Vorlesung 2 Zytoskelett, Zellgestalt,

Vorlesung 2
Zytoskelett, Zellgestalt, Zellbewegung, Trennung der
Chromosomen
Zytoskelett, Zellgestalt, Zellbewegung
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6.
Die Funktionen des Zytoskeletts:
Es verleiht der Zelle Form und Reissfestigkeit
Es ermöglicht verschiedene Arten zellulärer Bewegung.
Separiert die Chromosomen bei der Zellteilung
Es liefert „Schienen” für Motorproteine, die an der Bewegung von Zellbestandteilen beteiligt
sind.
Wechselwirkt mit extracellulären Strukturen, um die Zelle in Position zu halten.
7.-11.
Filme, die die unterschiedlichen Funktionen des Zytoskeletts demonstrieren
12.-13.
Beweglichkeit der Zellen ist eine ihrer erstaunlichen Eigenschaften; wie z.B. Zellen des
Immunsystems wandern an Ort der Verletzung/Infektion. Die meisten Zellen sind nicht
beweglich, sondern an einen festen Ort gebunden, aber sie sind zu morphologischen
Änderungen fähig, wie Muskelkontraktion, die Verlängerung der Axonen, Bildung von
Oberflächenausstülpungen, die Einschnürung des Zellkörpers bei der Mitose. Innerhalb der
Zellen ablaufen Bewegungen wie die Trennung der Chromosomen, die Strömung des
Cytosols, der Transport der Membranvesikeln. Die für Zellbewegung benötigte mechanische
Arbeit ermöglichen Proteine, welche die in ATP gespeicherte chemische Energie in
Bewegung umsetzen.
Die im Elektronenmikroskop sichtbare, auf den ersten Blick offensichtlich ungeordnete
Ansammlung von Fasern lassen sich in drei Kategorien klassifizieren:
Die 7-9 nm dicke Mikrofilamente (Actin)
Die 10 nm dicke Intermediärfilamente
Die 24 nm dicke Mikrotubuli (Tubulin)
Die Fasern werden von Proteinpolymere gebildet, die durch nichtkovalente Bindungen
zusammengehalten werden. Der Aufbau des Cytoskeletts ist klar struktruiert, bestehen aus
Faserbündel, Netzwerke der Bündel, als gelartige Matrix.
14.-17.
Intermediärfilamente:
Eine Gruppe von Cytoskelettfasern in der Zellen sind die Intermediärfilamente, welche man
in Zellen findet, die sich zu Geweben zusammenschliessen. Intermediärfilamente bestehen
aus eine Reihe unterschiedlicher Proteine, davon die Lamine in allen Kernmembranen der
Zellen, die übrigen IF-Proteine in besimmten Gewebe vorkommen. Intermediärfilamente
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Zytoskelett, Zellgestalt, Zellbewegung, Trennung der
Chromosomen
durchziehen die Zellen und treten mit Desmosomen zwischen den Zellen, Hemidesmosomen
in der basalen Membran und der peripheren Proteine in der apikalen Membran in Kontakt.
Funktionen:
Stabilisieren die Form der Zelle und verleihen ihr Reissfestigkeit.
Unterstützen den Zusammenhalt von Nachbarzellen
Werden Gewebespezifisch expremiert
Es sind keine Motorenproteine bekannt, die sich entlang Intermediärfilamente bewegen.
Typen:
I., II, Keratine (Desmosomen, Haar, Nagel)
III., Vimentin (Anfang der Zelldifferenzierung), Desmin (Muskeln).
IV., Neurofilamente (Axone von Neuronen);
V., Lamin (Innere Seite der Kernmembran);
Krankheiten:
epidermolysis bullosa simplex, (Keratin)
amyotrophic lateral sclerosis (ALS) (Neurofilament)
18.-20.
Aktinfilamente
Actin, das Monomer der Mikrofilamente ist das häufigste Protein der eukaryontischer Zelle.
In Muskelzellen bestehen zehn Prozent aller Proteine aus Actin, in Nichtmuskelzellen 1-5
Prozent. Actin ist ein ungefähr 40 kDa Protein und wird von einer Familie hochkonservierter
Gene kodiert. Einzellige Eukaryonten, wie Hefe besitzen ein einziges Actingen, dessen
Mutation tödlich (lethal) ist. Die Lethalität kann durch z.B. menschliches Actingens
komplementiert werden, als ein Beispiel der konservierten Natur von Actin unter der
Gattungen. Mehrzellige Eukaryonten, inklusive Menschen, beherrschen sechs Actingene,
Pflanzen sogar sechszig. Das Monomer von -Actin, oder globulär, G-Actin besitzt eine
tellerförmige Struktur, die in vier Subdomäne geteilt ist. Innerhalb des Moleküls befindet sich
eine Tasche, welche ATP und Mg2+ bindet. Im Elektronenmikroskop erscheinen
Actinfilamente als lange, flexible und sich gedrehte Stränge aus perlenförmigen
Untereinheiten. Wie das Modell darstellt, liegen die Untereinheiten dicht gepackt entlang des
Filaments in einer helikalen Struktur. Eine periodisch wiederkehrende Einheit besteht aus 28
Untereinheiten. Die ATP-Bindungstasche weist in allen Untereinheiten in dieselbe Richtung,
nach oben, welches das minus Ende des Filaments ist. Die einzelne Actinfilamente werden
von Actinquervernetzende Proteine zusammengehalten. Kurze proteine, wie Fascin fixieren
die Filamente nahe beieinander und bilden parallele Anordnungen, oder Bündel. Lange,
biegsame Proteine, wie Filamin dienen für Bildung mehr oder weniger rechtwinkligen
Netzwerke. Die actinquernetzenden Proteine sind zahlreich und gewährleisten Quernetze aller
Arten.
21.-30.
Zellbewegung
Zellen führen Bewegungen auf zwei Weisen auf. Motorproteine verwandeln die chemische
Energie aus ATP-Hydrolyse in Bewegung entlang von Mikrofilamenten oder Mikrotubuli.
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Der zweite Mechanismus beruht auf dem Auf- und Abbau von Mikrofilamenten oder
Mikrotubuli.
Polarität der bewegende Zelle heisst, dass bestimmte Strukturen an der Vorderseite, andere
Strukturen an der entgegengesetzten Seite gebildet sind. Der ausgestreckte Membran-Finger,
das Filopodium weist in der Richtung der Bewegung. Die grosse und breite Ausstülpung, das
Lamellipodium enthält zahlreiche Actinbündel, und die Stressfasern bestehen auch aus
Actinbündel/Mikrofilamenten. Die Bündel und deren Netzwerken aus Actinfilamenten füllen
die Zellen an. Einzelne Bündel bilden strahlenförmige Filopodien, und gleichzeitig ein
Netzwerk, welches das gesamte Cytosol erfüllt. Im Gegensatz zu der parallelen Anordnung
der einzelne Filamenten der Filopodien liegen die Filamente in den Netzen rechtwinklig
zueinander.
24.
In vitro polymerisiert Actin in drei Phasen nach der Zugabe von Ionen oder Actin selbst. In
der ersten Phase sich langsam kurze und instabile Oligomere aus ATP-G-Actin bilden, die als
Keime dienen. In der zweiter Phase findet die rasche Verlängerung des Filaments statt, und in
der dritten Phase steht das System in Gleichgewicht, ohne Kettenverlängerung (Abb. 13). Die
im Gleichgewicht vorliegende Konzentration an monomerem Actin nennen wir kritische
Konzentration Cc, welche unter in vitro Bedingungen 0.1 M beträgt. In höher konzentrierten
Lösungen von G-Actin kommt es zur Polymerisation, während F-Actin in verdünnten
Lösungen depolymerisiert. Als das gebundene ATP langsam zu ADP hydrolysiert, die
Filamente aus ADP-Actin bestehen und ATP-G-Actin nur an den Enden der Kette vorliegt.
Die Hydrolyse ist keine Voraussetzung für Polymerisation, da ADP-G-Actin auch
polymerisieren kann. Die Geschwindigkeit der Monomerenanlagerung an beiden Enden der
Kette verschieden ist, und das Plus-Ende wächst fünf- bis zehnmal schneller, als das MinusEnde. Die Unterschiedlichen Wachstumsgeschwindigkeiten an den beiden Enden beruhen auf
unterschiedlichen Cc-Werten. Infolge der unterschiedlichen Cc-Werte zwischen 0.1 – 0.8 M
Konzentrationen wird das Plus-Ende wachsen, und dissoziieren Actinmonomere vom MinusEnde, aber die Filamentlänge bleibt konstant, und kann das Filament in die Richtung PlusEnde fortbewegen, Filopodien bilden (Tretmühle oder treadmill Modell). In vivo, die
Steuerung der Actinpolymerisation benötigt regulatorische actinbindende Proteine, da die Ionoder Actinkonzentration innerhalb der Zellen relativ konstant ist. Profilin bildet einen 1:1
Komplex mit monomerem Actin, damit das Gleichgewicht in Richtung Polymerisation
verschiebt. Im Gegensatz, Thymosin 4 hemmt der Aufbau der Actinfilamente. Das Protein
bindet sich an G-Actin in Verhältnis 1:1, welches in diesem Komplex nicht mehr
polymerisieren kann.
25.
Während der Wanderung bleibt die Länge der Aktinfilamente im Lamellipodium wegen der
treadmilling konstant. Es werden an der Zellperipherie neue Aktinmonomere ins
Aktinfilament eingebaut (Polymerisierung) und am Zellkörper werden Aktinmonomere von
den Aktinfilamenten entfernt (Depolymerisierung).
27.-30. extra
Während der Wanderung wird der hintere Teil der Zelle danach vorwärts gezogen, und Neukontakt, oder
Adhäsionsplaque (Fokalkontakt) an dem Substrat in Bewegungsrichtung gebildet. Zwischen den Fokalkontakten
werden die Stressfasern gebildet, die aus kontraktilen Aktinfilamenten und Myosin bestehen. Aktomyosin-
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Kontraktion der Stressfasern yieht das Zellende zurück. Integrine (alfa und beta) sind die Transmebranproteine,
die das Aktinnetzwerk durch Adaptorproteine an das extrazelluläre Matrix binden können. Fokalkontakte sind
dynamisch, sie mussen rechtzeitig abgebaut werden, damit sich die Zelle sich nach vorne bewegen kann. Die
dynamischen Mikrotubuli berühren die Fokalkontakte regelmässig und transportieren die Faktoren, die für den
Abbau der Fokalkontakte notwendig sind.
Die nächste Stufe der Organisation der Actinfilamente ist ihre Verknüpfung an der Membran-Mikrofilamentverbindende Proteine. Deshalb die höchste Dichte an Actinfilamenten besteht im Cortex, in der schmalen Region
direkt unterhalb der Plasmamembran.
31.extra
Normalerweise, WASP-Protein der Zelle aktiviert das Arp2/3-Complex im Lamellipodium, was zur Entstehung
einer quervernetztes Aktinnetzwerks führt. 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 Aktin-Schwänze
wachsen. Listeria: Expremiert ein Wasp-homologes bacterielles Protein auf seiner Oberfläche, wodurch das
Arp2/3-Complex um die Bacteriumszelle aktiviert wird. Shigella: Eine seiner Oberflächenproteine bindet direkt
an WASP und aktiviert WASP. Vaccinia virus: Eine seiner Oberflächenproteine bindet durch Adaptoren an
WASP und aktiviert WASP. Salmonella: Seine Aktin-bindende Proteine polymerisieren direkt F-actin.
32.
In der Mitte der Fingerförmigen Microvilli des Dünndarms liegt ein Bündel von
Actinfilamenten, welches die Gestalt der Mikrovilli stabilisiert.
33.
In der Membran der Muskelzellen sind Actinfilamente über Dystrophin an einem integralen
Membranglykoproteinkomplex gebunden. Dieser Komplex bindet sich an Laminin und Agrin,
die Komponente der extrazellulären Matrix sind. Das Dystrophin Gen ist auf dem
Chromosom X gekoppelt,
dessen Mutationen die geschlechtsgebundene vererbte
degenerative Muskelerkrankung Duchenne-Muskeldystrophie (DMD) verursacht.
34.-40.
Obwohl die Polymerisationsfähigkeit von Actin die Gestaltänderungen und Beweglichkeit der
Zellen gewährleistet, erfordern viele Arten der zellulären Bewegung eine Wechselwirkung
zwischen Actinfilamente und Myosin. Myosin ist eine ATP-ase, die sich entlang der
Actinfilamente bewegt. Myosin kann die chemische Energie in mechanische umwandeln,
weshalb man es als mechanochemisches Enzym oder Motorprotein bezeichnet. Myosin ist der
Motor, der von ATP angetrieben ist und sich auf den als Schienen dienenden Actinfilamenten
fortbewegt.
41-56.
Mikrotubuli
Mikrotubuli sind Polymere aus Proteinuntereinheiten, welche den Raum zwischen dem
Zellkern und der Plasmamembran ausfüllen. Mikrotubuli gewährleisten zahlreiche zelluläre
Bewegungsarten, die auf der Polymerisation und Depolymerisation der Mikrotubuli, oder auf
der Aktivität von Mikrotubulimotorproteinen
beruhen. Während Mikrotubuli und
Aktinfilamente bei den Zellbewegungen eine wichtige Rolle Spielen, dienen
Intermediärfilamente ausschliesslich für strukturelle Aufgaben.
Mikrotubuli bestehen aus Heterodimere von
- und
-Tubulin, die man mit
Molekulargewichten von jeweils 55.000 bei allen Eukaryonten findet, und beide Proteine sehr
stark konserviert ist. -Tubulin enthält ein nicht austauschbares GTP, und -Tubulin ein
austauschbares GDP; diese Bindungstelle wird als austauschbar bezeichnet, da GDP wieder
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Chromosomen
durch GTP ersetzt werden kann. Der Aufbau der Mikrotubuli fängt mit der Bildung des
Profilaments an. Die dimerische Untereinheiten sind mit ihren Enden aneinander gelagert. Die
säulenformige Profilamente lagern sich Seite an Seite zusammen und bilden dabei die
zylinderförmige Wand eines röhren-ähnliches Microtubulus. Nahezu alle Mikrotubuli bilden
eine Röhre oder Singulett; in seltenen Ausnahmen könnnen sich Protofilamente auch zu
Duplett- oder Triplettmikrotubuli zusammenlagern, wie in Cilien und Geisseln. Die zwei
moleküle GTP-gebundene Tubulindimere lagern sich an die Plus-Ende existierender
Mikrotubuli an. Nach dem Einbau -Tubulin-gebundenes GTP wird langsam zu GDP
hydrolysiert. Die an ihren Ende GTP-Tubulin-Kappe tragenden Mikrotubuli sind stabil und
können weitere Dimere anlagern. Microtubuli zeigen dynamische Instabilität, sie wechseln
zwischen Phasen von Wachstum und Schrumpfen. Microtubule-Flux: Treadmilling der
Microtubuli durch Depolymerisierung am –Ende und Polymerisierung am +Ende.
Die mikrotubuliassoziierte Proteine (MAPs) spielen eine wichtige Rolle in Vernetzung der
Mikrotubuli, die aus zwei Domänen bestehen: Eine mikrotubulibindende- und eine
abstehende Domäne. Diese Domäne kann sich an Membranen, Intermediärfilamente, oder
andere Mikrotubuli binden. Mechanochemische Enzyme, oder Motorproteine der Mikrotubuli
sind Kinesin und Dynein. Kinesin verwendet Mikrotubuli-Schiene während der
Fortbewegung in der Richtung Plus-Ende der Mikrotubuli, Dynein bewegt sich in der
Gegenrichtung. Beide Proteine weisen strukturelle und funktionelle Ähnlichkeiten mit
Myosin auf .
57.-60.
Centrosomen
Bei den meisten Interphasezellen gehen die Mikrotubuli ähnlich wie Speichen einer Nabe von
der Nähe des Zellkerns aus, wo das Wachstum beginnt. Centrosomen sind „T“-ähnliche
Strukturen, die aus zwei Centriolen und der pricentriolaren Materie (PCM) bestehen.
Centriolen bestehen aus 9 Mikrotubuli-Triplets. In den meisten Fällen sind die Centrosomen
die Mikrotubuliorganisationszentren (MTOC), wo sich das Minus-Ende der Mikrotubuli
bindet. Mikrotubuli verschwinden nach Zugabe von Colcemid oder bei 0 oC, und sich
neubilden durch Entfernung Colcemid oder bei 37 oC. Die Mikrotubuli von dem MTOC zur
Zellperipherie ausstrahlen, wodurch ihre Polarität in einer ganz bestimmten Richtung
festgelegt wird. Diese Polarität wird während der gesamten Mitose beibehalten, bei der sich
das Centrosom/MTOC verdoppelt. In Cilien oder Geisseln Centrosom dient als der
Basalkörper, wo das Minus-Ende der Mikrotubuli angeheftet sind. Im Gegenstand, pflanzliche
Zellen weisen zahlreiche MTOCs auf. In manchen Tierzellen fällt das Zentrosom und das
MTOC nicht überein.
61.-64.
Mitose und Meiose
Der mitotische Zellzyklus sorgt dafür, dass beide Zellen nach der Teilung genetisch identisch
sind. Die Mitose ist der letzte Abschnitt des mitotischen Zellzyklus und dauert in einer
normalen tierischen Zelle ungefähr eine Stunde. Für diese Zeitdauer bildet die Zelle eine
vorübergehende Struktur aus Mikrotubuli, die als mitotischer Apparat bezeichnet wird. Um
sicherzustellen, dass die Mitose über mehreren Milliarden Zellteilungen während der
gesamten Lebensdauer fehlerfrei abläuft, hat die Natur einen redundanten Mechanismus
entwickelt, der durch die Dynamik der Mikrotubuli gesteuert ist. Die Meiose sorgt für
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Chromosomen
genetische Variabilität, und dafür, dass das bei der Bildung der Geschlechtszellen das
Chromosomenzahl halbiert wird.
+
Biologie 7. Auflage S.197-S.219
65-67.
Die Spindel
Die Anzahl, Grösse und Form der Chromosomen ist genetisch festgelegt, und art- und
zelltypisch ist. Die primäre Einschnürung, das Zentromer kann in der Mitte (metazentrisch,
Chr. 1), am Ende (telozentrisch, X-Chr.), oder irgendwo inzwischen (submetazentrisch, YChr.) des Chromosoms liegen. Der längerer Arm/Schenkel des Chromosoms heisst q, der
kürzere p. Manche Chromosomen tragen sekundäre Einschnürung, den Nukleolenbildungsort
(NO, nucleolus organiser). Euchromatin ist der genetisch aktiver Bereich des Chromosoms,
der entspiralisiert ist, während Heterochromatin (z.B. Zentromerbereich) bleibt kondensiert,
spiralisiert. Während der Mitose oder der Meiose müssen die Chromosomen im Vergleich der
Länge ihre DNA ungefähr 1:10000 spiralisiert werden.
In der Metaphase wird der mitotische Apparat in zwei Teile geteilt: Ein zentraler
Spindelapparat, und ein Paar Microtubuliastern an jedem Spindelpol. Am Pol jeder
Halbspindel befindet sich ein Centrosom, das vorher in der Interphase (G2) sich verdoppelt
hat. Die Astralmikrotubuli, die aus dem Centrosom ausstrahlen, posizionieren das
Spindelapparat und legen die Trennebene zwischen beiden Zellen während der Cytokinese
fest. Die Pol- und Kinetochormikrotubuli bilden die Spindel. Die Kinetochormikrotubuli
halten die Chromosomen an den Kinetochoren fest, während Polmikrotubuli gehen keine
Wechselwirkung mit den Chromosomen ein. Das flache Kinetochor besteht aus drei
Schichten, liegt in dem Centromer der Schwesterkromatiden mithilfe von centromerbindende
Faktoren (CBF). „Search and capture“- Model: +Enden der Microtubuli wachsen und
schrumpfen dynamisch und erwischen dabei ein Kinetochor und binden es.
68-70.
Bewegung der Chromosomen
Während der Chromosomenbewegung in der Anaphase, dynamische Polymerisation und
Depolymerisation der Mikrotubuli, sowie Mikrotubulimotorproteine gewährleisten die
Zugkraft für Trennung der Chromosomen. Pac-Man Modell: Microtubuli werden am +Ende
depolymerisiert. Aufrollen-Modell: Dynein bindet die Chromosomen an die +Enden und
Microtubuli werden am –Enden depolymerisiert.
71-73.
Spindel ohne Centrosom
Während der weiblichen Meiose gehen die Centrosomen verloren und die Spindel ensteht
ohne Centrosomen. Dabei werden die Mikrotubuli an den kondensierten Chromosomen
nukleiert. Die +Enden wachsen an den Chromosomen und schieben die –Enden aus.
Regulierte Zusammenarbeit verschiedener Mikrotubulimotoren fokusieren die –Enden an den
zwei Seiten der Chromosomen und so entstehen die zwei Spindelpolen.
74-77.
Fehler bei der Meiose
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Chromosomen
Aneuplode Keimzellen entstehen wegen Chromosomen-nondisjunktion, die während der
ersten oder der zweiten meiotischen Teilung auftreten kann. Fehler bei Meiose I: Die
homologen Chromosomen werden in der AnaphaseI nicht separiert und wander zur gleichen
Spindelpol. Fehler bei Meiose II: Die Schwesterchromatiden der ZweichromatidenChromosomen werden in der AnaphaseII nicht separiert und wander zur gleichen Spindelpol.
Die häufigste und bekannteste Trisomie ist die Trisomie des Chromosomes 21. (DownSyndrom). Die Häufigkeit ist 1:800-1:1000 pro Geburt. In den meisten Fällen tritt die
Nondisjunktion in der Mutter während der Oogenese auf. Andere Trisomien: TurnerSyndrom (XXX), Klinefelter- Syndrom (XXY).
78-79.
Zytokinese
In der Telophase gibt es zwei Zellkerne in einer gemeinsamen Zytoplasma. Die Zytokinese ist
die Teilung der Zytoplasma. Dabei wird in der Anaphase ein kontraktiler Acto-Myosin-Ring
gebildet, dessen Kontraktion am Ende der Mitose die zwei Zellen voneinander separiert. Der
kontraktile Acto-Myosin-Ring ensteht an der Stelle, wo die „zentrale Spindel” (midbody)
gewesen ist. Zur Trennung der Zellen ist die Einbau von neuen Zellmembranvesikeln
notwendig.
80-83
Regulierung des Zellzykluss
Der mitotische Zellzyklus sorgt dafür, dass beide Zellen nach der Teilung genetisch identisch
sind. In der G1-Phase (gap, Lücke) des Zellzyklusses dient dafür, dass die Zelle für die
Teilung sich vorbereitet. Zur Vorbereitung auf eine Mitose müssen das Genom und das
Zytoplasma verdoppelt werden. Die Chromosomenverdopplung geschieht in der S-Phase
(Synthese) der Interphase. Die Interphase besteht aus S-Phase, G1- und G2-Phasen des
Zellzyklusses. Die in der S-Phase verdoppelten Chromosomen sind die genetisch identischen
Schwesterchromatiden, oder Zwei-Chromatid-Chromosomen. In der Interphase liegen die
Chromosomen als entspiralisiertes Chromatin vor, nur während der Mitose kondensieren sie,
sich verkürzen, und werden zytogenetisch sichtbar. Die meisten Zellen vielzelliger
Organismen unterbrechen den Zellzyklus in der G1-Phase, treten in die G0-Phase ein, und
beginnen Differenzierung (postmitotische Zellen). Die nichtteilenden Zellen treten von G0 in
die G1-Phase ein, wenn der Verlust von Zellen einen Ersatz durch Neubildung nötig ist.
84.
Der Zellzyklus ist irreversibel, kann aber an den Kontrollpunkten angehalten werden. Wenn
die Umweltbedingungen ungünstig sind, oder die DNA nicht perfekt repliziert wurde oder
beschädigt ist, oder wenn die Chromosomen nicht an die Spindel gebunden sin, wird der
Zellzyklus arretiert. Es gibt drei Kontrollpunkte: G1/S-Übergang, G2/M-Übergang,
Metaphase/Anaphase-Übergang.
85-87.
Kennenlernen die Schritte die den Zellzyklus der Eukaryonten steuern hat - unter anderen eine wichtige Bedeutung: Für jeden sechsten Todesfall in den Industrieländer die
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Vorlesung 2
Zytoskelett, Zellgestalt, Zellbewegung, Trennung der
Chromosomen
Krebserkrankungen, oder Störungen der Regulierung des Zellzyklus verantwortlich sind.
Gegen Ende der Achtzigerjahre wurde deutlich, dass die Regulation der Chromosomen- und
Zellteilung in allen eukaryontischen Zellen ähnliche molekulare Vorgänge besitzen. Die
Verdopplung von Zellen wird durch die Bestimmung des Zeitpunts überwacht, andem zwei
wichtige Ereignisse des Zellzyklus eintreffen: Die DNA-Synthese und die Mitose. Diese
Vorgänge werden in erster Linie durch eine kleine Gruppe von heterodimeren Proteinkinasen
reguliert, die jeweils aus einer regulatorischen und einer katalytischen Untereinheit bestehen.
Die regulatorische Untereinheit dieser Proteine sind die Cycline, da ihr Gehalt im Verlauf des
Zellzyklus zu- und abnimmt. Die Katalytische Untereinheit nennt man cyclin-dependentkinase (Cdk), cyclinabhängige Kinase, da sie erst nach der Assoziation mit einem Cyclin
aktiviert wird. Die katalytischen Untereinheiten können sich mit verschiedenen Cyclinen
verbinden, die dann festlegen, welche Proteine durch den Cdk-Cyclin-Komplex
phosphoryliert wird. Dementsprechend der Komplex reguliert Durchführung G1-Phase, SPhase und die Mitose. Sobald eine Zelle nach der Stimulierung durch Wachstumsfaktoren
(NGF, EGF, usw.) die Verdopplung beginnt, werden die G1-CdkCs exprimiert, als ruhende
Zellen in der G1-Phase zu finden sind. Sie bereiten die Zelle für den Eintritt in die S-Phase
vor, aktivieren bestimmte Transkriptionsfaktoren, die die Enzyme für DNA-Synthese und SPhase-Cdks bewirken. Während der S- und G2-Phase werden die mitotischen CdkCs
bereitgestellt, die Chromosomenkondensation, den Aufbau von Spindelapparates, Zerfall der
Kernhülle, und die Ausrichtung der Chromosomen in der Metaphaseebene steuern.
Schliesslich aktivieren mitotische CdkCs den anaphasefördernden Komplex (anaphasepromoting complex, APC), der die Proteinkomplexe inaktiviert, die in der Metaphase die
Schwesterkromatide miteinander verbinden.
Während der Entwicklung von vielzelligen Organismen ist die genaue Steuerung des
Zellzyklus äusserst wichtig, womit jede Gewebe die richtige Grösse und Form erhält. Die
Zellteilung wird durch ein Netzwerk der Signalwegen gesteuert, durch ein integriertes
Program, welches den Z Metaphase/Anaphase ustand der Zellen kontrolliert (Grösse,
Identität) Die bei den Hefen und Froschembryonen entdeckten Mechanismen zur Regulierung
des Zellzyklus sind auch in den Körperzellen bei höheren Eukaryonten, inklusive Menschen,
wirksam , als Vorgänge der Zellzyklusregulierung hochkonserviert sind. Im Gegensatz zu
Hefen, die eine einzige cyclinabhängige Kinase (CDK) besitzen, wird bei Säugetierzellen der
Ablauf des Zellzyklus von einer Familie verwandter CDK-Moleküle reguliert, nähmlich Cdk1, -2, -3, -4 und -6, davon Cdk3 und -6 werden sehr geringer exprimiert. Wie die Hefezellen
besitzen auch Säugetierzellen mehrere Arten von Cyclinen, Cyclin A, -B, -D und –E.
88-91.
Mechanismen der Regulierung der CDKs
1. Anheften des Cyklins aktiviert die CDK
2. Aktivierende Phosphorilierung durch eine CAK (Cyklin-aktivierende Kinase)
3. Hemmende Phosphorilierung duch eine Inhibitor-Kinase (z.B. Wee1)
4. Anheften von CDKIs (CDK-Inhibitoren) hemmen die CDKs
94-98.
G1/S Kontrollpunkt
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Vorlesung 2
Zytoskelett, Zellgestalt, Zellbewegung, Trennung der
Chromosomen
Der G1/S-Übergang wird durch CDK4/CyclinD und CDK2/CyclinE reguliert. Sind diese
Komplexe aktiv, dann tritt die Zelle in die S-Phase ein. In der späten G1-Phase reguliert der
CyclinD/Cdk4/6
Komplex
die
Aktivität
von
Retinoblastoma-Protein/E2F
Transkriptionsfaktor-Komplex durch Phosphorylierung. Der Rb/E2F Protein-Komplex ist
wegen der Anwesenheit von Rb inaktiv. Der Cyclin D/Cdk4/6 Komplex phosphoryliert Rb,
womit E2F freigesetzt wird, und die Transkription der zur S-Phase notwendigen Targetgene
beginnen kann.
Ist die DNA beschädigt, dann bleiben CDK4/CyclinD und CDK2/CyclinE Komplexe inaktiv
und der Zellzyklus wird in G1 arretiert. DNA-Schäden werden vom ATM Protein detektiert,
was zur Aktivation des p53 Tumorsupressors führt. (Der Name erhielt dieses Protein nach
seiner Grösse bei der SDS-Polyacrylamidgelelektrophorese). Beschädigte DNA stabilisiert
das normalerweise instabiles p53-Prritein. p53 wirkt als Transkriptionsfaktor und leitet die
Expression des Cyclin-Kinase-Inhibitorproteins p21 ein, worauf sämtliche Cdk/CyclinKomplexe gehemmt werden, und wird der Zellzyklus in der G1- oder in der G2-Phase
angehalten. Im Falle der meisten Krebserkrankungen der Menschen ist sehr häufig das
Tumorsuppressorgen p53 mutiert.Natürlich können nicht nur DNA-Schäden sondern auch
Signalwege, Kontakt-Inhibition, UV-Strahlung diesen Kontrollpunkt blokkieren.
99-101.
G2/M Kontrollpunkt
Der G2/M-Übergang wird durch CDK1/CyclinB-Komplex (MPF, M-phase förderndes
Faktor) reguliert. Ist dieses Komplex aktiv, dann tritt die Zelle in die M-Phase ein. Ist die
Replikationb nicht abgeschlossen, oder ist die DNA beschädigt, dann wird es vom ATM
Protein detektirt. Dass führt zur Aktivierung der Chk-Kinasen, die die cdc25 Phospatese
inaktivieren. Normalerweise ist cdc25 zur Aktivierung des MPFs notwendig. Auch das ATMp53-p21 Signalweg kann (ähnlich wie bei der G1/S Kontrollpunkt) den G2/M-Übergang
blokkieren.
102-106.
Metaphase/Anaphase-Kontrolpunkt
Beendung der Mitose wird durch den Abbau von mitotischen Cyclinen und Securin
vermittelt.
Biochemische Untersuchungen ergaben, dass der Abbau der Cyclinen durch die Anheftung
von Ubiquitin gewährleistet wird. Das ubiquitinaktivierendes Enzym E1 herstellt zwischen
dem C-Terminus (freie COOH-Gruppe) von Ubiquitin und einem eigenen Cysteinrest eine
Thioesterbindung und dadurch das Ubiquitin-Protein aktiviert. Schliesslich E1 überträgt es
auf einen Cysteinrest des ubiquitinkonjogierenden Enzym E2. Anschliessend wird von E2 und
einer Ubiquitin-Ligase E3, die auch als anaphasefördernder Komplex (anaphase-promoting
complex, APC) bezeichnet wird, die Abbaubox erkannt und Ubiquitin auf einen von
Abbaubox C-Terminal liegenden Lysinrest auf das Substrat-Cyclin übertragen. Die
Wiederholungen dieser Vorgänge führt zu polyubiquitinierten Cyclinen, die sehr schnell an
den Proteasomen abgebaut werden.
Eintritt in die Anaphase der Mitose bedeutet die Trennung der Schwesterchromatiden, die am
Centromer und an mehreren anderen Stellen durch Cohesin-Proteinkomlex zueinander
angeheftet sind. Die Funktion von Cohesin wird durch das Anaphaseninhibitor-ProteinKomplex Separase/Securin gesteuert. Zu beginn der Anaphase wird der Inhibitor Securin von
anaphasefördernden-Komplex (APC) polyubiquitiniert und rasch abgebaut. Dadurch wird
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Vorlesung 2
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Chromosomen
Separase aktiv und baut Cohesin ab. Dann werden die Schwesterchromatiden von den auf die
Kinetochoren wirkenden, zu den Polen gerichteten Kräften zu gegenüberliegenden
Spindelpolen gezogen.
Der anaphasefördernder Komplex (APC) baut also zwei Klassen von Proteine (Cyclin und
Securin) ab.
Fehlerhafter Spindelapparat verhindert die Aktivierung von APC-Komplex der den
Anaphaseinhibitor Securin für den Abbau markiert. Aus diesem Grund setzt die Anaphase erst
ein, wenn alle Kinetochoren/Zentromeren an Spindelmikrotubuli gebunden sind. Mad2
Protein detektiert, wenn nicht alle Kinetochoren/Zentromeren an Spindelmikrotubuli
gebunden sind, und inaktiviert mit cdc20 das APC-Komplex.
Sehr selten tritt Nondisjunktion bei Menschen auf: Die Anaphase beginnt bevor beide
Kinetochoren/Zentromeren des verdoppelten Chromosomes an die Mikrotubuli angeheftet
sind.
10