Genetik 2 - Uni
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Biologie für Mediziner WS 2012/13 Praktikum 19.11. + 20.11. Dr. Carsten Heuer: Mitose/Meiose Skript Genetik ausdrucken !! 26.11. + 27.11. Dr. Carsten Heuer: Sinneswahrnehmung, Signaltransduktion Skript Sinne ausdrucken !! Download: http://www.uni-marburg.de/fb20/cyto/lehre/medi1 Biologie für Mediziner WS 2012/13 Teil Allgemeine Genetik, Prof. Dr. Uwe Homberg 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Endozytose Lysosomen Genetik 1: Zellkern, Chromosomen Struktur und Funktion der DNA, Replikation Genetik 2: Zellzyklus und Zellteilung (Mitose) Reifeteilung (Meiose) Signaltransduktion 1: Zellkommunikation Signalmoleküle, Rezeptoren, Signalantworten Signaltransduktion 2: Enzymgekoppelte RezeptorSignalwege 10. Apoptose, Nekrose Folien zum download: http://www.uni-marburg.de/fb20/cyto/lehre/medi1 Zellteilung und Zellzyklus Bei der Vermehrung von Zellen wechseln sich Zellwachstum (kontinuierlich) und Zellteilung (diskontinuierlich) ab Den Ablauf der Zellteilung kann man als einen wiederkehrenden zyklischen Prozess betrachten: Zellzyklus Zellteilung findet statt in Embryonalentwicklung, im Wachstum und zur Zellerneuerung, umfasst Mitose = Kernteilung und Cytokinese = Teilung des Cytoplasmas • im Embryo alle 30 min • im Dünndarm alle 12 Std • in der Leber alle 365 Tage Zellzyklus einer eukaryontischen Zelle Zellzyklus vier Phasen: M-Phase: Teilung G1-Phase S-Phase G2 Phase Interphase Zellzyklus M-Phase: Mitose (Kernteilung) + Cytokinese (Teilung des Cytoplasmas) Zellzyklus G1-Phase (G = „gap“) Vorbereitung zur DNA Replikation: • Zellwachstum • kontinuierliche Genexpression Zellzyklus S-Phase (S = „Synthese“) Replikation der DNA: • DNA-Synthese • Zellwachstum • Genexpression Zellzyklus G2 Phase Vorbereitung der Mitose: • Kondensation der Chromsomen Eukaryontischer Zellzyklus Bei einem 16-Stunden Zyklus dauert die MPhase nur eine Stunde ! G0-Stadium: Ruhezustand, Stunden bis Jahre Mitose = Kernteilung Nur während der Mitose sind die Chromosomen sichtbar Damit eine Aufteilung erfolgen kann, werden die Chromosomen durch Kondensation stark verkürzt Kondensation der Chromsomen Am Ende der G2-Phase sind Chromosomen erstmals als lange Fäden im Mikroskop sichtbar Mitosestadien Prophase: Kondensation der Chromosomen Prometaphase: Abbau der Kernhülle Metaphase: Aufbau des Spindelapparates Anaphase: Trennung der Chromatiden Telophase: Entspiralisierung der Chromosomen, Wiederaufbau der Kernhülle • 2 Schwesterchromatiden • erste polare Spindelfasern • Zentriolen wandern an Zellpole Lungenepithel Molch • Auflösung der Kernhülle • Ausbildung der KinetochorSpindelfasern • Kinetochor-Spindelfasern ordnen Chromosomen in Äquatorialebene an • Verschiebung der Chromatiden (Tochterchromosomen) zu den Zellpolen • Verkürzung der KinetochorSpindelfäden • Bildung neuer Kernmembran • Dekondensation der Chromosomen • Beginn der rRNA-Synthese • Formierung der Nukleoli • Bildung des kontraktilen Rings • Durchschnürung der Mutterzelle durch kontraktilen Ring aus Aktin/Myosin • Entstehung zweier Tochterzellen Cytokinese Zusammenfassung: Zellteilung und Zellzyklus Kontrolle des Zellzyklus Kontrolle des Zellzyklus Fehler im Kontrollsystem des Zellzyklus (Mutationen) führen häufig zu Tumoren!! Xenopus Oocyte Injektionsexperimente Mitosis promoting factor (MPF) Mitotische Zellen enthalten eine aktive Komponente, Mitosis promoting factor die in den Kernen mitotische Veränderungen (Auflösung der Kernhülle, ChromosomenKondensierung) hervorruft. Anstieg und Abfall von MPF und Cyclin Alberts et al. (1999) Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie Cyclin-abhängige Kinase (Cdk) Mitosis-promoting factor (MPF) ist ein Komplex aus zwei Proteinen: Cyclin-abhängige Kinase (Cdk) und Cyclin Cdk ist eine Proteinkinase, die andere Proteine phosphoryliert Cycline akkumulieren zyklisch und werden zyklisch abgebaut Funktion von MPF Phosphorylierung von Schlüsselproteinen der Mitose: • Phosphorylierung der Laminfilamente Auflösung der Kernlamina und Kernhülle • Phosphorylierung von Mikrotubuliassoziierten Proteinen Bildung der Mitosespindel Der Cyclin/Cdk-Komplex = MPF Alberts et al. (1999) Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie Aktivierung von MPF • Phosphorylierung von CdK über hemmende und aktivierende Kinase • Entfernung des hemmenden Phosphats durch Phosphatase Alberts et al. (1999) Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie Aktivierungskaskade Alberts et al. (1999) Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie Kontrollpunkte (checkpoints) Der Zellzyklus wird an bestimmten Kontrollpunkten von verschiedenen Cdk-Cyclin-Komplexen gesteuert: Eintritt in die S-Phase (Start) Eintritt in die Mitose Beendigung der Mitose (Metaphase-Anaphase Übergang) Cyclin-Cdk-Komplexe an zwei Kontrollpunkten Initiation der Mitose Regulation der Cdks Wachstumsfaktoren Abbau der Cycline durch Ubiquitinierung und Abbau im Proteasom Initiation der DNA-Replikation Regulation des Startes (eukaryotische Zellen) Durch Phosphorylierung des Rb (Retinoblastoma)Proteins durch G1-Cyclin-Cdk kommt es zur Freisetzung eines Transkriptionsfaktors, der Gene für die Initiation des Zellzyklus aktiviert. Stimulation der Zellproliferation G0-Zelle Teilungsaktive Zelle Onkogene und Tumorsuppressorgene Die Teilungsaktivität wird von Proto-Onkogenen und Tumorsuppressorgenen gesteuert Tumorsupressorgene hemmen die Proliferation Zu einer unkontrollierten Vermehrung kommt es, wenn beide Kopien des Tumorsuppressors defekt sind Proto-Oncogene fördern die Proliferation Unkontrollierte Vermehrung durch dominante Mutation bewirkt eine Hyperaktivierung des Zellzyklus Kontrolle des Zellzyklus Zwei Kopien eines Tumorsuppressor-Gens Zellzyklus KontrollSystem Zwei Kopien eines Proto-Onkogens AUSWIRKUNG: Normale Zellteilung Kontrolle des Zellzyklus Zwei Kopien eines Tumorsuppressor-Gens Tumorsuppressor Zellzyklus KontrollSystem Zwei Kopien eines Proto-Onkogens Mutation eines der beiden Proto-Onkogene führt zur Hyperaktivierung (Onkogen) AUSWIRKUNG: Normale Zellteilung Unkontrollierte Zellteilung Kontrolle des Zellzyklus Zwei Kopien eines Tumorsuppressor-Gens Tumorsuppressor Beide Kopien des Tumorsuppressors inaktiviert Zellzyklus KontrollSystem Zwei Kopien eines Proto-Onkogens Mutation eines der beiden Proto-Onkogene führt zur Hyperaktivierung (Onkogen) Zwei Kopien eines Proto-Onkogens AUSWIRKUNG: Normale Zellteilung Unkontrollierte Zellteilung Unkontrollierte Zellteilung Zusammenfassung Zellzykluskontrolle • Zyklisch aktivierte Proteinkinasen • MPF = Cyclin-Cdk-Komplex: M-Phaseneintritt • Cyclin: periodische Konzentrationsänderungen • Cdks: Kontrolle durch (De)Phosphorylierungen • Verschiedene Cyclin-Cdk-Komplexe • Start der Zellteilung über Cdk-vermittelte Phosphorylierung von Rb • Störungen im Kontrollsystem: Tumorbildung Zellproliferation, Überleben, oder Sterben hängt von Signalen ab, die andere Zellen aussenden: Zellkommunikation Biologie für Mediziner WS 2012/13 Teil Allgemeine Genetik, Prof. Dr. Uwe Homberg 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Endozytose Lysosomen Genetik 1: Zellkern, Chromosomen Struktur und Funktion der DNA, Replikation Genetik 2: Zellzyklus und Zellteilung (Mitose) Reifeteilung (Meiose) Signaltransduktion 1: Zellkommunikation Signalmoleküle, Rezeptoren, Signalantworten Signaltransduktion 2: Enzymgekoppelte RezeptorSignalwege 10. Apoptose, Nekrose Folien zum download: http://www.uni-marburg.de/fb20/cyto/lehre/medi1 Keimzellbildung, Meiose Bei der Keimzellbildung kommt es in der Meiose zu einer Reduktion der Chromosomensätze Die Meiose besteht aus einer Reduktionsteilung (Meiose I) und einer anschließenden Mitose (Meiose II) Aus einer diploiden Ausgangszelle entstehen vier haploide Keimzellen Haploid - Diploid Haploid (1n) Diploid (2n) Eine Kopie des genetischen Zwei Kopien des genetischen Materials aufgeteilt auf Materials aufgeteilt auf Chromosomen Chromosomen Drei nicht-homologe Chromosomen Drei Paare homologer Chromosomen MITOSE 2n/2c 2n/4c 2n/4c 2n/2c 2n/2c 2n/4c 1n/2c 1n/1c Meiose Erste meiotische Teilung (Reduktionsteilung) • Prophase I: dauert lange, 5 Stadien Aneinanderlagerung der homologen Chromosomen zum synaptonemalen Komplex • Metaphase I • Anaphase I • Telophase I Leptotän • erste Spiralisierung der Chromosomen • an Kernmembran fixiert Zygotän • Paarung homologer Chromosomen • Bildung des synaptonemalen Komplexes Pachytän • Unterteilung in zwei Chromatiden sichtbar (Tetrade) • Crossing-over Diplotän • Parallelanordnung lockert sich • Kreuzungsstellen als Chiasmata sichtbar Diakinese • Chromosomen haben maximale Kondensation • Auflösung der Kernmembran Synaptonemaler Komplex Alberts et al. (2004) Molekularbiologie der Zelle Meiose 2n/4c 1n/2c 1n/1c Meiosefehler Nondisjunction: homologe Chromosomen trennen sich nicht Down-Syndrom (Trisomie 21) 3 Kopien des Chromosoms 21, körperliche Anomalien, geistige Retardierung mittlere Häufigkeit 0,15% (1:700) (25jährige: <0,1%, 48jährige: 9%) Zusammenfassung Meiose • Zwei Kern- und zwei Zellteilungen • Bildung von 4 haploiden Gameten • Prophase mit verschiedenen Stadien, kann Tage bis Jahre dauern • Paarung homologer Chromosomen in der Prophase • 1. Teilung = Reduktionsteilung: die beiden homologen Chromosomen (jedes mit 2 Chromatiden) werden getrennt • 2. Teilung = Mitotische Teilung: die Schwesterchromatiden werden getrennt Genetische Neusortierung: = Rekombination 1. Zufällige Verteilung mütterlicher und väterlicher Homologen auf die Gameten 2n mögliche Kombinationen = Interchromosomale Rekombination Genetische Neusortierung: = Rekombination 2. Austauch von Chromosomenteilstücken (Crossing over) = Intrachromosomale Rekombination Intrachromosomale Rekombination • Im synaptonemalen Komplex kommt es zu Chromosomenbrüchen, die zur Ausbildung von Crossing over-Strukturen (Chiasmata) führen • In jedem Chromosomenpaar des Menschen etwa 2-3 Crossing over Chiasmata Synaptonemaler Komplex Alberts et al. (2004) Molekularbiologie der Zelle Crossing over während der Meiose I Intrachromosomale Rekombination A B a B A b a b Gene, die dicht beieinander liegen, gelangen fast immer in dieselbe Keimzelle, Gene an entgegen gesetzten Enden häufig in verschiedene Keimzellen Thomas Hunt Morgan - Nobelpreis 1933 Drosophila melanogaster Kartierung von Genen auf Chromosomen aufgrund ihrer Rekombinationshäufigkeit Einheit der Rekombinationsfrequenz 5 cM A 20 cM B 3 cM C 28 cM D E 42 cM 1 cM (centiMorgan) entspricht 1% Rekombination (Abstände nicht linear) Länge eines typischen menschlichen Chromosoms: > 100 cM Bedeutung der Rekombination • Inter- und intrachromosomale Rekombination in der Meiose: neue Mischung, neue Eigenschaften • Sexuelle Fortpflanzung: Variabilität • Variabilität und Selektion als Grundlage der Evolution neuer Arten
