Life: The Science of Biology, 8e

ZYTOSKELETT
ZELLTEILUNG
ZELLZYKLUS
Krebs ist die Ursache der meisten Todesfälle
weltweit: 7.4 Million Todesfälle/Jahr (ungefähr 13% aller
Todesfälle).
2
3
Rb: RETINOBLASTOMA
4
CYTOSKELETT
5
Funktionen des Cytoskeletts:
1. Es verleiht der Zelle Form und Reissfestigkeit
2. Es ermöglicht verschiedene Arten zellulärer
Bewegung.
3. Separiert die Chromosomen bei der Zellteilung
4. Es liefert „Schienen” für Motorproteine, die an der
Bewegung von Zellbestandteilen beteiligt sind.
5. Wechselwirkt mit extracellulären Strukturen, um die
Zelle in Position zu halten
DAS CYTOSKELETT
Heilung einer Wunde
DAS CYTOSKELETT
Wachstum eines Axons
DAS CYTOSKELETT
Die schnelle Bewegung der Kenatocyte ist duch die Koordination zwischen der Ausstülpung des Lamellipodiums und der Translokation der
Zellkörpers ermöglicht. Fluoreszente Partikel auf dem Substrat zeigen die rollende Bewegung der Zelle Während der Bewgung haften diese
Partikel an den Zelloberfläche. Anderson et al., 1996.
DAS CYTOSKELETT
Weiße Blutzelle folgt ein Bakterium
DAS CYTOSKELETT
Zellteilung
11
DAS CYTOSKELETT
A
MIKROFILAMENTE
B
MICROTUBULI
C
INTERMEDIÄRFILAMENTE
13
INTERMEDIÄRFILAMENTE
14
INTERMEDIÄRFILAMENTE
15
Intermediärfilamente
• Intermediärfilamente bestehen aus fibrilläre Proteinen
Stabilisieren die Form der Zelle und verleihen ihr Reissfestigkeit.
• Manche sind an Desmosomen verankert unterstützen so den Zusammenhalt von Nachbarzellen.
• Andere bilden die Kernlamina
Fibrilläre Untereinheit
16
INTERMEDIÄRFILAMENTE
Typen:
I., II, Keratine (Desmosomen, Haar, Nagel)
III., Vimentin (Anfang der Zelldifferenzierung)
(Muskeln).
IV., Neurofilamente (Axone von Neuronen);
V., Lamin (Innere Seite der Kernmembran);
Desmin
Krankheiten:
epidermolysis bullosa simplex, (Keratin)
amyotrophic lateral sclerosis (ALS) (Neurofilament)
17
AKTINFILAMENTE
(Microfilamente)
18
Microfilamente:
• Actinfilamente verändern die Zellgestalt und ermöglichen die Zellbewegung (Kontraktionen,
Cytoplasmaströmung).
• Actinfilamente und Myosinfilamente sind gemeinsam für die Muskeltätigkeit verantwortlich.
• Verbinden Transmembranproteine mit zytoplasmatischen Proteinen
• Zytokinese
• Aktinfilamente (F-Aktin) polymerisieren als lange helikale Ketten aus glubuläre Aktin-Monomern
(G-Aktin)
Aktin Monomer
ACTIN-BINDENDE PROTEINE
Capping: CapZ
MonomerSequstrierung:
Timozin
Bündelung: Fascin, Fimbrin
Actin Monomer
Actin Polymer
Quervernetzung: filamin
Fragmentierung: Gelsolin
Membranverbindung: spectrin, distrofin
Depolimerisierung: Kofilin
20
Zellbewegung - Lamellipodia
Viele Zellen bewegen sich durch Ausstülpungen an der
Zellfront (LAMELLIPODIUM) and ziehen danach das
Zellende zürück.
21
Zellbewegung - Filopodia
22
Zellbewegung – Filopodia, Lamellipodia
Schaefer A W et al. J Cell Biol 2002;158:139-152
23
Zellbewegung - Lamellipodia
TREADMILLING VON AKTIN IM LAMELLIPODIUM
Gezeigt bei Speckle-Microscopy.
24
Zellbewegung - Lamellipodia
PROTEININTERAKTIONEN IN LAMELLIPODIA
25
Zellbewegung - Zelladhesion
Fokalkontakte - Stressfasern
(a & b )Integrine verbinden Zellen miteinander und mit der
extracellulären Matrix.
26
Wandernde Zellen machen und unterbrechen Kontakte mit der Matrix.
Zellbewegung - Lamellipodia
PROTEININTERACTIONEN IN LAMELLIPODIA
27
Zellbewegung - Zelladhesion
Vorderseite (Lamellipodium)
Hinterseite
Microtubuli sind notwendig für den Abbau von
Fokaladhesionen und Fokalkomplexen während der
Zellwanderung.
28
Zellbewegung
STRESS FIBERS werden
geformt, wenn die Zelle mit
dem Substratum eine stabile
Verbindung aufbaut.
Während der Kontraktion
der stress fibers Myosin trägt
zum Gleiten der
antiparallelen Aktinfilamente
bei.
Kontraktion der stress
fibers zieht das Zellende.
Schematic representation of the actin cytoskeleton in a polarised fibroblast. The different organisational forms
of actin filaments are depicted: diagonal actin filament meshwork in the lamellipodium (Lam.), with associated
radial bundles (filopodia, Fil); contractile bundles of actin (stress fibres, S.F.) in the cell body and at the cell
edge; and a loose actin network throughout the cell. Sites of adhesion of the cell with the substrate are also
indicated: focal complexes (Fx) associated with lamellipodia and filopodia and focal adhesions (F.A.)29at the
termini of actin stress fibre bundles.
Zellbewegung – Zelladhesion und
Mikrotubuli
Microtubuli sind notwendig für den Abbau von
Fokaladhesionen und Fokalkomplexen während der
Zellmigration.
30
Pathogene und das Aktin-Cytoskelett
Viele Pathogene
benutzen das Aktin der
Wirtszelle, um sich in
der infizierten Zelle zu
bewegen und zu einer
anderen Zelle
übertragen zu werden.
Sie lassen AktinSchwänze wachsen.
Listeria monocytogenes moving in PtK2 cells
These pathogenic bacteria grow directly in the host cell cytoplasm. The phase-dense streaks behind the bacteria are the actin-rich comet tails.
Actin-based motility is also used in cellular motility; this cell is using it's cytoskeleton to crawl toward the lower right-hand corner. Speeded up
150X over real time. Julie Theriot & Dan Portnoy
Muskeldystrophien
Muskeldystrophien:
•
•
•
fortschreitende, meist symmetrisch ausgebildete Muskelschwäche
Es sind mehr als 30 verschiedene Formen bekannt
Die Symptome der Krankheit können erfolgreich behandelt werden, aber MD ist tödlich
je nach Form auch schon in jungen Jahren
Duchenne muscular dystrophy (DMD)
•
•
•
•
•
X-gekoppelt, Dystrophinmutationen
jeder 3300ste Mann ist betroffen
erste Symptome um das 5te Lebensjahr
Rollstuhl um das 12te Lebensjahr
Lebeserwartung mit DMD: bis die Mitte der 30er Jahre
Mikrovilli
MYOSINE
34
Skelettmuskulatur
35
Gleitfilamenttheorie
36
MYOSINE
Aktin-bindende Motorproteine
37
Gleitfilamenttheorie
38
Gleitfilamenttheorie
39
RIGOR MORTIS
(Totenstarre)
40
MIKROTUBULI
41
• Mikrotubuli sind lange zylinderförmige Gebilde, die aus Tubulin gebildet werden. Tubulin besteht aus zwei Untereinheiten :
a-tubulin und b-tubulin
• Mikrotubuli verlängern oder verkürzen sich, indem Tubulin-Dimere zugefügt oder entfernt werden.
• Durch das Verkürzen von Mikrotubuli werden die Chromosomen
bei der Zellteilung bewegt.
• Wechselwirkungem zwischen Mikrotubuli ermöglichen Zellbewegungen.
• Mikrotubuli dienen als „Gleise” für die Beforderung von Vesikeln.
Mikrotubuli
(Makrofilamente)
b-Tubulin
Monomer
a-Tubulin
Monomer
Tubulin Dimer
42
Aufbau
- Ende
Dynamische Instabilität
POLIMERISIERUNG
DEPOLIMERISIERUNG
MIKROTUBULI
(MT)
MT-assiziierte Proteine
beeinflussen die
dynamische
+ Ende Instabilität.
Zytostatika: Substanzen,
die die Zellteilung hemmen
Colchizin, Taxol,
VinblastinStabilisatoren, in
grosser Konzentration
depolymerisieren
43
„Strömung”
der MTUntereinheiten
Susan L. Kline-Smith and Claire E. Walczak: Mitotic Spindle Assembly and Chromosome Segregation: Refocusing on
Microtubule Dynamics. Molecular Cell, Vol. 15, 317–327, 2004,
44
Mikrotubuli sind dynamisch an
den + Enden
45
Motorproteine
46
Motorproteine
MYOSIN
KINESIN
+Ende
gerichtetes
Actinmotor
+Ende
gerichtetes
MT-motor
-Ende
gerichtetes
MT-motor
DYNEIN
47
Motorproteine
Verändern ihre Konformation
reversibel, angetriben vom ATP.
Dynein bindet an Microtubuli und
bewegt diese an benachbarten
Mikrotubuli entlang.
Kinesin bindet an Vesikeln und führt
es an einem Mikrotubulus entlang.
48
MT-MOTOREN: KINEZINE
Klassifizierung der Kinesine: (Position des
Motor-Domäns)
(N:N terminus, I:Innere Region, C: C-terminus):
Kin N (+ Ende-gerichtete Kinesine),
Kin I (MT-Depolymerasen)
Kin C (+ Ende-gerichtete Kinesine)
Kinezin Stammbaum
Monomer-, Dimer-, Tetramer-Formen
49
MT MOTOROK: KINEZINEK
Funktionen der Kinesine:
Transport von Zellorganellen
• Vesikeln
• Pigmente
• ER und Golgi-Apparat
Kinezin családfa
• Chromosomen
50
DYNEINE:
Funktionen der Dyneine:
Transport von Zellorganellen
• Vesikeln
• Pigmente
DYNEIN
Komplex
• ER und Golgi-Apparat
• Chromosomen
DYNAKTIN
Komplex
51
Figure 4.22 Sliding Microtubules Cause Cilia to Bend
Geisseln (Flagellen) und Cilien
52
Geisseln (Flagellen) und Cilien
53
54
55
Axonale Transport
56
Centriolen
57
CENTRIOLEN
Bestehen aus 9
Mikrotubuli-Tripletts.
Organisieren das
Centrosom
58
CENTROSOM
CENTROSOM:
CENTRIOLEN
und PCM
g-tubulin ring
complex :
MT-Nucleation
MicrotubuliOrganisationscentrum (MTOC)
Marie Delattre and Pierre Gönczy: The arithmetic of centrosome biogenesis. Journal of Cell Science 117, 1619-1629 2004
59
CENTROSOM
60
Zellteilung
MITOSE & MEIOSE
61
Mitose und Meiose
62
Mitose und Meiose
63
Prophase
Prometaphase
Metaphase
Mitose
Anaphase A
Anaphase B
Telophase
Jonathan M. Scholey, Ingrid
Brust-Mascher & Alex
Mogilner: Cell division
NATURE VOL 422, 2003
64
Der Struktur der Spindel
65
Chromosomen
Chromosom: kondensierte DNA mit Proteinen
verpackt (in der M-Phase des Zellzyklus)
Karyogram
(human)
Chromatin:
Nicht kondensierte DNA mit Proteinen (in der
Interphase des Zellzyklus
Homologe Chromosomen
Aufbau der Chromosomen
„A” Allel
„a” Allel
Gene
Centromer
Tochterchromatiden
Telomer
Dupliziertes
Chromosom
1.♀ 1.♂
2.♀ 2.♂
66
KINETOCHOR – „Search and capture” Modell
C
E
N
T
R
O
M
E
R
DYNAKTIN Complex DYNEIN Complex
Kinetochorproteine und Adaptorproteine
Kinetochor: Struktur aus Proteinen und DNA-Abschnitten, die dem Zentromer
aufsitzt und bei Kernteilungsvorgängen als Ansatzstelle für die Fasern des
Spindelapparates dient.
67
Bewegung der Chromosomen
metafázis
kromoszóma
Aufrollen
kinetokór
centroszóma
kinetokór MT
Pac-Man
anafázis
68
Rebecca W. Heald: Burning the spindle at both ends NATURE VOL 427 2004
Microtubuli und die Segregation der Chromosomen
Kinetochor
MT –
depolymerisierendes
Kinesin
MT –
depolymerisierendes
Kinesin
Dynaktin
Dynein
MT-Flux
Centrosom
69
Rogers et. al.: Two mitotic kinesins cooperate to drive sister chromatid separation during anaphase NATURE | VOL 427 | 22 J 2004
Microtubuli und die Entstehung der Spindel
Dynein
Kinesin
70
Spindel ohne Centrosom
Meiste Tierzellen
Pflanzenzellen
Weibliche Meiose
Patricia Wadsworth and Alexey Khodjakov: E pluribus unum:
towards a universal mechanism for spindle assembly. TRENDS in
Cell Biology Vol.14 No.8 2004
71
Wie entstehen Spindel ohne Centrosom?
NUKLEATION
ORGANISATION
AUSBILDUNG DER POLEN
Oliver J. Gruss and Isabelle Vernos: The mechanism of spindle assembly: functions of Ran and its target TPX2. The Journal of Cell
72
Biology, Volume 166, Number 7, 2004 949–955
Microtubuli und die Entstehung der Spindel
Tetramer Kinesin
Chromosomengeheftetes
Kinesin
Dynein Complex
Mit Centrosom
Ohne Centrosom
Andreas Merdes and Don W. Cleveland: Pathways of Spindle Pole Formation: Different Mechanisms; Conserved Components 73
The Journal of Cell Biology 138, Number 5, September 8, 1997, 953–956
Trennung der Chromosomen in der Meiose
r r
y Y Y Heterozygous
Yy, rR diploid
cell (YyRr) to
undergo meiosis
R R
y
y
Y
R
r
y
Y
r
R
Meiose I
y
y
Y
Y
y
y
Y Y
r
r
R R
oder
R
R
r r
Meiose II
y
y
R
Y
r
R
2 Ry
:
y
Y
r
2 rY
r
y
Y
r
2 ry
R
:
Y
R
2 RY
74
MEIOSE
75
Meiose
SPERMATOGENESE
OOGENESE
Weibliche Meiose:
•
Urkeimzelle
Mitose
Spermatogonien/Oogonien
•
Asymmetrisch (1 Eizelle+3
Polkörperchen)
Arratierung in Prophase I und
Metaphase II
Mitose
Primäre
Spermatocyten/Oocyten
Meiose I
Sekundäre
Spermatocyten/Oocyten
Meiose II
Spermatiden/Ootiden
Spermien/Ovum
76
Fehler bei der Meiose
Nondisjunktion:
Ein homologes Chromosomenpaar wird
bei der Meiose I nicht getrennt.
Die Chromatiden werden bie der
Meiose II nicht getrennt.
Die Folge ist Aneuploidie: Es fehlen ein oder mehrere Chromosomen, oder sind
überzählig vorhanden (Nullisomie, Monosomie, Trisomie).
77
CYTOKINESE – Der kontraktile Ring
78
Michael Glotzer :ANIMAL CELL CYTOKINESIS Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 2001. 17:351–86
CYTOKINESE
Tubulin-GFP
Actin-GFP
79
Regulierung des
Zellzyklus
80
81
Der Zellzyklus bei Eukaryoten
Die meisten Zellen teilen sich
nie:
differenzierte Zellen
(Nervenzellen, Muskelzellen)
Manche Zellen teilen sich oft
und schnell
(embrionale Zellen, Stammzellen)
Sogar diese Zellen verbringen die
meiste Zeit in der Interphase
82
Verlassen des Zellzyklus – G0
Interphase
G0
83
Die Phasen des Zellzyklus
G2 Phase
Mitose
M Phase
Zytokinese
Interphase
S Phase
DNA Replikation
G1 Phase
84
Chromosomen und der Zellzyklus
85
Regulierung der Zellzyklus
Entstehung der
Spindel
M Anfang
Abschluss der
Zellteilung
M Ende
szabályozó
S Anfang
DNA-Replikation
DNS replikáció
86
Regulierung der Zellzyklus
Wurde die mitotische Spindel aufgebaut?
Ist die DNA-Replikation abgeschlossen?
Ist die replizierte DNA beschädigt?
G2/M Kontrollpunkt
Sind alle Kinetochore mit Transportfasern des
Spindelapparates verbunden?
Metaphasen- Kontrollpunkt
M Anfang
M Ende
S Anfang
G1/S Kontrollpunkt
Sind die Umweltbedingungen günstig?
87
M-Phase promoting Complex
Cyklin-abhängige Kinase (CDK)+Cyklin
Cdk 1
Cyklin B
Aktiviert/inaktiviert viele Targetproteine durch Phosphorylierung, wodurch
die M- Phase eingeleitet wird.
88
M-Phase promoting Complex
Cyklin-abhängige Kinase (CDK)+Cyklin
Relative
Konzentration
MPF-Aktivität
Mitotisches
Cyklin
idő
MPF ist nur bei hocher Cyklinkonzentration aktiv
89
CDK-Cyklin Complexe der höheren
Eukaryoten
Cdk-s
Cdk4
Cdk2
Cykline
M
D
G1
Cdk1
E
A
S
B(A)
G2
M G1
90
Regulationsmechanismen der Cyklinabhängigen Kinasen
1. CYKLIN-Bindung
4. CDK-INHIBITOR
2. AKTIVIERENDE
PHOSPHORYLIERUNG
3. HEMMENDE
PHOSPHORYLIERUNG
91
Regulationsmechanismen der Cyklin-abhängigen
Kinasen
PHOSPHORYLIERUNG - DEPHOSPHORYLIERUNG
inaktive
Phosphatase
CdkAktivator
Kinase
M-Cyklin
Hemmende
Phosphirilierung
Pozitive
Rückkopplung
Aktivierende
Phosphirilierung
Cdk1
Inaktíve
M-Cdk
Cdk-Inhibitor
Kinase
Inaktíve
M-Cdk
aktíve MCdk
92
Regulationsmechanismen der Cyklinabhängigen Kinasen
CDK- INHIBITOREN (CDKI)
Cyklin
Cdk
Aktíves
Cyklin-Cdk
Complex
p27
Inaktives
Cyklin-Cdk-p27
Complex
93
Regulationsmechanismen der Cyklinabhängigen Kinasen
UBIQUITIN-abhängiger Proteinabbau
Proteasom
Cdk inhibítor fehérje
(CDKI)
APC-abhängige Proteolyse
Aktivierende Untereinhet
(Cdc20)
Polyubiquitinkette
inaktives
APC
aktives
APC
M-Cyiklin
Abbau
94
Ubiquitinierungsenzyme
Protoonkogene sind Gene die den normalen
Ablauf des Zellzyklus fördern. Durch
dominante Mutationen werden sie zu
Onkogene.
Dominante (hypermorphe) Mutationen von
CDKs und Cykline können zur Tumorenbildung
führen.
95
Kontrollenpunkte des Zellzyklus
Metaphasen-Kontrollpunkt
Chromosomen-Spindel-Bindung
G2/M
Kontrollpunkt
Zellgrösse
DNA-Schäden
G1/S
Kontrollpunkt
Zellgrösse
Nährstoffe
Wachstumsfaktoren
DNA-Schäden
G0
96
Regulierung der Zellzyklus
Wurde die mitotische Spindel aufgebaut?
Ist die DNA-Replikation abgeschlossen?
Ist die replizierte DNA beschädigt?
G2/M Kontrollpunkt
Sind alle Kinetochore mit Transportfasern des
Spindelapparates verbunden?
Metaphasen- Kontrollpunkt
M Anfang
G1/S Kontrollpunkt
M Ende
S Anfang
Sind die Umweltbedingungen günstig?
97
Ist die DNA beschädigt?
G1/S Kontrollpunkt
Beschädigte DNA
DNS
Aktivierung
von Kinasen
Stabil,
Aktív p53
Phosphorylierung von p53
p53 bindet an den Promotor des p21
Gens
p53 Abbau
Transkription
p21 mRNS
Translation
p21 (CKI)
AKTÍV
INAKTÍV
98
G1/S Kontrollpunkt
99
G1/S Kontrollpunkt
Transkription
der E2FTargetgene
Durch die Bindung des Rb protein zum E2F Transkriptionsfaktor wird
die G1/S Übergang gehemmt. E2F ist zur Transkription der c-myc & c100
fos Protoonkogene notwendig..
ATM (ataxia telangiectasia mutated)
telangiektasia
Neurodegeneration
Immunprobleme
Krebsbildung
Sterilität
Strahlundsempfindlichkeit
Symptome vom ataxia telangiektázia. Das ATM-Protein spielt eine
wichtige Rolle in der Detektierung der DNA-Schäden.)
101
Kontrollenpunkte des Zellzyklus
Metaphasen-Kontrollpunkt
Chromosomen-Spindel-Bindung
G2/M
Kontrollpunkt
Zellgrösse
DNA-Schäden
G1/S Kontrollpunkt
Zellgrösse
Nährstoffe
Wachstumsfaktoren
DNA-Schäden
G0
102
G2/M Kontrollpunkt
DNA-Replikation ist nicht abgeschlossen / DNA-Schäden
DNA-Replikation ist abgeschlossen
Kontrollpunktproteine
Kontrollpunktproteine
Mitose
Arretierung
in G2
103
G2/M Kontrollpunkt
cdk1
104
Kontrollenpunkte des Zellzyklus
Metaphasen-Kontrollpunkt
Chromosomen-Spindel-Bindung
G2/M
Kontrollpunkt
Zellgrösse
DNA-Schäden
G1/S Kontrollpunkt
Zellgrösse
Nährstoffe
Wachstumsfaktoren
DNA-Schäden
G0
105
Metaphasen-Kontrollpunkt
(Metaphase-Anaphase-Übergang)
Schwester-chromatiden
Cohesin
Separin
Metaphase
Separase
Anaphase
anafázis
Abgebautes
Securin
Securin
Anaphasen
promoting
Complex
(APC)
MPF
(cdk-Cyclin-Complex)
Abgebautes
mitotisches Cyclin
106
Metaphasen-Kontrollpunkt
(Metaphase-Anaphase-Übergang)
Metaphase
Anaphase
Anaphase wird nicht eingeleitet, wenn nicht alle Chromosmen an
Spindelfasern gebunden sind.
107
Metaphasen-Kontrollpunkt
(Metaphase-Anaphase-Übergang)
Abnormale
Spindel
Was wurde ohne die
Metaphasen-Kontrollpunkt
Anaphase
passieren?
Cytokinese
Tumorzellen sind
alle aneuploid!
Aneuploide Zellen
Chromosomenverlust
Extra
Chromosom
108
Metaphasen-Kontrollpunkt
(Metaphase-Anaphase-Übergang)
Kontrollpunkt inaktiv
Kinetochor ist an
beiden Seiten an
Spindelfasern
gebunden
Anaphase beginnt
HTLV-1 vírus Tax Protein des HTLV- Virus
bindet und inaktiviert Mad, und verursacht
dadurch T-Zellen Leukaemie.
Kontrollpunkt aktiv
Kinetochor ist nicht an
beiden Seiten an
Spindelfasern gebunden
Anaphase
wird
gehemmt
109
APC wird durch den Metaphasen-Kontrollpunkt inaktiviert
Tumorsupressor Gene hemmen den normalen
Zellzyklus.
Recessive Mutationen der Tumorsupressor
Gene führen zur Krebsbildung.
110