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Advanced Biology

Introdução à divisão celular

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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

Divisão celular é o processo pelo qual uma célula-mãe se divide e dá origem a duas ou mais células filhas. É um meio de reprodução para organismos unicelulares. Em organismos multicelulares, a divisão celular contribui para o crescimento, desenvolvimento, reparação e geração de células reprodutivas (espermatozoides e óvulos). A divisão celular é um processo fortemente regulado, e a divisão celular aberrante pode causar doenças, notadamente câncer.

A Divisão de Introdução às Células da JoVE cobrirá uma breve história das descobertas marcantes no campo. Em seguida, discutimos várias questões e métodos-chave, como análise de ciclo celular e imagens de células vivas. Finalmente, mostramos algumas aplicações atuais dessas técnicas na pesquisa de divisão celular.

Procedure

Divisão celular é um processo pelo qual uma célula produz duas ou mais células filhas. Organismos unicelulares, como a levedura, se reproduzem por divisão celular, enquanto organismos multicelulares, como nós, usam o mesmo processo para desenvolver, crescer e manter nossos tecidos. O conhecimento do que controla a divisão celular normal é fundamental para entender como a ruptura desse fenômeno pode iniciar processos patológicos.

Este vídeo apresenta uma breve história de descobertas no campo da divisão celular, destaca as principais perguntas feitas pelos biólogos celulares, revisa ferramentas proeminentes que estão sendo usadas e mostra algumas aplicações atuais.

Vamos começar revendo alguns estudos marcantes que estabeleceram as bases da pesquisa da divisão celular.

A existência de células foi relatada pela primeira vez na década de 1600 por Anton van Leeuwenhoek e Robert Hooke. Empoderados por inovações em microscopia, eles puxaram o véu para o mundo microscópico invisível. A primeira observação de que as células poderiam se dividir foi feita na década de 1830 por dois botânicos, Barthélemy Dumortier e Hugo von Mohl, que descobriram que uma célula vegetal pode dar origem a duas dividindo. Após essa descoberta, em 1838, um botânico – Matthias Jakob Schleiden – e um fisiologista — Theodor Schwann — observaram semelhanças em células vegetais e animais. Isso levou Schwann a postular os dois princípios da teoria celular, primeiro: “todos os organismos vivos são compostos de uma ou mais células”; segundo: “as células são os blocos básicos de construção de toda a vida.” Quase vinte anos depois, um médico chamado Rudolf Virchow publicou o terceiro princípio da teoria celular, que afirmava: “todas as células surgem de células pré-existentes”.

Em 1876, Walther Flemming, enquanto visualizava a divisão celular, observou a separação de estruturas semelhantes a roscas. Portanto, ele cunhou o termo “mitose”, derivado da palavra grega mitos que significa fio. Mais tarde, Edouard Van Beneden e Theodor Heinrich Boveri descobriram que esses fios são na verdade cromossomos, que estão sendo divididos com a ajuda de microtúbulos decorrentes de estruturas agora conhecidas como centrosmoss. Beneden, juntamente com Oscar Hertwig e August Weismann, também explicou a meiose — um tipo diferente de divisão que produz células como gametas. Eles mostraram que a meiose, ao contrário da mitose, envolve uma rodada de replicação de DNA, mas duas rodadas de divisão celular, resultando na redução pela metade do número do cromossomo do pai para as células filhas.

Na segunda metade do século XX, os cientistas se interessaram pela regulação do ciclo celular, processo no qual uma célula passa por uma série de fases que levam à sua divisão. Uma das descobertas mais importantes neste campo veio em 1972 de Leland Hartwell e colegas. Usando cepas de levedura, eles demonstraram que existem genes que desempenham um papel importante na orientação das células através dos estágios do ciclo celular, e o Dr. Hartwell os nomeou como os genes do ciclo de divisão celular ou “cdc’s”.

Outra descoberta veio em 1983 por Tim Hunt, que estudava ouriços do mar. Ele identificou proteínas que oscilam em sua abundância em sincronia com as fases do ciclo celular. Devido à sua natureza oscilatória, ele chamou essas proteínas de “cíclins”, e agora sabemos que os cíclins são os principais reguladores do ciclo celular. Quatro anos depois, Sir Paul Nurse e colegas mostraram que os genes do CDC, em particular o CDC2,eram altamente conservados entre leveduras e humanos. Juntas, essas descobertas aumentaram significativamente nossa compreensão da divisão celular e, portanto, foram merecidamente recompensadas com um Prêmio Nobel em 2001.

Agora que revisamos alguns destaques históricos, vamos examinar algumas questões fundamentais que enfrentam o campo da divisão celular hoje.

Começaremos com talvez a pergunta mais ampla na divisão celular: quais genes e vias de sinalização intracelular regulam o ciclo celular? Sabe-se que a duplicação e a divisão são controladas por uma série de interruptores bioquímicos que ativam ou desativam os processos de ciclo celular. Pesquisadores estão trabalhando para lançar mais luz sobre as moléculas que influenciam a progressão ou inibição do ciclo celular.

Os biólogos também estão interessados em identificar os fatores extracelulares que estimulam ou inibem a divisão celular. As células podem aumentar a divisão celular em resposta a sinais químicos externos chamados mitogênios. Os cientistas estão trabalhando para entender o que as pistas externas estimulam ou inibem a divisão celular.

A divisão celular anormal pode levar ao aumento ou diminuição da proliferação celular. O aumento da proliferação celular causa doenças como o câncer. Pesquisadores descobriram que mutações em certos genes conhecidos como oncogenes estão envolvidas no início do câncer. Além disso, os cientistas também descobriram várias proteínas que desempenham um papel crítico na progressão do tumor. No entanto, vários fatores causadores de tumores ainda permanecem desconhecidos, e os biólogos estão se esforçando para revelá-los.

Agora que você tem uma sensação para algumas das perguntas sem resposta, vamos olhar para algumas ferramentas de pesquisa que os biólogos usam para encontrar respostas.

Em uma mistura de células ativamente divisórias, a proporção de células que existem em cada fase do ciclo celular pode ser determinada pela análise do ciclo celular. Isso é feito com a ajuda de corantes especiais, como bromodeoxyuridina ou BrdU. É um analógico de timmidina e incorpora-se no fio de DNA recém-sintetizado durante a replicação do DNA. Por isso, rotula apenas as células de fase S. Por outro lado, compostos fluorescentes como propidium idodide (PI) mancham todo o DNA, mas a quantidade de pi vinculado pode ajudar a distinguir entre células em diferentes fases. O passo final é analisar as células manchadas usando citometria de fluxo, e os dados obtidos revelam a distribuição de células entre diferentes estágios do ciclo celular.

Os avanços nas técnicas de imagem agora facilitam a observação direta da divisão celular. Os cientistas agora podem manchar células usando corantes de fluoresceína, ou realizar manipulação genética para induzir a expressão de proteínas florescentes. Depois disso, eles podem observar diretamente células vivas se dividindo usando microscopia de lapso de tempo.

Por fim, os cientistas também criaram uma maneira de quantificar o número de divisões que células específicas sofrem dentro de uma população de células mistas. Isso é feito usando “corantes de rastreamento quantificáveis”. Esses corantes são úteis porque o sinal que geram torna-se mais dimmer à medida que é diluído através da divisão celular. A diminuição da intensidade da fluorescência pode ser usada para identificar células em diferentes gerações. Além disso, a diferença entre a maior e a menor intensidade de fluorescência pode fornecer informações de quantas vezes as células foram submetidas à divisão.

Agora que você está familiarizado com algumas abordagens comuns para estudar a divisão celular, vamos ver como esses métodos estão sendo aplicados.

Como discutido anteriormente, os genes desempenham um papel importante no controle do ciclo celular. Aqui, os cientistas estudaram o efeito da mutação genética na divisão celular em larvas de Drosophila. Eles realizaram cruzes genéticas para produzir moscas com mutações específicas, e então usando a análise do ciclo celular observaram os efeitos da mutação dentro do tecido de asa em desenvolvimento.

Usando microscopia de fluorescência, os cientistas também podem observar diretamente como as drogas afetam a divisão celular no câncer. Neste experimento, os pesquisadores estavam interessados em determinar como uma droga em potencial, JP-34, afetou a divisão celular do câncer. Os resultados mostraram que as células cancerígenas tratadas com JP-34 sofreram insuficiência mitótica e morte celular.

Finalmente, os cientistas usam corantes de rastreamento para identificar diferenças nas taxas de proliferação celular. Aqui, eles empregaram um corante de rastreamento quantificável que rotula as membranas celulares para estudar diferenças na divisão celular de várias células imunes. A análise de dados de citometria de fluxo revelou que a taxa de proliferação difere entre diferentes tipos de células imunes.

Você acabou de assistir a introdução de JoVE à divisão celular. Neste vídeo, revisamos algumas das principais descobertas na divisão celular, perguntas-chave que estão sendo feitas por biólogos celulares hoje, ferramentas proeminentes empregadas em laboratórios de divisão celular e suas aplicações atuais. Como sempre, obrigado por assistir!

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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