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Ciclos de vida eucariotas - Biología

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1. Descripción de los ciclos de vida eucariotas

En biología, un ciclo de vida (o historia de vida) describe el curso del desarrollo de un organismo. Un ciclo de vida es la historia completa de un organismo, que generalmente se muestra a través de una serie de etapas de desarrollo que describen los cambios que atraviesa una especie a medida que pasan desde el inicio de una etapa de desarrollo determinada hasta el inicio de la misma etapa de desarrollo en la siguiente generación. .

Las diferencias clave entre los ciclos de vida eucariotas es la cantidad de tiempo que se pasa en las fases haploide versus diploide y los productos meióticos (esporas versus gametos) que se producen. Recuerde que las células haploides contienen solo un conjunto de cromosomas (n). Las células diploides contienen dos juegos de cromosomas (2n). La meiosis es el proceso por el cual las células diploides se dividen dos veces seguidas después de replicar sus cromosomas solo una vez. El resultado es que cada célula hija final es haploide y contiene solo una copia de cada cromosoma. Esto difiere de la mitosis, cuando las células se dividen pero el número de conjuntos de cromosomas permanece igual. En la mitosis, las células haploides se dividen para formar células haploides y las células diploides se dividen para formar células diploides.

Las células diploides contienen 2 copias de su genoma, por lo general:

1. Proporcionar redundancia genética que puede aumentar la resistencia al daño del ADN (hay una copia de "respaldo" del ADN en caso de que se dañe).
2. Benefíciese del intercambio genético con otros individuos, que potencialmente pueden proporcionar más diversidad genética y, por lo tanto, ofrece un mayor potencial de supervivencia en un entorno cambiante.
3. Tienen un crecimiento más lento porque tienen un ciclo celular más largo debido a una mayor cantidad de ADN a replicar con cada división celular.

Dado que las células haploides tienen solo una copia de su genoma, por lo general son:

1. Más vulnerable al daño genético (sin copia "de respaldo" del ADN).
2. Capaces de crecer más rápido ya que no tienen tanto ADN para replicar con cada ciclo celular.
3. Capaz de combinarse con otras células haploides mediante fertilización.

Además de la división celular, otra etapa clave en cada ciclo de vida es la fertilización, o la fusión de dos células, que da como resultado la formación de una célula diploide, el cigoto.

Ahora revisaremos los tres tipos principales de ciclos de vida eucariotas (espórico, cigótico y gamético) con más detalle.

Ciclo de vida gamético

El ciclo de vida gamético es el ciclo reproductivo que se encuentra en los animales y algunos protistanes. El término gametico se refiere al hecho de que los gametos son el resultado de la meiosis.

Durante el ciclo de vida gamético, una célula reproductora produce gametos haploides (células sexuales como el óvulo y el esperma) que se combinan para producir un cigoto. El cigoto crece por división celular y elongación celular para producir un individuo diploide multicelular. En el ciclo de vida gamético, los gametos son la única etapa haploide que se encuentra en el ciclo de vida. Los gametos (óvulo y esperma) son las únicas células haploides producidas.

Figura ( PageIndex {1} ). (CC BY-NC-SA)

Ciclo de vida cigótico

El ciclo de vida cigótico es el ciclo de vida sexual más simple, común entre hongos y protistas. Estos organismos son haploides durante la mayor parte de su ciclo de vida.

En el ciclo de vida cigótico, el cigoto es la única fase diploide. Después de la fertilización, el cigoto sufre meiosis para producir células haploides. Las células experimentan mitosis para aumentar en número o para convertirse en un organismo multicelular haploide. Algunas células haploides se convierten en gametos por mitosis.

Figura ( PageIndex {2} ). (CC BY-NC-SA)

Ciclo de vida espórico

El ciclo de vida espórico es de algas y plantas comunes. El término espórico se refiere al hecho de que las esporas son el resultado de la meiosis.

El ciclo de vida espórico resulta de una alternancia entre un organismo haploide y uno diploide. Debido a esto, a veces este ciclo se denomina "alternancia de generaciones". El cigoto diploide primero se replica mediante una serie de divisiones mitóticas para formar un organismo diploide multicelular, conocido como esporofito. El esporofito sufre meiosis y produce esporas haploides. Estas esporas germinan y se diferencian en individuos multicelulares haploides conocidos como gametofitos. El gametofito produce óvulos y espermatozoides por mitosis. El cigoto que resulta de la singamia de los gametos se convierte en esporofito mediante divisiones mitóticas repetidas y el ciclo continúa.

Figura ( PageIndex {3} ). (CC BY-NC-SA)


El tutorial de ciclos de vida eucariotas de la Dra. Katherine Harris está Licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-CompartirIgual 3.0 Unported.

Financiado por el Departamento de Educación de EE. UU., Programa para el desarrollo de instituciones de servicio a los hispanos, # P031S090007.


¿La meiosis evolucionó antes del sexo y la evolución de los ciclos de vida eucariotas?

Los biólogos han teorizado durante mucho tiempo sobre la evolución de los ciclos de vida, la meiosis y la reproducción sexual. Revisamos estos temas y proponemos que la diferencia fundamental entre los ciclos de vida es dónde y cuándo se expresa la multicelularidad. Desarrollamos un escenario para explicar la transición evolutiva del ciclo de vida de un organismo unicelular a uno en el que la multicelularidad se expresa en la fase haploide o diploide, o en ambas. Proponemos además que la meiosis podría haber evolucionado como un mecanismo para corregir la duplicación espontánea del genoma completo (autopoliploidía) y, por lo tanto, antes de la evolución de la reproducción sexual en sentido estricto (es decir, la formación de un cigoto diploide a través de la fusión de gametos haploides) en los principales clados eucariotas. Además, proponemos, como lo han hecho otros, que la reproducción sexual, que predomina en todos los clados eucariotas, tiene muchas ventajas diferentes entre las que se encuentra que produce variabilidad entre la descendencia y por tanto reduce la competencia entre hermanos.

Palabras clave: algas alternancia de generaciones autopoliploidía quiasmas embriofitos meiosis singamia.


Contenido

El estudio de la reproducción y el desarrollo de los organismos fue realizado por muchos botánicos y zoólogos.

Wilhelm Hofmeister demostró que la alternancia de generaciones es una característica que une a las plantas, y publicó este resultado en 1851 (ver sexualidad de las plantas).

Algunos términos (haplobiont y diplobiont) utilizados para la descripción de los ciclos de vida fueron propuestos inicialmente para las algas por Nils Svedelius, y luego se utilizaron para otros organismos. [4] [5] Karl Gottlieb Grell introdujo otros términos (autogamia y gamontogamia) utilizados en los ciclos de vida de los protistas. [6] La descripción de los complejos ciclos de vida de varios organismos contribuyó a refutar las ideas de generación espontánea en las décadas de 1840 y 1850. [7]

Una meiosis cigótica es una meiosis de un cigoto inmediatamente después de la cariogamia, que es la fusión de dos núcleos celulares. De esta forma, el organismo finaliza su fase diploide y produce varias células haploides. Estas células se dividen mitóticamente para formar individuos multicelulares más grandes o más células haploides. Dos tipos opuestos de gametos (por ejemplo, masculino y femenino) de estos individuos o células se fusionan para convertirse en un cigoto.

En todo el ciclo, los cigotos son las únicas células diploides. La mitosis ocurre solo en la fase haploide.

Los individuos o células como resultado de la mitosis son haplontos, por lo que este ciclo de vida también se denomina ciclo de vida haplóntico. Los haplontos son:

  • En archaeplastidans: algunas algas verdes (por ejemplo, Clamidia, Zygnema, Chara) [8]
  • En stramenopiles: algunas algas doradas [8]
  • En alveolatos: muchos dinoflagelados, por ejemplo, Ceratium, Gymnodinium, algunos apicomplexanos (por ejemplo, Plasmodium) [9]
  • En rizarios: algunos euglyphids, [10] ascetosporeans
  • En excavaciones: algunos parabasálidos [11]
  • En amebozoos: Dictyostelium[8]
  • En opistocontes: la mayoría de los hongos (algunos quítridos, zigomicetos, algunos ascomicetos, basidiomicetos) [8] [12]: 15

En la meiosis gamética, en lugar de dividir inmediatamente meióticamente para producir células haploides, el cigoto se divide mitóticamente para producir un individuo diploide multicelular o un grupo de células diploides más unicelulares. Las células de los individuos diploides luego se someten a meiosis para producir células haploides o gametos. Las células haploides pueden volver a dividirse (por mitosis) para formar más células haploides, como en muchas levaduras, pero la fase haploide no es la fase predominante del ciclo de vida. En la mayoría de los diplontos, la mitosis ocurre solo en la fase diploide, es decir, los gametos generalmente se forman rápidamente y se fusionan para producir cigotos diploides.

En todo el ciclo, los gametos suelen ser las únicas células haploides y la mitosis suele ocurrir solo en la fase diploide.

El individuo multicelular diploide es un diploma, por lo que una meiosis gamética también se denomina ciclo de vida diplomático. Los Diplonts son:

  • En archaeplastidans: algunas algas verdes (por ejemplo, Cladophora glomerata, [13]Acetabularia[8] )
  • En stramenopiles: algunas algas pardas (las Fucales, sin embargo, su ciclo de vida también se puede interpretar como fuertemente heteromórfico-diplohaplóntico, con una fase gametofita muy reducida, como en las plantas con flores), [12]: 207 algunas xantofitas (p. Ej., Vaucheria), [12]: 124 la mayoría de las diatomeas, [11] algunos oomicetos (p. Ej., Saprolegnia, Plasmopara viticola), [8] opalinas, [11] algunos "heliozoos" (p. Ej., Actinofrys, Actinosphaerium) [11][14]
  • En alveolados: ciliados [11]
  • En excavaciones: algunos parabasálidos [11]
  • En opistocontes: animales, algunos hongos (por ejemplo, algunos ascomicetos) [8]

En la meiosis espórica (también conocida comúnmente como meiosis intermedia), el cigoto se divide mitóticamente para producir un esporofito diploide multicelular. El esporofito crea esporas a través de la meiosis que además luego se dividen los individuos haploides que producen mitóticamente llamados gametofitos. Los gametofitos producen gametos a través de la mitosis. En algunas plantas, el gametofito no solo es de tamaño pequeño sino también de corta duración en otras plantas y muchas algas, el gametofito es la etapa "dominante" del ciclo de vida.

  • En archaeplastidans: algas rojas (que tienen dos generaciones de esporofitos), algunas algas verdes (por ejemplo, Ulva), plantas terrestres [8]
  • En stramenopiles: la mayoría de las algas pardas [8]
  • En rizarios: muchos foraminíferos, [11] plasmodioforomicetos [8]
  • En amebozoos: mixogástridos
  • En opistocontes: algunos hongos (algunos quítridos, algunos ascomicetos como la levadura de cerveza) [8]
  • Otros eucariotas: haptofitos [11]

Algunos animales tienen un sistema de determinación del sexo llamado haplodiploide, pero esto no está relacionado con el ciclo de vida haplodiplóntico.

Algunas algas rojas (como Bonnemaisonia [15] y Lemanea) y algas verdes (como Prasiola) tienen meiosis vegetativa, también llamada meiosis somática, que es un fenómeno poco común. [12]: 82 La meiosis vegetativa puede ocurrir en ciclos de vida haplodiplónticos y también diplónticos. Los gametofitos permanecen adheridos y forman parte del esporofito. Las células diploides vegetativas (no reproductivas) se someten a meiosis y generan células haploides vegetativas. Estos sufren muchas mitosis y producen gametos.

Un fenómeno diferente, llamado diploidización vegetativa, un tipo de apomixis, ocurre en algunas algas pardas (p. Ej., Elachista stellaris). [16] Las células de una parte haploide de la planta duplican espontáneamente sus cromosomas para producir tejido diploide.

Los parásitos dependen de la explotación de uno o más huéspedes. Se dice que aquellos que deben infectar a más de una especie hospedadora para completar sus ciclos de vida tienen ciclos de vida complejos o indirectos. Dirofilaria immitis, o el gusano del corazón, tiene un ciclo de vida indirecto, por ejemplo. Las microfilarias primero deben ser ingeridas por un mosquito hembra, donde se convierte en la etapa larvaria infecciosa. Luego, el mosquito pica a un animal y transmite las larvas infecciosas al animal, donde migran a la arteria pulmonar y maduran hasta convertirse en adultos. [17]

Los parásitos que infectan a una sola especie tienen ciclos de vida directos. Un ejemplo de un parásito con un ciclo de vida directo es Ancilostoma caninum, o la anquilostomiasis canina. Se desarrollan hasta la etapa larvaria infecciosa en el medio ambiente, luego penetran directamente en la piel del perro y maduran hasta convertirse en adultos en el intestino delgado. [18]

Si un parásito tiene que infectar a un huésped determinado para completar su ciclo de vida, entonces se dice que a veces es un parásito obligado de ese huésped, la infección es facultativa: el parásito puede sobrevivir y completar su ciclo de vida sin infectar a esa especie huésped en particular. . Los parásitos a veces infectan a los huéspedes en los que no pueden completar su ciclo de vida, estos son huéspedes accidentales.

Un huésped en el que los parásitos se reproducen sexualmente se conoce como huésped definitivo, final o primario. En los huéspedes intermediarios, los parásitos no se reproducen o lo hacen asexualmente, pero el parásito siempre se desarrolla a una nueva etapa en este tipo de huésped. En algunos casos, un parásito infectará a un huésped, pero no experimentará ningún desarrollo, estos huéspedes se conocen como paraténicos [19] o huéspedes de transporte. El hospedador paraténico puede ser útil para aumentar la posibilidad de que el parásito se transmita al hospedador definitivo. Por ejemplo, el gusano pulmonar del gato (Aelurostrongylus abstrusus) utiliza una babosa o un caracol como huésped intermedio; la larva de la primera etapa entra en el molusco y se convierte en la larva de la tercera etapa, que es infecciosa para el huésped definitivo: el gato. Si un ratón se come la babosa, la larva de la tercera etapa entrará en los tejidos del ratón, pero no experimentará ningún desarrollo.

El tipo primitivo de ciclo de vida probablemente tenía individuos haploides con reproducción asexual. [11] Las bacterias y arqueas exhiben un ciclo de vida como este, y algunos eucariotas aparentemente también lo hacen (por ejemplo, Cryptophyta, Choanoflagellata, muchos Euglenozoa, muchos Amoebozoa, algunas algas rojas, algunas algas verdes, los hongos imperfectos, algunos rotíferos y muchos otros grupos , no necesariamente haploide). [20] Sin embargo, estos eucariotas probablemente no son primitivamente asexuales, pero han perdido su reproducción sexual, o simplemente no se ha observado todavía. [21] [22] Muchos eucariotas (incluidos animales y plantas) exhiben reproducción asexual, que puede ser facultativa u obligada en el ciclo de vida, y la reproducción sexual ocurre con mayor o menor frecuencia. [23]

Los organismos individuales que participan en un ciclo de vida biológico normalmente envejecen y mueren, mientras que las células de estos organismos que conectan las generaciones sucesivas del ciclo de vida (células de la línea germinal y sus descendientes) son potencialmente inmortales. La base de esta diferencia es un problema fundamental en biología. El biólogo e historiador ruso Zhores A. Medvedev [24] consideró que la precisión del genoma replicativo y otros sistemas sintéticos por sí sola no puede explicar la inmortalidad de las líneas germinales. Más bien, Medvedev pensó que las características conocidas de la bioquímica y la genética de la reproducción sexual indican la presencia de procesos únicos de mantenimiento y restauración de información en la etapa de gametogénesis del ciclo de vida biológico. En particular, Medvedev consideró que las oportunidades más importantes para el mantenimiento de la información de las células germinales se crean mediante la recombinación durante la meiosis y la reparación del ADN; los vio como procesos dentro de las células de la línea germinal que eran capaces de restaurar la integridad del ADN y los cromosomas a partir de los tipos de células germinales. daños que causan envejecimiento irreversible en células no germinales, p. ej. células somáticas.

La ascendencia de cada célula actual presumiblemente se remonta, en un linaje ininterrumpido durante más de 3 mil millones de años, al origen de la vida. En realidad, no son las células las que son inmortales, sino los linajes celulares multigeneracionales. [25] La inmortalidad de un linaje celular depende del mantenimiento del potencial de división celular. Este potencial puede perderse en cualquier linaje particular debido al daño celular, la diferenciación terminal como ocurre en las células nerviosas o la muerte celular programada (apoptosis) durante el desarrollo. El mantenimiento del potencial de división celular del ciclo de vida biológico durante generaciones sucesivas depende de evitar y reparar con precisión el daño celular, en particular el daño del ADN. En los organismos sexuales, la continuidad de la línea germinal durante las sucesivas generaciones del ciclo celular depende de la eficacia de los procesos para evitar el daño del ADN y reparar los daños del ADN que ocurren. Los procesos sexuales en eucariotas, así como en procariotas, brindan una oportunidad para la reparación efectiva de daños en el ADN en la línea germinal mediante recombinación homóloga. [25] [26]


Célula eucariota (con diagrama)

Una célula eucariota es aquella que tiene un núcleo organizado y varios orgánulos celulares cubiertos de membrana. Excepto monera, las células de todos los demás reinos tienen organización eucariota. La pared celular está presente en células de plantas, hongos y algunos protistas.

Está ausente en células animales y algunos protistas. Las células sin pared son generalmente irregulares. De lo contrario, la estructura interna de todas las células es algo similar. Una célula es una masa organizada de protoplasma rodeada por una membrana protectora y selectivamente permeable. El protoplasma de una célula se llama protoplasto.

Está formado por citoplasma, núcleo y vacuolas. Inicialmente, se pensaba que el citoplasma tenía una organización simple. El microscopio electrónico ha demostrado que el citoplasma tiene una organización compleja formada por matriz citoplasmática y orgánulos celulares. Hay estructuras citoesqueléticas que no solo proporcionan movimiento al citoplasma, sino también otras actividades locomotoras.

El material genético o ADN se organiza en cromosomas y cromatina. Las células vegetales poseen pared celular, plastidios y una gran vacuola central. Están ausentes en las células animales. Las células animales poseen centriolos que están ausentes en las células vegetales.

Una célula vegetal está formada por una pared celular y un protoplasto. La pared celular está ausente en las células animales. Protoplasto denota la totalidad del protoplasma presente en una célula.

Se diferencia en membrana plasmática (= lema plasmática o membrana celular), citoplasma, núcleo y vacuolas. Cyto & shyplasm se distingue en matriz citoplásmica y orgánulos. La matriz citoplasmática también se llama hialoplasma. Es un sistema coloidal polifásico que existe en dos estados, sol y gel.

La forma de gel suele aparecer cerca de la membrana plasmática. Esta región a veces se llama ectoplasto en contraste con la región sol conocida como endoplasto. Ectoplast es más firme. Es bastante llamativo en los lados libres de las celdas. En los protozoos, el ectoplasto es prominente en todos los lados.

La matriz citoplasmática generalmente está en movimiento perpetuo. El fenómeno se llama ciclosis, flujo citoplasmático o protoplásmico. La matriz citoplasmática ocupa el volumen de las células. Es el campo principal de las actividades celulares que mantienen a una célula en estado de vida.

En la matriz citoplasmática están incrustados un gran número de orgánulos celulares o subunidades protoplásmicas organizadas que tienen funciones específicas.

Son retículo endoplásmico, plastidios, mitocondrias, ribosomas, cuerpos de Golgi, centriolos (aparato central, centrosoma), lisos y timomas, esfaerosomas, peroxisomas, glioxisomas, vacuolas, microtúbulos, microfilamentos, etc. Algunos de ellos tienen membrana que cubre mientras que otros no tienen el mismo .

El recubrimiento de membrana duplicado se produce alrededor de los plástidos y las mitocondrias. La cubierta de una sola membrana se encuentra sobre el retículo endoplásmico, el aparato de Golgi, los lisosomas, los esfaerosomas, los peroxisomas, los glioxisomas y las vacuolas.

Los orgánulos sin una cubierta de membrana son ribosomas, micro y túbulos tímidos, microfilamentos y centrosomas o centriolos (en células animales). Los ribosomas se encuentran tanto en procariotas como en eucariotas. En las células eucariotas se encuentran en la matriz citoplasmática, sobre el retículo endoplásmico rugoso, dentro de los plástidos (que se encuentran solo en plantas y algunos protistas y mitocondrias).

Las inclusiones celulares incluyen granos de almidón, gránulos de glucógeno, gotitas de grasa, granos de aleurona, productos excretores o secretores y cristales. El núcleo también está incrustado en la matriz citoplasmática. Está rodeado por una envoltura de doble membrana y contiene nucleoplasma, uno o más nucleolos y cromatina con ADN. El ADN es el material genético.


Contenido

El estudio de la reproducción y el desarrollo de los organismos fue realizado por muchos botánicos y zoólogos.

Wilhelm Hofmeister demostró que la alternancia de generaciones es una característica que une a las plantas y publicó este resultado en 1851 (ver sexualidad de las plantas).

Algunos términos (haplobiont y diplobiont) utilizados para la descripción de los ciclos de vida fueron propuestos inicialmente para las algas por Nils Svedelius, y luego se utilizaron para otros organismos. [4] [5] Karl Gottlieb Grell introdujo otros términos (autogamia y gamontogamia) utilizados en los ciclos de vida de los protistas. [6] La descripción de los complejos ciclos de vida de varios organismos contribuyó a refutar las ideas de generación espontánea en las décadas de 1840 y 1850. [7]

Una meiosis cigótica es una meiosis de un cigoto inmediatamente después de la cariogamia, que es la fusión de dos núcleos celulares. De esta forma, el organismo finaliza su fase diploide y produce varias células haploides. Estas células se dividen mitóticamente para formar individuos multicelulares más grandes o más células haploides. Dos tipos opuestos de gametos (por ejemplo, masculino y femenino) de estos individuos o células se fusionan para convertirse en un cigoto.

En todo el ciclo, los cigotos son las únicas células diploides. La mitosis ocurre solo en la fase haploide.

Los individuos o células como resultado de la mitosis son haplontos, por lo que este ciclo de vida también se denomina ciclo de vida haplóntico. Los haplontos son:

  • En archaeplastidans: algunas algas verdes (por ejemplo, Clamidia, Zygnema, Chara) [8]
  • En stramenopiles: algunas algas doradas [8]
  • En alveolatos: muchos dinoflagelados, p. Ej., Ceratium, Gymnodinium, algunos apicomplexanos (p. Ej., Plasmodium) [9]
  • En rizarios: algunos euglyphids, [10] ascetosporeans
  • En excavaciones: algunos parabasálidos [11]
  • En amebozoos: Dictyostelium[8]
  • En opistocontes: la mayoría de los hongos (algunos quítridos, zigomicetos, algunos ascomicetos, basidiomicetos) [8] [12]: 15

En la meiosis gamética, en lugar de dividir inmediatamente meióticamente para producir células haploides, el cigoto se divide mitóticamente para producir un individuo diploide multicelular o un grupo de células diploides más unicelulares. Las células de los individuos diploides luego se someten a meiosis para producir células haploides o gametos. Las células haploides pueden volver a dividirse (por mitosis) para formar más células haploides, como en muchas levaduras, pero la fase haploide no es la fase predominante del ciclo de vida. En la mayoría de los diplontos, la mitosis ocurre solo en la fase diploide, es decir, los gametos generalmente se forman rápidamente y se fusionan para producir cigotos diploides.

En todo el ciclo, los gametos suelen ser las únicas células haploides y la mitosis suele ocurrir solo en la fase diploide.

El individuo multicelular diploide es un diploma, por lo que una meiosis gamética también se denomina ciclo de vida diplomático. Los Diplonts son:

  • En archaeplastidans: algunas algas verdes (por ejemplo, Cladophora glomerata, [13]Acetabularia[8] )
  • En stramenopiles: algunas algas pardas (las Fucales, sin embargo, su ciclo de vida también puede interpretarse como fuertemente heteromórfico-diplohaplóntico, con una fase gametofita muy reducida, como en las plantas con flores), [12]: 207 algunas xantofitas (p. Ej., Vaucheria), [12]: 124 la mayoría de las diatomeas, [11] algunos oomicetos (p. Ej., Saprolegnia, Plasmopara viticola), [8] opalinas, [11] algunos "heliozoos" (p. Ej., Actinofrys, Actinosphaerium) [11][14]
  • En alveolados: ciliados [11]
  • En excavaciones: algunos parabasálidos [11]
  • En opistocontes: animales, algunos hongos (por ejemplo, algunos ascomicetos) [8]

En la meiosis espórica (también conocida comúnmente como meiosis intermedia), el cigoto se divide mitóticamente para producir un esporofito diploide multicelular. El esporofito crea esporas a través de la meiosis que además luego se dividen los individuos haploides que producen mitóticamente llamados gametofitos. Los gametofitos producen gametos a través de la mitosis. En algunas plantas, el gametofito no solo es de tamaño pequeño sino también de corta duración en otras plantas y muchas algas, el gametofito es la etapa "dominante" del ciclo de vida.

  • En archaeplastidans: algas rojas (que tienen dos generaciones de esporofitos), algunas algas verdes (por ejemplo, Ulva), plantas terrestres [8]
  • En stramenopiles: la mayoría de las algas pardas [8]
  • En rizarios: muchos foraminíferos, [11] plasmodioforomicetos [8]
  • En amebozoos: mixogástridos
  • En opistocontes: algunos hongos (algunos quítridos, algunos ascomicetos como la levadura de cerveza) [8]
  • Otros eucariotas: haptofitos [11]

Algunos animales tienen un sistema de determinación del sexo llamado haplodiploide, pero esto no está relacionado con el ciclo de vida haplodiplóntico.

Algunas algas rojas (como Bonnemaisonia [15] y Lemanea) y algas verdes (como Prasiola) tienen meiosis vegetativa, también llamada meiosis somática, que es un fenómeno poco común. [12]: 82 La meiosis vegetativa puede ocurrir en ciclos de vida haplodiplónticos y también diplónticos. Los gametofitos permanecen adheridos y forman parte del esporofito. Las células diploides vegetativas (no reproductivas) se someten a meiosis y generan células haploides vegetativas. Estos sufren muchas mitosis y producen gametos.

Un fenómeno diferente, llamado diploidización vegetativa, un tipo de apomixis, ocurre en algunas algas pardas (p. Ej., Elachista stellaris). [16] Las células de una parte haploide de la planta duplican espontáneamente sus cromosomas para producir tejido diploide.

Los parásitos dependen de la explotación de uno o más huéspedes. Se dice que aquellos que deben infectar a más de una especie hospedadora para completar sus ciclos de vida tienen ciclos de vida complejos o indirectos. Dirofilaria immitis, o el gusano del corazón, tiene un ciclo de vida indirecto, por ejemplo. Las microfilarias primero deben ser ingeridas por un mosquito hembra, donde se convierte en la etapa larvaria infecciosa. Luego, el mosquito pica a un animal y transmite las larvas infecciosas al animal, donde migran a la arteria pulmonar y maduran hasta convertirse en adultos. [17]

Los parásitos que infectan a una sola especie tienen ciclos de vida directos. Un ejemplo de un parásito con un ciclo de vida directo es Ancilostoma caninum, o la anquilostomiasis canina. Se desarrollan hasta la etapa larvaria infecciosa en el medio ambiente, luego penetran directamente en la piel del perro y maduran hasta convertirse en adultos en el intestino delgado. [18]

Si un parásito tiene que infectar a un huésped determinado para completar su ciclo de vida, entonces se dice que a veces es un parásito obligado de ese huésped, la infección es facultativa: el parásito puede sobrevivir y completar su ciclo de vida sin infectar a esa especie huésped en particular. . Los parásitos a veces infectan a los huéspedes en los que no pueden completar su ciclo de vida, estos son huéspedes accidentales.

Un huésped en el que los parásitos se reproducen sexualmente se conoce como huésped definitivo, final o primario. En los huéspedes intermediarios, los parásitos no se reproducen o lo hacen asexualmente, pero el parásito siempre se desarrolla a una nueva etapa en este tipo de huésped. En algunos casos, un parásito infectará a un huésped, pero no experimentará ningún desarrollo, estos huéspedes se conocen como paraténicos [19] o huéspedes de transporte. El hospedador paraténico puede ser útil para aumentar la posibilidad de que el parásito se transmita al hospedador definitivo. Por ejemplo, el gusano pulmonar del gato (Aelurostrongylus abstrusus) utiliza una babosa o un caracol como huésped intermedio; la larva de la primera etapa entra en el molusco y se desarrolla hasta la larva de la tercera etapa, que es infecciosa para el huésped definitivo: el gato. Si un ratón se come la babosa, la larva de la tercera etapa entrará en los tejidos del ratón, pero no experimentará ningún desarrollo.

El tipo primitivo de ciclo de vida probablemente tenía individuos haploides con reproducción asexual. [11] Las bacterias y arqueas exhiben un ciclo de vida como este, y algunos eucariotas aparentemente también lo hacen (por ejemplo, Cryptophyta, Choanoflagellata, muchos Euglenozoa, muchos Amoebozoa, algunas algas rojas, algunas algas verdes, los hongos imperfectos, algunos rotíferos y muchos otros grupos , no necesariamente haploide). [20] Sin embargo, estos eucariotas probablemente no son primitivamente asexuales, pero han perdido su reproducción sexual, o simplemente no se ha observado todavía. [21] [22] Muchos eucariotas (incluidos animales y plantas) exhiben reproducción asexual, que puede ser facultativa u obligada en el ciclo de vida, y la reproducción sexual ocurre con mayor o menor frecuencia. [23]

Los organismos individuales que participan en un ciclo de vida biológico normalmente envejecen y mueren, mientras que las células de estos organismos que conectan las generaciones sucesivas del ciclo de vida (células de la línea germinal y sus descendientes) son potencialmente inmortales. La base de esta diferencia es un problema fundamental en biología. El biólogo e historiador ruso Zhores A. Medvedev [24] consideró que la precisión del genoma replicativo y otros sistemas sintéticos por sí sola no puede explicar la inmortalidad de las líneas germinales. Más bien, Medvedev pensó que las características conocidas de la bioquímica y la genética de la reproducción sexual indican la presencia de procesos únicos de mantenimiento y restauración de información en la etapa de gametogénesis del ciclo de vida biológico. En particular, Medvedev consideró que las oportunidades más importantes para el mantenimiento de la información de las células germinales se crean mediante la recombinación durante la meiosis y la reparación del ADN; los vio como procesos dentro de las células de la línea germinal que eran capaces de restaurar la integridad del ADN y los cromosomas a partir de los tipos de células germinales. daños que causan envejecimiento irreversible en células no germinales, p. ej. células somáticas.

La ascendencia de cada célula actual presumiblemente se remonta, en un linaje ininterrumpido durante más de 3 mil millones de años, al origen de la vida. En realidad, no son las células las que son inmortales, sino los linajes celulares multigeneracionales. [25] La inmortalidad de un linaje celular depende del mantenimiento del potencial de división celular. Este potencial puede perderse en cualquier linaje particular debido al daño celular, la diferenciación terminal como ocurre en las células nerviosas o la muerte celular programada (apoptosis) durante el desarrollo. El mantenimiento del potencial de división celular del ciclo de vida biológico durante generaciones sucesivas depende de evitar y reparar con precisión el daño celular, en particular el daño del ADN. En los organismos sexuales, la continuidad de la línea germinal durante las sucesivas generaciones del ciclo celular depende de la eficacia de los procesos para evitar el daño del ADN y reparar los daños del ADN que ocurren. Los procesos sexuales en eucariotas, así como en procariotas, brindan una oportunidad para la reparación efectiva de daños en el ADN en la línea germinal mediante recombinación homóloga. [25] [26]


Diversidad de hongos

El reino de los hongos contiene cuatro divisiones principales que se establecieron de acuerdo con su modo de reproducción sexual. Los hongos polifiléticos, no relacionados que se reproducen sin un ciclo sexual, se colocan por conveniencia en una quinta división, y recientemente se ha descrito un sexto grupo principal de hongos que no encaja bien con ninguno de los cinco anteriores. No todos los micólogos están de acuerdo con este esquema. Los rápidos avances en biología molecular y la secuenciación del ARNr 18S (un componente de los ribosomas) continúan revelando relaciones nuevas y diferentes entre las diversas categorías de hongos.

Las divisiones tradicionales de los hongos son Chytridiomycota (quitridios), Zygomycota (hongos conjugados), Ascomycota (hongos del saco) y Basidiomycota (hongos club). Un esquema de clasificación más antiguo agrupaba los hongos que usan estrictamente la reproducción asexual en Deuteromycota, un grupo que ya no se usa. Los Glomeromycota pertenecen a un grupo recientemente descrito ([Figura 5]).

Figura 5: Las divisiones de hongos incluyen (a) quítridos, (b) hongos conjugados, (c) hongos del saco y (d) hongos club. (crédito a: modificación del trabajo por USDA APHIS PPQ crédito c: modificación del trabajo por & # 8220icelight & # 8221 / Flickr crédito d: modificación del trabajo por Cory Zanker).


Se buscan: loricíferos, vivos o muertos

El debate actual debería centrar el interés no solo en el viejo tema de los muertos o vivos del Lejano Oeste, sino también en la rica biología de estos hábitats y la importancia de obtener nuevas muestras de los sedimentos en cuestión y hábitats similares. De hecho, no hay debate sobre la capacidad de los eucariotas unicelulares para sobrevivir en la salmuera anóxica, ni hay debate sobre los animales que viven en los márgenes de la zona anóxica [3]. El problema es la capacidad de los metazoos (eucariotas multicelulares) para sobrevivir en la zona estrictamente anaeróbica. Idealmente, a uno le gustaría ver alguna evidencia de genes transcritos activamente en loricíferos de estos hábitats. Eso también nos diría mucho sobre cómo están creciendo con respecto al carbono central y el metabolismo energético. En particular, uno querría saber si estos animales albergan y expresan alguno de los genes que los protistas usan para sobrevivir en ambientes anaeróbicos, tales como [FeFe] -hidrogenasa, piruvato: ferredoxina oxidorreductasa, alcohol deshidrogenasa bifuncional E (ADHE), acetil- CoA synthase (ADP forming), and the like [4], or whether they have some other means of surviving without oxygen. It is perhaps more likely that they use strategies more similar to those found in the anaerobic mitochondria of parasitic animals, for example, malate dismutation with the involvement of rhodoquinone [4].

As a long shot alternative, if the animals are alive, it is even imaginable that they have acquired genes via lateral gene transfer (LGT) for a new strategy to survive anoxia. Indeed, some camps argue that all eukaryotes are ancestrally strict aerobes and that the ability of eukaryotes to survive anoxia is always the result of lateral gene transfer [9]. We do not agree with that view, mainly for three reasons. First, the eukaryotic anaerobes studied so far always have the same basic carbon and energy metabolic backbone [4] and if LGT was behind eukaryote anaerobiosis, then eukaryotic anaerobes should be as physiologically diverse as prokaryotic anaerobes, which is definitely not the case energy metabolism based on sulfate reduction [10], which is lacking in eukaryotes, is a strong case in point. Second, the Earth sciences tell us that anaerobic habitats are ancient and that aerobic habitats are recent [8]. So, if anything, we should be seeing LGT as a means of improving mitochondrial function in aerobic habitats. For example, aerobic methane oxidation is a very widespread form of energy metabolism in prokaryotes but we don’t see eukaryotes that have acquired genes to do that rather, eukaryotes possess one ancestrally present stock of enzymes [4]. Third, it is often proposed that one lineage of eukaryotes acquires one or the other anaerobic enzyme via LGT from prokaryotes and then passes it around via eukaryote to eukaryote LGT in order to account for the monophyly of the eukaryote enzymes involved. That idea has been specifically tested at the whole-genome level, and rejected, whereby the “patchy gene distributions” that are often seen as the hallmark of LGT are actually better explained by differential loss than they are by LGT [11].

Of course it might also turn out that the loriciferans from the habitats in question do not show vital signs of gene expression. It might be that they are dead, not alive. There is only one way to find out: biologists will have to go back out to those deep environments and get new samples.


TCA cycle signalling and the evolution of eukaryotes

A major question remaining in the field of evolutionary biology is how prokaryotic organisms made the leap to complex eukaryotic life. The prevailing theory depicts the origin of eukaryotic cell complexity as emerging from the symbiosis between an α-proteobacterium, the ancestor of present-day mitochondria, and an archaeal host (endosymbiont theory). A primary contribution of mitochondria to eukaryogenesis has been attributed to the mitochondrial genome, which enabled the successful internalisation of bioenergetic membranes and facilitated remarkable genome expansion. It has also been postulated that a key contribution of the archaeal host during eukaryogenesis was in providing 'archaeal histones' that would enable compaction and regulation of an expanded genome. Yet, how the communication between the host and the symbiont evolved is unclear. Here, we propose an evolutionary concept in which mitochondrial TCA cycle signalling was also a crucial player during eukaryogenesis enabling the dynamic control of an expanded genome via regulation of DNA and histone modifications. Furthermore, we discuss how TCA cycle remodelling is a common evolutionary strategy invoked by eukaryotic organisms to coordinate stress responses and gene expression programmes, with a particular focus on the TCA cycle-derived metabolite itaconate.

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Cifras

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Figure 2. The endosymbiont and entangle-engulf-endogenize (E3)…

Figure 2. The endosymbiont and entangle-engulf-endogenize (E3) hypothesis

Overview of the endosymbiont/E3 hypothesis. (A) Lokiarchaeon…

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Figure 3. The acquisition of mitochondria supported the emergence of multicellularity

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Figure 4. An evolutionary timeline of eukaryotic cell development

In our proposed timeline, the TCA…

Figure 5. How TCA cycle signalling may…

Figure 5. How TCA cycle signalling may have contributed to eukaryogenesis by acting as a…


Contenido

The eukaryotic cell cycle consists of four distinct phases: G1 phase, S phase (synthesis), G2 phase (collectively known as interphase) and M phase (mitosis and cytokinesis). M phase is itself composed of two tightly coupled processes: mitosis, in which the cell's nucleus divides, and cytokinesis, in which the cell's cytoplasm divides forming two daughter cells. Activation of each phase is dependent on the proper progression and completion of the previous one. Cells that have temporarily or reversibly stopped dividing are said to have entered a state of quiescence called G0 fase.

Estado Fase Abreviatura Descripción
Resting Gap 0 GRAMO0 A phase where the cell has left the cycle and has stopped dividing.
Interfase Gap 1 GRAMO1 Cells increase in size in Gap 1. The GRAMO1 control control mechanism ensures that everything is ready for DNA synthesis.
Síntesis S DNA replication occurs during this phase.
Gap 2 GRAMO2 During the gap between DNA synthesis and mitosis, the cell will continue to grow. los GRAMO2 control control mechanism ensures that everything is ready to enter the M (mitosis) phase and divide.
Cell division Mitosis METRO Cell growth stops at this stage and cellular energy is focused on the orderly division into two daughter cells. A checkpoint in the middle of mitosis (Metaphase Checkpoint) ensures that the cell is ready to complete cell division.

After cell division, each of the daughter cells begin the interphase of a new cycle. Although the various stages of interphase are not usually morphologically distinguishable, each phase of the cell cycle has a distinct set of specialized biochemical processes that prepare the cell for initiation of cell division.

GRAMO0 phase (quiescence) Edit

GRAMO0 is a resting phase where the cell has left the cycle and has stopped dividing. The cell cycle starts with this phase. Non-proliferative (non-dividing) cells in multicellular eukaryotes generally enter the quiescent G0 state from G1 and may remain quiescent for long periods of time, possibly indefinitely (as is often the case for neurons). This is very common for cells that are fully differentiated. Some cells enter the G0 phase semi-permanently and are considered post-mitotic, e.g., some liver, kidney, and stomach cells. Many cells do not enter G0 and continue to divide throughout an organism's life, e.g., epithelial cells.

The word "post-mitotic" is sometimes used to refer to both quiescent and senescent cells. Cellular senescence occurs in response to DNA damage and external stress and usually constitutes an arrest in G1. Cellular senescence may make a cell's progeny nonviable it is often a biochemical alternative to the self-destruction of such a damaged cell by apoptosis.

Interphase Edit

Interphase is a series of changes that takes place in a newly formed cell and its nucleus before it becomes capable of division again. It is also called preparatory phase or intermitosis. Typically interphase lasts for at least 91% of the total time required for the cell cycle.

Interphase proceeds in three stages, G1, S y G2, followed by the cycle of mitosis and cytokinesis. The cell's nuclear DNA contents are duplicated during S phase.

GRAMO1 phase (First growth phase or Post mitotic gap phase) Edit

The first phase within interphase, from the end of the previous M phase until the beginning of DNA synthesis, is called G1 (G indicating brecha). It is also called the growth phase. During this phase, the biosynthetic activities of the cell, which are considerably slowed down during M phase, resume at a high rate. The duration of G1 is highly variable, even among different cells of the same species. [3] In this phase, the cell increases its supply of proteins, increases the number of organelles (such as mitochondria, ribosomes), and grows in size. In G1 phase, a cell has three options.

  • To continue cell cycle and enter S phase
  • Stop cell cycle and enter G0 phase for undergoing differentiation.
  • Become arrested in G1 phase hence it may enter G0 phase or re-enter cell cycle.

The deciding point is called check point (Restriction point). This check point is called the restriction point or START and is regulated by G1/S cyclins, which cause transition from G1 to S phase. Passage through the G1 check point commits the cell to division.

S phase (DNA replication) Edit

The ensuing S phase starts when DNA synthesis commences when it is complete, all of the chromosomes have been replicated, i.e., each chromosome consists of two sister chromatids. Thus, during this phase, the amount of DNA in the cell has doubled, though the ploidy and number of chromosomes are unchanged. Rates of RNA transcription and protein synthesis are very low during this phase. An exception to this is histone production, most of which occurs during the S phase. [4] [5] [6]

GRAMO2 phase (growth) Edit

GRAMO2 phase occurs after DNA replication and is a period of protein synthesis and rapid cell growth to prepare the cell for mitosis. During this phase microtubules begin to reorganize to form a spindle (preprophase). Before proceeding to mitotic phase, cells must be checked at the G2 checkpoint for any DNA damage within the chromosomes. El g2 checkpoint is mainly regulated by the tumor protein p53. If the DNA is damaged, p53 will either repair the DNA or trigger the apoptosis of the cell. If p53 is dysfunctional or mutated, cells with damaged DNA may continue through the cell cycle, leading to the development of cancer.

Mitotic phase (chromosome separation) Edit

The relatively brief M phase consists of nuclear division (karyokinesis). It is a relatively short period of the cell cycle. M phase is complex and highly regulated. The sequence of events is divided into phases, corresponding to the completion of one set of activities and the start of the next. These phases are sequentially known as:

Mitosis is the process by which a eukaryotic cell separates the chromosomes in its cell nucleus into two identical sets in two nuclei. [7] During the process of mitosis the pairs of chromosomes condense and attach to microtubules that pull the sister chromatids to opposite sides of the cell. [8]

Mitosis occurs exclusively in eukaryotic cells, but occurs in different ways in different species. For example, animal cells undergo an "open" mitosis, where the nuclear envelope breaks down before the chromosomes separate, while fungi such as Aspergillus nidulans y Saccharomyces cerevisiae (yeast) undergo a "closed" mitosis, where chromosomes divide within an intact cell nucleus. [9]

Cytokinesis phase (separation of all cell components) Edit

Mitosis is immediately followed by cytokinesis, which divides the nuclei, cytoplasm, organelles and cell membrane into two cells containing roughly equal shares of these cellular components. Mitosis and cytokinesis together define the division of the mother cell into two daughter cells, genetically identical to each other and to their parent cell. This accounts for approximately 10% of the cell cycle.

Because cytokinesis usually occurs in conjunction with mitosis, "mitosis" is often used interchangeably with "M phase". However, there are many cells where mitosis and cytokinesis occur separately, forming single cells with multiple nuclei in a process called endoreplication. This occurs most notably among the fungi and slime molds, but is found in various groups. Even in animals, cytokinesis and mitosis may occur independently, for instance during certain stages of fruit fly embryonic development. [10] Errors in mitosis can result in cell death through apoptosis or cause mutations that may lead to cancer.

Regulation of the cell cycle involves processes crucial to the survival of a cell, including the detection and repair of genetic damage as well as the prevention of uncontrolled cell division. The molecular events that control the cell cycle are ordered and directional that is, each process occurs in a sequential fashion and it is impossible to "reverse" the cycle.

Role of cyclins and CDKs Edit

Two key classes of regulatory molecules, cyclins and cyclin-dependent kinases (CDKs), determine a cell's progress through the cell cycle. [11] Leland H. Hartwell, R. Timothy Hunt, and Paul M. Nurse won the 2001 Nobel Prize in Physiology or Medicine for their discovery of these central molecules. [12] Many of the genes encoding cyclins and CDKs are conserved among all eukaryotes, but in general, more complex organisms have more elaborate cell cycle control systems that incorporate more individual components. Many of the relevant genes were first identified by studying yeast, especially Saccharomyces cerevisiae [13] genetic nomenclature in yeast dubs many of these genes cdc (for "cell division cycle") followed by an identifying number, e.g. cdc25 o cdc20.

Cyclins form the regulatory subunits and CDKs the catalytic subunits of an activated heterodimer cyclins have no catalytic activity and CDKs are inactive in the absence of a partner cyclin. When activated by a bound cyclin, CDKs perform a common biochemical reaction called phosphorylation that activates or inactivates target proteins to orchestrate coordinated entry into the next phase of the cell cycle. Different cyclin-CDK combinations determine the downstream proteins targeted. CDKs are constitutively expressed in cells whereas cyclins are synthesised at specific stages of the cell cycle, in response to various molecular signals. [14]

General mechanism of cyclin-CDK interaction Edit

Upon receiving a pro-mitotic extracellular signal, G1 cyclin-CDK complexes become active to prepare the cell for S phase, promoting the expression of transcription factors that in turn promote the expression of S cyclins and of enzymes required for DNA replication. El g1 cyclin-CDK complexes also promote the degradation of molecules that function as S phase inhibitors by targeting them for ubiquitination. Once a protein has been ubiquitinated, it is targeted for proteolytic degradation by the proteasome. However, results from a recent study of E2F transcriptional dynamics at the single-cell level argue that the role of G1 cyclin-CDK activities, in particular cyclin D-CDK4/6, is to tune the timing rather than the commitment of cell cycle entry. [15]

Active S cyclin-CDK complexes phosphorylate proteins that make up the pre-replication complexes assembled during G1 phase on DNA replication origins. The phosphorylation serves two purposes: to activate each already-assembled pre-replication complex, and to prevent new complexes from forming. This ensures that every portion of the cell's genome will be replicated once and only once. The reason for prevention of gaps in replication is fairly clear, because daughter cells that are missing all or part of crucial genes will die. However, for reasons related to gene copy number effects, possession of extra copies of certain genes is also deleterious to the daughter cells.

Mitotic cyclin-CDK complexes, which are synthesized but inactivated during S and G2 phases, promote the initiation of mitosis by stimulating downstream proteins involved in chromosome condensation and mitotic spindle assembly. A critical complex activated during this process is a ubiquitin ligase known as the anaphase-promoting complex (APC), which promotes degradation of structural proteins associated with the chromosomal kinetochore. APC also targets the mitotic cyclins for degradation, ensuring that telophase and cytokinesis can proceed. [dieciséis]

Specific action of cyclin-CDK complexes Edit

Cyclin D is the first cyclin produced in the cells that enter the cell cycle, in response to extracellular signals (e.g. growth factors). Cyclin D levels stay low in resting cells that are not proliferating. Additionally, CDK4/6 and CDK2 are also inactive because CDK4/6 are bound by INK4 family members (e.g., p16), limiting kinase activity. Meanwhile, CDK2 complexes are inhibited by the CIP/KIP proteins such as p21 and p27, [17] When it is time for a cell to enter the cell cycle, which is triggered by a mitogenic stimuli, levels of cyclin D increase. In response to this trigger, cyclin D binds to existing CDK4/6, forming the active cyclin D-CDK4/6 complex. Cyclin D-CDK4/6 complexes in turn mono-phosphorylates the retinoblastoma susceptibility protein (Rb) to pRb. The un-phosphorylated Rb tumour suppressor functions in inducing cell cycle exit and maintaining G0 arrest (senescence). [18]

In the last few decades, a model has been widely accepted whereby pRB proteins are inactivated by cyclin D-Cdk4/6-mediated phosphorylation. Rb has 14+ potential phosphorylation sites. Cyclin D-Cdk 4/6 progressively phosphorylates Rb to hyperphosphorylated state, which triggers dissociation of pRB–E2F complexes, thereby inducing G1/S cell cycle gene expression and progression into S phase. [19]

However, scientific observations from a recent study show that Rb is present in three types of isoforms: (1) un-phosphorylated Rb in G0 state (2) mono-phosphorylated Rb, also referred to as "hypo-phosphorylated' or 'partially' phosphorylated Rb in early G1 state and (3) inactive hyper-phosphorylated Rb in late G1 state. [20] [21] [22] In early G1 cells, mono-phosphorylated Rb exits as 14 different isoforms, one of each has distinct E2F binding affinity. [22] Rb has been found to associate with hundreds of different proteins [23] and the idea that different mono-phosphorylated Rb isoforms have different protein partners was very appealing. [24] A recent report confirmed that mono-phosphorylation controls Rb's association with other proteins and generates functional distinct forms of Rb. [25] All different mono-phosphorylated Rb isoforms inhibit E2F transcriptional program and are able to arrest cells in G1-phase. Importantly, different mono-phosphorylated forms of RB have distinct trans criptional outputs that are extended beyond E2F regulation. [25]

In general, the binding of pRb to E2F inhibits the E2F target gene expression of certain G1/S and S transition genes including E-type cyclins. The partial phosphorylation of RB de-represses the Rb-mediated suppression of E2F target gene expression, begins the expression of cyclin E. The molecular mechanism that causes the cell switched to cyclin E activation is currently not known, but as cyclin E levels rise, the active cyclin E-CDK2 complex is formed, bringing Rb to be inactivated by hyper-phosphorylation. [22] Hyperphosphorylated Rb is completely dissociated from E2F, enabling further expression of a wide range of E2F target genes are required for driving cells to proceed into S phase [1]. Recently, it has been identified that cyclin D-Cdk4/6 binds to a C-terminal alpha-helix region of Rb that is only distinguishable to cyclin D rather than other cyclins, cyclin E, A and B. [26] This observation based on the structural analysis of Rb phosphorylation supports that Rb is phosphorylated in a different level through multiple Cyclin-Cdk complexes. This also makes feasible the current model of a simultaneous switch-like inactivation of all mono-phosphorylated Rb isoforms through one type of Rb hyper-phosphorylation mechanism. In addition, mutational analysis of the cyclin D- Cdk 4/6 specific Rb C-terminal helix shows that disruptions of cyclin D-Cdk 4/6 binding to Rb prevents Rb phosphorylation, arrests cells in G1, and bolsters Rb's functions in tumor suppressor. [26] This cyclin-Cdk driven cell cycle transitional mechanism governs a cell committed to the cell cycle that allows cell proliferation. A cancerous cell growth often accompanies with deregulation of Cyclin D-Cdk 4/6 activity.

The hyperphosphorylated Rb dissociates from the E2F/DP1/Rb complex (which was bound to the E2F responsive genes, effectively "blocking" them from transcription), activating E2F. Activation of E2F results in transcription of various genes like cyclin E, cyclin A, DNA polymerase, thymidine kinase, etc. Cyclin E thus produced binds to CDK2, forming the cyclin E-CDK2 complex, which pushes the cell from G1 to S phase (G1/S, which initiates the G2/M transition). [27] Cyclin B-cdk1 complex activation causes breakdown of nuclear envelope and initiation of prophase, and subsequently, its deactivation causes the cell to exit mitosis. [14] A quantitative study of E2F transcriptional dynamics at the single-cell level by using engineered fluorescent reporter cells provided a quantitative framework for understanding the control logic of cell cycle entry, challenging the canonical textbook model. Genes that regulate the amplitude of E2F accumulation, such as Myc, determine the commitment in cell cycle and S phase entry. G1 cyclin-CDK activities are not the driver of cell cycle entry. Instead, they primarily tune the timing of E2F increase, thereby modulating the pace of cell cycle progression. [15]

Inhibitors Edit

Endogenous Edit

Two families of genes, the cip/kip (CDK interacting protein/Kinase inhibitory protein) family and the INK4a/ARF (Enhibitor of Kinase 4/Alternative Reading Frame) family, prevent the progression of the cell cycle. Because these genes are instrumental in prevention of tumor formation, they are known as tumor suppressors.

los cip/kip familia includes the genes p21, p27 and p57. They halt the cell cycle in G1 phase by binding to and inactivating cyclin-CDK complexes. p21 is activated by p53 (which, in turn, is triggered by DNA damage e.g. due to radiation). p27 is activated by Transforming Growth Factor β (TGF β), a growth inhibitor.

los INK4a/ARF family includes p16 INK4a , which binds to CDK4 and arrests the cell cycle in G1 phase, and p14 ARF which prevents p53 degradation.

Synthetic Edit

Synthetic inhibitors of Cdc25 could also be useful for the arrest of cell cycle and therefore be useful as antineoplastic and anticancer agents. [28]

Many human cancers possess the hyper-activated Cdk 4/6 activities. [29] Given the observations of cyclin D-Cdk 4/6 functions, inhibition of Cdk 4/6 should result in preventing a malignant tumor from proliferating. Consequently, scientists have tried to invent the synthetic Cdk4/6 inhibitor as Cdk4/6 has been characterized to be a therapeutic target for anti-tumor effectiveness. Three Cdk4/6 inhibitors - palbociclib, ribociclib, and abemaciclib - currently received FDA approval for clinical use to treat advanced-stage or metastatic, hormone-receptor-positive (HR-positive, HR+), HER2-negative (HER2-) breast cancer. [30] [31] For example, palbociclib is an orally active CDK4/6 inhibitor which has demonstrated improved outcomes for ER-positive/HER2-negative advanced breast cancer. The main side effect is neutropenia which can be managed by dose reduction. [32]

Cdk4/6 targeted therapy will only treat cancer types where Rb is expressed. Cancer cells with loss of Rb have primary resistance to Cdk4/6 inhibitors.

Transcriptional regulatory network Edit

Current evidence suggests that a semi-autonomous transcriptional network acts in concert with the CDK-cyclin machinery to regulate the cell cycle. Several gene expression studies in Saccharomyces cerevisiae have identified 800–1200 genes that change expression over the course of the cell cycle. [13] [33] [34] They are transcribed at high levels at specific points in the cell cycle, and remain at lower levels throughout the rest of the cycle. While the set of identified genes differs between studies due to the computational methods and criteria used to identify them, each study indicates that a large portion of yeast genes are temporally regulated. [35]

Many periodically expressed genes are driven by transcription factors that are also periodically expressed. One screen of single-gene knockouts identified 48 transcription factors (about 20% of all non-essential transcription factors) that show cell cycle progression defects. [36] Genome-wide studies using high throughput technologies have identified the transcription factors that bind to the promoters of yeast genes, and correlating these findings with temporal expression patterns have allowed the identification of transcription factors that drive phase-specific gene expression. [33] [37] The expression profiles of these transcription factors are driven by the transcription factors that peak in the prior phase, and computational models have shown that a CDK-autonomous network of these transcription factors is sufficient to produce steady-state oscillations in gene expression). [34] [38]

Experimental evidence also suggests that gene expression can oscillate with the period seen in dividing wild-type cells independently of the CDK machinery. Orlando et al. used microarrays to measure the expression of a set of 1,271 genes that they identified as periodic in both wild type cells and cells lacking all S-phase and mitotic cyclins (clb1,2,3,4,5,6). Of the 1,271 genes assayed, 882 continued to be expressed in the cyclin-deficient cells at the same time as in the wild type cells, despite the fact that the cyclin-deficient cells arrest at the border between G1 and S phase. However, 833 of the genes assayed changed behavior between the wild type and mutant cells, indicating that these genes are likely directly or indirectly regulated by the CDK-cyclin machinery. Some genes that continued to be expressed on time in the mutant cells were also expressed at different levels in the mutant and wild type cells. These findings suggest that while the transcriptional network may oscillate independently of the CDK-cyclin oscillator, they are coupled in a manner that requires both to ensure the proper timing of cell cycle events. [34] Other work indicates that phosphorylation, a post-translational modification, of cell cycle transcription factors by Cdk1 may alter the localization or activity of the transcription factors in order to tightly control timing of target genes. [36] [39] [40]

While oscillatory transcription plays a key role in the progression of the yeast cell cycle, the CDK-cyclin machinery operates independently in the early embryonic cell cycle. Before the midblastula transition, zygotic transcription does not occur and all needed proteins, such as the B-type cyclins, are translated from maternally loaded mRNA. [41]

DNA replication and DNA replication origin activity Edit

Analyses of synchronized cultures of Saccharomyces cerevisiae under conditions that prevent DNA replication initiation without delaying cell cycle progression showed that origin licensing decreases the expression of genes with origins near their 3' ends, revealing that downstream origins can regulate the expression of upstream genes. [42] This confirms previous predictions from mathematical modeling of a global causal coordination between DNA replication origin activity and mRNA expression, [43] [44] [45] and shows that mathematical modeling of DNA microarray data can be used to correctly predict previously unknown biological modes of regulation.

Cell cycle checkpoints are used by the cell to monitor and regulate the progress of the cell cycle. [46] Checkpoints prevent cell cycle progression at specific points, allowing verification of necessary phase processes and repair of DNA damage. The cell cannot proceed to the next phase until checkpoint requirements have been met. Checkpoints typically consist of a network of regulatory proteins that monitor and dictate the progression of the cell through the different stages of the cell cycle.

It is estimated that in normal human cells about 1% of single-strand DNA damages are converted to about 50 endogenous DNA double-strand breaks per cell per cell cycle. [47] Although such double-strand breaks are usually repaired with high fidelity, errors in their repair are considered to contribute significantly to the rate of cancer in humans. [47]

There are several checkpoints to ensure that damaged or incomplete DNA is not passed on to daughter cells. Three main checkpoints exist: the G1/S checkpoint, the G2/M checkpoint and the metaphase (mitotic) checkpoint. Another checkpoint is the Go checkpoint, in which the cells are checked for maturity. If the cells fail to pass this checkpoint by not being ready yet, they will be discarded from dividing.

GRAMO1/S transition is a rate-limiting step in the cell cycle and is also known as restriction point. [14] This is where the cell checks whether it has enough raw materials to fully replicate its DNA (nucleotide bases, DNA synthase, chromatin, etc.). An unhealthy or malnourished cell will get stuck at this checkpoint.

El g2/M checkpoint is where the cell ensures that it has enough cytoplasm and phospholipids for two daughter cells. But sometimes more importantly, it checks to see if it is the right time to replicate. There are some situations where many cells need to all replicate simultaneously (for example, a growing embryo should have a symmetric cell distribution until it reaches the mid-blastula transition). This is done by controlling the G2/M checkpoint.

The metaphase checkpoint is a fairly minor checkpoint, in that once a cell is in metaphase, it has committed to undergoing mitosis. However that's not to say it isn't important. In this checkpoint, the cell checks to ensure that the spindle has formed and that all of the chromosomes are aligned at the spindle equator before anaphase begins. [48]

While these are the three "main" checkpoints, not all cells have to pass through each of these checkpoints in this order to replicate. Many types of cancer are caused by mutations that allow the cells to speed through the various checkpoints or even skip them altogether. Going from S to M to S phase almost consecutively. Because these cells have lost their checkpoints, any DNA mutations that may have occurred are disregarded and passed on to the daughter cells. This is one reason why cancer cells have a tendency to exponentially accrue mutations. Aside from cancer cells, many fully differentiated cell types no longer replicate so they leave the cell cycle and stay in G0 until their death. Thus removing the need for cellular checkpoints. An alternative model of the cell cycle response to DNA damage has also been proposed, known as the postreplication checkpoint.

Checkpoint regulation plays an important role in an organism's development. In sexual reproduction, when egg fertilization occurs, when the sperm binds to the egg, it releases signalling factors that notify the egg that it has been fertilized. Among other things, this induces the now fertilized oocyte to return from its previously dormant, G0, state back into the cell cycle and on to mitotic replication and division.

p53 plays an important role in triggering the control mechanisms at both G1/S and G2/M checkpoints. In addition to p53, checkpoint regulators are being heavily researched for their roles in cancer growth and proliferation.

Pioneering work by Atsushi Miyawaki and coworkers developed the fluorescent ubiquitination-based cell cycle indicator (FUCCI), which enables fluorescence imaging of the cell cycle. Originally, a green fluorescent protein, mAG, was fused to hGem(1/110) and an orange fluorescent protein (mKO2) was fused to hCdt1(30/120). Note, these fusions are fragments that contain a nuclear localization signal and ubiquitination sites for degradation, but are not functional proteins. The green fluorescent protein is made during the S, G2, or M phase and degraded during the G0 o G1 phase, while the orange fluorescent protein is made during the G0 o G1 phase and destroyed during the S, G2, or M phase. [49] A far-red and near-infrared FUCCI was developed using a cyanobacteria-derived fluorescent protein (smURFP) and a bacteriophytochrome-derived fluorescent protein (movie found at this link). [50]

A disregulation of the cell cycle components may lead to tumor formation. [51] As mentioned above, when some genes like the cell cycle inhibitors, RB, p53 etc. mutate, they may cause the cell to multiply uncontrollably, forming a tumor. Although the duration of cell cycle in tumor cells is equal to or longer than that of normal cell cycle, the proportion of cells that are in active cell division (versus quiescent cells in G0 phase) in tumors is much higher than that in normal tissue. [ cita necesaria ] Thus there is a net increase in cell number as the number of cells that die by apoptosis or senescence remains the same.

The cells which are actively undergoing cell cycle are targeted in cancer therapy as the DNA is relatively exposed during cell division and hence susceptible to damage by drugs or radiation. This fact is made use of in cancer treatment by a process known as debulking, a significant mass of the tumor is removed which pushes a significant number of the remaining tumor cells from G0 to G1 phase (due to increased availability of nutrients, oxygen, growth factors etc.). Radiation or chemotherapy following the debulking procedure kills these cells which have newly entered the cell cycle. [14]

The fastest cycling mammalian cells in culture, crypt cells in the intestinal epithelium, have a cycle time as short as 9 to 10 hours. Stem cells in resting mouse skin may have a cycle time of more than 200 hours. Most of this difference is due to the varying length of G1, the most variable phase of the cycle. M and S do not vary much.

In general, cells are most radiosensitive in late M and G2 phases and most resistant in late S phase.

For cells with a longer cell cycle time and a significantly long G1 phase, there is a second peak of resistance late in G1.

The pattern of resistance and sensitivity correlates with the level of sulfhydryl compounds in the cell. Sulfhydryls are natural substances that protect cells from radiation damage and tend to be at their highest levels in S and at their lowest near mitosis.

Homologous recombination (HR) is an accurate process for repairing DNA double-strand breaks. HR is nearly absent in G1 phase, is most active in S phase, and declines in G2/M. [52] Non-homologous end joining, a less accurate and more mutagenic process for repairing double strand breaks, is active throughout the cell cycle.


Coupling of S Phase to M Phase

El g2 checkpoint prevents the initiation of mitosis prior to the completion of S phase, thereby ensuring that incompletely replicated DNA is not distributed to daughter cells. It is equally important to ensure that the genome is replicated only once per cell cycle. Thus, once DNA has been replicated, control mechanisms must exist to prevent initiation of a new S phase prior to mitosis. These controls prevent cells in G2 from reentering S phase and block the initiation of another round of DNA replication until after mitosis, at which point the cell has entered the G1 phase of the next cell cycle.

Initial insights into this dependence of S phase on M phase came from cell fusion experiments of Potu Rao and Robert Johnson in 1970 (Figure 14.10). These investigators isolated cells in different phases of the cycle and then fused these cells to each other to form cell hybrids. When G1 cells were fused with S phase cells, the G1 nucleus immediately began to synthesize DNA. Thus, the cytoplasm of S phase cells contained factors that initiated DNA synthesis in the G1 nucleus. Fusing G2 cells with S phase cells, however, yielded a quite different result: The G2 nucleus was unable to initiate DNA synthesis even in the presence of an S phase cytoplasm. It thus appeared that DNA synthesis in the G2 nucleus was prevented by a mechanism that blocked rereplication of the genome until after mitosis had taken place.

Figure 14.10

Cell fusion experiments demonstrating the dependence of S phase on M phase. Cells in S phase were fused either to cells in G1 or to cells in G2. When G1 cells were fused with S phase cells, the G1 nucleus immediately began to replicate DNA. In contrast, (more. )

The molecular mechanism that restricts DNA replication to once per cell cycle involves the action of a family of proteins (called MCM proteins) that bind to replication origins together with the origin replication complex (ORC) proteins (see Figure 5.17). The MCM proteins act as “licensing factors” that allow replication to initiate (Figure 14.11). Their binding to DNA is regulated during the cell cycle such that the MCM proteins are only able to bind to replication origins during G1, allowing DNA replication to initiate when the cell enters S phase. Once initiation has occurred, however, the MCM proteins are displaced from the origin, so replication cannot initiate again until the cell passes through mitosis and enters G1 phase of the next cell cycle.

Figure 14.11

Restriction of DNA replication. DNA replication is restricted to once per cell cycle by MCM proteins that bind to origins of replication together with ORC (origin replication complex) proteins and are required for the initiation of DNA replication. MCM (more. )

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