divisão celular: mitose e meiose - instituto de biociências · 27/05/12 1 divisão celular:...
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27/05/12
1
Divisão Celular: Mitose e Meiose
“as células originam-se d e o u t r a s c é l u l a s preexistentes” Virchow, 1858, médico alemão.
Divisão Celular
27/05/12
2
- Base da continuidade e perpetuação das células e organismos ao longo do tempo.
- Ocorre em todos os organismos vivos, dos unicelulares aos multicelulares.
Divisão Celular
Eduard Strasburger, 1880: Primeiras figuras de células em divisão (célula ciliada de flor de Tradescantia)
Divisão Celular
27/05/12
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Seqüência ordenada de eventos: crescimento celular, duplicação DNA e organelas e divisão da célula.
Ciclo Celular
Crescimento e desenvolvimento dos organismos: MITOSE -Muitas rodadas de divisão celular produz um novo organismo a partir de uma célula ovo (zigoto).
-Crescimento do organismo.
Divisão Celular
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Reprodução dos organismos multicelulares: MEIOSE
Divisão Celular
ovócito
espermatozóides
Divisão Celular Reprodução dos organismos multicelulares: MEIOSE – produção de células germinativas
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Bactérias
Reprodução dos organismos unicelulares Cada divisão celular produz um novo organismo.
Divisão Celular
Duplicação do DNA
Monitoramento e crescimento celular
Monitoramento e crescimento celular
Divisão Celular Intérfase: G1, S e G2
Divisão
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- Divisão celular durante toda a vida: reposição de células mortas.
- Diferentes taxas de divisão celular entre as células.
Divisão Celular
M M M
S S S
Células embrionárias (blastômeros) menores a cada divisão celular: Fases G1 e G2 drasticamente diminuídas.
Divisão Celular
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Divisão Celular: Mitose
Compactação dos cromossomos
Prófase: transição entre G2 e mitose
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Compactação dos cromossomos
Prófase
Arcabouço
Compactação dos cromossomos Prófase
Condensina: principal componente estrutural do cromossomo mitótico. Responsável pela condensação do cromossomo.
Condensinas Condensina
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Compactação dos cromossomos Prófase
Fosforilação da condensina
Ciclina B-Cdk1 Condensinas pertencem às Proteinas SMC (Structural Maintenance of Chromosomes)
Proteínas reguladoras
Compactação dos cromossomos Prófase
Fosforilação da condensina Ciclina B-Cdk1
Proteínas reguladoras
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Proteína do arcabouço do cromossomo
Condensina
Proteína do arcabouço do cromossomo
DNA
Condensina
DNA
Condensina
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Compactação dos cromossomos Prófase
Condensina
Distribuição da subunidade SMC2 da condensina em cromossomos metafásicos de galinha
DNA
Compactação dos cromossomos Prófase
Topoisomerase II
Sua atividade enzimática permite desemaranhar e separar moléculas de DNA
Cromossomos plumosos
Topoisomerase II
DNA
Topoisomerase II: a fitted mechanism for the chromatin landscape Joaquim Roca, Nucleic Acids Research, 2009, Vol. 37, No. 3
27/05/12
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Fragmentação do Golgi e RE Prófase
Formação do fuso de divisão Prófase
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Início da formação do fuso de divisão
1
Microtúbulos
Microtúbulos: classe de filamentos grossos do citoesqueleto
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1 3
2
Microtúbulos
centrossomo
Início da formação do fuso de divisão
Polimerização dos microtúbulos
Início da formação do fuso de divisão
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Rompimento do envoltório nuclear
Fibras do fuso ligam-se aos cromossomos
Prometáfase
Ciclina B-Cdk1
Rompimento do envoltório nuclear
Fosforilação das laminas nucleares
Complexos Ciclina B-Cdk1 e seu papel na prometáfase
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Fosforilação das laminas nucleares
Fragmentação do envelope nuclear
Degradação das ciclina B-Cdk1
Inativação de Cdk1
Defosforilação das lâminas e remontagem do envelope
Ciclina B-Cdk1
Rompimento do envoltório nuclear
-Fosforilação da condensina – supertorsão dos filamentos de cromatina;
-Fosforilação de proteínas associadas ao RE e Golgi, interrompendo o tráfego vesicular.
-Fosforilação das laminas;
-Fosforilação das nucleoporinas;
-Fosforilação de proteína integrais da membrana nuclear interna que funcionam como âncoras das fibras de cromatina;
-Fosforilação de proteínas associadas aos microtúbulos;
Complexos Ciclina B-Cdk1 e seu papel na prometáfase
Prometáfase
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Formação do fuso de divisão
Microtúbulos
astrais ou livres
Microtúbulos
do cinetocoro
Microtúbulos
polares
centrossomo cinetocoro cromátide Cinesinas
- Três classes de microtúbulos:
1- polares
2- cinetócoro
3- astrais ou livres
Prometáfase
Estrutura do cromossomo
telômero
centrômero
cromátide
Braço “p”
“petit”
Braço “q”
“subseqüente a p”
Coesinas
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Fibras do fuso ligam-se ao cinetocoro do cromossomo
Prometáfase
Cinetocoro
Fibras do fuso
Heterocromatina
Ultra-estrutura do centrômero
Centrômero
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DNA Proteínas do cinetocoro
Fibras do fuso ligam-se ao cinetocoro do cromossomo
CENP – Proteínas centroméricas
Ultra-estrutura do centrômero humano
heterocromatina centromérica DNA alfóide
+ CENP-B
heterocromatina centromérica
Cinetocoro
microtúbulos
Placa externa CENP-E
Placa interna DNA alfóide
+ CENP-A CENP-C
Cinetocoro
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Estrutura do cinetocoro
Fibras do fuso ligam-se aos cromossomos
Coroa fibrosa
Microtúbulo
Dineína
Placa interna Placa externa
Cinetocoro Placa externa
Coroa fibrosa
Microtúbulo
CENP-E (cinesina)
-Cromossomos alinhados no equador da célula
-orientação bipolar dos cromossomos
Metáfase
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Metáfase
-Dinâmica dos microtúbulos
-Oscilações cromossômicas
Cromossomo mantido no equador celular devido à dinâmica dos microtúbulos
Spindle assembly checkpoint signaling requires tension be-tween sister kinetochores (Nicklas and Ward, 1994; Bigginsand Murray, 2001; Stern and Murray, 2001; Zhou et al., 2002;Biggins and Walczak, 2003; Cleveland et al., 2003), and lowtension could act to destabilize attachment of MTs to kinet-ochores (Nicklas et al., 2001; Biggins and Walczak, 2003;Dewar et al., 2004).
Thus, a model where the kinetochore senses both spindleposition to regulate kMT plus-end catastrophe frequencyand tension generated via chromatin stretch to regulate kMTplus-end rescue frequency has the overall effect of limitingthe range of tensions experienced at the kinetochore com-pared with a model with position-dependent switching fre-quencies only. Limiting the range of tensions to intermediatelevels (Figure 6A, 2) may help the spindle avoid MT detach-ment by reducing high forces on the kinetochore and allowthe checkpoint to be turned off by limiting low tension. Thenet result is that both high and low tension on kinetochoresare unfavorable, resulting in a congressed state of approxi-mately uniform separation distance between sister kineto-chores.
In contrast to Cdc6p-depleted spindles, in which kineto-chore localization near the poles suggests that lack of tensionresults in net depolymerization of kMTs, loss of tension andkMT attachment in ndc10 kinetochore mutants does notresult in significant MT depolymerization (Pearson et al.,2003). Therefore, it may be that the kinetochore itself acts todepolymerize kMTs via a catastrophe gradient, an effect thatcould be antagonized by tension. Loss of attachment couldthus allow for net polymerization of MTs, as is observed forinterpolar MTs.
A Mechanism for Tension-dependent Regulation of kMTDynamicsOur analysis shows that tension promotes kMT assemblyby increasing rescue. What could be a mechanism by whichtension promotes rescue? One possibility for tension-depen-dent regulation of kMT dynamics is a purely physical effectthat could be mediated by the kinetochore. For example,recent work with the purified components of the Dam1p/DASH complex shows that the complex forms rings aroundmicrotubules in vitro (Miranda et al., 2005; Westermann etal., 2005). This type of structure could form a sleeve thatsurrounds the kMT tip and links to other kinetochore com-ponents (reviewed by Cheeseman et al., 2002), although theexistence of rings in vivo remains an open question (Mc-Intosh, 2005). As shown schematically in Figure 7A, thekinetochore-associated sleeve could move toward the kMTminus-end during depolymerization via protofilamentsplaying and peeling. As a kinetochore moves away from itssister, tension will build in the intervening chromatin (greenspring), and in the kinetochore itself (blue spring), advanc-ing the sleeve toward the kMT plus end. This would in turnforce kMT protofilaments to straighten (Figure 7B). Thestraightening of protofilaments could suppress tubulin de-partures from the kMT tip and thereby promote rescue(Figure 7C).
What would be the force required to promote rescue? Theanswer hinges on how much energy is required to straightena curled GDP-tubulin dimer. Previous analyses estimate themechanical energy stored in the lattice upon GTP hydrolysisto be !2.1–2.5 kBT (Caplow and Shanks, 1996; VanBuren etal., 2002). This amount of energy is equal to !10 pN-nm, sothat the force required to straighten one GDP dimer oflength 8 nm would be F " 10 pN-nm/8 nm " 1.25 pN.Because there are 13 protofilaments, there would a require-ment of Ftotal " 13 # 1.25 pN " 16 pN. Is this characteristic
force plausible? Previous analysis of chromatin stretching inbudding yeast metaphase showed that the centromere prox-imal chromatin is highly stretched, to the point where indi-vidual nucleosomes are almost certainly forced off the chro-matin (Pearson et al., 2001). Studies with laser tweezers invitro show that !15–20 pN is required to force nucleosomesoff of double-stranded DNA (Brower-Toland et al., 2002).Thus, the typical tension generated via chromatin stretchduring yeast metaphase is approximately equal to that esti-mated as necessary for kMT protofilament straightening.
Models Lacking a Spatial Gradient in CatastropheFrequency Result in Loss of Sister Kinetochore Separationat MetaphaseThe catastrophe frequency gradient shown in Figure 2A isan essential model element. In a model that includes aspatial gradient in catastrophe frequency, kMT plus-endsexperience a peak in catastrophe frequency at the spindleequator. This has the effect of destabilizing kMT plus-endslocated at the spindle equator, such that kinetochores tend tocluster on either side of the equator in a bilobed metaphaseconfiguration.
A model in which kinetochores sense both a spatial gra-dient in catastrophe frequency and attachment site tensionto promote rescue results in specific predictions for spindleswith a reduced catastrophe gradient, as might be observedin mutants depleted of a theoretical catastrophe gradientmediator molecule (Figure 6D). In simulations with the ca-tastrophe gradient modified such that the peak catastrophefrequency at the equator is threefold less than in wild-type
Figure 7. A speculative mechanism for tension-dependent rescue.(A) In this hypothetical mechanism, the kinetochore sleeve (possiblyformed via the Dam1/DASH complex) is pushed toward the kMTminus end via protofilament splaying during depolymerization.Simultaneous depolymerization at the sister kMT plus end tends tobuild tension, stretching the kinetochore (blue spring) and the chro-matin (green spring). (B) As tension builds, the sleeve is pulledtoward the kMT plus-end to limit protofilament splay. (C) Proto-filament straightening stabilizes the tip against further depolymer-ization and so promotes rescue. The stabilized tip rescues and startsto polymerize.
Modeling of Yeast Microtubule Dynamics
Vol. 16, August 2005 3773
Cinetocoro
Fibras do fuso
Cinetocoro Cromatina
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- Separação das cromátides-irmãs
Anáfase
Separação das cromátides irmãs
Coesinas: mantém cromátides irmãs conectadas
Separase
Coesinas
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Separação das cromátides irmãs
Coesinas
Separase
Proteína inibidora
Separase inativa
Coesinas
APC inativo APC ativo
Separase ativa
Cdc20
Securina
Controle da separação das cromátides irmãs
Ciclina-Cdk M
fosf
orila
ção
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Anáfase A
Cromátides irmãs movem-se para os polos opostos
Anáfase B
Distanciamento dos polos
Separação das cromátides-irmãs
Cinesinas
Telófase
Cromossomos-filhos chegam aos pólos das células
Reconstituição do envoltório nuclear
Início da formação do anel contrátil
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Reconstituição do envoltório nuclear
1
2
Ubiquitinação das ciclinas B– Inativação de Cdk1 que fosforilava as laminas
Divisão do citoplasma:
Formação de anel contrátil em células animais
Citocinese
Estrangulamento do citoplasma
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Anel Contrátil (células animais): actina e miosina
Anel Contrátil (células animais): actina e miosina
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Formação do Fragmoplasto Citocinese em células vegetais
1 célula 2n Uma divisão nuclear e citoplasmática
Mitose
2 células 2n idênticas
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Animações:
Ballet mitótico http://www.youtube.com/watch?v=lPcrfpDE9Ys&NR=1
http://www.youtube.com/watch?v=sBcbXzamai4
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