CICLO CELULAR E REGULAÇÃO 1) Descoberta de gene pode levar à pílula masculina Cientistas descobriram que um gene (Fkbp6) é crucial para a fertilidade masculina. A descoberta foi feita por acaso, quando estavam procurando pelas causas genéticas de doenças do coração. Eles criaram ratos geneticamente modificados para não ter o gene Fkbp6. Não há ligação entre o gene e as doenças do coração, mas descobriram que todas as células de espermatozoides nos ratos machos morreram, tornando-os completamente estéreis. Nas fêmeas, os ovócitos não foram afetados. Quando os cientistas estudaram células dos testículos dos ratos, descobriram que elas não tinham espermátides. A ausência do Fkbp6 foi identificada como a causa da infertilidade dos ratos. O Fkbp6 só atua em células de espermatozoide e não encontramos outros problemas em nossos ratos além da infertilidade masculina. Então é possível que o Fkbp6 seja o alvo perfeito para o desenvolvimento de uma pílula anticoncepcional masculina. afirmou Josef Penninger, professor de biópsia médica da Universidade de Toronto, no Canadá. A equipe canadense descobriu que o Fkbp6 é também crucial no processo de combinar cromossomos maternos e paternos. Essa combinação tem relação com a estrutura, posição e origem dos cromossomos. A ausência dessa combinação é uma das principais causas de abortos espontâneos em seres humanos. (Revista Science, 23/05/03, com adaptações). Com base nas informações e conhecimentos sobre divisão celular e gametogênese, responda ao que se pede. a) Quais são a fase e o tipo de divisão celular que estão implícitos no último parágrafo? Justifique sua resposta. Resposta: Prófase I da meiose. Está implícito que a combinação entre os cromossomos, relacionada à sua estrutura e posição, refere-se à homologia entre eles. b) Que período da espermatogênese deixa de ocorrer com a ausência do gene Fkbp6? Justifique sua resposta. Resposta: Período de maturação. Pois é nesse período que ocorrem as divisões meióticas que resultarão na formação das espermátides. Se o aluno que responder período de diferenciação, pois nas fêmeas os ovócitos não foram afetados (e somente ocorre diferenciação nos machos) também terá o total dos pontos. 2) Ao analisar o cariótipo de células obtidas de uma criança com síndrome de Down, observou-se que 70% das células apresentavam 47 cromossomos, por exibirem a trissomia do cromossomo 21, e que 30% das células apresentavam um cariótipo normal, ou seja, 46 cromossomos, sem trissomia do 21. Baseando-se no contexto e em conhecimentos sobre ciclo celular e sua regulação, responda ao que se pede. a) O fenômeno de não-disjunção do par de cromossomos 21 ocorreu antes ou depois da formação do zigoto. Justifique sua resposta para validar o item. Resposta: A não-disjunção foi pós-zigótica, decorrente de uma divisão mitótica anômala. Se a não-disjunção tivesse ocorrido antes da fecundação, o cariótipo anormal seria detectado em todas as células pesquisadas. b) Que ponto de checagem do ciclo celular falhou ao permitir a replicação de células com não-disjunção do par de cromossomos 21? Justifique sua resposta. Resposta: Ponto de checagem do fuso mitótico ou de transição metáfase/anáfase, pois é este ponto de checagem que monitora a ligação dos cromossomos aos microtúbulos do fuso. c) Que eventos moleculares relacionados à regulação do ciclo celular estariam envolvidos na transição entre a etapa onde ocorreu a não-disjunção do par de cromossomos 21 e a etapa anterior da divisão celular em questão? Resposta: Na transição entre metáfase e anáfase, os seguintes eventos moleculares relacionados à regulação do ciclo celular ocorrem: - os cinetócoros não ligados aos microtúbulos ou com ligação instável sinalizam para a ativação do mecanismo de checagem do fuso mitótico. - ocorre ubiquitinação das ciclinas mitóticas pelo complexo APC (Complexo Promotor da Anáfase) com consequente inativação do complexo MPF (Fator Promotor da Fase M). - ocorre ubiquitinação de securinas, proteínas que ligadas a proteases denominadas separases, para que ocorra a separação das cromátides-irmãs.
3) Atualmente, os biólogos estão apenas começando a entender os mecanismos que controlam o ciclo celular, em que a célula passa por vários estágios definidos. Sobre ciclo celular e assuntos correlatos, julgue os itens. V (01) A duração do ciclo celular varia em função das condições fisiológicas da célula, entre os organismos e entre diferentes estágios do desenvolvimento de um mesmo indivíduo, mas em geral a interfase é o período mais demorado, em função da atividade metabólica intensa. F (02) Células terminalmente diferenciadas, como as do fígado, permanecem indefinidamente no período G 0 mas no caso de perda celular por lesão, podem sair da fase de competência e entrar na fase de quiescência, reiniciando o ciclo. V (03) A metilação do DNA e a modificação das histonas são exemplos de controle epigenético do ciclo celular, uma vez que não envolvem mudanças na sequência do DNA e podem persistir por uma ou mais gerações. V (04) O controle genético do ciclo celular envolve a expressão de proto-oncogenes e de genes de supressão tumoral, e também a indução do sistema de reparo do DNA. F (05) Apesar de estarem relacionados à indução de proliferação celular, os proto-oncogenes codificam proteínas que suprimem a proliferação em caso de anormalidades no ciclo celular. F (06) Herdar uma cópia mutante de qualquer gene de supressão tumoral resultaria em proliferação celular descontrolada, uma vez que tais genes têm efeito genético dominante. F (07) Em qualquer fase do ciclo celular, os pontos de checagem, necessários para a progressão do ciclo, requerem a ativação de proteínas conhecidas como fatores de crescimento. F (08) Os fatores de crescimento estimulam as células que se encontram em G 0 a entrarem em G 1 e iniciarem o ciclo celular. Neste caso, o estímulo será igual para todas as células, pois tal estímulo não depende da presença de receptores específicos. V (09) As ciclinas e as quinases dependentes de ciclina (Cdks) desempenham papel fundamental no controle positivo do ciclo celular, pois iniciam uma cascata de fosforilação em cadeia que irá culminar na ativação de fatores de transcrição nucleares e na síntese de DNA. V (10) As proteínas inibidoras de Cdks (CdkIs) funcionam como supressores tumorais, uma vez que controlam a transição entre as fases do ciclo celular, bloqueando a progressão do ciclo celular quando em condições inadequadas ou excesso de estimulação. F (11) Os erros de não-disjunção cromossômica, relacionados às aneuploidias, geralmente ocorrem quando a célula ultrapassa o ponto de checagem G 2 /M sem que mutações no DNA tenham sido reparadas. 4) Dê as diferenças entre mitose e meiose, salientando a estrutura e comportamento dos cromossomos ao longo destes processos. Resposta: A mitose é um processo de divisão celular equacional, ou seja, a duplicação do DNA antecede apenas uma divisão celular (uma divisão nuclear e uma divisão citoplasmática por ciclo) e cada cromossomo-irmão (ou cromossomofilho) irá para uma célula-filha. No final do processo, serão formadas duas células-filhas geneticamente iguais entre si e a célula-mãe. Já a meiose é um processo de divisão celular reducional, ou seja, reduz à metade o número de cromossomos das células-filhas em relação à célula mãe. A duplicação do DNA antecede duas divisões celulares consecutivas, onde a primeira é reducional e a segunda, equacional. Na prófase da meiose ocorrem eventos que não são observados na mitose, como o pareamento dos cromossomos homólogos (sinapse) e a troca de partes entre cromossomos homólogos (permutação ou crossing-over); na metáfase I da meiose, os cromossomos que estão na região central da célula encontram-se duplicados e pareados com seus homólogos, formando tétrades, enquanto na mitose os cromossomos homólogos não estão necessariamente próximos uns dos outros; na anáfase I da meiose ocorre separação de cromossomos homólogos, o que nunca é observado na mitose, pois na anáfase mitótica o que ocorre é a separação de cromátides-irmãs. O final do processo meiótico resulta em 4 células geneticamente diferentes entre si (diferentes em relação à informação gênica e ao número de cromossomos - cada uma tem metade do número da célula mãe). 5) Na figura abaixo, que células, dentre as numeradas de 1 a 5, correspondem à interfase, metáfase e anáfase do ciclo celular? Justifique sua resposta, considerando as informações fornecidas pela figura.
Resposta: Interfase: células 5: limite nuclear nítido; cromatina descondensada. Metáfase: células 2: cromossomos dispostos na região equatorial da célula; filamentos de cromatina condensados formando cromossomos; sem nucléolo. Anáfase: células 4: dois grupos de cromossomos migrando para os polos da célula. 6) Geralmente, células de mamíferos são cultivadas em placas de cultura de tecido para o estudo de suas propriedades de crescimento. Considerando a regulação do ciclo celular, responda: a) Se uma população assíncrona de fibroblastos é colocada em uma placa com meio, mas sem soro, em qual fase(s) do ciclo celular os fibroblastos poderiam estar inicialmente? Resposta: Todas as fases do ciclo celular poderiam ser representadas. b) Em qual fase(s) do ciclo celular essas células estariam após 48 horas? Resposta: As células estariam todas em G0. c) Após 48 horas, você substitui o meio das células por outro contendo soro. Se o soro adicionado possui somente um fator de crescimento epidérmico (EGF), e as células possuem somente receptores de fator de crescimento derivado de plaquetas em sua superfície, o crescimento será estimulado? Explique sua resposta. Resposta: Não. O receptor PDGF das células não reconhecerá o EGF como um ligando. 7) A proteína do retinoblastoma (prb) regula negativamente o fator de transcrição E2F. Quando a prb se liga ao E2F, este não pode mais iniciar a transcrição dos genes requeridos para a transição de G1 para a fase S. Isso ajuda a assegurar que a replicação do DNA ocorra no momento correto. Alguns indivíduos são propensos à doença familiar retinoblastoma, pois herdaram uma cópia mutante do gene, o que resulta em uma prb que não pode se ligar ao E2F. Sobre o tema, responda: a) Herdar uma cópia mutante do gene RB resultaria em que efeito sobre a progressão do ciclo celular? Justifique para validar o item. Resposta: Enquanto a célula possuir um gene RB normal e a prb funcional resultante, o ciclo celular prosseguirá normalmente. b) Qual seria o efeito dessa deficiência sobre o risco de desenvolvimento do câncer? Resposta: O risco de desenvolvimento do câncer aumentaria. c) A proteína prb é regulada pela modificação covalente. A fosforilação da proteína impede sua associação com o E2F. Durante qual fase do ciclo celular ocorre a primeira fosforilação da prb? Qual é o efeito da fosforilação da prb sobre a progressão do ciclo celular? Resposta: A prb é fosforilada primeiramente no fim do estágio G1. A fosforilação da prb libera o fator de transcrição E2F que inicia a transcrição dos genes cujas proteínas são necessárias para a fase S. Isso permite que a célula continue se desenvolvendo além do ponto de restrição até concluir seu ciclo. d) Após a conclusão da fase S, a função do E2F não é mais necessária. A prb deve ser desfosforilada de modo que possa se ligar novamente ao E2F. Qual é o tipo de enzima responsável pela remoção dos grupos de fosfato das proteínas?
Resposta: As fosfatases removem os grupos de fosfato. 8) Um estudante elaborou as seguintes anotações sobre os processos de divisão celular mitose e meiose: Com o objetivo de melhorar as informações contidas no esquema acima, poder-se-ia acrescentar o(s) seguinte(s) item(s). Julgue os itens e coloque a soma dos itens corretos no espaço apropriado abaixo. F (01) G1, S e G2 referem-se à duplicação do DNA, estando esse evento restrito ao período G2, que antecede a divisão propriamente dita. F (02) as cromátides-irmãs de cada cromossomo são levadas para polos opostos da célula durante a anáfase da mitose e a anáfase I da meiose. V (04) na anáfase I da meiose, ocorre a separação dos cromossomos homólogos, sem que haja duplicação dos centrômeros. F (08) na meiose, as cromátides-irmãs de cada cromossomo são mantidas unidas até a anáfase I. SOMA = 4 9) Geralmente, o número diploide de cromossomos de qualquer organismo é indicado como 2n. Os gametas humanos, que são haploides, possuem um número de cromossomos n. Muitas vezes, os cientistas podem determinar em que fase do ciclo celular está uma determinada célula, com base no número de cromossomos. Considerando uma célula somática, para cada fase do ciclo celular, determine o número de cromossomos (ou a faixa de possíveis números de cromossomos) que você espera encontrar. a) G0: 2n b) G1: 2n c) Início de S: 2n d) final de S: 4n (ou 2n duplicados) e) G2: 4n (ou 2n duplicados) f) Início de M: 4n (ou 2n duplicados) g) Final de M: 2n 10) Os esquemas A, B e C abaixo representam fases do ciclo de uma célula que possui 2n = 4 cromossomos. a) A que fases correspondem as figuras A, B e C? Justifique. Resposta: A representa a metáfase mitótica, visto que todos os cromossomos (2n=4) encontram-se alinhados na região equatorial da célula, sem haver pareamento de cromossomos homólogos. B representa a metáfase II da meiose, pois a célula ainda se encontra com os cromossomos duplicados, porém com número haploide de cromossomos (n=2) alinhados na região equatorial da célula. C representa a metáfase I da meiose, pois a célula ainda tem 2n cromossomos e está havendo pareamento dos cromossomos homólogos na região equatorial da célula. b) Que eventos moleculares relacionados à regulação do ciclo celular estariam envolvidos na transição entre a etapa representada na figura A e a próxima etapa da divisão celular?
Resposta: Na transição entre metáfase e anáfase, os seguintes eventos moleculares relacionados à regulação do ciclo celular ocorrem: - os cinetócoros não ligados aos microtúbulos ou com ligação instável sinalizam para a ativação do mecanismo de checagem do fuso mitótico. - ocorre ubiquitinação das ciclinas mitóticas pelo complexo APC (Complexo Promotor da Anáfase) com consequente inativação do complexo MPF (Fator Promotor da Fase M). - ocorre ubiquitinação de securinas, proteínas que ligadas a proteases denominadas separases, para que ocorra a separação das cromátides-irmãs. c) Qual é a função da estrutura cromossômica indicada pela seta da figura D nas fases indicadas em A, B e C? Resposta: Proteínas especializadas presentes no núcleo organizam-se no centrômero (seta) de cada cromátide-irmã formando um complexo proteico chamado cinetócoro, o qual permite que os microtúbulos do fuso tenham acesso aos cromossomos e os desloquem para a região equatorial da célula (microtúbulos cinetocóricos direcionam os cromossomos para a região equatorial da célula). 11) Existem vários meios pelos quais um vírus pode transformar uma célula normal em uma célula cancerosa. Em 1911, um fazendeiro de Nova York trouxe seu frango premiado para um cientista chamado Peyton Rous, pois o animal havia desenvolvido um tumor. Rous foi capaz de determinar que um vírus era a causa do tumor. Em sua homenagem, esse vírus ficou conhecido como vírus do sarcoma de Rous (RSV). O RSV é idêntico a um retrovírus não-tumorigênico chamado vírus da leucose aviária, exceto pelo fato de que o RSV possui um gene adicional, o src viral ou v-src, que codifica uma proteína quinase potente e hiperativa, capaz de fosforilar (adicionar um grupo fosfato) qualquer proteína a sua volta. Ligando outras quinases, que por sua vez ligam outras quinases e assim por diante, a série de proteínas ativadas pelo src acaba incidindo sobre proteínas que controlam a divisão celular. O sinal é amplificado a cada fase da reação em cadeia, até que muitos interruptores moleculares sejam ativados. A confluência de tantos interruptores ativados produz um poderoso sinal interno para que a célula mude de estado, passando de célula que não se divide a célula que se divide. Isto provoca, em última instância, uma mitose acelerada, marca distintiva do câncer. Mediante conhecimentos sobre a regulação do ciclo celular e sabendo-se que as células normais (inclusive as humanas) possuem em seu genoma uma versão homóloga quase idêntica à do gene scr viral, onde a única diferença é a presença de uma mutação no scr viral que afeta drasticamente a função da proteína quinase celular, que se torna hiperativa, responda: a) O scr celular (normal) atua como um proto-oncogene ou um gene supressor de tumor? Explique. Resposta: proto-oncogene, pois induz à proliferação celular (se fosse um gene de supressão tumoral inibiria a proliferação celular). ou proto-oncogene, pois a mutação o transforma em oncogene que conduz à multiplicação celular excessiva. ou proto-oncogene, pois o fenótipo associado ao gene mutante é dominante, isto é, uma única cópia do gene mutado é suficiente para induzir a proliferação celular excessiva (mitose acelerada). b) O trecho grifado no texto se refere principalmente a uma proteína de supressão tumoral que funciona como reguladora-chave do ciclo celular, por controlar os pontos de checagem G1/S e G2/M; ao ser fosforilada, permite a progressão do ciclo. Qual o nome desta proteína? Resposta: proteína Rb (proteína do retinoblastoma ou prb). c) Na frase A confluência de tantos interruptores ativados produz um poderoso sinal interno para que a célula mude de estado, passando de célula que não se divide a célula que se divide, está implícito que a célula saiu de um estágio de quiescência e passou por um ponto crítico do ciclo celular, a partir do qual está comprometida a prosseguir até o final da divisão, mesmo na ausência de estímulos adicionais. c.1) Qual é o estágio do ciclo celular denominado de quiescência? O que caracteriza uma célula mantida neste estágio? Resposta: G 0. Neste estágio do ciclo celular as células adultas maduras permanecem metabolicamente ativas, mas não se dividem. c.2) Qual o nome dado a este ponto crítico do ciclo celular, o qual ao ser ultrapassado pela célula, esta estará comprometida a prosseguir até o final da divisão, mesmo na ausência de estímulos adicionais? Em que ponto de checagem do ciclo celular ele se encontra? Resposta: Ponto de restrição. Ponto de checagem transição G1/S ou ponto de checagem de dano do DNA. 12) As partículas de retrovírus possuem genomas (+)ssrna, mas após o retrovírus infectar uma célula, seu genoma é convertido para DNA, podendo se integrar a um dos cromossomos da célula hospedeira. A localização desse ponto de inserção é aleatória, mas pode ter efeitos importantes sobre a célula hospedeira.
a) Se o retrovírus se integrar no meio do quadro de leitura de um proto-oncogene, inativando-o, devemos esperar um aumento ou uma diminuição do risco de desenvolvimento de tumor? Justifique. Resposta: Devemos esperar uma diminuição do risco de desenvolvimento de tumor, pois um gene que possibilita o crescimento foi inativado. b) Se o retrovírus se integrar no meio do quadro de leitura de um gene supressor de tumor, inativando-o, devemos esperar um aumento ou uma diminuição do risco de desenvolvimento de tumor? Justifique. Resposta: Devemos esperar um aumento do risco de desenvolvimento de tumor, pois um gene supressor de tumor foi inativado. 13) Os cânceres são doenças do material genético de nossas células e decorrem do acúmulo progressivo de mutações. Estas fazem com que células que antes executavam um programa bem definido, associado às suas funções em seu tecido de origem, cresçam de maneira descontrolada. Esse crescimento alterado é consequência não só da duplicação celular desordenada, mas também da progressiva resistência à morte celular (como se as células tivessem bebido o elixir da vida eterna ). Sobre o ciclo celular, sua regulação e o câncer, julgue os itens a seguir marcando V para os verdadeiros e F para os falsos. Justifique os itens falsos. F (1) Pode-se inferir do texto que todo câncer é hereditário. (pode-se inferir do texto que o câncer é de natureza genética; para ser hereditário teria as mutações teriam que atingir as células germinativas) F (2) O crescimento celular desordenado é favorecido pela expressão dos genes de supressão tumoral. (oncogenes) F (3) A duplicação celular desordenada e a progressiva resistência à morte celular são pertinentes, respectivamente, com a expressão de protooncogenes e a ativação da telomerase. (oncogenes) F (4) O controle da proliferação celular em detrimento da diferenciação é uma característica do fenótipo maligno. (o controle da proliferação celular evita o desenvolvimento de neoplasias e, consequentemente, do fenótipo maligno) V (5) Os oncogenes codificam proteínas capazes de induzir a transformação celular.