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1

Divisão Celular: Mitose e Meiose

“as células originam-se d e o u t r a s c é l u l a s preexistentes” Virchow, 1858, médico alemão.

Divisão Celular

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2

- Base da continuidade e perpetuação das células e organismos ao longo do tempo.

- Ocorre em todos os organismos vivos, dos unicelulares aos multicelulares.

Divisão Celular

Eduard Strasburger, 1880: Primeiras figuras de células em divisão (célula ciliada de flor de Tradescantia)

Divisão Celular

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3

Seqüência ordenada de eventos: crescimento celular, duplicação DNA e organelas e divisão da célula.

Ciclo Celular

Crescimento e desenvolvimento dos organismos: MITOSE -Muitas rodadas de divisão celular produz um novo organismo a partir de uma célula ovo (zigoto).

-Crescimento do organismo.

Divisão Celular

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Reprodução dos organismos multicelulares: MEIOSE

Divisão Celular

ovócito

espermatozóides

Divisão Celular Reprodução dos organismos multicelulares: MEIOSE – produção de células germinativas

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Bactérias

Reprodução dos organismos unicelulares Cada divisão celular produz um novo organismo.

Divisão Celular

Duplicação do DNA

Monitoramento e crescimento celular

Monitoramento e crescimento celular

Divisão Celular Intérfase: G1, S e G2

Divisão

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- Divisão celular durante toda a vida: reposição de células mortas.

- Diferentes taxas de divisão celular entre as células.

Divisão Celular

M M M

S S S

Células embrionárias (blastômeros) menores a cada divisão celular: Fases G1 e G2 drasticamente diminuídas.

Divisão Celular

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Divisão Celular: Mitose

Compactação dos cromossomos

Prófase: transição entre G2 e mitose

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Compactação dos cromossomos

Prófase

Arcabouço

Compactação dos cromossomos Prófase

Condensina: principal componente estrutural do cromossomo mitótico. Responsável pela condensação do cromossomo.

Condensinas Condensina

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Compactação dos cromossomos Prófase

Fosforilação da condensina

Ciclina B-Cdk1 Condensinas pertencem às Proteinas SMC (Structural Maintenance of Chromosomes)

Proteínas reguladoras

Compactação dos cromossomos Prófase

Fosforilação da condensina Ciclina B-Cdk1

Proteínas reguladoras

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Proteína do arcabouço do cromossomo

Condensina

Proteína do arcabouço do cromossomo

DNA

Condensina

DNA

Condensina

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Compactação dos cromossomos Prófase

Condensina

Distribuição da subunidade SMC2 da condensina em cromossomos metafásicos de galinha

DNA

Compactação dos cromossomos Prófase

Topoisomerase II

Sua atividade enzimática permite desemaranhar e separar moléculas de DNA

Cromossomos plumosos

Topoisomerase II

DNA

Topoisomerase II: a fitted mechanism for the chromatin landscape Joaquim Roca, Nucleic Acids Research, 2009, Vol. 37, No. 3

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Fragmentação do Golgi e RE Prófase

Formação do fuso de divisão Prófase

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Início da formação do fuso de divisão

1

Microtúbulos

Microtúbulos: classe de filamentos grossos do citoesqueleto

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1 3

2

Microtúbulos

centrossomo

Início da formação do fuso de divisão

Polimerização dos microtúbulos

Início da formação do fuso de divisão

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15

Rompimento do envoltório nuclear

Fibras do fuso ligam-se aos cromossomos

Prometáfase

Ciclina B-Cdk1

Rompimento do envoltório nuclear

Fosforilação das laminas nucleares

Complexos Ciclina B-Cdk1 e seu papel na prometáfase

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Fosforilação das laminas nucleares

Fragmentação do envelope nuclear

Degradação das ciclina B-Cdk1

Inativação de Cdk1

Defosforilação das lâminas e remontagem do envelope

Ciclina B-Cdk1

Rompimento do envoltório nuclear

-Fosforilação da condensina – supertorsão dos filamentos de cromatina;

-Fosforilação de proteínas associadas ao RE e Golgi, interrompendo o tráfego vesicular.

-Fosforilação das laminas;

-Fosforilação das nucleoporinas;

-Fosforilação de proteína integrais da membrana nuclear interna que funcionam como âncoras das fibras de cromatina;

-Fosforilação de proteínas associadas aos microtúbulos;

Complexos Ciclina B-Cdk1 e seu papel na prometáfase

Prometáfase

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Formação do fuso de divisão

Microtúbulos

astrais ou livres

Microtúbulos

do cinetocoro

Microtúbulos

polares

centrossomo cinetocoro cromátide Cinesinas

- Três classes de microtúbulos:

1- polares

2- cinetócoro

3- astrais ou livres

Prometáfase

Estrutura do cromossomo

telômero

centrômero

cromátide

Braço “p”

“petit”

Braço “q”

“subseqüente a p”

Coesinas

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Fibras do fuso ligam-se ao cinetocoro do cromossomo

Prometáfase

Cinetocoro

Fibras do fuso

Heterocromatina

Ultra-estrutura do centrômero

Centrômero

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DNA Proteínas do cinetocoro

Fibras do fuso ligam-se ao cinetocoro do cromossomo

CENP – Proteínas centroméricas

Ultra-estrutura do centrômero humano

heterocromatina centromérica DNA alfóide

+ CENP-B

heterocromatina centromérica

Cinetocoro

microtúbulos

Placa externa CENP-E

Placa interna DNA alfóide

+ CENP-A CENP-C

Cinetocoro

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Estrutura do cinetocoro

Fibras do fuso ligam-se aos cromossomos

Coroa fibrosa

Microtúbulo

Dineína

Placa interna Placa externa

Cinetocoro Placa externa

Coroa fibrosa

Microtúbulo

CENP-E (cinesina)

-Cromossomos alinhados no equador da célula

-orientação bipolar dos cromossomos

Metáfase

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Metáfase

-Dinâmica dos microtúbulos

-Oscilações cromossômicas

Cromossomo mantido no equador celular devido à dinâmica dos microtúbulos

Spindle assembly checkpoint signaling requires tension be-tween sister kinetochores (Nicklas and Ward, 1994; Bigginsand Murray, 2001; Stern and Murray, 2001; Zhou et al., 2002;Biggins and Walczak, 2003; Cleveland et al., 2003), and lowtension could act to destabilize attachment of MTs to kinet-ochores (Nicklas et al., 2001; Biggins and Walczak, 2003;Dewar et al., 2004).

Thus, a model where the kinetochore senses both spindleposition to regulate kMT plus-end catastrophe frequencyand tension generated via chromatin stretch to regulate kMTplus-end rescue frequency has the overall effect of limitingthe range of tensions experienced at the kinetochore com-pared with a model with position-dependent switching fre-quencies only. Limiting the range of tensions to intermediatelevels (Figure 6A, 2) may help the spindle avoid MT detach-ment by reducing high forces on the kinetochore and allowthe checkpoint to be turned off by limiting low tension. Thenet result is that both high and low tension on kinetochoresare unfavorable, resulting in a congressed state of approxi-mately uniform separation distance between sister kineto-chores.

In contrast to Cdc6p-depleted spindles, in which kineto-chore localization near the poles suggests that lack of tensionresults in net depolymerization of kMTs, loss of tension andkMT attachment in ndc10 kinetochore mutants does notresult in significant MT depolymerization (Pearson et al.,2003). Therefore, it may be that the kinetochore itself acts todepolymerize kMTs via a catastrophe gradient, an effect thatcould be antagonized by tension. Loss of attachment couldthus allow for net polymerization of MTs, as is observed forinterpolar MTs.

A Mechanism for Tension-dependent Regulation of kMTDynamicsOur analysis shows that tension promotes kMT assemblyby increasing rescue. What could be a mechanism by whichtension promotes rescue? One possibility for tension-depen-dent regulation of kMT dynamics is a purely physical effectthat could be mediated by the kinetochore. For example,recent work with the purified components of the Dam1p/DASH complex shows that the complex forms rings aroundmicrotubules in vitro (Miranda et al., 2005; Westermann etal., 2005). This type of structure could form a sleeve thatsurrounds the kMT tip and links to other kinetochore com-ponents (reviewed by Cheeseman et al., 2002), although theexistence of rings in vivo remains an open question (Mc-Intosh, 2005). As shown schematically in Figure 7A, thekinetochore-associated sleeve could move toward the kMTminus-end during depolymerization via protofilamentsplaying and peeling. As a kinetochore moves away from itssister, tension will build in the intervening chromatin (greenspring), and in the kinetochore itself (blue spring), advanc-ing the sleeve toward the kMT plus end. This would in turnforce kMT protofilaments to straighten (Figure 7B). Thestraightening of protofilaments could suppress tubulin de-partures from the kMT tip and thereby promote rescue(Figure 7C).

What would be the force required to promote rescue? Theanswer hinges on how much energy is required to straightena curled GDP-tubulin dimer. Previous analyses estimate themechanical energy stored in the lattice upon GTP hydrolysisto be !2.1–2.5 kBT (Caplow and Shanks, 1996; VanBuren etal., 2002). This amount of energy is equal to !10 pN-nm, sothat the force required to straighten one GDP dimer oflength 8 nm would be F " 10 pN-nm/8 nm " 1.25 pN.Because there are 13 protofilaments, there would a require-ment of Ftotal " 13 # 1.25 pN " 16 pN. Is this characteristic

force plausible? Previous analysis of chromatin stretching inbudding yeast metaphase showed that the centromere prox-imal chromatin is highly stretched, to the point where indi-vidual nucleosomes are almost certainly forced off the chro-matin (Pearson et al., 2001). Studies with laser tweezers invitro show that !15–20 pN is required to force nucleosomesoff of double-stranded DNA (Brower-Toland et al., 2002).Thus, the typical tension generated via chromatin stretchduring yeast metaphase is approximately equal to that esti-mated as necessary for kMT protofilament straightening.

Models Lacking a Spatial Gradient in CatastropheFrequency Result in Loss of Sister Kinetochore Separationat MetaphaseThe catastrophe frequency gradient shown in Figure 2A isan essential model element. In a model that includes aspatial gradient in catastrophe frequency, kMT plus-endsexperience a peak in catastrophe frequency at the spindleequator. This has the effect of destabilizing kMT plus-endslocated at the spindle equator, such that kinetochores tend tocluster on either side of the equator in a bilobed metaphaseconfiguration.

A model in which kinetochores sense both a spatial gra-dient in catastrophe frequency and attachment site tensionto promote rescue results in specific predictions for spindleswith a reduced catastrophe gradient, as might be observedin mutants depleted of a theoretical catastrophe gradientmediator molecule (Figure 6D). In simulations with the ca-tastrophe gradient modified such that the peak catastrophefrequency at the equator is threefold less than in wild-type

Figure 7. A speculative mechanism for tension-dependent rescue.(A) In this hypothetical mechanism, the kinetochore sleeve (possiblyformed via the Dam1/DASH complex) is pushed toward the kMTminus end via protofilament splaying during depolymerization.Simultaneous depolymerization at the sister kMT plus end tends tobuild tension, stretching the kinetochore (blue spring) and the chro-matin (green spring). (B) As tension builds, the sleeve is pulledtoward the kMT plus-end to limit protofilament splay. (C) Proto-filament straightening stabilizes the tip against further depolymer-ization and so promotes rescue. The stabilized tip rescues and startsto polymerize.

Modeling of Yeast Microtubule Dynamics

Vol. 16, August 2005 3773

Cinetocoro

Fibras do fuso

Cinetocoro Cromatina

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-  Separação das cromátides-irmãs

Anáfase

Separação das cromátides irmãs

Coesinas: mantém cromátides irmãs conectadas

Separase

Coesinas

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Separação das cromátides irmãs

Coesinas

Separase

Proteína inibidora

Separase inativa

Coesinas

APC inativo APC ativo

Separase ativa

Cdc20

Securina

Controle da separação das cromátides irmãs

Ciclina-Cdk M

fosf

orila

ção

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Anáfase A

Cromátides irmãs movem-se para os polos opostos

Anáfase B

Distanciamento dos polos

Separação das cromátides-irmãs

Cinesinas

Telófase

Cromossomos-filhos chegam aos pólos das células

Reconstituição do envoltório nuclear

Início da formação do anel contrátil

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Reconstituição do envoltório nuclear

1

2

Ubiquitinação das ciclinas B– Inativação de Cdk1 que fosforilava as laminas

Divisão do citoplasma:

Formação de anel contrátil em células animais

Citocinese

Estrangulamento do citoplasma

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Anel Contrátil (células animais): actina e miosina

Anel Contrátil (células animais): actina e miosina

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Formação do Fragmoplasto Citocinese em células vegetais

1 célula 2n Uma divisão nuclear e citoplasmática

Mitose

2 células 2n idênticas

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Animações:

Ballet mitótico http://www.youtube.com/watch?v=lPcrfpDE9Ys&NR=1

http://www.youtube.com/watch?v=sBcbXzamai4