The cell cycle(s)
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The cell cycle(s) PD Dr. Reiner Jänicke Institut für Molekulare Medizin Universität Düsseldorf and its control mechanisms Wer den Zellzyklus versteht, kann den Krebs bekämpfen = Wer den Zellzyklus versteht, kann den Krebs bekämpfen Der Zellzyklus und seine Kontrollmechanismen Funktionen und Gefahren des Zellzyklus Ersatz von alten Zellen Generierung eines neuen Individuums Störung des Zellzyklus oder seiner Kontrollmechanismen kann zur Entstehung von Krebs führen Die verschiedenen Phasen des Zellzyklus Interphase G1-Phase Zellwachstum (kontinuierliche Protein- und RNA-Synthese) S- Phase Zellwachstum und Verdoppelung der Chromosomen (Replikation) G2-Phase Zellwachstum und Vorbereitung auf Zellteilung (Verdoppelung von Zellorganellen) Mitosephase Mitose Kernteilung, Aufteilung der Chromosomen Cytokinese Zellteilung (Teilung des Cytoplasmas) Zellzykluslänge in verschiedenen Zelltypen Zelltyp Interphase (min) Mitose (min) Drosophila melanogaster, Ei 3 6 Hühnerfibroblasten 700 23 Mausfibroblasten 1300 40 Hamsterfibroblasten 640 24 Humane Fibroblasten 1140 40 Ratte, Corneaepithelzellen 14000 70 Humane Leberzellen 1 Jahr Neuronen, Skelettmuskelzellen keine Teilung Die verschiedenen Phasen des Zellzyklus Die Mitosephase Die verschiedenen Phasen des Zellzyklus und der DNA Gehalt der Zelle 2n 2n 2n 2n 2n 4n Die verschiedenen Phasen des Zellzyklus G0-Phase G0 ruhende Phase; kein Zellwachstum geringe Proteinsyntheserate (ca. 20%) Zellzyklus-Kontrollsystem ist auf den G1 checkpoint fixiert Warum befinden sich Zellen in der G0-Phase? Mangel an Wachstumsfaktoren Abwesenheit oder Veränderung stimulatorischer Signale terminale Differenzierung Zelluläre Seneszenz Zusammenfassung: Zellzyklusphasen Funktion: Ersatz von alten Zellen Generierung neuer Individuen die meisten Zellen im erwachsenen Organismus sind ruhend und haben eine spezielle Funktion (Differenzierung) Zellzyklus wird in 2 Phasen unterteilt: Mitose (Kern- und Zellteilung) Interphase (Wachstum: G1, S, G2) (Ruhephase: G0) die Dauer des Zellzyklus reicht von einigen Minuten (Drosophila-Ei) bis hin zu mehreren Stunden (Fibroblasten) oder Monaten (Leberzellen) Kontrolle des Zellzyklus Kontrolle durch innere und äußere Signale Kontrolle des Zellzyklus Äußere und innere Bedingungen entscheiden ob der Restriktionspunkt überschritten wird Äußere Faktoren Nährstoffangebot, Wachstumsfaktoren, Zelldichte (in vitro) Innere Faktoren Zellmasse DNA Gehalt und Integrität SPF (S-phase-promoting factor) Restriktionspunkt „START“ Kontrolle des Zellzyklus Zentrale Steuereinheit aus regulatorischen Molekülen Der Übergang zwischen den einzelnen Phasen des Zellzyklus ist exakt reguliert Eintritt in M MPF M-phasepromoting factor Der Übergang zwischen den einzelnen Phasen des Zellzyklus ist exakt reguliert Eintritt in S = S-phase promoting factor SPF S-phasepromoting factor Der Übergang zwischen den einzelnen Phasen des Zellzyklus ist exakt reguliert Eintritt in S = S-phase promoting factor = ? SPF ? S-phasepromoting factor Der Übergang zwischen den einzelnen Phasen des Zellzyklus ist exakt reguliert Eintritt in S = S-phase promoting factor = DNA-rereplication inhibitor SPF DNA-rereplication inhibitor S-phasepromoting factor Cyclin Spiegel sind Zellzyklus-abhängig Cell cycle phase-promoting factors = CDK/Cyclin Komplexe Cycline ♦ 9 Cycline sind bekannt (Cyclin A - J) ♦ zyklischer Auf- und Abbau - unterschiedliche Cycline werden für unterschiedliche Zellzyklusphasen benötigt ♦ besitzen selbst keine intrinsische enzymatische Aktivität, regulieren aber die Aktivität der Cyclin-abhängigen Proteinkinasen (CDK) „Cyclin-dependent Kinases“ (CDK) ♦ Serin/Threonin-Kinasen, die andere Proteine phosphorylieren und dadurch aktivieren oder inaktivieren ♦ im Gegensatz zu Hefe, besitzen höhere Eukaryoten multiple CDKs ♦ Menge ist gleichbleibend während des Zellzyklus ♦ Aktivität wird zyklisch reguliert durch Cycline Auftreten von Zellzyklus-spezifischen Cdk/Cyclin-Komplexen Cyclin CDK Effekte von CDK1/Cyclin B (MPF) (positiver „Feedback Loop“) CDC25 Aktivierung (negativer „Feedback Loop“) Zusammenfassung - Kontrolle des Zellzyklus ♦ Innere (Zellmasse, DNA Integrität, etc.) und äußere (Wachstumsfaktoren, Umwelteinflüße, etc.) Faktoren entscheiden darüber, ob die zentrale Steuereinheit des Zellzyklus aktiviert und damit der „Point of no Return“ (START) überschritten wird. ♦ Die einzelnen Zellzyklusphasen unterliegen strikten Kontrollen und werden durch sogenannte „Cell Cycle-Promoting Factors“ wie z.B. MPF (Mitose-promoting factor) oder SPF (S-phase-promoting factor) reguliert. ♦ Diese„Cell Cycle-Promoting Factors“ sind Proteinkomplexe bestehend aus Cyclinen (regulatorische Untereinheit) und CDK‘s (katalytische Untereinheit). ♦ Während die CDKs konstant exprimiert werden, unterliegt die Expression der Cycline einer Zellzyklus-spezifischen Regulation Regulation der CDK/Cyclin Komplexe: 1) Phosphorylierung und Dephosphorylierung Katalytische Untereinheit - Cyclin-dependent kinase (CDK) Regulatorische Untereinheit - Cyclin A CDK1 Cyclin B B CDK1 Cyclin B Inaktiv Inaktiv CAK Wee positiver Feedback-Loop D CDK1 Cyclin B P -Thr-161 Tyr-15 Thr-14 Aktiv C CDK1 CyclinB P -Thr-161 P -Tyr-15 Thr-14- Inaktiv CDC25 P Regulation der CDK/Cyclin Komplexe: 1) Phosphorylierung und Dephosphorylierung CAK (CDK-aktivierende Kinase: Cyclin H/cdk7) aktivierende Phosphorylierung 1 inhibierende Phosphorylierung B Wee1 kinase family Regulation der CDK/Cyclin Komplexe: 2) Assoziation mit verschiedenen Cyclinen Regulation der CDK/Cyclin Komplexe: 3) Zyklische Synthese und Abbau von Cyclinen Cycline enthalten eine Degradationssignal Regulation der CDK/Cyclin Komplexe: 3) Zyklische Synthese und Abbau von Cyclinen Ausübung eines negativen „Feedback-loops“ durch aktive CDKs APC = Anaphasepromoting complex Steuerung der CDKs Phosphorylierung CDK De-Phosphorylierung Cyclin Thr-161 Thr-14 Tyr-15 Inaktiv Cyclin-Abbau CDK Cyclin P -Thr-161 Tyr-15 Inaktiv Inhibitoren CDK Cyclin P -Thr-161 Thr-14 Inaktiv Tyr-15 Thr-14 CKI Inaktiv CDK-Inhibitor (CKI) Protein-Familien CIP/KIP Familie INK4 Familie p21WAF1/CIP1 p27Kip1 p57KIP2 p16INK4a p15INK4b p18INK4c p19INK4d inhibieren alle CDK/Cyclin-Komplexe, schlechte Inhibitoren von Cyclin D Komplexen inhibieren in allen Zellzyklusphasen INK = inhibitors of CDK4 Inhibition von CDK4 und CDK6 in G1 Ankyrin repeats Regulation der CKI erfolgt durch Phosphorylierung, Ubiquitinierung und proteasomalen Abbau Zusammenfassung: Regulation der CDK/Cyclin Komplexe 1) durch die aktivierende Phosphorylierung an Thr 161 z.B. durch CAK (CDK7/Cyclin H) und inhibierende Phosphorylierung an Thr 14 und Tyr 15 durch Wee1, die durch die CDC25 Phosphatase de-phosphoryliert werden. Positiver Feedback-Loop durch die CDK/CyclinB-vermittelte Phosphorylierung (Aktivierung) der CDC25 Phosphatase. 2) 3) Assoziation mit verschiedenen Cyclinen führt zu Zellzyklusphasenspezifischen CDK Komplexen: CycD/CDK4,6 - Mid G1 CycE/CDK2 - G1-S CycA/CDK2 - S CycA/CDK1 - G2 CycB/CDK1 - M durch die zyklische Expression und Degradation der Cycline Negativer Feedback-Loop durch Phosphorylierung (Aktivierung) von APC (Anaphase-promoting complex) = E3 Ubiquitin Ligase 4) durch CDK-Inhibitoren (CKI) (p21/CIP1/WAF1 Familie) und INK4 Familie)
