Zellzyklus, Zellteilung, Zelldifferenzierung, Zelltod, Stammzellen, Keimzellen Orsolya Kántor Institut für Anatomie, Histologie und Embryologie Semmelweis Universität Budapest

Zellzyklus „Waschmaschineprogramm” Interphase: Vorbereitung auf die nächste Zellteilung, Wachstum, Verdoppelung der Erbsubstanz (S-Phase), Verdoppelung der Zellorganellen. Länge des Zyklus: 12-24 Stunden-1/2-1 Jahr!

Phasen des Zellzyklus, Kontrollpunkte G1: Ergänzung der Zellorganellen, ggf. DNS-Repair, Ausübung spezifischer Funktionen G0: „Ruhephase” (bez. Teilung!) Endstation: Neurone, Skelettmuskelfasern Zurück in den Zyklus: Lymphozyten, Leberzellen Metaphasen Kontrollpunkt S: Verdoppelung der DNS G2: Synthese des mitotischen Apparats Kontrollpunkte: G1/S: Sind die Umweltbedingungen für die Teilung günstig? Ist die DNS intakt? G2: Ist die DNS Verdoppelung vollständig? Ist die DNS intakt? Metaphase: Sind alle Chromosomen in der Equatorialplatte? Sind alle Chromatiden mit einem Pol verbunden?

Kontrolle des Zellzyklus – Cycline et Co. 1 Cyclinabhängige Kinasen (Cdk) Zyklische Aktivität → Protein- phosphorylation 2 Cycline: z. B. A, B1, B2, C, D, E Konzentration ändert sich zyklisch Konservativ Aktivieren cycliabhängige Kinasen 3 Cdk Inhibitore Hemmen die Entstehung und/oder Aktivität von Cycline/Cdk Komplex Hemmen das Fortschreiten des Zellzyklus

Kontrolle des Zellzyklus –Wachstumsfaktore Protoonkogene, Tumor Suppressor-Gene Zusammenspiel positiver und negativer Wirkungen Wachstumsfaktore (growth factors): Polypeptide, parakrine Wirkung durch Membranrezeptore → Signaltransduktionskette → meistens Aktivierung des Zellzyklus z. B. EPO, EGF, FGF, NGF, PDGF, TGF, Cytokine Protoonkogene: Kodieren meistens Proteine, die an Wirkung von Wachstumsfaktoren beteiligt sind Mutation → Zellteilung wird auch ohne Wachstumsfaktore aktiviert! → Tumor! z. B. sys, Erb-B, ras, jun, myc Tumor Suppressor Gene: Bremsen des Zellzyklus Mutation → Tumore! Z. B. p53 Gen, Retinoblastoma Gen p53: Transkriptionsfaktor für cdk-Inhibitor → hemmt G1-S Übergang Retinoblastoma Protein: bindet an und inaktiviert Transkriptionsfaktore, die Expression von Cyclinen oder Cdks regulieren

Zellteilung } Etwa 1 Stunde Kernteilung: Mitose/Meiose Cytoplasmateilung: Cytokinese Einleitung: M-Cdk Änderungen in der Zelle: (außer DNS) Zellkontakte Kontakte zur ECM werden abgebaut Kernlamina zerfällt ER, Golgi-Apparat zerfallen Zytoskelett wird umorganisiert, Zentrosom verdoppelt sich, Spindelapparat entsteht } M-Phase Änderungen der DNS: Nach S Phase werden die Schwesterchromatiden zusammengehalten (Cohesine) Verdichtung der Chromosomen (Condensine) → Metaphasechromosomen

Zellteilung Meiose: Teilung der Keimzellen Zwei aufeinanderfolgende Teilungen → vier Tochterzellen Crossing over, zufällige Verteilung der parental Chromosomen in die Tochterzellen → genetisch unterschiedliche Tochterzellen Anzahl der Chromosomen in der Tochterzellen: 23 (1n, haploid) Ziel: haploide Keimzellen genetischer Vielfalt Zellteilung Mitose: Teilung der somatischen Zellen Genetisch identische Tochterzellen Anzahl der Chromosomen in der Tochterzellen: 46 (2n, diploid)

Mitotische/Teilungsspindel Zentrosom: rot Mikrotubuli: grün Chromosomen: blau Kinetochor: violett Aster, Teilungsstern

G2 Interphase: Ausgangspunkt zur Mitose Verdoppelte Zentrosomen Aufgelockerte Chromosomen, 2x2n!

Phasen der Mitose: Prophase Verdoppelte Zentrosomen wandern zu gegenüberliegenden Zellpolen Astral Mikrotubuli wachsen aus Chromosomen weden sichtbar: Faden, Stäbchen Zelle rundet sich ab Zerfall von ER, Golgi → Vesikeln

Phasen der Mitose: Prometaphase Kernlamin Phosphorylation → Kernhülle zerfällt Mikrotubuli binden an Kinetochoren Entstehung der Mitosespindel

Phasen der Mitose: Metaphase Chromosomen werden in die äquatoriale Platte angeordnet Chromatide sind durch kinetochore Mikrotubuli an einem Zellpol gebunden (ein Chromatid an einem, der andere an anderem Zellpol) → Metaphase Checkpoint

Phasen der Mitose: Anaphase Cohesine werden abgebaut Mikrotubuli verkürzen sich → Scwesterchromosomen wandern an entgegengesetzte Zellpolen Interpolare Mikrotubuli werden durch Kinesine aneinandergleiten → Zelle wird in die Polenrichtung verlängert

Phasen der Mitose: Telophase Chromosomen dekondersieren sich Entsteht Kernhülle Interpolare Mikrotubuli depolymerisieren

Cytokinese Während der Telophase Zellorganellen werden in die zwei Tochterzellen verteilt Wiederentstehung von ER, Golgi, Kernhülle aus Vesikeln Kontraktiler Ring aus kortikalen Aktinfilamenten, Abschnürung mithilfe Myosin Teilungsfurche wird tiefer → zwei Tochterzellen Kontraktiler Ring Aktin: rot Myosin: grün

Meiose Erste Reifeteilung: (Meiose 1) Zwei diploide Tochterzellen Anzahl der Chromosomen wird halbiert (23, 2n) Genetische Rekombination: crossing over zufällige Verteilung der Chromosomen Zweite Reifeteilung: (Meiose 2) Insgesamt 4 Tochterzellen (23, 1n) Einfache Mitose Seggregation der Schwesterchromatiden

Meiose 1: Prophase 1 Leptotän: homologe Chromosomen kommen nebeneinander zu liegen (Tetradformation) 1 Zentromer/Chromosom 2 Zygotän: Paarung der homologen Chromosomen (synaptomales Komplex) gleiche Allele in gleicher Höhe 3 Pachytän: Rekombinationsknoten (1-3): DNS-Strang bricht, Austausch der Bruchstücke zwischen mü. u. va. Chromosomen → Mosaikchromosom aus mü. u. va. Stücken 4 Diplotän: synaptomales Komplex verschwindet, Chromosomen werden auseinandergezogen → Kreuzungen werden sichtbar (Chiasma, crossing over) 5 Diakinese: homologe Chromosomen werden durch die Chiasmata zusammengehalten Crossing over Umgebaute Chromosomen

Meiose: weiterer Verlauf Meiose 1: Metaphase, Anaphase, Telophase Ähnlich wie bei Mitose, Unterschiede: Metaphase: Tetrade sind in der Metaphasenplatte aufgereiht Anaphase: Chromosomen (aus 2 Chromatiden) werden bewegt In den Tochterzellen: 23 Chromosomen (2n), zufällige Kombination von parentalen Chromosomen (>8 Mi. Variationen!) Meiose 2: Ohne vorherige DNS Replikation! Wie Mitose, Chromatiden werden bewegt 4 unterschiedliche haploide Tochterzellen mit 23 Chromosomen

Keimzellen – Ovum, Oozyt Größte Zelle des Körpers: 100 μm Im Zytoplasma: „Dotter”: 5%, Lipide, Kohlenhydrate (Reserve) Reserve RNS: m, t, r, für die frühe Entwicklung Kortikale Granulen: bei Fertilisation werden ausgeschüttet → binden an Zona pellucida, hemmen das Eindrigen weiterer Spermien Keine Zentriolen! Zona pellucida: Glykoprotein Hülle (ZP 1-4, ZP3: Rolle bei Spermienbindung) Mechanischer Schutz, Zusammenhalten der Blastomere, Barrier gegen Polyspermia Corona radiata: Aus Follikelepithelzellen Ernährende Funktion, Zellen stehen mit dem Oozyt durch Gap junctions in Verbindung Zellen der Corona radiata Zellkern Zona pellucida Mikrovilli Zellfortsatz ZP

Entwicklung der Eizellen - Oogenese Urkeimzellen: aus Dottersack Oogonien (2n) Vermehrungsphase (Mitosen) Ort: Ovarium, ovarielle Follikeln Asymmetrische Teilung: Oozyt-Polozyt Meiose wird zweimal gestoppt: In Prophase 1, Diplotän: Mehrere Jahre, sogar 40 Jahre! In Metaphase Meiose 2 wird erst bei Befruchtung vervollständigt Ohne Befruchtung: Oozyte stirbt in Metaphase 2 ab Wachstumsphase DNS-Synthese (4n), Wachstum primäre Oozyten (4n) Weiteres Wachstum Kortikale Granulen Zona pellucida Meiose 1 Reifungsphase Sekundäre Oozyten (2n) Polozyt (2n) Spermium (n) Meiose 2 Metaphase 2 Befruchtung Polozyt (n) Zygote

Spermium ~ 60μm lang, beweglich (gegen Flüssigkeitsstrom= Rheotaxis, opt. pH: 7,2-7,4) Kopf: Kern Acrosom: aus Golgi, Durchdrang durch Corona radiata, Zona pellucida Hals: prox. Zentriol dist. Zentriol → Basalkorn Mittelstück: Kinozilium Mitochondrien (24) lat. Fasern: Keratin Hauptstück: Kinozilium Faserring Acrosomale Kappe

Entwicklung der Spermien: Spermiogenese Zellen aus einem Spermatogonium werden durch Zytoplasmabrücken verbunden Spermatozytogenese (Vermehrungsphase) Mitosen (Reifungsphase) Meiose Spermiohistogenese (Differenzierungsphase)

Spermiohistogenese (Spermatide → Spermium) Keine Teilung, nur Umgestaltung Zytoplasmabrücken zwischen den Spermatiden werden getrennt Zellkernkondensation Golgi-App. → Acrosom Wanderung von Mitochondrien, Zentrosomen Dist. Zentrosom → Schwanzfaden Zytoplasmateile werden phagozytiert

Differentiation Determination: Festlegung des Schicksals der Zellen während der Entwicklung Differentation: strukturelle und funktionelle Spezialisation der Zellen, Änderung der Genexpression (Ein- oder Ausschalten spezieller Gene) Oft Kaskade: Mastergene (z. B. MyoD bei Muskeldifferentation) schalten weitere Gene ein, die wiederum weitere Gene aktivieren u. s. w. Geht meistens mit Einengung der Entwicklunspotenzial einher. Entwicklungspotenzial: toti/omnipotent: Zygote, frühe Blastomere →zu allen Zelltypen pluripotent: zu Zellen aller 3 Keimblätter multipotent: zu näher verwandten Zelltypen unipotent Differenzierte Zellen befinden sich oft in G0 Phase.

Stammzellen Unspezialisierte Zellen mit zwei wichtigen Eigenschaften: 1 können sich zu anderen Zelltypen differenzieren 2 die Stammzellpopulation ist selbsterhaltend (self renewal) Formen: Embryonale Stammzellen: Blastozyten Adulte Stammzellen: in Erwachsenen, nicht oder wenig differenzierte Zellen, niedrige Teilungsrate! Rolle: normales Turnover regenerativer Organe (Haut, Darm) Reparation Nabelschnurstammzellen Haematopoetische (multipotente) Stammzelle Potenzial der Stammzellen: Totipotent Pluripotent Multipotent (adulte) Unipotent (z. B. Spermatogonium, Oogonium) Zukünftige Verwendung: Zellersatz: Knochenmark, Neurone, Herzmuskulatur, Pancreas β-Zellen

Apoptose (~Selbstmord) Zelltod Apoptose (~Selbstmord) Programmierter Selbstmord Zelle schrumpft veränderte Chromatinstruktur Zytoplasma und Kern wird fragmentiert (apoptotic bodies) Kreuzverbindungen zw. Proteinen Zelle wird von Fresszellen erkannt und phagozytiert Zelle verschwindet schnell und ohne Spuren Necrose (~Mord) durch externe Faktore schwer beschädigte Zellen Zelle desintegriert Zelle schwillt an und „explodiert” Membrane rupturieren Zytosol und Organellen kommen in die Umgebung Leukozyten werden angelockt → Entzündungsreaktion

Apoptose Zellvermehrung und Zelltod sollte im Gleichgewicht stehen Entfernt werden sollen: überaltete Zellen überflüssige Zellen geschädigte Zellen (Tumor, Virusinfektion, DNS-Schädigung et c.) Zellkern: Chromatin: helle und dunkle Gebiete, Pyknosis (Schrumpfung), Karyorhexis (Fragmentierung) DNS wird gespalten (Endonuklease) → ELFO: DNS Leiter Zellmembran: Phosphatidilserin wandert in äußere Lipidschicht → Signal für Fresszellen zur Phagozytose Apoptose EM DNS ELFO Apoptotische Zellen

Molekulare Mechanismen der Apoptose - Caspasen Caspasen: Protease, die Peptidketten am Aspartat spalten Ein Caspase aktiviert den nächsten → Kaskade, auch Verstärkung Initiator Caspasen: Caspase 2, 8, 9, 10 Effektor- Caspasen: Caspase 3, 6, 7 Substrate der Caspasen: Lamin in Kernlamina → Kernlamina zerfällt Adhäsionsmoleküle, Zytoskelett → Zelle verliert den Kontakt mit den Nachbarn, wird abgerundet Endonuklease Inhibitor Protein → Endonuklease wird aktiviert, DNS wird gespalten Transglutaminase → Kreuzverbindungen zw. Proteinen Signale zur Caspasen-Aktivation: Von Außen: Fas-Ligand: wirkt durch Death-Rezeptore Mangel an Wachstumsfaktoren Von Innen: Cytochrom-C Ausstrom aus Mitochondrien p53

Rolle für Apoptose In Embryonalentwicklung: (ontogenetic cell death) Entstehung der Höhle des Blastozyste Trennung der Fingern/Zehen Entstehung von Gelenkhöhlen Rückgang des Wolff/Müller-Ganges Elimination überzähliger Neurone In Erwachsenen: Elimination überflüssiger Oogonien/Spermatogonien Elimination autoreaktiver T-Lymphozyten, Absterben von B-Zellen ohne Antigenstimulation Rückgang hormonsensitiver Drüsen: Milchdrüse nach Abstillen, Prostata, Endometrium Wenn die Apoptose gestört ist: Entwicklungsstörungen Autoimmunität Tumore Neurodegenerative Erkrankungen Syndaktilia

Danke für die Aufmerksamkeit! Verwendete Literatur: Welsch: Lehrbuch Histologie Röhlich: Szövettan Alberts: Lehrbuch der molekularen Zellbiologie Folien von Prof. Pál Röhlich