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Una vez por división,
una célula copia tres mil millones de
pares de bases sin un error.
Cada vez que una célula se divide —y las células que recubren su intestino lo hacen cada dos o tres días, sus células de la piel cada dos o tres semanas— realiza una de las operaciones más exigentes de toda la biología molecular. Copia todo el genoma, verifica la copia, condensa los cromosomas, los alinea con precisión y los divide entre dos células hijas. Las enzimas dependientes de NAD+ participan en múltiples puntos de control en ese proceso, monitoreando la fidelidad, reparando errores y gobernando los cambios de cromatina que hacen posible la segregación cromosómica.
I
Lo que sucede en la hora
en que una célula se divide.
La división celular —mitosis— a menudo se describe en los libros de texto como una secuencia de fases con nombres latinos. Lo que esos nombres codifican es algo mucho más asombroso: un proceso en el que una célula del tamaño de unas pocas micras copia con precisión aproximadamente tres mil millones de pares de bases de ADN, condensa dos metros de cromatina en 46 cromosomas organizados, construye una máquina molecular (el aparato del huso) que separa esos cromosomas con precisión nanométrica y los distribuye por igual entre dos células hijas, todo en aproximadamente una hora.
La fidelidad requerida es asombrosa. La ADN polimerasa que copia el genoma comete aproximadamente un error por cada mil millones de pares de bases copiados, una tasa de error tan baja que sería la envidia de cualquier sistema de ingeniería humana. El punto de control del huso, que evita la separación de los cromosomas hasta que cada cromosoma esté unido correctamente, puede detectar un solo cinetocoro no unido entre los 92 que deben acoplarse correctamente antes de que se le permita a la célula proceder. Los sistemas de vigilancia que monitorean este proceso no son observadores pasivos, son máquinas moleculares activas que pausan, corrigen y, en algunos casos, abortan la división si no se cumplen los requisitos de fidelidad.
El NAD+ y las enzimas que dependen de él participan en este proceso de formas específicas y documentadas. La PARP1 —la enzima primaria de respuesta al daño del ADN— monitorea el ADN en busca de roturas de cadena durante e inmediatamente después de la replicación, consumiendo NAD+ para construir andamios de reparación dondequiera que se detecte daño. La SIRT2 —la sirtuina citoplasmática que se transloca al núcleo durante la mitosis— desacetila la histona H4K20ac en una reacción dependiente de NAD+ que ayuda a gobernar la compactación de la cromatina y la fidelidad de la segregación cromosómica de la célula en división. Estas no son funciones periféricas. Son parte del aparato central de control de calidad que hace posible una división celular precisa.
El punto de control del huso
puede detectar un solo cinetocoro
no unido de 92.
La célula no se dividirá
hasta que cada cromosoma
esté correctamente alineado.
Las fases de la división
Qué sucede en cada fase
y dónde actúan las enzimas dependientes de NAD+.
El genoma se copia —los tres mil millones de pares de bases— y la PARP monitorea el daño asociado a la replicación en todo momento
La fase S (fase de síntesis) es cuando ocurre la replicación del ADN. La célula desenrolla la doble hélice en cientos de orígenes de replicación distribuidos por todo el genoma, y la ADN polimerasa copia cada cadena con una fidelidad extraordinaria. La respuesta al daño del ADN que consume NAD+ de la célula es particularmente activa durante la fase S: el estancamiento de la horquilla de replicación, las brechas de una sola cadena y el daño oxidativo desencadenan la actividad de PARP1 y PARP2, que consumen NAD+ para construir andamios de poli(ADP-ribosa) que reclutan factores de reparación al sitio del daño. El nivel de consumo de NAD+ mediado por PARP durante la replicación activa del ADN es sustancialmente mayor que en las células en reposo, lo que refleja la mayor demanda que los sistemas de reparación tienen por el proceso de replicación.
La célula verifica la completitud de la replicación y la integridad del ADN antes de comprometerse a la división —SIRT1 participa en el punto de control del daño del ADN
La fase G2 es el intervalo de control de calidad entre la replicación del ADN y la división. La célula verifica que la replicación esté completa, que no quede ningún daño significativo en el ADN sin reparar y que las condiciones sean favorables para la división. La SIRT1 participa en este punto de control a través de su papel en la desacetilación de p53, modulando la actividad del factor de transcripción que gobierna la respuesta al daño del ADN y la decisión de proceder o pausar la división. Las células con ADN significativamente no replicado o dañado se mantienen en el punto de control G2/M hasta que se resuelve el daño; las células que no logran reparar el daño catastrófico pueden ser dirigidas a la muerte celular programada en lugar de completar la división con un genoma comprometido.
La cromatina se condensa en cromosomas visibles —SIRT2 se transloca al núcleo y desacetila H4K20ac para gobernar esta compactación
Al inicio de la mitosis, la cromatina poco organizada del núcleo en interfase se condensa en los cromosomas compactos que son la forma reconocible del genoma durante la división. Esta condensación requiere modificaciones específicas de las histonas que cambian la estructura de la cromatina de su estado de accesibilidad en interfase al estado mitótico compacto. La SIRT2 —normalmente citoplasmática— se transloca al núcleo durante esta fase y desacetila la histona H4K20ac en una reacción dependiente de NAD+. La pérdida de actividad de SIRT2 durante la mitosis se asocia con una progresión mitótica anormal y una mayor inestabilidad cromosómica, lo que sugiere que este evento de desacetilación dependiente de NAD+ contribuye a la precisión de la condensación cromosómica y la posterior segregación.
Cada cromosoma debe unirse correctamente al huso —la célula esperará indefinidamente en este punto de control hasta que todas las uniones sean verificadas
La metafase es cuando el aparato del huso —una estructura de filamentos de microtúbulos ensamblados desde cada polo de la célula en división— captura y alinea los cromosomas en el ecuador de la célula. Cada cromosoma debe unirse a los microtúbulos de ambos polos (una configuración llamada biorientación) antes de que se le permita a la célula proceder. El punto de control del ensamblaje del huso (SAC) monitorea este proceso con una sensibilidad extraordinaria, generando una señal de espera desde cualquier cromosoma que no haya logrado una biorientación adecuada. Un solo cinetocoro unido incorrectamente es suficiente para evitar la progresión; la célula permanecerá en metafase hasta que todas las uniones sean correctas o hasta que el mecanismo de punto de control mismo falle. Esta es la puerta de control de calidad más estricta en todo el ciclo celular.
Los cromosomas se separan y se empaquetan en dos núcleos; el genoma ahora se distribuye entre dos futuras células hijas
Una vez que se cumple el punto de control del huso, las proteínas de cohesina que mantienen unidas a las cromátidas hermanas son escindidas por la proteasa separasa, y los cromosomas son arrastrados a polos opuestos de la célula en división por el acortamiento del huso de microtúbulos. Las envolturas nucleares se reforman alrededor de cada conjunto de cromosomas en la telofase. La cromatina comienza a descondensarse de su estado mitótico compacto, volviendo a la configuración de interfase transcripcionalmente activa, un proceso que nuevamente involucra la maquinaria de modificación de histonas, incluido el restablecimiento de las marcas epigenéticas que definen la identidad y función de la célula. Las dos células hijas reciben cada una una copia completa del genoma.
Funciones dependientes de NAD+ en la división
Tres puntos específicos donde las enzimas
dependientes de NAD+ participan en el control de calidad de la división celular.
Función 01 · PARP durante la replicación
Consumo de NAD+ en los sitios de daño del ADN asociados a la replicación
PARP1 y PARP2 se activan dondequiera que la horquilla de replicación encuentra daño: lesiones oxidativas, mellas de una sola hebra, horquillas de replicación estancadas. Su reacción de poli(ADP-ribosilación) que consume NAD+ señala la ubicación del daño y recluta factores de reparación. La concentración de NAD+ en la horquilla de replicación y en el núcleo durante la fase S es, por lo tanto, una variable relevante para la eficacia con la que estos sensores de daño pueden responder. El consumo de NAD+ mediado por PARP durante la replicación activa se encuentra entre las tasas más altas y sostenidas de recambio de NAD+ en el ciclo celular, lo que hace que la adecuación del pool nuclear de NAD+ sea una consideración práctica para la reparación del ADN asociada a la replicación.
Función 02 · SIRT1 en el punto de control G2/M
La desacetilación de p53 dependiente de NAD+ modula la decisión del punto de control del daño del ADN
SIRT1 desacetila p53 en la lisina 382, reduciendo la actividad transcripcional de p53 hacia sus genes diana, incluidos aquellos que rigen la detención del punto de control G2/M y el programa de muerte celular desencadenado por daños graves en el ADN. Este evento regulatorio dependiente de NAD+ posiciona a SIRT1 como un modulador de la respuesta de la célula al daño del ADN previo a la división: una reparación insuficiente con una actividad SIRT1 inadecuada puede resultar en una respuesta del punto de control diferente a la del mismo daño con SIRT1 activa. La importancia práctica de esta regulación en células que se dividen normalmente es un área activa de investigación, pero la conexión mecanicista entre la disponibilidad de NAD+, la actividad de SIRT1 y la señalización del punto de control está documentada.
Función 03 · SIRT2 durante la condensación cromosómica
Translocación de SIRT2 específica de la mitosis y desacetilación de H4K20ac
SIRT2 es única entre las sirtuinas por tener un papel documentado específicamente durante la mitosis: se transloca de su localización citoplasmática normal al núcleo a medida que las células entran en división. Su sustrato durante esta ventana es H4K20ac, una marca de histona cuya eliminación contribuye a los cambios de la cromatina que acompañan la condensación cromosómica y la segregación precisa. Las células deficientes en SIRT2 muestran un aumento de errores mitóticos e inestabilidad cromosómica. La dependencia de NAD+ de esta reacción significa que la función mitótica de SIRT2, incluida su contribución a la fidelidad de la segregación cromosómica, se basa en el mismo pool nuclear de NAD+ por el que PARP y SIRT1 compiten durante las fases precedentes del ciclo celular. Los estudios se realizaron de forma independiente y no involucraron ningún producto específico de Codeage.
División celular en números
Cómo se ve la escala de la división celular
como hecho biológico.
3.8M
Divisiones celulares que ocurren en el cuerpo humano cada segundo — aproximadamente 330 mil millones por día — cada una requiriendo una copia completa del genoma
El cuerpo humano produce aproximadamente 3.8 millones de células nuevas por segundo, reemplazando las células perdidas por el recambio normal en la piel, el epitelio intestinal, la sangre y otros tejidos con altas tasas de renovación celular. Cada una de estas nuevas células se produce por una división que copia el genoma completo de 3 mil millones de pares de bases. La demanda agregada de NAD+ de los sistemas PARP y sirtuina que monitorean y gobiernan esta renovación celular continua es una de las mayores demandas sostenidas del pool de NAD+ en el cuerpo, junto con las demandas de energía de la cadena de transporte de electrones y las demandas regulatorias de las familias de sirtuinas nucleares y mitocondriales.
1 en 10⁹
Tasa de error de la ADN polimerasa — aproximadamente un error por cada mil millones de pares de bases copiadas, antes de que la corrección de pruebas reduzca aún más la tasa
La ADN polimerasa copia el genoma con una tasa de error bruta de aproximadamente una base incorrecta por cada 100,000 bases incorporadas. La actividad de corrección de pruebas (la polimerasa revisa su propio trabajo y corrige errores) reduce esta tasa a aproximadamente una por cada 10 millones. La reparación de errores de emparejamiento post-replicación la reduce aún más a aproximadamente un error por cada mil millones de bases, la cifra que se suele citar como la tasa de error final de la replicación del ADN humano. La reparación mediada por PARP del daño asociado a la replicación forma parte del sistema de vigilancia que logra esta extraordinaria fidelidad, y consume NAD+ para ello.
92
Cinetocoros que deben estar correctamente unidos a los microtúbulos del huso antes de que el punto de control de la metafase libere la célula para proceder con la división
Las células humanas tienen 46 cromosomas; cada cromosoma en la mitosis consta de dos cromátidas hermanas unidas en el centrómero, cada una con su propio cinetocoro. Esto produce 92 cinetocoros, todos los cuales deben lograr una unión biorientada correcta a los microtúbulos del huso desde polos opuestos antes de que el punto de control del ensamblaje del huso permita que la anafase proceda. Un solo cinetocoro no unido o incorrectamente unido genera una señal de espera que detiene toda la división. Esta sensibilidad a nivel de una sola molécula es lo que hace que el punto de control del huso sea uno de los mecanismos de control de calidad más precisos en biología celular.
III
Lo que la división celular exige
del sistema NAD+.
La división celular a menudo se discute en el contexto del crecimiento y la renovación, los procesos mediante los cuales los organismos construyen y mantienen sus tejidos. Menos a menudo se discute la dimensión del control de calidad: la extraordinaria vigilancia molecular que hace que cada división sea lo suficientemente precisa como para producir células hijas con genomas intactos y completamente funcionales. Esa vigilancia —ejecutada por enzimas PARP que monitorean la integridad de la replicación, SIRT1 que participa en la señalización de puntos de control y SIRT2 que gobierna los cambios cromáticos en la mitosis— depende de NAD+ en cada paso.
La demanda agregada de NAD+ de la división celular en todo el cuerpo no es trivial. Aproximadamente 3.8 millones de células se dividen cada segundo en el cuerpo humano en reposo, y cada división activa la vigilancia mediada por PARP durante la fase de replicación. El pool nuclear de NAD+, mantenido por NMNAT1, la isoforma nuclear de la enzima sintetizadora de NAD+, debe suministrar tanto la demanda continua de las actividades de mantenimiento epigenético de SIRT1 y SIRT6 como la demanda elevada asociada a la división de la vigilancia de PARP y la función mitótica de SIRT2. Esta es una de las razones por las que el pool nuclear de NAD+ se considera un recurso celular distinto y específicamente importante, no intercambiable con los pools mitocondrial o citoplasmático, en la biología del mantenimiento del genoma.
Para obtener una imagen completa de la reparación del ADN y el NAD+ fuera del contexto de la división celular, el artículo sobre el daño del ADN cubre la biología de PARP en profundidad. Para la regulación epigenética a nivel genómico que el mismo pool nuclear de NAD+ soporta, el artículo sobre el genoma cubre los roles reguladores de las sirtuinas. Ambos se conectan con la Longevidad Celular — Pilar 03 de El Código de la Longevidad.
La vigilancia que hace
que cada división sea lo suficientemente precisa
como para producir células hijas funcionales
depende de NAD+
en cada punto de control.
Codeage · Pilar 03 · Longevidad Celular
Construido para el
juego largo celular.
La Longevidad Celular es el Pilar 03 de El Código de la Longevidad, la dimensión del sistema construida alrededor de la biología del NAD+, la salud mitocondrial y la ciencia del envejecimiento celular.
Explorar Longevidad Celular →
