Introducción a la división celular

An Introduction to Cell Division

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Cell Biology

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JoVE Science Education Cell Biology

An Introduction to Cell Division

4.2: Cell Cycle Analysis

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10:03 min

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April 30, 2023

Overview

División celular es el proceso por el cual una célula madre divide y da lugar a dos o más células hijas. Es un medio de reproducción de organismos unicelulares. En organismos multicelulares, la división celular contribuye al crecimiento, desarrollo, reparación y la generación de las células reproductivas (espermatozoides y huevos). División celular es un proceso estrechamente regulado, y aberrante la división celular pueden causar enfermedades, especialmente cáncer.

Introducción de Zeus a división celular cubrirá una breve historia de los descubrimientos de hito en el campo. Entonces discutimos varias preguntas claves y métodos, tales como análisis de ciclo celular y proyección de imagen de celular en vivo. Finalmente, nos muestra algunas aplicaciones actuales de estas técnicas en la investigación de la división celular.

Procedure

División celular es un proceso por el cual una célula produce dos o más células hijas. Organismos unicelulares, como las levaduras, se reproducen por división celular, mientras que los organismos pluricelulares, como nosotros, usan el mismo proceso para desarrollar, crecer y mantener nuestros tejidos. Conocimiento de qué división celular normal de controles es crítica para comprender cómo la interrupción de este fenómeno puede iniciar procesos patológicos.

Este video presenta una breve historia de los descubrimientos en el campo de la división de célula, destaca preguntas claves por biólogos de la célula, comentarios destacados herramientas se utilizan y muestra algunas aplicaciones actuales.

Empecemos por revisar algunos estudios histórico que sentaron las bases de la investigación de la división celular.

La existencia de células primero fue divulgada en el siglo XVII por Antón van Leeuwenhoek y Robert Hooke. Fortalecidos por las innovaciones en la microscopia, hacia atrás el velo sobre el invisible mundo microscópico. La primera observación que podrían dividir las células se hizo en los años 1830 por dos botánicos, Barthélemy Dumortier y Hugo von Mohl, quien descubrió células de una planta puede dar lugar a dos dividiendo. Tras este descubrimiento, en 1838, un botánico, Matthias Jakob Schleiden — y un fisiólogo — Theodor Schwann — observó semejanzas en las células animales y vegetales. Esto llevó a Schwann a postular los dos principios de la teoría de la célula, primero: “todos los organismos vivos están compuestos de una o más células”; segundo: “las células son los bloques de edificio básicos de toda la vida”. Casi veinte años más tarde, un médico llamado Rudolf Virchow publicó el tercer principio de la teoría celular, que decía: “todas las células surgen de células preexistentes”.

En 1876, Walther Flemming, mientras se visualiza la división de célula, observa separación de estructuras filiformes. Por lo tanto, él acuñó el término “mitosis”, derivado del hilo de significado la palabra griega mitos. Más tarde, Edouard Van Beneden y Theodor Heinrich Boveri descubrieron que los hilos son realmente los cromosomas, que se dividen con la ayuda de los microtúbulos de las estructuras que hoy se conoce como centrosomas. Beneden, junto con Oscar Hertwig y agosto Weismann, también explicó la meiosis, un tipo diferente de división que produce células como gametos. Demostraron que, a diferencia de la mitosis, la meiosis consiste en una ronda de replicación del ADN pero dos rondas de división celular, dando por resultado reducir a la mitad del número de cromosomas del padre a las células hijas.

En la segunda mitad del siglo XX, los científicos se interesaron en regulación del ciclo celular, un proceso en el que una célula pasa a través de una serie de fases que conducen a su división. Uno de los descubrimientos más importantes en este campo vino en 1972 de Leland Hartwell y colegas. Uso de cepas de levadura, demostraron que existen genes que juegan un papel importante en la orientación de las células a través de las etapas del ciclo celular, y el Dr. Hartwell nombró que el ciclo de la división de célula genes o “cdc.”

Otro descubrimiento fue en 1983 por Tim Hunt, quien era estudiante de erizos de mar. Identificaron las proteínas que oscilan en su abundancia en sincronía con las fases del ciclo celular. Debido a su naturaleza oscilatoria, había nombrado estas proteínas como “ciclinas”, y ahora sabemos que las ciclinas son reguladores claves del ciclo celular. Cuatro años más tarde, Sir Paul Nurse y sus colegas demostraron que los genes cdc, en particular cdc2, fue altamente conservadas entre levaduras y los seres humanos. Juntos, estos descubrimientos aumentaron significativamente nuestra comprensión de la división celular y así bien merecidamente fueron recompensados con un premio Nobel en 2001.

Ahora que hemos analizado algunos aspectos históricos destacados, vamos a examinar algunas cuestiones fundamentales que hoy enfrenta el campo de la división celular.

¿Empezaremos con tal vez la pregunta más amplia en la división celular: Qué genes y vías de señalización intracelular regulan el ciclo celular? Es sabido que la duplicación y división son controlados por una serie de interruptores bioquímicos que activar o desactivar los procesos del ciclo celular. Los investigadores están trabajando para arrojar más luz sobre las moléculas que influyen en la progresión o la inhibición del ciclo celular.

Biólogos también están interesados en la identificación de los factores extracelulares que estimulan o inhiben la división celular. Las células pueden aumentar la división celular en respuesta a señales químicas externos llamados mitógenos. Los científicos están trabajando para entender lo externo de señales estimulan o inhiben la división celular.

La división celular anormal puede conducir a proliferación celular aumentada o disminuida. Proliferación celular aumentada causa enfermedades como el cáncer. Los investigadores han descubierto que las mutaciones en ciertos genes conocidos como oncogenes está implicado en la iniciación de cáncer. Además, los científicos han descubierto también varias proteínas que desempeñan un papel crítico en la progresión tumoral. Sin embargo, varios factores que causan el tumor todavía desconocidos, y biólogos se están esforzando duro revelarlos.

Ahora que tienes una idea para algunas de las preguntas sin respuesta, vamos a ver algunas herramientas de investigación, biólogos utilizan para encontrar respuestas.

En una mezcla de activamente dividir las células, la proporción de células que existen en cada fase del ciclo celular se puede determinar por análisis de ciclo celular. Esto se hace con la ayuda de colorantes especiales, como la bromodeoxiuridina o BrdU. Es una análogo de la timidina y se incorpora en la cadena de ADN recién sintetizada durante la replicación del ADN. Por lo tanto, etiquetas células en fase S solamente. Por el contrario, compuestos fluorescentes como idodide de propidio (PI) de la mancha de la DNA, pero la cantidad de PI límite puede ayudar a distinguir entre células en diferentes fases. El paso final consiste en analizar las células mediante citometría de flujo, y datos obtenidos revelan la distribución de células entre etapas del ciclo de la célula diferentes.

Avances en técnicas de imagen ahora facilitan la observación directa de la división celular. Los científicos ahora pueden manchar las células con colorantes fluoresceína o realizar manipulaciones genéticas para inducir la expresión de proteínas fluorescentes. Después de esto, pueden observar directamente en células dividir usando microscopia Time-lapse.

Por último, los científicos también han ideado una manera de cuantificar el número de divisiones que células específicas dentro de una población celular mixta. Esto se hace mediante el uso de “tintes de seguimiento cuantificables”. Estos tintes son útiles porque la señal que generan se convierte en amortiguador como se diluye a través División de célula. La menor intensidad de fluorescencia puede utilizarse para identificar células en diferentes generaciones. Además, la diferencia entre el mayor y la menor intensidad de fluorescencia puede proporcionar la penetración en cuantas veces las células experimentó la división.

Ahora que usted está familiarizado con algunos enfoques comunes para estudiar la división celular, vamos a ver cómo se aplican estos métodos.

Como comentamos anteriormente, los genes desempeñan un papel importante en control del ciclo celular. Aquí, los científicos estudiaron el efecto de la mutación genética en la división celular en larvas de Drosophila . Realizan cruces genéticos para producir moscas con mutaciones específicas y luego utilizando el análisis de ciclo celular observaron los efectos de la mutación dentro del tejido de ala en desarrollo.

Usando microscopía de fluorescencia, los científicos pueden observar también directamente cómo medicamentos afectan la división celular en el cáncer. En este experimento, los investigadores estaban interesados en determinar cómo una droga potencial, JP-34, afectadas por división de la célula de cáncer. Los resultados mostraron que las células de cáncer tratadas con JP-34 experimentaron mitotic fracaso y muerte celular.

Finalmente, los científicos utilizan tintes de seguimiento para identificar diferencias en las tasas de proliferación celular. Aquí, emplea un tinte de seguimiento cuantificables que las etiquetas de las membranas celulares para estudiar las diferencias en la división celular de las células inmunes diferentes. El análisis de datos de citometría de flujo reveló que la tasa de proliferación difiere entre los diferentes tipos de células inmunes.

Sólo ha visto la introducción de Zeus a la división celular. En este video repasamos algunos de los descubrimientos más importantes en la división celular, preguntas clave hechas por biólogos celulares hoy, prominentes herramientas empleadas en los laboratorios de la división celular y sus aplicaciones actuales. ¡Como siempre, gracias por ver!

Transcript

Cell division is a process by which one cell produces two or more daughter cells. Unicellular organisms, like yeast, reproduce by cell division, whereas multicellular organisms, like us, use the same process to develop, grow, and maintain our tissues. Knowledge of what controls normal cell division is critical to understanding how disruption of this phenomenon can initiate pathological processes.

This video presents a brief history of discoveries in the cell division field, highlights key questions asked by cell biologists, reviews prominent tools being used, and showcases some present-day applications.

Let’s start by reviewing some landmark studies that laid the foundation of cell division research.

The existence of cells was first reported in the 1600’s by Anton van Leeuwenhoek and Robert Hooke. Empowered by innovations in microscopy, they pulled back the veil on the invisible microscopic world. The first observation that cells could divide was made in the 1830’s by two botanists, Barthélemy Dumortier and Hugo von Mohl, who discovered that one plant cell can give rise to two by dividing. Following this discovery, in 1838, a botanist—Matthias Jakob Schleiden— and a physiologist—Theodor Schwann—observed similarities in plant and animal cells. This led Schwann to postulate the two tenets of cell theory, first: “all living organisms are composed of one or more cells”; second: “cells are the basic building blocks of all life.” Nearly twenty years later, a physician named Rudolf Virchow published the third tenet of cell theory, which stated: “all cells arise from preexisting cells.”

In 1876, Walther Flemming, while viewing cell division, observed separation of thread-like structures. Therefore, he coined the term “mitosis,” derived from the Greek word mitos meaning thread. Later on, Edouard Van Beneden and Theodor Heinrich Boveri discovered that those threads are actually chromosomes, which are being divided with the help of microtubules arising from structures now known as centrosomes. Beneden, along with Oscar Hertwig and August Weismann, also explained meiosis—a different type of division that produces cells like gametes. They showed that meiosis, unlike mitosis, involves one round of DNA replication but two rounds of cell division, resulting in halving of the chromosome number from the parent to the daughter cells.

In the latter half of the twentieth century, scientists became interested in regulation of the cell cycle, a process in which a cell passes through a series of phases leading to its division. One of the most important discoveries in this field came in 1972 from Leland Hartwell and colleagues. Using yeast strains, they demonstrated that there are genes that play an important role in guiding cells through the cell cycle stages, and Dr. Hartwell named them as the cell division cycle genes or “cdc’s.”

Another discovery came in 1983 by Tim Hunt, who was studying sea urchins. He identified proteins that oscillate in their abundance in synchrony with the cell cycle phases. Due to their oscillatory nature, he named these proteins as “cyclins,” and now we know that cyclins are key regulators of the cell cycle. Four years later, Sir Paul Nurse and colleagues showed that cdc genes, in particular cdc2, was highly conserved between yeasts and humans. Together, these discoveries significantly increased our understanding of cell division, and thus were well deservedly rewarded with a Nobel Prize in 2001.

Now that we’ve reviewed some historical highlights, let’s examine a few fundamental questions facing the field of cell division today.

We’ll begin with perhaps the broadest question in cell division: what genes and intracellular signaling pathways regulate the cell cycle? It is known that duplication and division are controlled by a series of biochemical switches that activate or deactivate the cell cycle processes. Researchers are working to shed more light on the molecules that influence the progression or inhibition of the cell cycle.

Biologists are also interested in identifying the extracellular factors that stimulate or inhibit cell division. Cells may increase cell division in response to external chemical cues called mitogens. Scientists are working to understand what external cues stimulate or inhibit cell division.

Abnormal cell division can lead to increased or decreased cell proliferation. Increased cell proliferation causes diseases like cancer. Researchers have discovered that mutations in certain genes known as oncogenes is involved in initiation of cancer. In addition, scientists have also discovered several proteins that play a critical role in tumor progression. However, several tumor-causing factors still remain unknown, and biologists are striving hard to reveal them.

Now that you have a feel for some of the unanswered questions, let’s look at a few research tools biologists use to find answers.

In a mixture of actively dividing cells, the proportion of cells that exist in each phase of the cell cycle can be determined by cell cycle analysis. This is done with the help of special dyes, like bromodeoxyuridine or BrdU. It is a thymidine analog and incorporates itself in the newly synthesized DNA strand during DNA replication. Hence, it labels S phase cells only. On the other hand, fluorescent compounds like propidium idodide (PI) stain all of the DNA, but the amount of PI bound can help distinguish between cells in different phases. The final step is to analyze the stained cells using flow cytometry, and data obtained reveals distribution of cells amongst different cell cycle stages.

Advances in imaging techniques now facilitate direct observation of cell division. Scientists can now stain cells using fluorescein dyes, or perform genetic manipulation to induce expression of florescent proteins. Following this, they can directly observe live cells dividing using time-lapse microscopy.

Lastly, scientists have also devised a way to quantify the number of divisions that specific cells undergo within a mixed cell population. This is done by using “quantifiable tracking dyes.” These dyes are useful because the signal they generate becomes dimmer as it’s diluted through cell division. The diminishing fluorescence intensity can be used to identify cells in different generations. In addition, the difference between the highest and the lowest fluorescence intensity can provide insight into how many times the cells underwent division.

Now that you’re familiar with some common approaches to studying cell division, let’s look at how these methods are being applied.

As discussed earlier, genes play a major role in cell cycle control. Here, scientists studied the effect of genetic mutation on cell division in Drosophila larvae. They performed genetic crosses to produce flies with specific mutations, and then using cell cycle analysis observed the effects of the mutation within the developing wing tissue.

Using fluorescence microscopy, scientists can also directly observe how drugs affect cell division in cancer. In this experiment, researchers were interested in determining how a potential drug, JP-34, affected cancer cell division. Results showed that cancer cells treated with JP-34 underwent mitotic failure and cell death.

Finally, scientists use tracking dyes to identify differences in cell proliferation rates. Here, they employed a quantifiable tracking dye that labels cell membranes to study differences in cell division of various immune cells. The flow cytometry data analysis revealed that the proliferation rate differs between different types of immune cells.

You’ve just watched JoVE’s introduction to cell division. In this video we reviewed some of the major discoveries in cell division, key questions being asked by cell biologists today, prominent tools employed in cell division labs, and their current applications. As always, thanks for watching!

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