Zellteilung und Zellzyklus. Metaphase-Chromosomen. Dr. Arnold Szabó szabo.arnold@med.semmelweis-univ.hu Semmelweis Universität Institut für Humanmorphologie und Entwicklungsbiologie 1. 10. 2012

François-Vincent Raspail Omnis cellula e cellula François-Vincent Raspail (1794-1878) Robert Remak (1815-1865) Rudolf Carl Wirchow (1821-1902) Anerkennung, Verbreitung und Ergänzung der Zellteilungstheorie. „Omnis cellula e cellula” Jede Zelle entsteht aus einer anderen. Die erste Beschreibung der Zellteilung. (1852)

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 etwa eine Stunde nimmt. Die Zelle kann den Zyklus bei der G1-Phase verlassen, und 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 in 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 Separase enzymatisch abgebaut. Die Chromatiden der Zwei-Chromatid-Chromosomen trennen sich, 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, und 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 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.

Kontrolle des Zellzyklus Cycline Regelproteine, die Cyclin-abhängige-Kinasen (cdk) aktivieren. Sie werden während des Zellzyklus in einer bestimmten Reihenfolge gebildet und bald danach abgebaut. Jede Zellzyklusphase und die Übergänge von einer Phase in die andere lassen sich mit einer bestimmten Cyclin-Kombination beschreiben. Cycline-abhängige-Kinasen (cdk) Enzyme, die durch Cycline spezifisch aktiviert werden können. Im aktiven Zustand phosphorylieren sie weitere Proteine, die am Zellzyklus teilnehmen. Sie werden während des Zellzyklus ständig gebildet. Nicht ihre Konzentration, sondern ihre Aktivität ändert sich während der verschiedenen Phasen des Zellzyklus.

Kontrolle des Zellzyklus II. Tumorsupressor-Proteine Regelproteine, die den Zellzyklus hemmen (negative Regelung). Rb-Protein (Retinoblastom-Protein) Das wichtigste Regelprotein des G1-Kontrollpunktes. Es bindet und dadurch inaktiviert die Transkriptionsfaktoren, die für die Synthese von Cyclin E und Cyclin A nötig sind. In Abwesenheit dieser Cycline ist der Übergang in die S-Phase blockiert. p53 Das p53 ist ein Transkriptionsfaktor, dessen Konzentration beim DNA- Fehler plötzlich steigt. In hoher Konzentration blockiert es den Zellzyklus und aktiviert DNA-Reparaturmechanismen. Der programmierte Zelltod (Apoptose) wird in Gang gesetzt, wenn die Reparatur nicht möglich ist.

Kontrolle des Zellzyklus III. Äußere Faktoren Wachstumsfaktoren Gewebespezifische Proteine, die die Zellteilung fördern (positive Regelung). Sie werden von anderen Zellen sezerniert und durch Membranrezeptoren erkannt. Beispiele: NGF (Nerve Growth Factor), FGF (Fibroblast Growth Factor) Platzmangel / Nährstoffversorgung Beim Platz- und Nährstoffmangel teilen sich die Zellen nicht. Tumorbiologie Regulationsstörungen des Zellzyklus können zur unkontrollierten Zellteilung führen. Die beschädigten Gene, deren Produkte die Regelfunktion nicht erfüllen können, werden Onkogene genannt. Die in der Regulation des Zellzyklus beteiligten gesunden Gene heißen dagegen Protoonkogene. Protoonkogen – „gesundes” Gen Onkogen – mutiertes Gen

Asymmetrische Mitose Obwohl die mitotische Tochterzellen dieselbe genetische Information tragen, die Komponenten des Zytoplasmas werden nicht unbedingt symmetrisch verteilt. Bestimmte Proteine und RNA-Moleküle können reguliert mit Hilfe eines Centrosoms nur in eine der Tochterzellen gebracht werden. Dieses führt zu unterschiedlichem Phänotyp und somit unterschiedlichem Schicksal der Zelle. Fuentealba L C et al. PNAS 2008;105:7732-7737

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 Fuentealba L C et al. PNAS 2008;105:7732-7737 http://www.whonamedit.com http://www.wi.mit.edu/news/paradigm/spring_2008/splitsville.html http://stemcells.nih.gov/info/scireport/chapter4.asp