VII. SISTEMAS MIXTOS: MOVIMIENTO GENERADO POR MICROT�BULOS Y MICROFILAMENTOS
LA DIVISI�N celular se inicia con el proceso llamado mitosis,
en el cual los cromosomas, duplicados, se separan y reparten en dos nuevos n�cleos.
La separaci�n de los cromosomas es seguida por la divisi�n del resto del citoplasma
o citocinesis. Cada c�lula hija tendr� entonces la informaci�n suficiente para
crecer y dividirse, a fin de continuar el proceso de proliferaci�n. Por muchos
a�os los bi�logos han estudiado la mitosis, describiendo desde hace m�s de 100
a�os las diferentes figuras producidas al interaccionar los cromosomas con estructuras
fibrosas y formar lo que se llama el huso acrom�tico o aparato mit�tico (Figura
VII. 1). Este huso, llamado as� por su parecido a un huso de hilandera, cambia
de longitud, grosor, etc., durante la mitosis, y es sobre sus fibras en donde
los cromosomas parecen moverse para iniciar su segregaci�n a lo que m�s tarde
ser�n las c�lulas hijas. Aunque la descripci�n detallada de la mitosis se hizo
hace muchos a�os, estas observaciones se limitaron a c�lulas fijadas, de modo
que reflejaban momentos de lo que realmente es un proceso din�mico y continuo.
Por otro lado, la caracterizaci�n bioqu�mica de las diversas estructuras participantes
en el proceso se logr� apenas recientemente, de modo que hasta la fecha todav�a
hay muchas inc�gnitas en relaci�n con la mitosis.
Figura VII. 1. Fotograf�a de los primeros aparatos mit�ticos aislados por
D. Mazia y K. Dan. Los �steres, el huso y los cromosomas en la placa ecuatorial
son claramente distinguibles. (Fotograf�a cortes�a de D. Mazia).
Si consideramos el huso acrom�tico como una m�quina que mueve a los cromosomas debemos estudiar c�mo est� la m�quina ensamblada para entender su funcionamiento. Empezaremos por analizar esta estructura. El huso no es algo permanente en las c�lulas. Se observa solamente durante la mitosis y se ensambla a partir de microt�bulos que a su vez, como vimos en cap�tulos anteriores, son polimerizados de las subunidades de tubulina. Una vez realizada la mitosis, los microt�bulos desaparecen para volverse a estructurar cuando la c�lula est� lista para dividirse de nuevo. En algunas c�lulas, como las de un embri�n, puede haber una divisi�n celular cada 10 ó 15 minutos. En otras, como las neuronas y los reticulocitos, que han llegado a un estado completamente diferenciado, no hay divisiones celulares (por lo menos en situaciones regulares, aunque experimentalmente �stas se logran inducir). En c�lulas en crecimiento activo la divisi�n celular se efect�a, aproximadamente, cada 24-48 horas y el proceso dura como una hora y media.
Como se vio en cap�tulos previos, los microt�bulos est�n formados por las tubulinas
(a y b) que al polimerizarse
forman una estructura con polaridad, esto es, con extremos asim�tricos en donde
el ensamble y desensamble de subunidades procede con diferente cin�tica. Podr�amos
imaginar que un microt�bulo es una flecha formada a su vez por flechas peque�as,
todas alineadas con la punta orientada en la misma direcci�n y que por estas
caracter�sticas muestra propiedades diferentes en las puntas de la flecha o
en las colas. Se sabe actualmente que los microt�bulos del huso est�n orientados
con el extremo que crece m�s aprisa, llamado positivo, hacia el lado contrario
de donde est� la estructura del huso llamada centrosoma (Figura VII. 2). Estas
propiedades facilitan la interacci�n diferencial con otras mol�culas que se
asocian a los microt�bulos durante la mitosis, y que son capaces de transformar
energ�a qu�mica en movimiento, as� como facilitar tanto la polimerizaci�n-despolimerizaci�n
de los microt�bulos como la uni�n de �stos a los cromosomas.
Figura VII. 2. Esquema del aparato mit�tico. Las cabezas de flecha indican
la direcci�n en la que crecen los microt�bulos, que tienen como centros organizadores
a los �steres.
Los centrosomas son otro elemento importante del huso. Estos se forman al inicio
de la mitosis a partir de un organelo formado por microt�bulos que existe permanentemente
en la c�lula, que es el centriolo. Cuando una c�lula va a dividirse este centriolo
se duplica, acci�n que se da, generalmente, cuando los cromosomas se est�n replicando
(Figura. VII. 3), y cada uno de ellos se mueve en el citoplasma para colocarse
en extremos opuestos, entre los cuales se formar� el eje del huso acrom�tico.
Alrededor de los centriolos, que realmente son centros organizadores de microt�bulos,
radian los microt�bulos del huso y aquellos que forman el centrosoma (Figura
I.1).
Figura VII. 3. Micrograf�a que muestra la organizaci�n de los microt�bulos
en los centriolos en una c�lula del oviducto de rata. En el corte transversal
(flecha) se puede apreciar el arreglo de �stos como nueve pares de tripletes.
(Fotograf�a cortes�a de E. Dirksen).
Aunque los cromosomas no son propiamente parte del huso, cada crom�tida (una
de las dos partes que forma a un cromosoma mit�tico) tiene una regi�n enriquecida
en prote�nas que se conoce como el cinetocoro (Figura VII. 4). Esta regi�n es
el punto de contacto entre los microt�bulos del huso y los cromosomas, y lo
que permite que cada crom�tida se mueva por separado y se distribuya adecuadamente
a los nuevos n�cleos.
Figura VII.4. Micrograf�a que muestra los microt�bulos del huso cuando hacen
contacto con la regi�n del cinetocoro (cabezas de flecha) en los cromosomas.(Fotograf�a
cortes�a de J. Pickett-Heaps).
T�picamente hay entre 15 y 35 microt�bulos uniendo a un cinetocoro con el centrosoma, aunque no todos los microt�bulos del huso llegan a los cinetocoros. Hay microt�bulos que se extienden de un centrosoma al otro y de los cuales depende la longitud del huso y otros m�s cortos que est�n interdigitados entre los microt�bulos m�s largos. Hace algunos a�os B. Nicklas, en la Universidad de Carolina del Norte, demostr� que si se rompe la uni�n entre los microt�bulos y los cinetocoros, las crom�tidas no pueden moverse, produci�ndose una distribuci�n anormal de los cromosomas. Estos experimentos hechos con un rayo l�ser, que rompe la uni�n microt�bulo- cinetocoro, demostraron tambi�n que el cinetocoro tiene polaridad y que su interacci�n con los microt�bulos de uno u otro centrosoma depender� de su orientaci�n. Esta especificidad garantiza que solamente una de las crom�tidas se mueva hacia cada lado del huso, asegurando la distribuci�n adecuada del material gen�tico.
�C�mo es entonces que estas estructuras logran el movimiento de los cromosomas?
Tratemos de integrar datos nuevos en la descripci�n cl�sica de la mitosis (figuras
VII. 5 y VII.6). Una vez que los cromosomas se han duplicado, cada uno de ellos
se mantiene unido, formado por dos crom�tidas. El centriolo se ha duplicado
tambi�n al organizarse como centrosoma y dirige la polimerizaci�n de microt�bulos
a su alrededor. Algunos de estos microt�bulos interaccionan con las crom�tidas
a trav�s del cintocoro. A esta etapa se le llama prometafase. El cromosoma que
aun consiste de dos crom�tidas, unido a uno o varios micr�t�bulos, empieza a
moverse hacia el centrosoma del cual provienen los microt�bulos con los que
ha interaccionado. Esto se puede deber al acortamiento de los microt�bulos en
la base o a la interacci�n de una prote�na espec�fica en el cinetocoro con el
microt�bulo, que estar�a inerte. El desplazamiento de un cromosoma duplicado
hacia un extremo se interrumpe cuando microt�bulos provenientes del centrosoma
situado en el extremo opuesto interaccionan con la otra crom�tida y hay entonces
una fuerza que tira en el otro sentido. Este tirar en direcciones opuestas mueve
a los cromosomas a la zona ecuatorial del huso, dando por resultado la figura
llamada metafase. Es determinante la colocaci�n de los cromosomas en el ecuador,
mediante su conexi�n con microt�bulos provenientes de los dos centrosomas, y
la mitosis prosigue s�lo hasta que esto se ha logrado. En este momento las crom�tidas
todav�a est�n unidas entre s� y se desplazan hacia el centrosoma de donde provienen
los microt�bulos, con los cuales interaccionan. Se ha propuesto que el desplazamiento
de una crom�tida hacia el centrosoma se hace por despolimerizaci�n de los microt�bulos
en sitio de uni�n con el cinetocoro, el cual practicamente se ir�a deteniendo
del extremo del t�bulo que es cada vez m�s corto por la despolimerizaci�n progresiva
en ese polo. La crom�tida se acercar�a al centrosoma dando como resultado el
movimiento descrito en la anafase A.
Figura VII. 5. Esquema de la mitosis.
Por otro lado podr�a haber un componente con caracter�sticas el�sticas, no
descrito todav�a, que se uniera al cinetocoro y moviera a la cromátida,
utilizando a los microt�bulos como las v�as de un tren. Este movimiento se har�a
junto con la despolimerizaci�n los microt�bulos al nivel del cinetocoro. De
hecho se ha demostrado la presencia de actina y miosina en el huso acrom�tico,
mediante el empleo de anticuerpos fluorescentes para visualizar a estas prote�nas.
Sin embargo, a�n no es posible concluir si estas prote�nas podr�an ser los elementos
el�sticos en el movimiento de cromosomas.
Figura VII. 6. Fotograf�as por microscopia de inmunofluorescencia en donde
se aprecian las fases de la mitosis esquematizadas en la figura VII. 5. Los
microt�bulos se ven decorados por un anticuerpo espec�fico para tubulina, y
los cromosomas se muestran marcados con un indicador tambi�n fluorescente que
se une especificamente al ADN. a) Profase; b) placa
ecuatorial en la metafase: c) anafase; d) telofase, en donde pueden
verse los restos del cuerpo medio. (Fotograf�a cortes�a de B. Brinkley).
En la anafase B los microt�bulos del huso que no est�n unidos a cinetocoros
crecen en su extremo positivo e interdigitan entre s� y se establecen puentes
laterales que forman otras prote�nas asociadas a ellos. A trav�s de estos puentes
los microt�bulos se repelen y se deslizan en direcciones contrarias, haciendo
que el huso en su conjunto se alargue, coadyuvando a la separaci�n de las crom�tidas.
Una de las prote�nas identificadas como formadoras de puentes entre microt�bulos
es la cinesina. Este movimiento de microt�bulos que resulta del alargamiento
del huso puede hacerse en el laboratorio con husos aislados de varios tipos
de c�lulas. A mediados de los ochenta W. Zacheus Cande y sus colegas de la Universidad
de California, en Berkeley, aislaron husos acrom�ticos de c�lulas de algas diatomeas,
en presencia de ATP (el generador de energ�a), e investigaron el
movimiento de cromosomas en anafase. Encontraron que el movimiento depend�a
de la fosforilaci�n de prote�nas unidas al huso y de la polimerizaci�n de los
micrcot�bulos en su extremo positivo. Esta elongaci�n de microt�bulos ocurre
al mismo tiempo que el acortamiento de aquellos que directamente interaccionan
con los cinetocoros. �C�mo es posible entonces tener procesos diferentes y antag�nicos
al mismo tiempo? Una posible explicaci�n es que los dos tipos de microt�bulos
est�n inmersos en diferentes microambientes. Los que interdigitan est�n realmente
inmersos en la matriz citopl�smica, en donde pueden interaccionar con otras
mol�culas y estabilizarse, de modo que pueden crecer cuando esto sea necesario.
Aquellos que interaccionan con los cinetocoros est�n, a su vez, interaccionando
con otro ambiente y dependen de otros mecanismos de control. Se sabe que el
calcio y las prote�nas reguladoras de los niveles de Ca2+, como la
calmodulina, tienen un papel importante en el proceso de mitosis. Se ha encontrado
que las ves�culas que almacenan calcio se concentran en las inmediaciones del
huso acrom�tico y que hay, asimismo, por lo menos dos enzimas con actividad
hidrol�tica sobre el ATP que son estimuladas por calcio.
Finalmente, una vez que las crom�tidas llegan al extremo en que est� el centrosoma,
durante la telofase, los microt�bulos que formaban el huso empiezan a despolimerizarse,
quedando un remanente de t�bulos en la parte central de la c�lula que conecta
a los dos n�cleos que ya han empezado a reestructurarse. La divisi�n del citoplasma
o citocinesis, que dar� como resultado dos c�lulas hijas, empieza en la telofase
y se lleva a cabo por la estructuraci�n de un anillo de constricci�n formado
por filamentos de actina y miosina en la parte media de la c�lula en mitosis.
Este anillo se forma a 90° del eje del huso acrom�tico por polimerizaci�n
de mon�meros de actina. La acci�n contr�ctil de los filamentos de actina y miosina
que se asocia a ellos constri�e al citoplasma y acaba por dividirlo (Figura
VII. 7). El anillo contr�ctil es una peque�a m�quina que requiere de ATP
para hacer trabajo y puede estabilizarse y aislarse de las c�lulas. La formaci�n
y contracci�n del anillo puede impedirse con drogas, como las citocalasinas,
que impiden la polimerizaci�n de la actina.
Figura VII.7. C�lulas en citocinesis. A) Microscopia de contraste de fases;
B) diagrama del anillo de constricci�n. M = microt�bulos, c = cromosomas,
m= miosina, a= actina.
La membrana nuclear, que en la mayor�a de las c�lulas se desestructura en la prometafase, se reorganiza en la etapa final de la telofase, alrededor de los cromosomas, para formar el nuevo n�cleo. En los eucariones inferiores es com�n que la mitosis se lleve a cabo sin que la membrana nuclear se altere y que el huso acrom�tico se organice con los �steres en el citoplasma y las fibras del huso atravesando la membrana nuclear. En estos casos la mitosis no es muy t�pica y las fases no est�n bien definidas, pero b�sicamente el proceso debe depender de factores similares a aquellos que se presentan en una mitosis t�pica.
Se han podido contestar varias preguntas acerca de la mitosis, estudiando qu� sucede cuando se altera el movimiento o la posici�n o formaci�n de los centrosomas.
En relaci�n al primer caso se han utilizado drogas, como la colchicina, vinblastina y la griseofulvina. Estos alcaloides, al unirse al d�mero de tubulina, impiden que se a�ada al extremo de los microt�bulos que est�n creciendo, de modo que se interrumpe el equilibrio din�mico de polimerizaci�n de los microt�bulos. Al a�adir este tipo de drogas a c�lulas en proliferaci�n se detiene el proceso de la mitosis en metafase, de modo que los cromosomas quedan colocados en la placa ecuatorial, de donde no pueden proseguir a la separaci�n de las crom�tidas. Otras drogas, como el taxol, estabilizan a los microt�bulos ya formados y �stos no pueden despolimerizarse de nuevo, rompiendo el equilibrio din�mico entre pol�mero- d�mero y teniendo como resultado la detenci�n del proceso de mitosis.
La inestabilidad de los microt�bulos del aparato mit�tico, requisito indispensable
para el movimiento por otro lado, impidi� por mucho tiempo que esta maquinita
y sus componentes pudieran ser aislados y caracterizados. Fue en 1953 que D.
Mazia y K. Dan aislaron los primeros aparatos mit�ticos de huevos de erizos
de mar que hab�an sido fertilizados in vitro. En estas c�lulas las mitosis
son sincr�nicas una vez que empieza la divisi�n celular que da origen al embri�n.
Estos investigadores pudieron aislar, en condiciones de estabilizaci�n de los
microt�bulos, un gran n�mero de aparatos mit�ticos y hacer su caracterizaci�n
bioqu�mica. M�s tarde se estableci� que los microt�bulos del aparato mit�tico,
como otros microt�bulos citopl�smicos, est�n formados por las tubulinas a
y b. En el grupo de investigaci�n del doctor Mazia
se caracterizaron inicialmente a las tubulinas que forman a �stos y otros tipos
de microt�bulos y se hicieron los experimentos que mostraron que el centriolo
es el organizador de los centrosomas y de los microt�bulos que radian a partir
de estas estructuras. Experimentalmente se pudo inducir la formaci�n de m�ltiples
�steres, fertilizando a los huevos de erizo de mar con varios espermatozoides,
cada uno de los cuales penetra al huevo con un centriolo, capaz de organizar
un �ster y producir as� un gran n�mero de aparatos mit�ticos (Figura VII.8).
Estas c�lulas no pueden continuar la mitosis por el caos que se produce al haber
tantos centros directrices del mismo proceso.
Figura VII.8. Múltiples �steres en un huevo de erizo de mar producidos
por la fertilizaci�n con varios espermatozoides (polisperma). Los microt�bulos
que se originan de cada �ster se identificaron al ser decorados por un anticuerpo
espec�fico para tubulina. (Fotograf�a cortes�a de G. y H. Schatten).
Recientemente se han identificado varias prote�nas que podr�an actuar como
motores moviendo a los cromosomas sobre los microt�bulos y que parecer�an tener
un papel similar a la prote�na cinesina mencionada en otro cap�tulo como un
motor celular. Esta prote�na permite que los microt�bulos se desplacen unos
en relaci�n con otros y muevan gr�nulos de pigmento o ves�culas a lo largo de
una c�lula. El desplazamiento de los microt�bulos en el huso acrom�tico se puede
llevar a cabo en form� similar (Figura VII. 9). El arreglo de los microt�bulos
en forma de huso, su regreso a microt�bulos dispersos en la interfase, la reorganizaci�n
de la membrana nuclear durante la mitosis, la condensaci�n y descondensaci�n
de los cromosomas y la formaci�n del anillo de constricci�n, son todos procesos
controlados por acciones de fosforilaci�n de varias de las proteínas
que forman estas estructuras o que ayudan al movimiento.
Figura VII.9. Esquema de la interacci�n de los microt�bulos con motores
moleculares (cinesina) para mover a los cromosomas.
Estas fosforilaciones se hacen por enzimas llamadas cinasas, la mayor�a de las cuales son reguladas por los niveles de Ca2+ en el citoplasma y los cuales veremos que tambi�n regulan el grado de organizaci�n del citoesqueleto al asociarse a sus componentes e inducir su polimerizaci�n o despolimerizaci�n. Sin duda, aunque hay muchos elementos por identificar para entender completamente el proceso de la mitosis, los nuevos avances que pueden hacerse con la t�cnica de videomicroscop�a, que permite observar el proceso din�mico, nos dar�n pronto una respuesta completa.
