Ponto de Checagem do Fuso Mitótico (Spindle Checkpoint) Niara Oliveira Disciplina de Genética Humana

O que é Um mecanismo de controle que monitora a execução dos eventos celulares e impede o início de eventos subseqüentes até que o processo anterior seja executado com sucesso1. São denominados mecanismos de ‘controle de qualidade’ do ciclo celular das células eucarióticas1. 1 Lopes C S et al The Spindle Checkpoint: from normal cell division to tumorigenesis Arch Med Res 34 (2003) 155-165

O que é Há três tipos de checkpoints descritos: checkpoint de dano do DNA (bloqueia o ciclo celular nas fases G1, S, G2 ou mesmo durante a mitose); checkpoint de replicação do DNA (monitora a progressão através da fase S); checkpoint do fuso mitótico (monitora a divisão celular)1.

Estrutura De uma maneira geral, todos os checkpoints possuem 3 componentes essenciais: um sensor, que monitora o processo; um transdutor, que sinaliza quando o processo não se completa adequadamente; um alvo, que responde ao sinal inibindo eventos subseqüentes1.

Principais Componentes As principais proteínas envolvidas no ponto de checagem são: - MAD2 (=“mitotic arrest deficient”), codificada pelo gene de mesmo nome localizado no cromossomo 4q27²; ² Cahill D P et al Characterization of MAD2B and other mitotic spindle checkpoint genes Genomics 58,181-187, 1999

Principais Componentes - BUB1 (=“budding uninhibited by benzimidazole”) codificada pelo gene de mesmo nome localizado no cromossomo 2q12-143. 3Cahill DP et al Mutations of mitotic checkpoint genes in human cancer Nature 392, 300-303, 1998

Como funciona O checkpoint do fuso mitótico monitora a ligação dos cromossomos aos microtúbulos durante a divisão celular e está apto a impedir a progressão desse processo, garantindo, dessa maneira, a segregação idêntica do material genético entre as células-filhas1.

Como funciona No início da divisão celular, uma proteína especializada, chamada cinetócoro, localizada em cada cromátide na região centromérica, captura os microtúbulos que vêm de cada um dos dois pólos do fuso.

Como funciona

Como funciona O cinetócoro é essencial pois é a estrutura que sinaliza para a ativação do checkpoint!

Como funciona Para que a segregação cromossômica seja correta, cada cinetócoro deve estar ligado a microtúbulos que se originem em pólos opostos do fuso.

Como funciona Se a célula inicia a anáfase e começa a segregação cromossômica sem que todas as cromátides-irmãs tenham estabelecido conexões com ambos os pólos do fuso, algumas células irão herdar duas cópias de um cromossomo, enquanto outras, nenhuma.

4 Sluder G et al The Mad Ways of Meiosis Science 289, 254-255, 2000 Como funciona O ponto de checagem do fuso detecta a presença de até um único microtúbulo que não esteja ligado ao cinetócoro correspondente e atrasa a progressão do processo de divisão celular até que esse cinetócoro capture o microtúbulo do pólo oposto do fuso 4. 4 Sluder G et al The Mad Ways of Meiosis Science 289, 254-255, 2000

Como funciona Também, se um dos microtúbulos ligados a um cinetócoro não estiver exercendo tensão suficiente neste, é ativado o ponto de checagem do fuso 4.

Como funciona Para que a célula entre na anáfase, duas condições devem ser satisfeitas: o conjunto completo de microtúbulos deve estar ligado aos cinetócoros, garantindo a captura de todos os cromossomos pelo fuso deve haver ligação adequada entre os cinetócoros das cromátides-irmãs, garantindo que o cromossomo esteja alinhado na placa metafisária1.

Para entender como funciona a nível molecular a regulação pelos checkpoints, precisamos conhecer todo o mecanismo molecular que rege a mitose. 

Controle Molecular da Mitose Intérfase: Checkpoint G2/M  ativação do complexo promotor da mitose (MPF)  Início da Mitose (prófase  metáfase)  Checkpoint Mitótico: OK! Ativação do complexo APC/Cdc20  início da anáfase e progressão do ciclo (telófase) Fim do ciclo de divisão celular  Intérfase 5Nigg E A et al Mitotic kinases as regulators of cell division and its checkpoints Nature Reviews 2, 21-31, 2001

Controle Molecular da Mitose

Mecanismo Molecular do Checkpoint Mitótico Mudanças estruturais induzidas pela não-ligação do cinetócoro ao microtúbulo (e/ou tensão adequada) são transmitidas como um sinal bioquímico, através de reações de fosforilação, culminando em interações moleculares entre BUB, MAD e o cinetócoro 5.

Mecanismo Molecular do Checkpoint Mitótico Os cinetócoros não ligados aos microtúbulos funcionam como locais de contínua sinalização e liberação de complexos proteínas MAD2 - ciclinas. Com a ligação dessas ciclinas à MAD2, fica inativado o complexo APC – interrompendo a progressão do ciclo celular.

Mecanismo Molecular do Checkpoint Mitótico

Mecanismo Molecular do Checkpoint Mitótico Quando o último cinetócoro livre se liga, cessa a produção de complexos inibitórios, permitindo às ciclinas que se dissociem da MAD2 e se ligem ao APC, ativando-o. O resultado desse processo é a degradação das proteínas inibidoras da anáfase (securinas e ciclinas), dando início a ela 5.

Mecanismo Molecular do Checkpoint Mitótico Cinetócoro não-ligado/tensão inadequada  !!Ativação do Checkpoint!! Liberação de complexos MAD2/Cdc20  Inativação do APC  STOP na Mitose !  !!OK das proteínas do Checkpoint mitótico!! Dissociação do complexo MAD2/Cdc20  Ligação APC/Cdc20 Ativação do APC  Progressão para a Anáfase

Erros no Ponto de Checagem do fuso Erros no ponto de checagem do fuso, por mutações em genes que codificam elementos que participam desse processo, produzem elevadas taxas de eventos de segregação cromossômica desigual, formando células portadoras de um conjunto cromossômico alterado 4.

Erros no Ponto de Checagem do fuso Durante a MITOSE perdas momentâneas da função da MAD2 em mitoses pós-zigóticas podem levar mosaicismo cromossômico para determinada trissomia perdas definitivas da função da MAD2 em mitoses somáticas podem desencadear processo neoplásico

Erros no Ponto de Checagem do fuso Durante a MITOSE As mutações que comprometem o ponto de checagem do fuso durante o processo mitótico contribuem para a instabilidade cromossômica, gerando anomalias cariotípicas potencialmente severas 6. 6 Michel L S et al MAD2haplo-insufficiency causes premature anaphase and chromossome instability. Nature 409, 355-359, 2001

Erros no Ponto de Checagem do fuso Durante a MITOSE Rearranjos cromossômicos e aneuploidias são marcadores de células tumorais, sugerindo que a falha no ponto de checagem do fuso é o principal passo na conversão de uma célula normal em um câncer ¹.

Erros no Ponto de Checagem do fuso Durante a MEIOSE A inativação do ponto de checagem durante o processo meiótico implica na formação de gametas portadores de aneuploidias cromossômicas 4.

Erros no Ponto de Checagem do fuso Durante a MEIOSE Esses gametas alterados poderão dar origem a crianças portadoras de síndromes cromossômicas ou ser uma das possíveis causas de abortos espontâneos, pois o zigoto formado é incompatível com a vida 4.

Mutações na MAD2 Estudos7 mostraram que a inativação do ponto de checagem por uma mutação na MAD2 leva a um grande aumento na taxa de segregação cromossômica desigual durante a meiose I, mas parece não aumentar significativamente a taxa de erro para a meiose II. 7 Shonn M A et al Requirement of the Spindle checkpoint for proper chromossome segregation Science 289, 300-303, 2000

Mutações na MAD2 Uma possível explicação para o fato da ausência do ponto de checagem do fuso íntegro comprometer a meiose I diferentemente da meiose II é que os cromossomos são mantidos unidos de maneiras diferentes nos dois processos 4,7.

Mutações na MAD2 Na meiose II, as cromátides-irmãs estão conectadas diretamente umas as outras pelos seus centrômeros, o que pode evitar que ambos os cinetócoros se liguem a microtúbulos provenientes do mesmo pólo do fuso 4,7.

Mutações na MAD2 Na meiose I, devido aos locais de recombinação , o par de homólogos é mantido unido pelos quiasmas ao longo de seus braços, em locais específicos. Quanto maior o cromossomo, maior a distância entre o centrômero e o local de recombinação, criando uma ligação mais flexível entre os cinetócoros dos dois homólogos 4,7.

Mutações na MAD2 Essa flexibilidade pode fazer com que os cinetócoros dos dois homólogos se tornem funcionalmente mais independentes, aumentando, assim, a incidência de eventos onde ambos os pares de cromátides se liguem a microtúbulos provenientes do mesmo pólo do fuso 4,7.

As alterações no ponto de checagem do fuso estão relacionadas: Implicações Clínicas As alterações no ponto de checagem do fuso estão relacionadas: à instabilidade cromossômica, característica processo neoplásico à formação de zigotos com conjunto cromossômico alterado, levando a abortos espontâneos ou nascimento de crianças sindrômicas.

Checkpoint e Câncer Altos níveis de instabilidade cromossômica relacionados a alterações no mecanismo do checkpoint mitótico foram encontrados em diversos tipos de células tumorais: adenocarcinoma e carcinoma de pequenas células de pulmão, hepatocarcinoma e carcinoma ductal invasor de mama1.

Catástrofe Mitótica Processo de morte celular que ocorre durante a mitose como resultado da deficiente ativação do checkpoint. Mecanismo molecular que protege a célula contra a aneuploidização e, conseqüentemente, a instabilidade cromossômica (característica das células tumorais!)8. 8Castedo M Cell death by mitotic catastrophe: a molecular definition Oncogene 23(16):2825-37, 2004

Catástrofe Mitótica CATÁSTROFE MITÓTICA8 Deficiente atuação dos checkpoints (principalmente checkpoint do fuso mitótico e checkpoint de dano do DNA)  Ativação da caspase-2 e citocromo C Liberação de fatores indutores da apoptose  Morte celular durante a transição metáfase/anáfase CATÁSTROFE MITÓTICA8

Bibliografias Essenciais Lopes CS and Sunkel CE The Spindle Checkpoint: from normal cell division to tumorigenesis Arch Med Res 34 (2003) 155-165. Castedo M et al Cell death by mitotic catastrophe: a molecular definition Oncogene 23(16): 2825-37, 2004. Bharadwaj R et al The spindle checkpoint, aneuploidy and cancer Oncogene 23(11):2016-27, 2004.

Bibliografias interessantes Castro A Mitosis under control Med Sci 19(3): 309-17, 2003 Cleveland DW Centromeres and kinetochores: from epigenetics to mitotic checkpoint signaling Cell 112(4):407-21, 2003