Zellteilung MITOSE & MEIOSE

Zellteilung
MITOSE & MEIOSE
1
Mitose und Meiose
2
Mitose und Meiose
3
Prophase
Prometaphase
Metaphase
Mitose
Anaphase A
Anaphase B
Telophase
Jonathan M. Scholey, Ingrid
Brust-Mascher & Alex
Mogilner: Cell division
NATURE VOL 422, 2003
4
Der Struktur der Spindel
5
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.
6
Bewegung der Chromosomen
Metaphase
Chromoso
me
Aufrollen
kinetokó
r
centroszóma
kinetokór
MT
Pac-Man
anafázis
7
Rebecca W. Heald: Burning the spindle at both ends NATURE VOL 427 2004
Microtubuli und die Segregation der Chromosomen
Kinetocho
r
MT –
depolymerisierendes
Kinesin
MT –
depolymerisierendes
Kinesin
Dynaktin
Dynein
MT-Flux
Centrosom
Rogers et. al.: Two mitotic kinesins cooperate to drive sister chromatid separation during anaphase NATURE | VOL 427 | 22 J 2004
8
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
9
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
10
Biology, Volume 166, Number 7, 2004 949–955
Trennung der Chromosomen in der Meiose
y r r
y Y Y Heterozygous
Yy, rR diploid
cell (YyRr) to
undergo meiosis
R R
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
11
MEIOSE
12
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
13
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).
14
CYTOKINESE – Der kontraktile Ring
15
Michael Glotzer :ANIMAL CELL CYTOKINESIS Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 2001. 17:351–86
CYTOKINESE
Tubulin-GFP
Actin-GFP
16
Regulierung des
Zellzyklus
17
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
18
Chromosomen und der Zellzyklus
19
Regulierung der Zellzyklus
Ist die DNA-Replikation
abgeschlossen?
Ist die replizierte DNA
beschädigt?
Wurde die mitotische Spindel aufgebaut?
Sind alle Kinetochore mit Transportfasern des
Spindelapparates verbunden?
G2/M Kontrollpunkt
Metaphasen- Kontrollpunkt
M Anfang
M Ende
S Anfang
G1/S Kontrollpunkt
Sind die Umweltbedingungen günstig?
20
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.
21
M-Phase promoting Complex
Cyklin-abhängige Kinase (CDK)+Cyklin
Relative
Konzentration
MPF-Aktivität
Mitotische
s Cyklin
idő
MPF ist nur bei hocher Cyklinkonzentration aktiv
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CDK-Cyklin Complexe der höheren
Eukaryoten
Cdk-s
Cdk4
Cdk2
Cykline
M
D
G1
Cdk1
E
A
S
B(A)
G2
M G1
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Regulationsmechanismen der Cyklinabhängigen Kinasen
1. CYKLIN-Bindung
4. CDK-INHIBITOR
2. AKTIVIERENDE
PHOSPHORYLIERUNG
3. HEMMENDE
PHOSPHORYLIERUNG
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Regulationsmechanismen der Cyklin-abhängigen
Kinasen
PHOSPHORYLIERUNG - DEPHOSPHORYLIERUNG
inaktive
Phosphatase
Cdk-Aktivator
Kinase
M-Cyklin
Hemmende
Phosphorilierung
Pozitive
Rückkopplung
Aktivierende
Phosphorilierung
Cdk1
Inaktíve
M-Cdk
Cdk-Inhibitor
Kinase
Inaktíve
M-Cdk
aktíve M-Cdk
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Regulationsmechanismen der Cyklinabhängigen Kinasen
CDK- INHIBITOREN (CDKI)
Cyklin
Cdk
Aktíves
Cyklin-Cdk
Complex
p27
Inaktives
Cyklin-Cdk-p27
Complex
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Regulationsmechanismen der Cyklinabhängigen Kinasen
UBIQUITIN-abhängiger Cyklinabbau
Proteasom
Cdk inhibítor fehérje
(CDKI)
APC-abhängige Proteolyse
Aktivierende Untereinhet
(Cdc20)
Polyubiquitinkette
inaktives APC
aktives
APC
Ubiquitinierungsenzyme
M-Cyiklin
Abbau
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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.
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Regulierung der Zellzyklus
Ist die DNA-Replikation abgeschlossen?
Ist die replizierte DNA beschädigt?
Wurde die mitotische Spindel aufgebaut?
Sind alle Kinetochore mit Transportfasern des
Spindelapparates verbunden?
Metaphasen- Kontrollpunkt
G2/M Kontrollpunkt
M Anfang
G1/S Kontrollpunkt
M Ende
S Anfang
Sind die Umweltbedingungen günstig?
Ist die DNA beschädigt?
29
Kontrollenpunkte des Zellzyklus
Metaphasen-Kontrollpunkt
Chromosomen-Spindel-Bindung
G2/M
Kontrollpunkt
Zellgrösse
DNA-Schäden
G1/S
Kontrollpunkt
Zellgrösse
Nährstoffe
Wachstumsfaktoren
DNA-Schäden
G0
30
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
31
G1/S Kontrollpunkt
32
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 & cfos Protoonkogene notwendig..
33
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.)
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Kontrollenpunkte des Zellzyklus
Metaphasen-Kontrollpunkt
Chromosomen-Spindel-Bindung
G2/M
Kontrollpunkt
Zellgrösse
DNA-Schäden
G1/S Kontrollpunkt
Zellgrösse
Nährstoffe
Wachstumsfaktoren
DNA-Schäden
G0
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G2/M Kontrollpunkt
DNA-Replikation ist nicht abgeschlossen / DNA-Schäden
DNA-Replikation ist abgeschlossen
Kontrollpunktproteine
Kontrollpunktproteine
Mitose
Arretierun
g in G2
36
G2/M Kontrollpunkt
cdk1
37
Kontrollenpunkte des Zellzyklus
Metaphasen-Kontrollpunkt
Chromosomen-Spindel-Bindung
G2/M
Kontrollpunkt
Zellgrösse
DNA-Schäden
G1/S Kontrollpunkt
Zellgrösse
Nährstoffe
Wachstumsfaktoren
DNA-Schäden
G0
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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
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Metaphasen-Kontrollpunkt
(Metaphase-Anaphase-Übergang)
Metaphase
Anaphase
Anaphase wird nicht eingeleitet, wenn nicht alle Chromosmen an
Spindelfasern gebunden sind.
40
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
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APC wird durch den Metaphasen-Kontrollpunkt inaktiviert
Metaphasen-Kontrollpunkt
(Metaphase-Anaphase-Übergang)
Was wurde ohne die
Metaphasen-Kontrollpunkt
passieren?
Abnormale
Spindel
Anaphase
Cytokinese
Tumorzellen sind
alle aneuploid!
Aneuploide Zellen
Chromosomenverlust
Extra
Chromosom
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Tumorsupressor Gene hemmen den normalen Zellzyklus.
Rezessive Mutationen der Tumorsupressor Gene führen zur
Krebsbildung.
(Siehe noch im 2. Semester bei der Vorlesung Krebs)
43