Endoreduplicação - Endoreduplication
A endoreduplicação (também conhecida como endoreplicação ou endociclagem ) é a replicação do genoma nuclear na ausência de mitose , o que leva a um conteúdo de gene nuclear elevado e à poliploidia . A endoreplicação pode ser entendida simplesmente como uma forma variante do ciclo celular mitótico (G1-S-G2-M) em que a mitose é totalmente contornada, devido à modulação da atividade da quinase dependente de ciclina (CDK). Exemplos de endoreplicação caracterizada em espécies de artrópodes , mamíferos e plantas sugerem que é um mecanismo de desenvolvimento universal responsável pela diferenciação e morfogênese de tipos de células que cumprem uma série de funções biológicas . Embora a endoreplicação seja frequentemente limitada a tipos específicos de células em animais, é consideravelmente mais difundida em plantas, de modo que a poliploidia pode ser detectada na maioria dos tecidos vegetais.
Exemplos na natureza
Endoreplicando tipos de células que foram extensivamente estudados em organismos modelo
| Organismo | Tipo de célula | Função biológica | Citação |
|---|---|---|---|
| voe | tecidos larvais (incl. glândulas salivares ) | secreção , embriogênese | |
| voe | folículo ovariano , células nutridoras | nutrição, proteção de oócitos | |
| roedor | megacariócito | formação de plaquetas | |
| roedor | hepatocito | regeneração | |
| roedor | trofoblasto célula gigante | desenvolvimento da placenta , nutrição do embrião | |
| plantar | tricoma | defesa da herbivoria , homeostase | |
| plantar | folha da célula epidérmica | tamanho da folha, estrutura | |
| plantar | endosperma | nutrição do embrião | |
| nematóide | hipoderme | secreção , tamanho do corpo | |
| nematóide | intestino | desconhecido |
Endoreplicação, endomitose e politenização
Endoreplicação, endomitose e politenização são três processos um tanto diferentes que resultam na poliploidização de uma célula de uma maneira regulada. Na endoreplicação, as células pulam a fase M completamente, resultando em uma célula poliplóide mononucleada . A endomitose é um tipo de variação do ciclo celular onde a mitose é iniciada, mas alguns dos processos não são concluídos. Dependendo de quanto a célula progride através da mitose, isso dará origem a uma célula poliplóide mononucleada ou binucleada . A politenização surge com a sub ou superamplificação de algumas regiões genômicas, criando cromossomos politênicos .
Significado biológico
Com base na ampla gama de tipos de células em que ocorre a endoreplicação, várias hipóteses foram geradas para explicar a importância funcional desse fenômeno. Infelizmente, a evidência experimental para apoiar essas conclusões é um tanto limitada:
Tamanho da célula / organismo
A ploidia celular frequentemente se correlaciona com o tamanho da célula e, em alguns casos, a interrupção da endoreplicação resulta na diminuição do tamanho da célula e do tecido, sugerindo que a endoreplicação pode servir como um mecanismo para o crescimento do tecido. Em relação à mitose, a endoreplicação não requer um rearranjo do citoesqueleto ou a produção de uma nova membrana celular e freqüentemente ocorre em células já diferenciadas. Como tal, pode representar uma alternativa energeticamente eficiente para a proliferação celular entre tipos de células diferenciadas que não podem mais se dar ao luxo de sofrer mitose. Embora as evidências que estabelecem uma conexão entre a ploidia e o tamanho do tecido sejam prevalentes na literatura, também existem exemplos contrários.
Diferenciação celular
No desenvolvimento de tecidos vegetais, a transição da mitose para a endoreplicação frequentemente coincide com a diferenciação e morfogênese celular . No entanto, resta determinar se a endoreplicação e a polipoidia contribuem para a diferenciação celular ou vice-versa. A inibição direcionada da endoreplicação em progenitores de tricomas resulta na produção de tricomas multicelulares que exibem morfologia relativamente normal, mas, em última análise, se desdiferenciam e sofrem absorção na epiderme da folha . Este resultado sugere que a endoreplicação e a poliploidia podem ser necessárias para a manutenção da identidade celular.
Oogênese e desenvolvimento embrionário
A endoreplicação é comumente observada em células responsáveis pela nutrição e proteção de oócitos e embriões . Foi sugerido que o aumento do número de cópias de genes pode permitir a produção em massa de proteínas necessárias para atender às demandas metabólicas da embriogênese e do desenvolvimento inicial. Consistente com essa noção, a mutação do oncogene Myc nas células do folículo de Drosophila resulta em endoreplicação reduzida e oogênese abortiva . No entanto, a redução da endoreplicação no endosperma de milho tem efeito limitado sobre o acúmulo de amido e proteínas de armazenamento , sugerindo que as necessidades nutricionais do embrião em desenvolvimento podem envolver os nucleotídeos que compõem o genoma poliplóide, em vez das proteínas que ele codifica.
Armazenando o genoma
Outra hipótese é que a endoreplicação protege contra danos e mutações no DNA porque fornece cópias extras de genes importantes . No entanto, essa noção é puramente especulativa e há evidências limitadas em contrário. Por exemplo, a análise de cepas de leveduras poliploides sugere que elas são mais sensíveis à radiação do que as cepas diplóides .
Resposta ao estresse
A pesquisa em plantas sugere que a endoreplicação também pode desempenhar um papel na modulação das respostas ao estresse. Ao manipular a expressão de E2fe (um repressor da endociclagem em plantas), os pesquisadores foram capazes de demonstrar que o aumento da ploidia celular diminui o impacto negativo do estresse hídrico no tamanho da folha. Dado que o estilo de vida séssil das plantas necessita de uma capacidade de adaptação às condições ambientais, é atraente especular que a poliploidização generalizada contribui para a sua plasticidade de desenvolvimento.
Controle genético da endoreplicação
O exemplo mais bem estudado de uma transição da mitose para o endociclo ocorre nas células do folículo de Drosophila e é ativado por sinalização Notch . A entrada nos endociclos envolve a modulação da atividade da quinase dependente da ciclina mitótica e da fase S (CDK). A inibição da atividade de CDK da fase M é realizada por meio da ativação transcricional de Cdh / fzr e repressão da cadeia reguladora G2-M / cdc25 . Cdh / fzr é responsável pela ativação do complexo promotor da anáfase (APC) e subsequente proteólise das ciclinas mitóticas . String / cdc25 é uma fosfatase que estimula a atividade do complexo mitótico ciclina-CDK. A regulação positiva da atividade de CDK da fase S é realizada por meio da repressão transcricional da quinase inibitória dacapo. Em conjunto, estas alterações permitem que para a evasão de entrada mitica, a progressão através de G1 e entrada na fase-S . A indução de endomitose em megacariócitos de mamíferos envolve a ativação do receptor c-mpl pela citocina trombopoietina (TPO) e é mediada pela sinalização ERK1 / 2 . Tal como acontece com as células foliculares de Drosophila, a endoreplicação em megacariócitos resulta da ativação dos complexos ciclina-CDK da fase S e da inibição da atividade mitótica da ciclina-CDK.
A entrada na fase S durante a endoreplicação (e mitose) é regulada através da formação de um complexo pré- replicativo (pré-RC) nas origens de replicação , seguido pelo recrutamento e ativação da maquinaria de replicação do DNA . No contexto da endoreplicação, esses eventos são facilitados por uma oscilação na atividade da ciclina E - Cdk2 . A atividade da ciclina E-Cdk2 conduz o recrutamento e ativação da máquina de replicação, mas também inibe a formação pré-RC, presumivelmente para garantir que apenas uma rodada de replicação ocorra por ciclo. A falha em manter o controle sobre a formação pré-RC nas origens de replicação resulta em um fenômeno conhecido como “ re-replicação ”, que é comum em células cancerosas. O mecanismo pelo qual a ciclina E-Cdk2 inibe a formação pré-RC envolve a regulação negativa da proteólise mediada por APC - Cdh1 e o acúmulo da proteína Geminina , que é responsável pelo sequestro do componente pré-RC Cdt1 .
Oscilações na atividade da Ciclina E - Cdk2 são moduladas por meio de mecanismos de transcrição e pós-transcrição. A expressão da ciclina E é ativada por fatores de transcrição E2F que se mostraram necessários para a endoreplicação. Trabalhos recentes sugerem que as oscilações observadas nos níveis de proteína E2F e ciclina E resultam de um loop de feedback negativo envolvendo ubiquitinação dependente de Cul4 e degradação de E2F. A regulação pós-transcricional da atividade da ciclina E-Cdk2 envolve a degradação proteolítica da ciclina E mediada por Ago / Fbw7 e a inibição direta por fatores como Dacapo e p57 . A endomitose verdadeira no tapete da antera da planta liliacea Eremurus é descrita. A membrana nuclear não desaparece, mas durante a metáfase os cromossomos são condensados, muitas vezes consideravelmente mais do que na mitose normal. Quando as células-mãe do pólen (PMCs) passam pela última mitose pré-biótica, as células do tapete têm um núcleo diplóide que se divide enquanto a célula permanece indivisa. Os dois núcleos diplóides podem sofrer uma endomitose e os núcleos tetraploides resultantes uma segunda endomitose. Uma via alternativa é uma mitose comum - novamente sem divisão celular em vez de um dos ciclos endomitóticos. O quadro citológico no tapete é ainda mais complicado pela restituição na anáfase e fusão dos grupos metafásico e anáfase durante a mitose, processos que podem dar origem a células com um, dois ou três núcleos, em vez dos dois ou quatro esperados. Nenhum sinal da chamada mitose "inibida" é visto nessas células do tapete. Quando os PMCs estão em leptoteno-zigoteno, muito poucos núcleos do tapete estão em endomitose. Quando os PMCs atingem o diploteno, quase 100% das células que não estão em interfase apresentam um estágio endomitótico.
Endoreplicação e oncogênese
A poliploidia e a aneuploidia são fenômenos comuns nas células cancerosas. Dado que a oncogênese e a endoreplicação provavelmente envolvem a subversão dos mecanismos reguladores do ciclo celular comum, uma compreensão completa da endoreplicação pode fornecer informações importantes para a biologia do câncer.
Endomitose preemeiótica em vertebrados unissexuais
As salamandras unissexuais (gênero Ambystoma ) são a linhagem de vertebrados unissexuais mais antiga conhecida, tendo surgido há cerca de 5 milhões de anos. Nessas mulheres poliplóides unissexuais, uma replicação endomitótica extra pré-biótica do genoma, dobra o número de cromossomos. Como resultado, os ovos maduros produzidos após as duas divisões meióticas têm a mesma ploidia que as células somáticas da salamandra fêmea adulta. Acredita-se que sinapses e recombinação durante a prófase I meiótica nessas mulheres unissexuais ocorram normalmente entre cromossomos irmãos idênticos e, ocasionalmente, entre cromossomos homólogos. Assim, pouca ou nenhuma variação genética é produzida. A recombinação entre cromossomos homeólogos ocorre raramente, se é que ocorre. Como a produção da variação genética é fraca, na melhor das hipóteses, é improvável que forneça um benefício suficiente para explicar a manutenção da meiose por milhões de anos. Talvez o reparo recombinacional eficiente de danos ao DNA a cada geração fornecida pela meiose tenha sido uma vantagem suficiente para manter a meiose.