Crecemento celular

O crecemento celular é o incremento da masa total dunha célula, incluíndo tanto o volume do citoplasma, coma do núcleo e os orgánulos. O crecemento celular ocorre cando a taxa global de biosíntese (produción de biomoléculas ou anabolismo) é maior que a taxa global de degradación celular (a destrución de biomoléculas por medio do proteosoma, lisosoma ou autofaxia, ou catabolismo).

O crecemento celular non se debe confundir coa división celular ou o ciclo celular, que son procesos distintos que poden ocorrer xunto co crecemento celular durante o proceso da proliferación celular, no cal a célula, chamada célula proxenitora, crece e divídese para producir dúas células fillas. Porén, o crecemento celular e a división celular poden tamén ocorrer independentemente un da outra. Durante as fases iniciais do desenvolvemento embrionario (segmentación do cigoto para formar a mórula e o blastoderma), as divisións celulares ocorren repetidamente sen que haxa crecemento celular. Inversamente, algunhas células poden crecer sen división celular ou sen ningún avance no ciclo celular, como no crecemento das neuronas durante o crecemento axonal no desenvolvemento do sistema nervioso.

miniatura|División celular sen crecemento celular durante a segmentación embrional.

En organismos multicelulares o crecemento de tecidos raramente ocorre unicamente por crecemento celular sen división celular, senón que o máis habitual é que o faga por medio de proliferación celular. Isto débese a que unha soa célula cunha soa copia do xenoma no núcleo celular pode realizar a biosíntese e así experimentar un crecemento celular a só a metade da velocidade coa que o farían dúas células. Por tanto, dúas células crecen (acumulan masa) ao dobre de velocidade que unha soa célula, e catro células ao cuádruplo. Este principio orixina un incremento exponencial da taxa de crecemento dos tecidos (acumulación de masa) durante a proliferación celular, debido ao aumento exponencial do número de células.

O tamaño celular depende tanto do crecemento celular coma da división celular, e un aumento desproporcionado da taxa de crecemento celular conduce á produción de células máis grandes e un incremento desproporcionado na taxa de división celular leva á produción de moitas células máis pequenas. A proliferación celular implica tipicamente un balance nas taxas de crecemento celular e división celular que mantén un tamaño celular aproximadamente constante nas poboacións de células que crecen exponencialmente.

Algunhas células especiais poden crecer ata tamaños moi grandes por un ciclo celular pouco común de endorreplicación, no cal o xenoma se replica durante a fase S, pero isto non vai seguido dunha mitose (fase M) ou división celular (citocinese). Estas grandes células endorreplicantes teñen moitas copias do xenoma, polo que teñen un alto grao de poliploidía.

Os ovocitos poden ser células especialmente grandes en especies nas cales o desenvolvemento embrionario ten lugar fóra do corpo materno dentro dun ovo que se pon no exterior. O gran tamaño dalgúns ovos pode alcanzarse bombeando compoñentes citosólicos das células veciñas a través de pontes citoplasmáticas chamadas canles en anel (como en Drosophila) ou por internalización de gránulos de almacenamento de nutrientes (gránulos da xema) por endocitose (como en ras).

 Mecanismos de control do crecemento celular 

As células poden crecer incrementando a súa taxa de biosíntese celular de tal maneira que  produción de biomoléculas exceda a taxa global de degradación celular de biomoléculas por medio do proteasoma, lisosoma ou autofaxia.

A biosíntese de biomoléculas iníciase coa expresión de xenes que codifica ARNs e/ou proteínas, incluíndo  encimas que catalizan a síntese de lípidos e carbohidratos.

Cada xene xeralmente exprésase por transcrición dun ARN mensaxeiro (ARNm) e a tradución a proteínas, e a expresión de cada xene ocorre a diferentes niveis segundo o tipo celular (en resposta a redes reguladoras de xenes).

Para impulsar o crecemento celular pode incrementarse a taxa global de expresión xénica amplificando a taxa global de transcrición pola ARN polimerase II (para xenes activos) ou a taxa global de tradución do ARNm a proteína ao incrementar a abundancia dos ribosomas e o ARNt, cuxa bioxénese depende da ARN polimerase I e ARN polimerase III. O factor de transcrición Myc é un exemplo dunha proteína reguladora que pode inducir a actividade global das ARN polimerases I, II e III para impulsar a transcrición e tradución globais e así o crecemento celular.

Ademais, a actividade de ribosomas individuais pode incrementarse para aumentar a eficiencia global da tradución de ARNm por medio da regulación de factores de iniciación da tradución, como o complexo do factor de iniciación da elongación traducional 4E (eIF4E), que se une e forma unha caparuza no extremo 5' dos ARNm. A proteína TOR, que forma parte do complexo TORC1, é un importante regulador da iniciación da tradución de augas arriba así como a bioxénese dos ribosomas. TOR é unha serina/treonina quinase que pode fosforilar directamente e inactivar o inhibidor xeral de eIF4E chamado proteína que se une a 4E (4E-BP), para promover a eficiencia da tradución. TOR tamén pode fosforilar directamente e activar a proteína S6-quinase ribosómica (S6K), que promove a bioxénese de ribosomas.

Para inhibir o crecemento celular a taxa global de expresión xénica pode diminuírse ou a taxa global de degradación biomolecular pode incrementarse ao aumentar a taxa de autofaxia. TOR normalmente inhibe directamente a función da quinase que induce a autofaxia Atg1/ULK1. Así, reducir a actividade de TOR tanto reduce a taxa global de tradución coma incrementa a autofaxia para reducir o crecemento celular.

 Regulación do crecemento celular en animais 

Moitas da moléculas de sinalización que controlan o crecemento celular on os chamados factores de crecemento, moitos dos cales inducen un sinal de tradución por medio da vía PI3K/AKT/mTOR, que inclúe a lípido quinase de augas arriba PI3K e a serina/treonina proteína quinase de augas abaixo Akt, que pode activar outra proteína quinase TOR, que promove a tradución e inhibe a autofaxia para impulsar o crecemento celular.

A dispoñibilidade de nutrientes inflúe na produción de factores de crecemento da familia da insulina/IGF-1, que son hormonas circulantes en animais para activar a vía PI3K/AKT/mTOR en células para promover a actividade de TOR para que cando os animais están ben alimentados crecen rapidamente e cando non poden recibir suficientes nutrientes reducen a súa taxa de crecemento. Recentemente, demostrouse que o metabolismo celular do bicarbonato, que é responsable do crecemento celular, pode ser regulado pola sinalización de mTORC1.

Ademais, a dispoñibilidade de aminoácidos en cada célula tamén promove directamente a actividade de TOR, aínda que este modo de regulación é máis importante en organismos unicelulares que en multicelulares, como os animais, que sempre manteñen unha abundancia de aminoácidos en circulación.

Unha discutida teoría propón que moitos tipos de células de mamífero experimentan transicións dependentes do tamaño durante o ciclo celular. Estas transicións están controladas pola quinase dependente de ciclina Cdk1. Aínda que as proteínas que controlan a Cdk1 se coñecen ben, a súa conexión cos mecanismos que monitorizan o tamaño celular segue sen estar clara.

Un modelo postulado para o control do tamaño celular en mamíferos considera a masa como a forza impulsora do ciclo celular. Unha célula pode crecer ata un tamaño anormalmente alto porque a un certo tamaño ou masa celular, iníciase a fase S do ciclo. A fase S empeza a secuencia de eventos que conducen á mitose e citocinese. Unha célula non pode facerse moi pequena porque eventos do ciclo celular, como a fases S, G2 e M, son atrasadas ata que se incrementa a masa dabondo como para que empece a fase S.

 Poboacións de células 
As poboacións celulares pasan por un determinado tipo de crecemento exponencial chamado duplicación ou proliferación celular. Deste xeito, cada xeración de células debería ser dobre en número que a xeración previa. Porén, o número de xeracións só dá unha cifra máxima, xa que non todas as células sobreviven en cada xeración. As células poden reproducirse na etapa de mitose, na que duplican o seu tamaño e se dividen en dúas células xeneticamente iguais.

 Tamaño celular 
O tamaño celular é moi variable entre os organismos, e algunhas algas como Caulerpa taxifolia formadas por unha soa célula miden varios metros de lonxitude. As células de plantas son moito máis grandes que as células animais, e protistas como Paramecium poden ser de 330 μm de longo, mentres que unha célula humana típica adoita medir 10 μm. Non está resolto como fan estas células para "decidir" o grandes que deberían ser antes de dividirse. Os gradientes químico son en parte responsables, e hipotetizouse que está implicada a detección do estrés mecánico polos estruturas do citeosqueleto. O traballo sobre este tema require xeralmente un organismo cuxo ciclo celular estea ben caracterizado.

 Regulación do tamaño celular en lévedos 
A relación entre o tamaño celular e a división celular foi amplamente estudada en lévedos. Para algunhas células, hai un mecanismo polo cal a división celular non se inicia ata que a célula acadou certo tamaño. Se a subministración de nutrientes é restrinxida (despois do tempo t = 2 no diagrama de abaixo), e a taxa de incremento do tamaño celular se fai máis lenta, o período de tempo entre as división celulares increméntase. Illáronse lévedos mutantes para o tamaño celular que empezan a división celular antes de acadaren o tamaño normal/regular (mutantes Wee).Os mutantes Wee1 de Schizosaccharomyces pombe teñen tamaño celular pequeno e as proteínas homólogas dos seres humanos tamén regulan a entrada no ciclo celular na mitose; en 
miniatura|Figura 1:Ciclo celular e crecemento

A proteína Wee1 é unha tirosina quinase que normalmente fosforila nun residuo de tirosina a proteína reguladora do ciclo celular Cdc2 (a homóloga da CDK1 humana), unha quinase dependente de ciclina. Cdc2 impulsa a entrada na mitose ao fosforilar un amplo rango de dianas. Esta modificación covalente da estrutura molecular de Cdc2 inhibe a actividade encimática de Cdc2 e impide a división celular. Wee1 actúa mantendo inactiva Cdc2 durante a G2 temperán cando as células son aínda pequenas. Cando as células acadaron un tamaño suficiente durante G2, a fosfatase Cdc25 elimina a fosforilación inhibitoria e así activa Cdc2 para permitir a entrada na mitose. O balance entre as actividades de Wee1 e Cdc25 con cambios no tamaño celular está coordinado polo sistema de control da entrada na mitose. Observouse que nos mutantes Wee1, con células cunha actividade debilitada de Wee1, a proteína Cdc2 facíase activa cando a célula era máis pequena. Nesas condicións a mitose ocorre antes de que os lévedo acaden o seu tamaño normal. Isto suxire que a división celular pode ser regulada en parte por dilución da proteína Wee1 en células a medida que crecen e son máis grandes.

 Ligazón de Cdr2 con Wee1 
A proteína quinase Cdr2 (que regula negativamente a Wee1) e a quinase relacionada con Cdr2 Cdr1 (que forsforila directamente e inhibe a Wee1 in vitro) están localizadas nunha banda de nodos corticais na parte media das células en interfase. Despois da entrada na mitose, recrútanse factores de citocinese como a miosina II a nodos similares; estes nodos finalmente condensan para formar o anel citocinético. Unha proteína non caracterizada previamente, a Blt1, colocalízase con Cdr2 nos nodos interfásicos mediais. As células con knockout para Blt1 incrementan a súa lonxitude na división, o cal é consistente cun atraso na entrada na mitose. Este descubrimento conecta unha localización física, unha banda de nodos corticais, con factores que regulan directamente a entrada na mitose, concretamente Cdr1, Cdr2 e Blt1.

Outros experimentos con proteínas etiquetadas con proteína fluorescente verde (GFP) e proteínas mutantes indican que os nodos corticais mediais están formados pola ensamblaxe ordenada dependente de Cdr2 de múltiples proteínas interaccionantes durante a interfase. Cdr2 está na parte superior desta xerarquía e funciona augas arriba de Cdr1 e Blt1. Promóvese a mitose pola regulación negativa de Wee1 por Cdr2. Tamén se observou que Cdr2 recruta a Wee1 nos nodos corticais mediais. O mecanismo deste recrutamento aínda non se descubriu. Un mutante para a Cdr2 quinase, que pode localizarse apropiadamente malia unha perda de función na fosforilación, impide o recrutamento de Wee1 no córtex medial e atrasa a entrada na mitose. Así, Wee1 localízase coa súa rede inhibitoria, o cal demostra que a mitose está controlada por regulación negativa dependente de Cdr2 de Wee1 nos nodos corticais mediais.

 Factores de polaridade celular 
Os factores de polaridade celular situados nos extremos da célula proporcionan pistas espaciais para limitar a distribución de Cdr2 no medio da célula. Nos lévedos de fisión como Schizosaccharomyces pombe, que teñen forma bacilar e, por tanto, extremos definidos, as células divídense cando chegan a un tamaño definido reproducible durante a mitose debido á actividade regulada de Cdk1. A proteína quinase da polaridade celular Pom1, membro da familia de quinases da quinase regulada por fosforilación da tirosina de especificidade dual (DYRK), localízase nos extremos da célula. En células con knockut para Pom1, a Cdr2 xa non está restrinxida á parte media da célula, pero obsérvase difusamente por unha das metades da célula. Destes datos despréndese que Pom1 proporciona sinais inhibitorios que confinan Cdr2 na parte media da célula. Atopouse tamén que os sinais dependentes de Pom1 levan á fosforilación de Cdr2. As células knockout para Pom1 tamén se dividen ao chegaren a un tamaño menor que as de tipo silvestre, o cal indica unha entrada prematura na mitose.

Pom1 forma gradientes polares que chegan ao seu máximo nos extremos da célula, o cal mostra unha ligazón directa entre os factores que controlan o tamaño e unha localización física específica na célula. A medida que unha célula aumenta de tamaño, crece o gradiente en Pom1. Cando as células son pequenas, Pom1 espállase difusamente por todo o corpo celular. A medida que a célula aumenta o seu tamaño, a concentración de Pom1 diminúe na parte media e concéntrase nos extremos da célula. As células pequenas a inicio da fase G2 que conteñen suficientes niveis de Pom1 por toda a célula teñen a Cdr2 inactiva e non poden entrar na mitose. Cando a célula crece e chega á G2 tardía e Pom1 está confinada nos extremos da célula, entón a Cdr2 dos nodos corticais mediais actívase e é capaz de empezar a inhibición de Wee1. Este descubrimento mostra como o tamaño celular xoga un papel directo na regulación do comezo da mitose. Neste modelo, Pom1 actúa como unha ligazón molecular entre o crecemento celular e a entrada mitótica 
a través da vía Cdr2-Cdr1-Wee1-Cdk1. O gradiente polar de Pom1 transmite perfectamente información sobre o tamaño e xeometría celular ao sistema regulador de Cdk1. A través deste gradiente, a célula está segura de que acadou un tamaño suficiente definido para entrar na mitose.

 Outros sistemas experimentais para o estudo da regulación do tamaño celular 
Un xeito común de producir células moi longas é por fusión celular para formar sincitios. Por exemplo, as células musculares esqueléticas moi longas (varios centímetros) fórmanse por fusión de moitos miocitos. Os estudos xenéticos na mosca do vinagre Drosophila melanogaster revelaron varios xenes que cómpren para a formación de células musculares multinucleadas por fusión de mioblastos. Algunhas das proteínas clave son importantes para a adhesión celular entre miocitos e algunhas están implicadas na transdución de sinais célula-célula dependente da adhesión que permite un cadoiro de eventos de fusión celular.

Os aumentos de tamaño na células de plantas son complicados porque case todas as células de plantas están dentro dunha parede celular sólida. Baixo a influencia de certas hormonas vexetais pode remodelarse a parede celular, permitindo o aumento do tamaño celular, o que é importante para o crecemento dalgúns tecidos de plantas.

A maioría dos organismos unicelulares son de tamaño microscópico, pero hai algunhas bacterias e protozoos xigantes que son visibles a simple vista. (Ver Táboa de tamaños celulares —Densas poboacións de bacterias do xofre xigantes nos sedimentos da plataforma continental de Namibia—Grandes protistas do xénero Chaos, estreitamente relacionados co xénero Amoeba.)

Nas bacterias de forma bacilar Escherichia coli, Caulobacter crescentus e Bacillus subtilis o tamaño celular está controlado por un mecanismo simple no cal a división celular ocorre unha vez que se aumenta un volume constante desde a división previa. Ao creceren sempre ata un mesmo tamaño, as células nacen máis pequenas ou máis grandes que como media converxen naturalmente ata un tamaño medio equivalente á cantidade de volume engadido durante cada xeración.

 Trastornos 
Poden producirse unha serie de trastornos do crecemento a nivel celular e estes en consecuencia son a base de gran parte do curso que seguen as células no cancro, no cal un grupo de células mostran un crecemento e división incontrolados alén dos límites normais, e prodúcese a invasión (intrusión e destrución de tecidos adxacentes), e ás veces metástase (espallamento a outras localizacións no corpo por vía linfática ou sanguínea). Varios determinantes clave do crecemento celular, como a ploidía e a regulación do metabolismo celular, están comunmente alterados en tumores. Por tanto, o crecemento celular heteroxéneo e pleomorfismo é unha das primeiras marcas distintivas da progresión do cancro. Malia a prevalencia do pleomorfismo na patoloxía humana, o seu papel na progresión da enfermidade non está claro. En tecidos epiteliais, a mala regulación do tamaño celular pode inducir defectos de empaquetado e células aberrantes dispersas. Pero a consecuencia do crecemento celular atípico noutros tecidos animais descoñécese.

 Métodos de medida 

O crecemento celular pode detectarse por diversos métodos.
O crecemento da célula pode visualizarse no microscopio, usando cepas adecuadas. Pero o incremento do número de células adoita ser máis significativo. Pode medirse polo reconto manual de células baixo observación microscópica, usando o método de exclusión de tinguidura (é dicir, o azul de tripán) para contar só células viables. Métodos menos  esixentes e escalables son o uso de citómetros, mentres que a citometría de fluxo permite combinar a contaxe de células ('eventos') con outros parámetros específicos: sondas fluorescentes para as membranas, citoplasma ou núcleos permiten distinguir as células mortas das viables, tipos celulares, diferenciación celular, ou expresión de biomarcadores como a Ki67.

Ademais de co incremento no número de células, o crecemento pode avaliarse de acordo co aumento da actividade metabólica, é dicir, o CFDA e a calceína-AM miden (fluorimetricamente) non só a funcionalidade da membrana (retención da tinguidura), senón tamén a funcionalidade de encimas citoplasmáticos (esterases). O ensaios MTT (colorimétricos) e o ensaio de resazurina (fluorimétrico) dosifican o potencial redox mitocondrial.

Todos estes ensaios poden correlacionarse ben ou non, dependendo das condicións de crecemento celular e os aspectos desexados (actividade, proliferación). A tarefa é aínda máis complicada con poboacións de diferentes células, e cando se combinan as interferencias co crecemento celular ou toxicidade.

 Notas 

 Véxase tamén 
 Outros artigos 
 Crecemento bacteriano

 Bibliografía 


 Ligazóns externas 
 Unha comparación dos modelos xeneracionl e exponencial de crecemento de poboacións celulares 
 Local Growth in an Array of Disks Wolfram Demonstrations Project

Categoría:Ciclo celular
Categoría:Procesos celulares