Verdopplung der Centrosomen

Der Zellzyklus
• Die meisten Zellen von Säugern teilen sich
unaufhörlich
• Die Zellteilung besteht aus einer definierten sich
wiederholenden Abfolge von Einzelprozessen
¾ Diese Prozessfolge nennt man den Zellzyklus
Der Zellzyklus besteht aus folgenden Phasen:
• M-Phase: (Mitose-Phase) = Zellteilung
(Dauert bei Säugern ca. 1 Stunde)
• G1-Phase: (Gap-Phase) Zellwachstum,
Entscheidung zur erneuten Zellteilung
• S-Phase: (Synthese-Phase) = Verdopplung des
Erbguts (12 Stunden)
• G2-Phase: Vorbereitung der Teilung
• G0-Phase: Ruhezustand der Zelle. Geht
normalerweise keine Teilung mehr ein
• z.B. Nervenzelle
• Ein normaler Zellzyklus dauert ca. 24 h
• Abhängig von Zelltyp
Die M-Phase teilt sich in viele Einzelphasen auf
Mitose bezeichnet nur die Kerntrennung – weitere Unterteilung:
• Prophase: Bildung der Mitosespindel, Kondensation der Chromosomen
• Prometaphase: Auflösung der Kernhülle, Tochterchromatide an Spindel
• Metaphase: Anreihung der Chromosomen entlang des Spindeläquators
• Anaphase: Trennung der Chromosomen hin zu den Spindelpolen
• Telophase: Bildung einer neuen Kernhülle, Abschluss der Mitose
Cytokinese ist die Trennung der Zellkörper
• Die Cytokinese kann auch Ausbleiben
¾ Es bilden sich mehrkernige Zellen
Die Zellteilung wird durch das Zytoskelett bewerkstelligt
Die Zellteilung wird in Mitose und Cytokinese unterteilt
• Die Mitose wird durch hauptsächlich durch Mikrotubuli und Kinesine gesteuert
• Die Zytokinese wird durch das Zusammenspiel von Actinfilamenten und
Myosinen bewerkstelligt.
• Die Regelung der komplexen Prozesse wird durch Cycline und Cyclinabhängige
Kinasen (Cdk) gesteuert.
• Cycline sind Proteine, die in bestimmten Phasen des Zellzyklus exprimiert
werden
• Um die richtige Reihenfolge bei der Zellteilung aufrecht zu erhalten inhibieren
die Mitose-bewirkenden Cycline gleichzeitig die Cytokinese
• Der für die Cytokinese wichtige kontraktile Ring heftet sich an die Mitosespindel
an
• Dadurch wird die Reihenfolge dieser Vorgänge ebenfalls gesteuert
In der sogenannten Interphase werden die Vorbereitungen für die Mitose getroffen:
• Verdopplung der Chromosomen als Schwesterchromatide
• Verdopplung der Centriolen aus denen sich die Mitosespindel ausbildet
Cohesine vermitteln den Zusammenhalt der Chromatide
• Nach der DNA-Replikation bleiben die beiden Kopien der verdoppelten
Chromosomen paarweise als identische Schwesterchromatide verbunden
• So wird sichergestellt, das jeweils eine Kopie in die Tochterzellen überführt wird
• Das Protein Cohesin vermittelt die Bindung der beiden Chromatide
untereinander
• Das sehr ähnlich aufgebaute Condensin bewirkt eine intramolekulare
Quervernetzung der DNA die zur Superspiralisierung und Kondensation führt
Verdopplung der Centrosomen
• Jedes Centrosom besteht aus zwei Centriolen
• Aus dem Centrosom wachsen die Astermikrotubuli
¾ Die Minus-Enden zentrieren sich am Centrosom
• Die Verdopplung der Centrosomen ist Voraussetzung
für den Übergang in die M-Phase
• Der Mechanismus ist ist noch ungeklärt
• Durch Minus-gerichtete Kinesine können sich jedoch
spontan centromerartige Strukturen bilden
Die Spindelmikrotubuli unterteilen sich in drei Klassen
• Astralmikrotubuli: strahlen vom Centrosom in alle Richtungen aus
¾ Vermutlich verantwortlich für Trennung der Pole
• Kinetochor-Mikrotubuli: Binden mit ihren Enden an das Kinetochor und damit
die Chromatide an die Spindel
• Polare Mikrotubuli: Überlappen entlang des Längengrads der Mitosespindel
¾ Formgebung der Spindel
Die Instabilität der Mikrotubuli ist in der M-Phase stark erhöht
•
•
•
•
In der Interphase sind einige wenige Mikrotubuli an einem Centrosom angehaftet
Die Dynamik erhöht sich in der M-Phase schlagartig:
mehr, dafür kürzere Mikrotubuli um jedes Centromerenpaar
Steuerung durch MAP und Catastrophin (siehe Abb. Links)
Wechselwirkung zwischen Motorproteinen und Mikrotubuli
bewirken die Spindelbildung
Auseinanderdrücken der Centrosomen
Chromosomenbewegung zur Metaphaseplatte
Die Ausrichtung der Chromosomen an der Metaphaseplatte geschieht vermutlich
durch gegensätzliche Kräfte:
- Außen Plus-gerichtete Kinesine,
- Am Kinetochor Minus-gerichtete Kinesine
Chromatidseparation während der Anaphase
Es sind zwei Phasen innerhalb der Anaphase unterscheidbar
A) Chromatide werden voneinander gelöst und wandern zum Zentromer
B) Eine astrale Kraft drückt die Centromere auseinander
Es gibt noch eine zusätzliche Zugkraft an den Centromeren
Zwei Modelle der Chromosomenwanderung zum Centrosom
Aktive Motorproteine in der Anaphase B
• Die Unterteilung in Anaphase A und B gelang durch differentielle Hemmung
der einzelnen Schritte durch unterschiedliche Zellgifte
¾ Unterschiedliche Motorproteine beteiligt
¾ Ein Teil der Motorproteine ist an der Zellmembran (und deren Filamenten)
gebunden
Sie zellmembranständigen Motorproteine richten den
Spindelapparat aus
Ein „kontraktiler Ring“ aus Actin- und Myosinfilament hilft
bei der Cytokinese
• Während die Tubulinfilamente für die Mitose verantwortlich sind, bewirkt ein
Mikromuskel die Cytokinese
• Funktionsweise analog zum Muskel
• Die Mitosespindel gibt den Ort der Ausbildung des Rings und der Zellteilung vor
Cytokinese unterm Mikroskop
Das Zytoskelett – Ein neuartiges Drug Target
•
•
¾
•
¾
Das Zytoskelett ist in vielen Eukaryonten stark konserviert
Das Zytoskelett ist daher Angriffspunkt vieler natürlich vorkommender Gift
Abwehr von Fraßfeinden
Beispiel Phalloidin aus dem Knollenblätterpilz hemmt die Actindepolarisation
Verringerte Zellwanderung, Muskellähmung
Naturstoffe die auf Mikrotubuli wirken sind ebenfalls starke Zellgifte
• Stärkere Wirkung bei mitotischen Zellen
¾ Anwendung in der Krebstherapie
Beispiele: Colchicin aus der Herbstzeitlosen (Colchicum Autumnale)
• Starkes Zellgift
• destabilisiert Mikrotubuli durch Bindung der Monomereinheiten
• Zellsterben (Apoptose) verursacht starke Immunreaktionen
H3CO
OCH3
H3CO
H3CO
Einsatz nur in der Gichttherapie.
¾ Verhindert vermutlich das Einwandern von Leukozyten in den
Entzündungsherd
O
NHAc
Die Vinca-Alkaloida Vinblastin und Vincristin
• Stammen aus der rosafarbenen Catharanthe (Vinca rosea), einer strauchartigen
Blume aus Madagaskar
• In der Pflanze wurden bisher ca. 70 biologisch aktive Alkaloide identifiziert
• Vinblastin und Vincristin werden in der Krebstherapie eingesetzt
(Leukämie und Hodgkins Lymphom)
• Destabilisieren Mikrotubuli durch Bindung an das monomere Tubulin
• Schwere Nebenwirkung: Neurotoxizität
OH
• Alternative Arzneimittel gesucht
N
O
N
H
O
O
NH
H
OH
O
H
N
O O
Vinblastin
O
Taxol – Mitosehemmer der zweiten Generation
• Taxol = Paclitaxel ist ein Naturstoff aus der pazifischen Eibe (Taxis brevifolia)
• Wirkt ebenfalls auf die Mikrotubuli
• Im Gegensatz zu Colchicin und den Vincaalkaloiden stabilisiert Taxol die
Mikrotubuli
• Lange Zeit der einzige bekannte Wirkstoff mit dieser Wirkweise
• Andere Indikationen als für Vinblastin: Ovarial- und Mammakarzinome
• Wie alle Cytostatika verursacht Taxol starke Nebenwirkungen:
Neuropathie, Blutbildveränderung
Weitere Nachteile:
• Schlecht Wasserlöslich
• Wird von Drug Resistance Transportern aus der Zelle geschleust
• Kompliziertes Molekül, teure Herstellung
HO
O
O
NH
O
O
OH O O
H
O
H
O
Taxol
O OH
Epothilone – Konkurrenz für Taxol
• Epothilon wurde von Reichenbach und Höfle an der GBF Braunschweig aus
Myxobakterien isoliert
Myxobakterien bilden Fruchtkörper wie z.B. Pilze
¾ Kultivierung galt lange Zeit als unmöglich
• Patentierung 1993 – kein Interesse der Industrie an der Substanz
• Epothilon zeigte 1996 in den Labors von Merck (USA) eine Taxol-artige
Aktivität auf Krebszellen:
• Ebenfalls Stabilisierung des Cytoskeletts
HO
• Zahlreiche Vorteiele gegenüber Taxol:
O
• Besser Wasserlöslich
O
R
OH
• Werden nicht durch ABC-Transporter ausgeschieden
H
O
• Können gegen Taxol-resistente Tumoren eingesetzt werden
N
O
• Fermentierbar
S
• Synthese ist einfacher als die von Taxol
R = H Epothilon A
R = CH3 Epothilon B
• Derivate möglich
• Erste Synthesen von Danishefsky, Nikolaou und Schinzer
Epothilon verringert die kinetische Hemmung der
Mikrotubulibildung – Viele kleine Mikrotubuli
Links: unbehandelte Zellen
Rechts: Epothilon-behandelte Zellen
Hemmer von Mitotischen Kinesinen
– Zukünftige Antikrebsmittel ?
• Generell auf Mikrotubuli/Tubulin wirkende Stoffe haben oft starke
Nebenwirkungen
• Relativ kleines „therapeutisches Fenster“ zwischen guter Wirkung und
Toxizität
• Die Inhibition von Kinesinen und KRPs könnte dieses Problem vermindern
• Es gibt ca. 45 verschiedene Kinesine im Menschen
OH
• Zelltypspezifisch
• Verschiedene Funktionen
OH
• Kinesin EG5 ist Interessantes Target
NH
• Bewirkt Centrosomentrennung
• Naturstoff Monastrol hemmt EG5 (IC50 = 14 µM)
N
S
H
• Ausbildung eines „Monoaster“
Monastrol
Mikroskopgestütztes High Throughput Screening hilft bei
der Identifizierung von weiteren Kinesininhibitoren
• Substanzen werden in Zell-basierten Screenings durch automatisierte
Mikroskope ausgewertet
• Substanzen werden nach dem Phänotyp der Zelle bewertet
• Erste Studien mit Monastrol zeigen in der Tat stark verringerte Toxizität
F
Weitere EG5 Inhibitoren:
S-Tritylcystein (IC50 = 1 µM)
KSP-IA (IC50 = 11 nM)
F
S
HO
NH2
O
N
O
NH2
Literatur: V. Sarli, A. Giannis ChemMedChem 2006, 1, 293-298