Zellteilung, Mitose, Meiose Dr. Arnold Szabó szabo.arnold@med.semmelweis-univ.hu Semmelweis Universität Institut für Anatomie, Histologie und Embryologie 3. 10. 2016

Zellzyklus Die Zellteilung geschieht in Rahmen eines Zyklus, der aus der Interphase und der Mitose (M-Phase) besteht. Die Interphase beinhaltet die G1-, S- und G2-Phasen. Der gesamte Zyklus dauert etwa 12-24 Stunden lang, woraus die Mitose weniger als eine Stunde nimmt. Die Zelle kann von der G1-Phase in die G0-Phase übergehen. Die G0-Phase entspricht einer Ruhephase, während der die Zelle ihre Funktion erfüllt, sich aber nicht teilen kann. Manche Zellen bleiben nach ihrer Entstehung lebenslang in der G0-Phase (Nervenzelle, Herzmuskelzelle), andere können in den Zyklus zurücktreten (Leberzelle, Fibrozyt, Lymphozyt, usw).

Interphase: G1-Phase Die durch die frühere Mitose entstandene Zelle regeneriert sich und wächst. Die Organellen, an denen die Zelle Mangel hat, werden nachgebildet. Die Zelle überprüft sich selbst und ihre Umgebung und trifft die Entscheidung. Entweder verlässt sie den Zellzyklus und geht in die G0-Phase über, oder wenn die Umstände günstig sind, beginnt sie einen neuen Zyklus.

Interphase: S-Phase Replikation: Die DNA-Moleküle der Zelle werden verdoppelt. Die durch die Replikation entstandenen identischen DNA-Doppelstränge bleiben zusammen, weil sie durch Cohesin-Proteine aneinander gebunden sind. Verdoppelung der Centrosomen: Die Centriolen des Centrosoms entfernen sich voneinander am Ende der G1-Phase. Während der S-Phase wächst neben den beiden alten Centriolen je ein neues Centriol, wodurch zwei funktionsfähige Centrosomen entstehen.

Interphase: G2-Phase blau: Chromatin, grün: Mikrotubuli, rot: Kinetochor-Proteine Die letzte Phase vor der Mitose. Die Zelle kontrolliert ihre DNA-Moleküle und produziert Proteine, die während der Mitose gebraucht werden.

Mitose: Prophase Das Chromatin kondensiert sich, und die Chromosomen erscheinen. Die während der S-Phase verdoppelten Centrosomen wandern zu den entgegengesetzten Polen der Zelle. Die aus ihnen auswachsenden Mikrotubuli bilden die frühe Mitosespindel. Das Zytoskelett baut sich um. Die großen Kompartimente (ER, Golgi-Apparat) zerfallen zu Vesikeln.

Chromosom Die Chromosomen die während der Mitose entstehen sind Zwei-Chromatid-Chromosomen (Metaphase-Chromosomen) und enthalten zwei identische Kopien desselben DNA-Moleküls. Die zwei Chromatiden eines Zwei-Chromatid-Chromosoms werden auch als Schwesterchromatiden genannt. Die Chromatiden sind bei ihren Centromer-Regionen durch Cohesin-Proteine zusammengehalten. Auf der Höhe des Centromers befinden sich Kinetochor-Proteine, die das Anhaften der Kinetochor-MT ermöglichen. Jedes Chromosom lässt sich durch eine bestimmte Länge, typische Färbungsmuster und die Position des Centromers charakterisieren. Telomer p-Arm (kurzer Arm) DNA Centromer q-Arm (langer Arm) Kinetochor Chromatid

Mitose: Prometaphase Die Lamine der Kernlamina werden phosphoryliert. Die Kernhülle zerfällt in Vesikeln. Aus den Centrosomen wachsen drei Arten von Mikrotubuli (MT) aus. Die Kinetochor-MT haften an den Kinetochor-Regionen der Chromosomen an. Die Pol-MT wachsen an die Mitte der Zelle und überlappen mit den Pol-MT der Gegenseite. Die Astrale-MT wachsen an die Zellmembran und stabilisieren das Centrosom.

Mitose: Metaphase Die Metaphasenplatte bildet sich. Die Kinetochor-Mikrotubuli bewegen die Chromosomen hin und her, bis sich alle Chromosomen in die Äquatorialebene ordnen. Jedes Chromosom muss mit den beiden Zellpolen verbunden sein, aber ein Chromatid darf die Kinetochor-MT nur von einer Seite angebunden haben. Die präzise Anordnung der Chromosomen ist für die symmetrische Verteilung der Chromatiden in den beiden Tochterzellen erforderlich.

Mitose: Anaphase Anaphase A: Die Cohesine werden durch das Enzym Separase abgebaut. Die Chromatiden der Zwei-Chromatid-Chromosomen trennen sich voneinander, und die Chromatiden (als Ein-Chromatid-Chromosomen) bewegen sich zu den Spindelpolen. Anaphase B: Die Pol-MT schieben die Spindelpolen voneinander weg, wodurch die Zelle eine ovale Form aufnimmt.

Mitose: Telophase Das Chromatin lockert sich wieder auf, die Chromosomen dekondensieren sich. Der Nukleolus bildet sich wieder. Die Lamine werden dephosphoryliert, wodurch sie ihre aktive Konformation wieder aufnehmen. Die Kernlamina und die Kernhülle bilden sich wieder. Der Spindelapparat bildet sich zurück.

Mitose: Zytokinese Ein kontraktiler Ring entsteht aus Aktin und Myosin Typ II Molekülen unter der Zellmembran. Der kontraktile Ring zieht die Zellmembran immer mehr nach Innen, was auf der äußeren Seite zur Entstehung der Teilungsfurche führt. Der kontraktile Ring verkürzt sich solange, bis das Zytoplasma komplett in zwei Hälften geteilt wird, wodurch zwei genetisch identische Tochterzellen entstehen. Fällt die Zytokinese weg, entsteht eine zweikernige (tetraploide) Riesenzelle (Plasmodium).

Interphase: G1-Phase Die Telophase und Zytokinese wird immer von der G1-Phase gefolgt. Die durch die frühere Mitose enstandene Zelle regeneriert sich und wächst. Die Organellen, an denen die Zelle Mangel hat, werden nachgebildet. Die Zelle überprüft sich selbst und ihre Umgebung und trifft die Entscheidung. Entweder verlässt sie den Zellzyklus und geht in die G0-Phase über, oder wenn die Umstände günstig sind, beginnt sie einen neuen Zyklus.

Kontrollpunkte des Zellzyklus Sind alle Chromosomen mit dem Spindelapparat richtig verbunden? M-Kontrollpunkt Wurde die DNA richtig repliziert? G2-Kontrollpunkt G1-Kontrollpunkt Sind die Umstände für eine nächste Teilung günstig? Nach diesem Punkt gibt es kein Rücktritt. Die Zelle muss entweder den ganzen Zyklus beenden, oder stirbt sie durch programmierten Zelltod (Apoptose) ab.

Mitose und Meiose im Vergleich Mitose: Vermehrung körperlicher (somatischer) Zellen Bedeutung Meiose: Entstehung der Keimzellen (Gameten) Mitose: Wachstum / Regeneration Ziel Meiose: Fortpflanzung Mitose: 2 Anzahl der Tochterzellen Meiose: 4 Mitose: genetisch identische diploide Zellen Qualität der Tochterzellen Meiose: genetisch unterschiedliche haploide Zellen Mitose: dauert kurz (weniger als eine Stunde), eine Replikation - eine Teilung Ablauf Meiose: dauert lang (von Tagen bis Jahrzehnten), eine Repikation - zwei Teilungen

Meiose Prophase I – Leptotän Phase Die Chromosomen bilden sich aus. Die homologen Chromosomen suchen einander auf und lagern sich in der gleichen Orientation und Position aneinander. Homologe Chromosomen: Mutterliche und väterliche Chromosomen, die in der Gestalt und Abfolge der Gene übereinstimmen. Die homologen Chromosomen sind aber nicht ganz identisch, weil die Gene als unterschiedlieche Genvarianten (Allele) vorliegen können.

Prophase I – Zygotän Phase Ein leiterartiger Proteinkomplex (synaptonemaler Komplex) entsteht zwischen den homologen Chromosomen und bindet diese fest aneinander.

Prophase I – Pachytän Phase Die Phase der genetischen Rekombination. Die Nicht-Schwesterchromatiden der homologen Chromosomen überkreuzen (Crossing-over) an mehreren Stellen. Es kommt zum Austausch von homologen Segmenten väterlicher und mütterlicher Chromatiden  (Rekombination). Dies passiert in jedem Chromosom mindestens an einer, oftmals aber an mehreren Stellen. Rekombinations- knoten

Prophase I – Diplotän Phase Die längste Phase der Meiose, sie kann von Wochen (Spermatogenese) bis Jahrzehnten (Oogenese) dauern. Der synaptonemale Komplex verschwindet, aber die Chromosomen bleiben bei den Überkreuzungen verbunden (Tetrade). Einige Chromosomenabschnitte lockern sich auf und bilden Schleifen, wo bestimmte Gene transkribiert werden („Lampenbürstenchromosomen”).

Prophase I – Diakinese Die Erreignisse der Diakinese ähneln an die Prometaphase der Mitose. Die Chromosomen lösen sich von der Kernhülle ab, sie werden weider stark kondensiert (keine Transkription mehr). Die homologen Chromosomen sind durch die Überkreuzungen, die Schwesterchromatide durch ihre Centromer Proteine zusammengehalten (Tetrade). Das Zytoskelett baut sich um. Die Kernhülle un die großen Kompartimente (ER, Golgi-Apparat) zerfallen zu Vesikeln. Die vor der Meiose verdoppelten Centrosomen wandern zu den entgegengesetzten Polen der Zelle. Die aus ihnen auswachsenden Mikrotubuli bilden die frühe Mitosespindel.

Meiose I (Reduktionsteilung) Die 46 Chromosomen erscheinen und bilden 23 homologen Chromosomenpaare. Die Gene werden rekombiniert. Am Ende der Prophase I zerfallen die großen Zellorganellen und die Kernhülle zu Vesikeln. Die 23 homologen Chromosomenpaare ordnen sich in die Äquatorialebene. Die homologen Chromosomen werden voneinander getrennt und in verschieden Richtungen bewegt. Es lauft ähnlich wie bei der Mitose ab, aber hier entstehen zwei genetisch unterschiedliche Tochterzellen, de jeweils 23 Zwei-Chromatid-Chromosomen besitzen.

Meiose II (Äquationsteilung) Die 23 Zwei-Chromatid-Chromosomen erscheinen wieder. Die Kernhülle löst sich auf. Die Chromosomen ordnen sich in die Äquatorialebene. Die Chromatiden der Zwei-Chromatid-Chromosomen werden voneinander getrennt und in verschieden Richtungen bewegt. Ähnlich wie früher, aber die Zellen, die entstehen sind genetisch unterschiedlich. Sie besitzen jeweils 23 Ein-Chromatid-Chromosomen, und sie sind haploid.

Angewendete Literatur Neil A. Campbell, Jane B. Reece, und Jürgen Markl : Biologie, 7. Auflage Pearson Studium Alberts – Johnson – Lewis – Raff – Roberts – Walter: Molecular biology of the cell. 5. Auflage, Garland Science