Genetik 2 - Uni

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
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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
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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
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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