Endorreplicación

A endorreplicación (tamén chamada endociclo) é a replicación do xenoma nuclear dunha célula en ausencia de mitose, o que leva a ter un elevado contido de material xenético e á poliploidía. A endorreplicación pode entenderse simplemente como unha variante do ciclo celular mitótico (G1-S-G2-M) no cal a mitose é completamente eludida, debido á modulación da actividade das quinases dependentes de ciclina (CDK). Exemplos de endorreplicación atopámolos en artrópodos, mamíferos e plantas, o que suxire que é un mecanismo de desenvolvemento universal responsable da diferenciación e a morfoxénese de tipos celulares que realizan diversas funcións biolóxicas. Aínda que a endorreplicación está a miúdo limitada a tipos celulares específicos en animais, está moito máis espallada entre as plantas, de tal xeito que a poliploidía pode detectarse na maioría dos tecidos vexetais. Exemplos na natureza
Tipos celulares que se endorreplican que foron estudados profundamente en organismos modelo Endorreplicación, endomitose e politenización
A endorreplicación, a endomitose e a politenización son tres procesos algo diferentes, pero os tres teñen como resultado a poliploidzación da célula de maneira regulada. Na endorreplicación as células evitan completamente a fase M, orixinando unha célula poliploide mononucleada. A endomitose é un tipo de variación do ciclo celular no que se inicia a mitose pero algúns dos seus procesos non se terminan. Dependendo do lonxe que progrese a célula no seu proceso de mitose isto dará lugar a unha célula poliploide mononucleada ou binucleada. A politenización orixina a sub- ou sobreamplificación dalgunhas rexións xenómicas, creando cromosomas politénicos. Importancia biolóxica
Baseándose no amplo conxunto de tipos celulares nos cales se produce endorreplicación, presentáronse varias hipóteses para explicar a importancia funcional deste fenómeno. Desafortunadamente, as evidencias experimentais para sostelas son algo limitadas:
Tamaño da célula/organismo
A ploidía da célula correlaciónase con frecuencia co tamaño celular e nalgúns casos a disrupción da endorreplicación ten como resultado unha célula ou tecido de menor tamaño, o que indica que a endorreplicación pode servir como un mecanismo para o crecemento dos tecidos. Comparada coa mitose, a endorreplicación non necesita unha redistribución citoesquelética ou a produción de novas membranas celulares e adoita ocorrer en células que xa se diferenciaron. Por tanto, pode representar unha alternativa eficiente enerxeticamente á proliferación celular entre tipos de células diferenciadas que xa non se poden permitir realizar mitoses. Aínda que na literatura son frecuentes as probas que establecen unha conexión entre a ploidía e o tamaño dos tecidos, tamén existen exemplos contrarios.
Diferenciación celular
En tecidos de plantas en desenvolvemento a transición da mitose á endorreplicación a miúdo coincide coa diferenciación celular e a morfoxénese. Porén, queda por determinar se a endorreplicación e a poliploidía contribúen á diferenciación celular ou viceversa. A inhibición específica da endorreplicación en células proxenitoras de tricoma ten como resultado a produción de tricomas multicelulares que presentan unha morfoloxía relativamente normal, pero que finalmente se desdiferencian e son absorbidos na epiderme da folla. Este resultado indica que a endorreplicación e a poliploidía cómpren para o mantemento da identidade celular.
Ovoxénese e desenvolvemento embrionario
A endorreplicación obsérvase comunmente nas células responsables da nutrición e protección dos ovocitos e embrións. Suxeriuse que un maior número de copias dos xenes podería permitir a produción en masa das proteínas necesarias para atender as demandas metabólicas da embrioxéneses e o desenvolvemento temperán. Consistente con esta noción, a mutación do oncoxene Myc en células foliculares de Drosophila orixina unha redución da endorreplicación e unha oncoxénese abortiva. Porén, a redución da endorreplicación no endosperma do millo ten un efecto limitado sobre a acumulación de amidón e o almacenamento de proteínas, o que indica que os requirimentos nutricionais do embrión en desenvolvemento poden implicar os nucleótidos que comprenden o xenoma poliploide en vez das proteínas que codifica.
Tamponar o xenoma
Outra hipótese é que a endorreplicación é un tampón ou amortecedor contra os danos no ADN e as mutacións, porque proporciona copias extra de importantes xenes. Porén, esta idea é puramente especulativa e hai probas limitadas do contrario. Por exemplo, a análise de cepas de lévedos poliploides suxire que son máis sensibles á radiación que as cepas diploides.
Resposta ao estrés
As investigacións feitas en plantas suxiren que a endorreplicación pode tamén xogar un papel na modulación das respostas ao estrés. Manipulando experimentalmente a expresión de E2fe (un represor do endociclado en plantas) conseguiuse demostrar que o incremento da ploidía celular diminúe o impacto negativo do estrés por seca sobre o tamaño da folla. Dado que o estilo de vida sésil que teñen as plantas necesita unha capacidade de adaptarse ás condicións ambientais, é tentador especular que o espallamento da poliploidización contribúe á plasticidade do seu desenvolvemento. Control xenético da endorreplicación
O exemplo mellor estudado dunha transición de mitose a endociclo ocorre nas células foliculares de Drosophila e é activado pola vía de sinalización de Notch. A entrada nos endociclos implica a modulación da actividade da quinase dependente de ciclina (CDK) mitótica e da fase S. A inhibición da actividade da CDK da fase M realízase por activación transcricional de Cdh/fzr e a represión do regulador de G2-M String/cdc25. Cdh/fzr é responsable da activación do complexo promotor da anafase (APC) e da subseguinte proteólise das ciclinas mitóticas. String/cdc25 é unha fosfatase que estimula a actividade do complexo ciclina-CDK mitotico. A regulación á alza de actividade da CDK da fase S realízase por represión transcricional da quinase inhibitoria Dacapo. Estes cambios xuntos permiten eludir a entrada na mitose, a progresión a G1 e a entrada na fase S. A indución da endomitose en megacariocitos de mamíferos implica a activación do receptor c-mpl pola citocina trombopoetina (TPO) por medio da sinalización de ERK1/2. Igual que nas células foliculares de Drosophila, a endorreplicación en megacariocitos é o resultado da activación dos complexos ciclina-CDK da fase S e a inhibición da actividade da ciclina-CDK mitótica. A entrada na fase S durante a endorreplicación (e na mitose) é regulada pola formación dun complexo prerreplicativo (pre-RC) nas orixes de replicación, seguido do recrutamento e activación da maquinaria da replicación do ADN. No contexto da endorreplicación estes eventos están facilitados por unha oscilación na actividade da ciclina E-Cdk2. A actividade da ciclinaE-Cdk2 conduce ao recrutamento e activación da maquinaria de replicación, pero isto tamén inhibe a formación do pre-RC, presumiblemente para asegurar que só ocorre unha rolda de replicación por ciclo. Se falla o mantemento do control sobre a formación do pre-RC nas orixes de replicación orixínase un fenómeno coñecido como “re-replicación” que é común en células cancerosas. O mecanismo polo cal a ciclina E-Cdk2 inhibe a formación do pre-RC implica a regulación á baixa da proteólise mediada por APC-Cdh1 e a acumulación da proteína xeminina, que é a responsable do secuestro do compoñente do pre-RC Cdt1.
As oscilacións na actividade da ciclina E-Cdk2 están moduladas por mecanismos transcricionais e post-transcricionais. A expresión da ciclina E está activada polos factores de transcrición E2F que cómpren para a endorreplicación. Traballos recentes suxiren que as oscilacións observadas nos niveis de E2F e a ciclina E orixínanse por un bucle de retroalimentación negativo que implica a ubiquitinación dependente de Cul4 e a degradación de E2F. A regulación postranscricional da actividade da ciclina E-Cdk2 implica a degradación proteolítica da ciclina E mediada por Ago/Fbw7 e a inhibición directa por factores como Dacapo e p57. Descríbese agora a verdadeira endomitose no tapete da antera da planta asfodelácea Eremurus. A membrana nuclear non desaparece, pero durante a metafase os cromosomas condénsanse, a miúdo considerablemente máis que na mitose normal. Cando as células nais do pole pasan pola última mitose premeiótica, as células do tapete teñen un núcleo diploide que se divide mentres que a célula permanece sen dividirse. Os dous núcleos diploides poden sufrir endomitose e os núcleos tetraploides resultantes unha segunda endomitose. Unha vía alternativa é unha mitose ordinaria, de novo sen división celular en vez dun dos ciclos endomitóticos. A imaxe citolóxica no tapete complícase máis pola restitución nuclear na anafase e a fusión dos grupos da metafase e anafase durante a mitose, procesos que poderían dar lugar a células cun, dous ou tres núcleos, en lugar dos agardados de dous a catro núcleos. Nestas células do tapete non se observa ningún signo da así chamada mitose "inhibida". Cando as células nais do pole están en leptoteno-cigoteno, moi poucos núcleos do tapete están en endomitose. Cando as células nais do pole chegan ao diploteno, case o 100% das células que non están en interfase mostran un estado endomitótico. Endorreplicación e oncoxénese
A poliploidía e a aneuploidía son fenómenos comúns en células cancerosas. Dado que a oncoxénese e a endorreplicación probablemente implican a subversión dos mecanismos reguladores do ciclo celular común, unha comprensión mellor da endorreplicación pode proporcionar importantes coñecementos sobre a bioloxía do cancro. Endomitose premeiótica en vertebrados unisexuais
As píntegas unisexuais (xénero Ambystoma) son a liñaxe máis antiga coñecida de vertebrados unisexuais, orixinada hai uns 5 millóns de anos. Nestas femias unisexuais poliploides, unha replicación endomitótica premeiótica extra do xenoma, duplica o número de cromosomas. Como resultado, os ovos maduros que se producen despois de dúas divisións meióticas teñen a mesma ploidía que as células somáticas da píntega femia adulta. A sinapse e a recombinación durante a profase I meiótica nestas femias unisexuais pénsase que ocorre ordinariamente entre cromosomas irmáns idénticos e ocasionalmente entre cromosomas homólogos. Deste xeito, prodúcese pouca ou ningunha variación xenética. A recombinación entre cromosomas homólogos raramente ocorre ou talvez nunca. Como a produción de variación xenética é no mellor dos casos débil, é improbable que proporcione un beneficio dabondo como para explicar o mantemento da meiose durante millóns de anos. Quizais a eficiente reparación dos danos no ADN recombinacional en cada xeración que proporciona a meiose foi unha vantaxe suficiente para manter a meiose.