁ –CDK torna-se ativo, preparando a célula para iniciar a fase S, promovendo a expressão de fatores de transcrição, que, por sua vez, promovem a expressão das ciclinas S e das enzimas necessárias à replicação do DNA. O complexo ciclina G₁-CDK também promove a degradação de moléculas que inibem a entrada na fase S, marcando-as para ubiquitinação (degradação da proteína em um complexo enzimático denominado proteassomo).

O complexo ciclina S-CDK fosforila proteínas que preparam o complexo pré-replicação, montado durante a fase G₁ nas origens de replicação do DNA. A fosforilação serve para dois propósitos: ativar cada parte do complexo de pré-replicação, e prevenir a formação de novos complexos. Isso permite que cada porção do genoma seja replicada uma vez, e somente uma vez. A razão para prevenir falhas é bastante clara, uma vez que, se as células- filhas tiverem a perda de algum gene importante, poderão morrer. Por outro lado, por razões relacionadas ao efeito do número de cópias dos genes, possuir cópias extras de certos genes pode também ser deletério para as células, tanto quanto sua falta.

O complexo ciclina mitótica-CDK é sintetizado nas fases S e G₂, mas é mantido inativado. Ele promove a iniciação da mitose, pela estimulação das cascatas protéicas envolvidas na condensação dos cromossomos e na montagem do fuso mitótico. Uma ubiquitina ligase, conhecida como complexo de promoção da anáfase (APC) é ativada durante esse processo, promovendo a degradação de proteínas estruturais associadas com o cinetócoro dos cromossomos. APC também marca as ciclinas mitóticas para degradação, levando à conclusão da telófase e citocinese.

A primeira ciclina produzida no ciclo celular é a ciclina D, em resposta a sinais como os fatores de crescimento e o GH. Ciclina D liga ao CDK4, formando um complexo ativo chamado ciclina D-CDK4. Este complexo forforila a proteína Rb (descoberta nos retinoblastomas infantis). Quando ela é hiperfosforilada, ela dissocia do complexo E2F/DP1/Rb, ativando o E2F, o que resulta na transcrição de vários genes ligados à duplicação do DNA; entre os transcritos desses genes, estão a DNA-polimerase, a ciclina A, ciclina E, timidina quinase e outros. Ciclina E então liga-se na CDK2, formando o complexo ciclina E-CDK2, o qual leva a célula para a transição entre as fases G₁ e S. A ciclina A forma com a CDK2 o complexo ciclina A-CDK2, que inicia a transição entre e G₂ e M. O complexo ciclina B-CDK1, quando ativado, promove a fosforilação das laminas, o que desencadeia a desorganização do envelope nuclear. Sua desativação, portanto, evita a mitose.

Duas famílias de genes, a família cip/kip e a família INK4a/ARF (inibidor da quinase 4/leitura alternativa de tela) previnem a progressão do ciclo celular. Esses genes são considerados, portanto, como supressores de tumor, devido a essa particularidade funcional.

A família cip/kip inclui os genes p21, p27 e p57. Eles mantêm o ciclo na fase G₁ inativando os complexos ciclina-CDK. P21 é ativado pela p53, que é disparada pelo dano ao DNA. Por sua vez, a p27 é ativada pelo fator de crescimento transformante beta, ou TGF-ß, um clássico inibidor de crescimento. A família INK4a/ARF inclui a proteína p16INK4a, a qual liga na CDK4 e prende o ciclo celular na fase G₁. Por sua vez, p14arf previne a degradação da p53.

No ciclo celular, os chamados checkpoints são empregados para monitorar e regular o progresso ao longo do ciclo. Eles previnem a progressão do ciclo em pontos específicos, levando a que sejam verificadas as condições para avançar ao longo do ciclo, permitindo que seja feito o reparo ao DNA danificado, por exemplo. A célula não pode ir para a próxima etapa do ciclo até que os requerimentos do checkpoint sejam plenamente satisfeitos.

Muitos checkpoints são designados para verificar se o DNA danificado ou incompleto não será passado às células-filhas, evitando, portanto, a mutagênese. Os dois grandes checkpoints são: G₁/S e G₂/M. A transição G₁/S é denominada de ponto de restrição. Um modelo alternativo de resposta ao dano pelo ciclo celular foi proposto, sendo conhecido como checkpoint pós-replicação. Novamente, vemos a proteína p53 com um importante papel, acionando o controle dos checkpoints.

Se o ciclo celular está mal regulado, podemos ter o desencadear de um tumor no organismo. Como mencionado acima, alguns genes, como os inibidores celulares Rb, ras e p53, quando mutados, podem causar um descontrole na divisão celular, uma vez que não estarão exercendo sua ação limitadora e controladora do ciclo. Embora a duração do ciclo celular em células neoplásicas seja igual ou até maior que no ciclo celular normal, a proporção de células que estão em ciclo ativo, em relação às células em G₀, entre as células tumorais, é muito maior. Também ocorre um desbalanço entre células em apoptose e senescentes.

A proteína p53, entre as suas várias funções, auxilia o início da apoptose; sua inativação, por mutação, reduz a chance de células geneticamente danificadas serem eliminadas, iniciando um processo carcinogênico. Outro mecanismo de controle da divisão celular limita o número de vezes que determinada célula se reproduz. Nesse mecanismo, as pontas dos cromossomos, os telômeros, marcam o número de divisões, e, no momento apropriado, iniciam senescência e morte, por ocasião da telomerase. A ativação desta enzima induz à imortalização celular, evento indispensável para a carcinogênese.

A maioria das drogas utilizadas na quimioterapia antineoplásica interfere de algum modo nesse mecanismo celular, e a melhor compreensão do ciclo celular normal levou à definição clara dos mecanismos de ação da maioria das drogas. Foi a partir dessa definição que podemos classificar os quimioterápicos conforme a sua atuação sobre o ciclo celular em:

1. Ciclo-inespecíficos - Aqueles que atuam nas células que estão ou não no ciclo proliferativo, como, por exemplo, a mostarda nitrogenada.
2. Ciclo-específicos - Os quimioterápicos que atuam somente nas células que se encontram em proliferação, como é o caso da ciclofosfamida.
3. Fase-específicos - Aqueles que atuam em determinadas fases do ciclo celular, como, por exemplo, o metotrexato (fase S), o etoposídeo (fase G2) e a vincristina (fase M).

Mitose

A mitose ocorre exclusivamente em células eucariotas. Procariotos, por não possuírem núcleo, sofrem fissão binária. O processo é complexo e altamente regulado. A seqüência de eventos é dividida em fases, bem estabelecidas. As fases são: prófase, prometáfase, metáfase, anáfase e telófase. Durante o processo, os pares de cromossomos condensam, e ligam-se às fibras do fuso mitotico, que puxam as cromátides irmãs para os pólos opostos da célula. A mitose é concluída com a citocinese.

Uma vez que a citocinese ocorre em conjunção com a mitose, em geral ela é englobada no sistema, sendo conhecido como “fase mitótica”. Contudo, em algumas células do corpo, e mesmo fungos e outros organismos, irão apresentar várias divisões nucleares, tornando-se células multinucleadas. Erros na mitose podem conduzir a célula para a morte celular programada, por apoptose, ou ainda desencadear a mutagênese, levando a um tumor.

Cada cromossomo apresenta duas cópias dele, denominada cromátides filhas, unidas junto a uma região especializada, o centrômero. Cada cromátide-irmã não é considerada em si um cromossomo, e um cromossomo não contém sempre duas cromátides filhas. Na maioria dos eucariotos, o envelope nuclear sofre desmanche na mitose. Os cromossomos ficam alinhados no equador da célula e, por ação dos microtúbulos, que interagem com os cinetócoros dos centrômeros, ocorre a tração dos cromossomos filhos para os pólos celulares. 

 

Interfase

Como vimos anteriormente, é a fase em que ocorre a replicação do DNA e a síntese de proteínas que são vitais para a replicação celular.

Pré-prófase

Ocorre em plantas, nesta fase se forma uma banda pré-profásica, composta por um anel de microtúbulos e microfilamentos, em adição à formação do fragmossomo, que é uma bainha transversal que divide a célula no seu futuro plano de divisão. A banda orienta o local da futura citocinese. A banda pré-profásica desaparece na pró-metáfase.

Prófase

Nesta fase, o material genético, já duplicado, segue sua compactação, havendo a replicação dos centríolos, polimerização da tubulina para formação do fuso mitótico.

Prometáfase

O envelope nuclear desagrega-se devido à fosforilação e acetilação das lamiinas nucleares. Os cinetócoros começam a associar-se aos microtúbulos; nos cinetócoros, proteínas motoras irão proporcionar o movimento necessário à tração das cromátides.

Metáfase

Formação da placa equatorial, equidistante aos centrossomos. Nesta fase, os cinetócoros estão todos ligados aos microtúbulos.

Anáfase

Fase na qual inicia-se o movimento de tração das cromátides-filhas para os pólos da célula. Os motores moleculares do cinetócoro levam ao encurtamento das fibras fusais, aproximando as cromátides dos pólos.

Telófase

Inicia-se com a chegada das cromátides-filhas aos pólos celulares. Os microtúbulos cinetocóricos desagregam-se e os polares alongam-se. Os cromossomas começam a descompactar e as laminas são desfosforiladas e desacetiladas, com a reestruturação do envelope nuclear.

Citocinese

É o processo de clivafem e separação do citoplasma após reestabelecida a ploidia nuclear. Tem início na anáfase e conclui com a telófase. Nas células animais, é a fase em que se forma um anel de clivagem, por ação dos microfilamentos de actina interagindo com a miosina. Leva à formação definitiva de duas células individualizadas. Em algumas células, como o megacariócito, esta fase não ocorre, havendo a chamada endomitose, que faz a célula possuir inúmeras cópias de um mesmo núcleo.

Meiose

Meiose I

É na meiose I que ocorre a separação dos pares de homólogos. É a fase na qual temos a recombinação genética, através do crossing-over. Cabe lembrar que, ao final da meiose I, ao contrário da mitose, temos a separação dos cromossomos homólogos, ao invés das cromátides-irmãs. As cromátides são separadas no decorrer da meiose II.

Prófase I

Nesta fase, ocorre o pareamento dos cromossomos homólogos e a recombinação ou crossing over. Cromossomos formam as sinapses, unindo-os fisicamente. Os cromossomos pareados são chamados bivalentes ou tétrades, os quais apresentam dois cromossomos unidos e quatro cromátides, dos quais um cromossomo é originado de um dos pais. Neste estágio, as cromátides não-irmãs podem fazer o crossing-over nos pontos denominados quiasmas. 

a) Leptoteno

Do grego “fios finos”, é a fase na qual inicia-se a condensação dos cromossomos para a meiose. Cromossomos no leptóteno mostram um arranjo específico onde seus telômeros são orientados para o envelope nuclear, denominado “estágio do buquê”. Os cromossomos aparecem unifilamentares (apesar da replicação já ter ocorrido) e as cromátides são invisíveis. A invisibilidade das cromátides permanece até a sub-fase de paquíteno.

b) Zigoteno

Os cromossomos alinham-se com seus homólogos. Os homólogos são denominados bivalentes Também são denominados de tétrades. Os dois homólogos são mantidos unidos pelo complexo sinaptonêmico, formando as sinapses cromossomais. Durante o estágio de zigoteno, cada cromossomo parece atrair o outro para um contato íntimo, à semelhança de um ziper. Este pareamento, a sinapse, é altamente específico e ocorre entre todas as seções homólogas dos cromossomos, mesmo se essas seções estão presentes em outros cromossomos não homólogos.

c) Paquiteno

É a fase em que ocorre o crossing-over. As trocas de blocos de material genético ocorrem nos nódulos de recombinação, ou quiasmas. A troca de informações entre as cromátides resulta na recombinação da informação genética. O paquíteno é um estágio de progressivo encurtamento e enrolamento dos cromossomos que ocorre após o pareamento no zigóteno ter sido completado. No paquíteno as duas cromátides irmãs de um cromossomo homólogo estão associados às duas cromátides irmãs de seus homólogos. Esse grupo de 4 cromátides é conhecido como bivalente ou tétrades e uma série de troca de material genético ocorre entre cromátides não irmãs de homólogos. O paquíteno é também o estágio em que o complexo sinaptonêmico pode ser observada entre os cromossomos através de microscópios eletrônicos. Ele aparece como faixas de 3 componentes longitudinais organizados em 2 camadas laterais de elementos densos e a central constituída basicamente de proteínas. O complexo permite que os cromossomos estejam em um contato mais íntimo e mais preciso.

d) Diploteno

Durante o diploteno, o complexo sinaptonêmico se degrada, e os homólogos se separam. Os cromossomos ainda se mantêm unidos formando as tétrades, nos pontos de quiasmas. No estágio de diploteno cada cromossomo age como se repelisse o pareamento íntimo estabelecido entre os homólogos, especialmente próximo ao centrômero. Talvez isso ocorra devido ao desaparecimento da força de atração existente no paquiteno ou devido a uma nova força de repulsão que se manifesta. A separação é impedida em algumas regiões, em lugares onde os filamentos se cruzam. Essas regiões ou pontos de intercâmbios genéticos, são conhecidas por quiasmas. Uma tétrade pode apresentar vários quiasmas dando figuras em configuração de V, X, O ou de correntes. Em muitos organismos suas posições e número parecem ser constantes para um particular cromossomo.

e) Diacinese 

Na diacinese a espiralização e contração dos cromossomos continua até eles se apresentarem como corpúsculos grossos e compactos. Durante a fase final desse estágio ou início da metáfase I, a membrana nuclear dissolve e os bivalentes acoplam-se, através de seus centrômeros, às fibras do fuso cromático. O nucleolo desaparece. O número de quiasma é reduzido devido a terminalização. A terminalização é um processo pelo qual, dado o encurtamento dos filamentos e a força de repulsão existente entre homólogos, os quiasmas vão sendo empurrados para alguns se escaparem por completo.

Metáfase I

Nessa fase os bivalentes orientam-se aleatoriamente sobre a placa equatorial. Em geral os cromosssomos estão mais compactos que aqueles da fase correspondente da mitose e permitem uma contagem das unidades que estão presentes na parte mediana da célula.

Anafase I

Os microtúbulos do cinetócoro encurtam, tracionando os cromossomos, formando conjuntos haplóides. Cada cromossomo possui um par de cromátides irmãs. A célula prepara-se para a divisão. Nessa fase inicia a movimentação das díades para pólos opostos, mas não há rompimento dos centrômeros. Nesse caso há movimento de cromossomos inteiros para pólos opostos e, consequentemente, essa fase reduz o número de cromossomos à metade. Essa fase é adequada ao estudo da posição dos centrômeros, pois as cromátides se abrem permanecendo unidas apenas pelos centrômeros e assim apresentando especiais. Nessa fase ainda ocorre algumas quebras de quiasmas que ainda restaram. 

 

Telófase I

Como na mitose, os dois grupos formados ou aglomerados nos pólos passam por uma série de transformações. A identidade das díades começa a desaparecer, os filamentos tornam-se a desespiralizar, ficando menos conspícuos. Os núcleos não chegam a retomar a interfase, pois logo após começa a se preparar para a segunda divisão meiótica. Variando de acordo com o organismo, e de acordo com o sexo e idade, uma divisão do citoplasma pode ou não se verificar imediatamente após a separação dos dois núcleos. 

Meiose II

Prófase II

Essa fase é muito mais simples que a prófase I, pois os cromossomos não passam por profundas modificações na intercinese, e nem ocorrem as intrincadas modificações que ocorrem em função da formação do crossing-over. Ocorre o desaparecimento da membrana nuclear, a formação do fuso cromático e movimentação das díades para a placa equatorial.

Metáfase II

Os cromossomos, agora em número reduzido à metade, alinham-se na placa equatorial da célula.

Anáfase II

Os centrômeros se dividem permitindo a separação das cromátides irmãs, que, pela ação dos microtúbulos do fuso, migram para pólos opostos. Essas cromátides poderão carregar informação genética diferente caso tenha ocorrido permuta durante a prófase I (paquíteno).

Telófase II

Os cromossomos atingem os pólos, se aglomeram e as novas identidades celulares são constituídas, quatro células a partir de uma original. Cada célula dessa meiose irá conter um grupo de cromossomos não homólogos, estando apta à fecundação. Entre os objetivos da meiose, está juntamente habilitar células à fertilização, podendo então, a partir da recombinação genética e do encontro de novos genomas, garantir a variabilidade genética para as espécies.

Não-disjunção

Quando as divisões meióticas verificam-se anormais, com alteração no número e/ou morfologia dos cromossomos, podemos ter como conseqüência uma série de malformações e disploidias. Entre as alterações de número cromossomal mais encontradas em seres humanos estão:

Síndrome de Down - trissomia of cromossomo 21

Síndrome de Patau - trissomia do cromossomo 13

Síndrome de Edward - trissomia of cromossomo 18 

Síndrome do Duplo Y - cromossomo Y extra em homens.

Síndrome de Klinefelter - cromossomo X extra - XXY 
Síndrome de Turner – dosagem de cromossomo X atípica em mulheres: XO