Atlas de histología vegetal y animal

La fase M es la fase del ciclo celular donde se produce la división de una célula madre en dos células hijas. Comprende una serie de procesos que discurren en paralelo encaminados a repartir los componentes celulares, sintetizados durante las fases anteriores del ciclo celular, entre las dos células hijas resultantes de una forma generalmente equitativa. Estos componentes son el ADN, duplicado en la fase S, y los elementos citoplasmáticos, sintetizados en las fases G1, S y G2. La fase M se divide generalmente en dos procesos parcialmente solapados: la mitosis y la citocinesis.

Durante la mitosis se forman los cromosomas y se reparten entre las dos células hijas. Las fases de la mitosis se relacionan con lo que ocurre con el ADN: compactación, formación y segregación de los cromosomas, y finalmente la descondensación de éstos en cromatina. La citocinesis es el proceso de división del citoplasma en dos partes, lo que ocurre por estrangulamiento en las células animales y por formación de una nueva pared celular en las células vegetales. Ambos tipos provocan la rotura y fusión de la membrana plasmática, dando como resultado dos células hijas independientes. Aunque la mayoría de los procesos que vamos a describir se basan en cambios en la cromatina y en la membrana plasmática, hay que tener en cuenta que los orgánulos y demás componentes celulares, incluyendo al retículo endoplasmático, aparato de Golgi, peroxisomas, etcétera, también sufren procesos de desorganización y reparto entre las dos células hijas.

1. Mitosis

La mitosis supone un cambio drástico en las células que conlleva la formación del huso mitótico, una estructura formada por microtúbulos y cromosomas. En las células animales, en los polos de este huso se sitúan los centrosomas, mientras que las plantas carecen de centrosomas, aunque forman huso mitótico también. Existen dos formas de mitosis denominadas abierta y cerrada, respectivamente. La mitosis abierta es aquella en la que la formación del huso mitótico implica la desorganización de la envuelta nuclear, mientras que la mitosis cerrada es aquella en la que el huso mitótico se forma en el interior del núcleo, y la envuelta nuclear no se rompe, pero sí se estrangula para formar los dos núcleos de las células hijas. En la mitosis cerrada el citoplasma no entra en contacto con los cromosomas. Existen algunas especies con formas intermedias de mitosis donde la envuelta nuclear es parcialmente conservada y en otras el huso se forma en el citoplasma pero la envuelta permanece intacta. Los animales y las plantas hacen mitosis abiertas . Durante la mitosis los cromosomas pasan por una serie de etapas llamadas profase, metafase, anafase y telofase (Figura 1).

Profase

La profase es la primera fase de la mitosis y comienza con la condensación del ADN, de manera que llegan a ser visibles las cromátidas, y con la desaparición del nucléolo. La condensación parece estar favorecida por la fosforilación de las histonas que componen la cromatina. En el citoplasma también se producen acontecimientos. Hay una desorganización parcial de los filamentos del citoesqueleto, y pérdida de adhesividad de la célula, lo que hace que adquiera una forma redondeada. Esta forma es una característica de las células que entran en mitosis. Hacia el final de la fase S las células de los animales han duplicado su centrosoma. Cuando se inicia la profase los centrosomas viajan a polos opuestos del citoplasma, conducidos por proteínas motoras y microtúbulos. Entonces ambos centrosomas nuclean y organizan un sistema de microtúbulos con una alta inestabilidad dinámica, alternancia entre crecimiento y decrecimiento, que posteriormente se organizarán y formarán el denominado huso mitótico (Figuras 1 y 2). Los orgánulos, como el retículo endoplasmático y el aparato de Golgi, se fragmentan y disminuye enormemente el tráfico vesicular. La envuelta nuclear todavía no se ha roto. En el aparato de Golgi se produce una mayor fosforilación de GRASP y golginas durante la profase , por lo que los mecanismos de anclaje de las vesículas son inhibidos, junto con otros procesos. Todo esto lleva a que en metafase las cisternas se convierten en vesículas y túbulos. Durante telofase y citocinesis el Golgi se reorganiza.

Algunos autores distinguen una fase denominada prometafase, al final de la profase, en la que se da la fosforilación de las proteínas que constituyen la lámina nuclear y que desorganiza la envuelta nuclear, la cual se fragmenta en pequeñas vesículas. Entonces los microtúbulos pueden acceder a las cromátidas. Las cromátidas, que al principio presentan una cromatina poco empaquetada, se convierten rápidamente en cromosomas típicos por compactación progresiva. Los extremos de los microtúbulos forman uniones con lugares concretos de los cromosomas llamados cinetocoros. Los cinetocoros son estructuras proteicas que se ensamblan en las regiones centroméricas de los cromosomas y que median en las interacciones entre cromosomas y microtúbulos del uso mitótico. Cada cromosoma tiene dos cinetocoros. Los microtúbulos que contactan con los cinetocoros se denominan cinetocóricos. Los dos cinetocoros de un cromsomoma están orientados en lugares opuestos, y esto hace que los dos polos del huso emitan microtúbulos que contactan con el mismo cromosoma. El número de microtúbulos que contacta con un cinetocoro es variable, siendo en humanos de 20 a 40, mientras que en las levaduras es uno solo. Otros microtúbulos parten de los polos del huso y no interaccionan con la cromatina sino que lo hacen entre sí. Contactan con sus extremos más, tras lo cual llegan a estabilizarse, deteniéndose la inestabilidad dinámica. Estos microtúbulos se denominan polares o interpolares. Por último, en los polos del huso nuclean microtúbulos hacia la membrana plasmática próxima. A estos microtúbulos se les denomina astrales. En los husos mitóticos grandes el número de microtúbulo puede llegar a miles, como ocurre en las células de algunos anfibios y del endospermo de angiospermas, hay microtúbulos que no tienen sus extremos conectados a ningún polo del huso y la mayoría están asociados a los cromosomas.

Metafase

Al final de la profase (o prometafase) las cromátidas hermanas de cada cromosoma están unidas entre sí y también a los microtúbulos cinetocóricos del huso mitótico. Los cromosomas son desplazados hacia el centro del huso mitótico, equidistante de los dos polos, formándose la denominada placa ecuatorial. Esto define a la metafase (Figura 3). Los desplazamientos de los cromosomas son consecuencia del acortamiento y alargamiento de los microtúbulos, así como de la acción de las proteínas motoras. Durante este periodo los cromosomas se mueven para ocupar su posición en la placa ecuatorial y a veces se desplazan temporalmente fuera de ésta. Ello es indicio del tira y afloja que mantienen los microtúbulos de cada centrosoma.

La unión de los microtúbulos con los cinetocoros de los cromosomas que ocurre durante la prometafase requiere tiempo. Si no hay suficientes microtúbulos contactando con los dos cinetocoros de cada cromosoma se podría producir un reparto desigual de cromátidas, lo que llevaría a aneuploidías (las células hijas tendrían más o menos cromosomas que los que deberían), lo que podría producir inviabilidad celular o convertir a la célula en patógena. Para evitar esto hay en la metafase un mecanismo denominado punto de control del ensamblado del huso mitótico (SAC: “spindle assembling checpoint” en inglés ), que se encarga de vigilar que todos los cinetocoros de todos los cromosomas estén contactados por microtúbulos. Así, cuando algún cinetocoro no está conectado a un número apropiado de microtúbulos, se emite una señal desde los cinetocoros que inhibe el inicio de la segregación de cromátidas, y por tanto la entrada en la anafase, la fase siguiente. En prometafase no todos los cinetocoros están contactados con microtúbulos, y por tanto este punto de control está activo. Este complejo molecular favorece además la formación del complejo control mitótico (MCC: “mitotic checkpoint complex”) que verificará el alineamiento de los cromosomas en la placa de metafase.

El punto de control del ensamblado del huso mitótico inhibe la actividad de la ubiquitina ligasa E3, conocida como APC/C. Durante la mitosis la APC/C se activa por cdc20, y el complejo APC/-cdc20 añade ubiquitinas a las proteínas securina y ciclina B, que son inhibidores de la anafase (impiden la separación de las cromátidas hermanas). Cuando los cinetocoros no están contactados por los microtúbulos, liberan una molécula que inhibe a APC-cdc20. Un solo cinetocoro desconectado del uso mitótico es suficiente para inhibir el avance de la mitosis, aunque la señal inhibitoria es proporcional al número de cinetocoros desunidos. Las proteínas que componen este inhibidor de APC/C se agregan al cinetocoro durante la profase. Cuando llega el microtúbulo y hace contacto con el cinetocoro hay varios mecanismos para eliminar estas proteínas. Uno de ellos es que las dineínas las sacan del cinetocoro y las transportan hacia los polos del huso. Otro mecanismo es por el reclutamiento de fosfatasas al cinetocoro cuando los microtúbulos se adhieren.

Los errores en la mitosis causdos por daños en el ADN (drogas anti-cáncer, estrés celular) pueden llevar a una detención prolongada por activación del punto de control de ensamblado. En células normales, este punto está activo desde profase hasta metafase (unos 30-60 min). Si hay problemas, no se inactiva. Si la célula pasa mucho tiempo en prometafase puede morir por apoptosis por mecanismos independientes de p53.

El complejo de control mitótico está formado por MAD2, BUB3, BUBR1 y CDC20. Este comlejo inhibe APC/C (“anafase promoting complex”) que es una ubiquitina ligasa E3, la cual marca para degradar proteínas como la ciclina B1 y la securina. Estas dos proteínas son inhibidoras de la proteasa separasa, la cual corta las uniones de las cohesinas, permitiendo que se separen las dos cromátidas en cada cromosoma. Cuando se consigue la conexión de los microtúbulos con los dos cinetocoros de un cromosoma, se silencia el punto de control del ensamblado, y por tanto la desorganización de SAC, la activación de APC/C y la degradación de ciclina B y securina, que lleva a la activación de la separasa.

Hay estudios que indican que si la longitud de la mitosis es muy larga, independientemente de la causa, incluso aunque la célula se divida satisfactoriamente, el ciclo celular se detendrá en G1 y puede acabar en apoptosis. Esto significa que las células tienen que medir de alguna manera la duración de la mitosis. Hay entonces una especie de memoria en G1 de lo que pasó en la fase M. No sólo en el siguiente ciclo celular, sino a lo largo de varios ciclos. No se sabe cómo, pero las moléculas que miden el tiempo en mitosis se van acumulando en el citoplasma a medida que los tiempos de mitosis son largos.

Anafase

La anafase comienza con la rotura de las conexiones entre cromátidas hermanas a nivel del centrómero gracias a la participación de proteasas, de manera que cada cromátida irá hacia uno de los centrosomas arrastrada por los microtúbulos del huso (Figura 4). La velocidad del desplazamiento es normalmente de 1 µm por minuto. Existen dos etapas: la anafase A, en la cual los microtúbulos cinetocóricos se acortan por despolimerización, tanto en el extremo menos como en el más; mientras que en la anafase B los propios centrosomas se separan entre sí, empujados por los microtúbulos polares, favoreciendo aún más la separación de las cromátidas. Esta separación de los centrosomas va acompañada por una elongación de los microtúbulos polares, aportando la fuerza las proteínas motoras, que hacen que se deslicen unos microtúbulos polares sobre los otros. También parece que otras proteínas motoras se asocian a los microtúbulos del áster tirando de los centrosomas hacia la superficie celular, contribuyendo también a la separación de las cromátidas.

Telofase

Durante esta fase se organiza de nuevo la envuelta nuclear alrededor de cada conjunto de cromátidas (Figuras 6 y 7) que han migrado hacia cada uno de los centrosomas formando los dos núcleos hijos. Esto se produce por defosforilación de las proteínas que constituyen la lámina nuclear. También se forman los poros nucleares y la cromátidas comienzan a descondensarse. Los microtúbulos se han liberado previamente de los cinetocoros.

Cuando la célula termina la mitosis se da una fuerte defosforilación que revierte a la célula a su estado de G1.

2. Citocinesis

La citocinesis es la etapa final del ciclo celular y supone la separación del citoplasma de la célula madre en dos partes que conformarán a las células hijas. Esta separación tiene lugar tras la segregación completa de los cromosomas, si no podría dar lugar a ploidías. La citocinesis es diferente en animales, plantas y hongos. Pero en todos se sigue una serie de etapas: elección del plano de división, ensamblaje de la maquinaria de división y separación celular.

En las células animales el plano en el que se producirá la división viene determinado por la orientación del huso mitótico y el primer indicio observable del arranque de la citocinesis es la formación de un surco en la superficie celular llamado surco de escisión (Figura 8), que es perpendicular al huso mitótico y se sitúa en una posición ecuatorial. La posición del surco puede desplazarse de esa posición ecuatorial hasta otra más cercana a uno de los polos en ciertos tipos de divisiones que se denominan asimétricas, en las cuales las dos células hijas tienen diferente tamaño. El surco de escisión se produce por la acción de los filamentos de actina y por la proteína motora miosina, que conjuntamente forman el denominado anillo de escisión. Este anillo se comienza a ensamblar al final de la anafase. El desplazamiento de unos filamentos de actina sobre otros, es el mismo mecanismo que ocurre durante la contracción muscular, produce un fenómeno de estrangulamiento. Este anillo de escisión es transitorio y se forma sólo durante la citocinesis para después desaparecer. Para completar la citocinesis han de eliminarse los restos del huso mitótico atrapados durante el estrangulamiento, desorganizarse el propio anillo y romperse y sellarse las membranas plasmáticas. El corte del puente que queda en las membranas durante la citocinesis se corta gracias a los complejos ESCRT-III.

Recientemente se ha visto que en las células animales, al igual que en las vegetales, el tráfico vesicular participa en la finalización de la citocinesis: se necesitan más membrana y moléculas que lleven a cabo la rotura y sellado de la membrana plasmática, de forma parecida a lo que ocurre con las vesículas del tráfico vesicular. Es decir, hay adición de membrana a la membrana plasmática antes, durante y después de la formación del anillo de escisión.

Durante la citocinesis es importante el aporte de mebrana para crear las dos nuevas células hijas, así tiene que haber un balance entre endocitosis y exocitosis. En torno a al anillo de constricción en las células animales está dispuesta las proteínas que pescarán a las vesículas que provienen tanto del Golgi como desde los endosomas. Estas vesículas vienen desde ambos lados, de las dos futuras células hijas. En las células animales, cuando se cierra el anillo queda atrapada una estructura electrondensa denominada cuerpo medio. Este cuerpo está formado por microtúbulos y actina del propio anillo. El paso final es la fusión de las membranas del surco, con la participación del complejo ESCRT-III. Además del tráfico vesicular, en las células animales es necesaria la remodelación de la matriz extracelular. Los proteoglicanos condroitín sulfato parecen imprescindibles.

En las células vegetales y en los hongos la citocinesis es diferente a causa de la presencia de la pared celular. En las plantas las células hijas se separan, no por la formación de un anillo contráctil, sino por la formación de una nueva pared celular en el interior de la célula madre, que será la que finalmente separará a las dos células hijas (Figura 9). La formación de esta nueva pared celular en las plantas está mediada por lo que se denomina el fragmoplasto, que inicialmente posee como componentes a los microtúbulos polares del huso mitótico y a vesículas procedentes del aparato de Golgi. Estas vesículas se transportan hasta la zona media gracias a proteínas motoras, siguiendo el trayecto de los microtúbulos, y posteriormente se fusionan entre sí para formar membrana, mientras que su contenido constituirá la lámina media de la futura pared celular. En las plantas la nueva pared crece de manera centrífuga, es decir, desde el interior hacia la periferia celular. Los hongos no forman fragmoplasto, sino que crecen sus paredes de forma centrípeta, desde la periferia hacia el interior. En las plantas no hay invaginación de la membrana celular, pero sí se observa en los hongos. En ambos casos, la posición y orientación del plano de división viene determinada por el núcleo de la célula. En las plantas, al final de la fase G2, se generan unos haces de microtúbulos que forman una banda alrededor del núcleo denominada banda de preprofase (PPB: preprophase band; en inglés), con una orientación determinada que dejarán huella en la superficie celular. Estos microtúbulos desaparecen al avanzar la mitosis, pero sus marcas quedarán y condicionarán la orientación del fragmoplasto y el plano de división.

Orientación del plano de división

Cómo se orienta el huso mitótico durante la división celular es crítico, puesto que determina el plano de división celular y, por tanto, con qué componentes citoplasmáticos se queda cada célula hija. Cuando el reparto de componentes citoplasmáticos es equitativo se denomina división simétrica, pero cuando una célula se queda con elementos celulares diferentes, bien en cantidad o en tipo, tenemos una división asimétrica. Las divisiones asimétricas son importantes desde el punto de vista de la diferenciación celular puesto que diferentes constituyentes citoplasmáticos pueden suponer diferentes vías de diferenciación o adquirir competencia para ciertas funciones.

En animales el plano de división viene determinado por los huso mitótico y los microtúbulos astrales. El plano de división siempre es perpendicular al eje longitudinal del huso mitótico. El mecanismo no está claro pero son importantes proteínas como RhoA, centralespindilina y GEF Ect2 y anilina. Cuando se activa RhoA también se activa la formina que nuclea filamentos de actina y también la miosina II. Cuando se ha formado el uso, los microtúbuos astrales podrían ayudar a las orientación del huso mitótico.

En las plantas, el plano de división se define por la banda de preprofase, que guía la formación del fragmoplasto. Esta banda se forma tempranamente en la mitosis mediada por microtúbulos y filamentos de actina. Esta banda desaparece en prometafase tras haber reclutado proteínas que marcan el sitio de división.

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  • Bibliografía

    Gerien KS, Wu J-Q. 2018. Molecular mechanisms of contractile-ring constriction and membrane trafficking in cytokinesis. Biophysical Reviews. 10:1649–1666. DOI: 10.1007/s12551-018-0479-3.

    Lara-Gonzalez P, Pines J, Desai A. 2021. Spindle assembly checkpoint activation and silencing at kinetochores. Seminars in Cell and Developmental Biology. 117: 86-98. DOI: 10.1016/j.semcdb.2021.06.009.

    Pardo M. 2005 Citoquinesis en células eucariotas. Investigación y ciencia 346:40-49.

    Wanke C, Kutay U. 2013. Enclosing chromatin: reassembly of the nucleus after open mitosis. Cell 152: 1222-1225.