Zellzyklus

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Biologischer Prozess
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Endoreplikation
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Schematische Darstellung der einzelnen Phasen des Zellzyklus

DerZellzyklusist die Abfolge verschiedener Aktivitätsphasen zwischen denTeilungeneukaryotischerZellen.Da derDNA-Gehalt einer Zelle bzw. einesZellkernsbei der Teilung (Mitose) halbiert wird, muss er vor der nächsten Teilung wieder verdoppelt werden. Diese beiden Vorgänge werden alsM-PhaseundS-Phase(vonSynthese) bezeichnet. Zwischen ihnen liegen sogenannteGap-Phasen (engl.Lücke):G1undG2.

Phasen

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Einzelne Phasen der Mitose

Nach Teilung der Mutterzelle beginnen die Tochterzellen dieInterphase.[1]In dieser Phase zwischen zwei Mitosen sind die einzelnenChromosomenauch nach Anfärbung nicht als einzelne Einheiten zu erkennen. DieGenaktivitätsteuert den Stoffwechsel der wachsenden Zelle. Ihr Zellkern entwickelt mindestens einenNukleolus.Wegen des Gehaltes anribosomaler RNAsind Nukleoli Voraussetzung und Anzeichen für den zellulären Stoffwechsel. Ein wichtiger Prozess während der Interphase ist die Verdoppelung der Chromosomen.

Schema des Zellzyklus. M = Mitose-Phase. Die darauf folgende Interphase besteht aus G1,S und G2.Von G1kann eine Zelle in den G0-Zustand wechseln

Dies geschieht während der Synthese- oderS-Phase. Ihr voraus geht dieG1-Phase. Entsprechend folgt auf die S-Phase dieG2-Phase.[2]

G1-Phase
Die BezeichnungG1-Phasekommt vongap(engl. Lücke, Abstand), da dies der Zeitraum zwischen Kernteilung und DNA-Synthese ist.[2]In dieser (postmitotischen bzw. präsynthetischen) Phase werden Zellbestandteile (Zytoplasma,Zellorganelle) ergänzt. Die Produktion vonmRNAsfürHistoneundReplikationsenzyme(DNA-Polymerasen,Ligasen) ist Voraussetzung für die bevorstehende S-Phase. Aus dem gleichen Grund steigt der Vorrat anDesoxyribonukleosid-Triphosphaten. Im Zytoplasma tierischer Zellen trennen sich die beidenZentriolenvoneinander.
Jedes Chromosom besteht aus nureinerChromatidebzw.einerDNA-Helix. Der DNA-Gehalt der G1-Zelle kann mittelsDNA-Zytometrieals2 Cbestimmt werden. DerC-Wertsteht für die Größe des (haploiden)Genomseines Organismus.[3]
  • Zellen wechseln von der G1-Phase in dieG0-Phase,wenn keine weitere Vermehrung der Zelle bevorsteht (ruhende Zelle). Es kann sich dabei um Zellen handeln, die sich nie wieder teilen werden, wieNervenzellenundMuskelzellender gestreiften Muskulatur. Andere Zelltypen verbleiben nach ihrer Ausdifferenzierung für Wochen oder Monate in G0,können aber bei besonderen Ereignissen wie Verletzung oder Zellverlust wieder zum G1-Zustand zurückkehren und sich nachfolgend teilen.[4]Beispiele hierfür sind Leberzellen (Hepatozyten) undLymphozyten.
S-Phase
steht für Synthesephase, wegen der Verdopplung derDNAim Zellkern. Ausgelöst von genetischen Signalen, beginnt in jedem Chromosom an mehrerenUrsprüngendieReplikation,die Verdoppelung der DNA-Helix.[5]Aus dem Zytoplasma gelangen entsprechende Mengen neuer Histone in den Zellkern, welche die replizierte DNA verpacken. Auch die Zentriolen verdoppeln sich.[6]
Die S-Phase endet, sobald die DNA-Verdopplung abgeschlossen ist und jedes Chromosom aus zwei Chromatiden besteht. Die DNA-Menge steigt in dieser Phase von2 Cauf4 C.
G2-Phase
In diesem (postsynthetischen bzw. prämitotischen) Intervall werden RNA-Moleküle und zellteilungsspezifischeProteinesynthetisiert, um die nachfolgende Mitose vorzubereiten. DasEndoplasmatische Retikulumwird eingeschmolzen. In Geweben lösen sich dieKontaktezu den Nachbarzellen; die Zelle rundet sich ab und vergrößert sich durch Flüssigkeitsaufnahme.
M-Phase
oder Mitose-Phase: Hier finden die Zweiteilungen der Chromosomen (Mitose), des Zellkernes (Karyokinese) und der Zelle (Zytokinese) statt. Während der Mitose folgen aufeinander:Prophase,Prometaphase,Metaphase,AnaphaseundTelophase,die Zellteilung beginnt meist schon parallel zu den letzten Phasen der Mitose. Durch die Zellteilung halbiert sich die DNA-Menge von4 Cwieder auf2 C.
  • Wird keine Zellteilung durchgeführt und die DNA-Menge weiter verdoppelt, spricht man vonEndoreplikationen.Genutzt wird dies in manchen Hochleistungszellen für erhöhte Proteinbiosynthese.

Dauer

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Die Dauer des Zellzyklus, d. h. die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Zellteilungen, kann sehr unterschiedlich sein:

  • Sie ist mit am kürzesten während derFurchungsteilungenim frühesten Entwicklungsstadium tierischerEmbryonen,in der eine großeCytoplasma-Masse innerhalb kurzer Zeit in viele Zellen aufgeteilt werden und ein Zyklus knapp 10 Minuten dauert. Dabei entfallen die G1- und die G2-Phase fast völlig, S- und M-Phase sind beschleunigt.
  • Sie ist am längsten bei Zellen, die sich zeitweilig oder endgültig nicht mehr teilen. In diesen erfolgt nach der letzten Mitose keine Replikation mehr, die Zelle verharrt in der G0-Phase.
Dauer der Teilungsphasen nach[7]
Zelltyp Dauer der Phase
G1 S G2 M gesamt
Schleimpilz (Physarum polycephalum) sehr  kurz 02 h,0 04 h 00,7 h 06,7 h
Bohne(Vicia faba)Meristemder Wurzelspitze 0004 h 09 h 03,5 h 02 h 18,5 h
Maus(Mus musculus)Tumorzellenin Kultur 0010 h 09 h 04 h 01 h 24 h
Mensch(Homo sapiens) Tumorzellen in Kultur[4] 0008 h 06 h 04,5 h 01 h 19,5 h

Regulation

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Äußere Faktoren

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Zu den Faktoren, die den Zellzyklus regulieren, gehören die Zellgröße und das Nährstoffangebot. Auch die An- oder Abwesenheit von Nachbarzellen spielt eine Rolle. Tierische Zellen, die dicht gewachsen sind, teilen sich nicht mehr weiter, sie gehen in das G0-Stadium über. Weiterhin steuern in Geweben die für sie bestimmtenWachstumsfaktorenden Verlauf des Zyklus.

Bestimmte Chemikalien können in Kultur wachsende Zellen in einem bestimmten Zellzyklusstadium festhalten und so die Zellen einer Kultur synchronisieren. Dazu werden zum BeispielDesoxythymidinundAphidicolinverwendet, welche die Zellen in der S-Phase halten.[8]

Innere Faktoren und Kontrollpunkte

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Dauer und Abfolge der Phasen werden an Kontrollpunkten (Checkpoints) überwacht. Sie sorgen dafür, dass der nächste Schritt im Zellzyklus erst dann erfolgt, wenn der vorhergehende abgeschlossen ist. An den Checkpoints besteht die Möglichkeit, den Zellzyklus lediglich zu unterbrechen (Arretierung) oder den programmierten Zelltod (Apoptose) einzuleiten.

Es existieren spezielle Zellzyklusproteine wie dieCDKs(Cycline Dependent Kinases) und dieCycline.Zu bestimmten Zeitpunkten im Zyklus werden diese Proteine verstärktexprimiert,bis ihre Konzentration ein Maximum erreicht. Von diesem Maximum nimmt man an, dass es den Kontrollpunkt darstellt. Danach werden die Cycline schnell abgebaut. CDKs und die zugehörigen Cycline bilden Komplexe, deren Aktivierung (Dephosphorylierung von Thr14 und Tyr15 durchcdc25) beziehungsweise Deaktivierung unter anderem durch Wachstumsfaktoren undProtoonkogenegesteuert wird. Die CDKsphosphorylierenund aktivieren spezifisch eine Reihe anderer Proteine und steuern so den Zellzyklus.

Beispiel für einen Checkpoint ist der

  • Kontrollpunkt fürDNA-Schäden:FehlenNukleotide,ist der DNA-Stoffwechsel anderweitig gestört oder ist die DNA durch Strahlen oder chemische Stoffe (Mutagene) geschädigt, erzeugt dies ein Signal (p53,dasp21aktiviert). Es bewirkt, dass die Zelle in einer der beiden G-Phasen oder in der S-Phase verharrt. Trifft es die S-Phase, wird die DNA-Synthese gestoppt mittels Inhibition des Cyclin D/CDK4/6-Komplexes, des Cyclin E/CDK2-Komplexes und der Delta-Untereinheit der DNA-Polymerase. Reparaturgene werden aktiviert, um die DNA-Schäden zu beheben.
  • Kontrollpunkt der Spindelbildung: Die Trennung der Chromatiden in der Anaphase derMitosewird so lange unterbunden, bis alleZentromere(Kinetochore) mit Transportfasern desSpindelapparatesverbunden sind und die Chromosomen in derÄquatorialplattenebeneinander angeordnet sind.

Einleitung der Zellteilung

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Die Kernteilung (Mitose) und schließlich die Zellteilung wird bei Eukaryoten durch denMitosis Promoting Factor(MPF) eingeleitet. DerProteinkomplexMPF besteht aus der Cyclin-abhängigen Kinase „CDK1“und dem „Cyclin B“.In der aktiven Form phosphoryliert der Komplex verschiedeneEiweiße– wie etwa dasHiston H1– und beginnt damit die Prophase der Mitose. Die aktivierten Histone bewirken eine Spiralisierung, das sogenannte „Supercoiling“der DNA, welches eine der Grundvoraussetzungen für den Beginn der Kernteilung ist.[9]

Zellzyklus und Krebs

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Der Zellzyklus neoplastischer Zellen (Krebszellen) wird nicht mehr durch den Organismus kontrolliert. Diese Zellen teilen sich autonom. Die Dauer eines Zellzyklus ist gegenüber normalen Zellen verändert.

Die Entdeckung des Zellzyklus ermöglichte einen tieferen Einblick in die Krebsentstehung. Fehlregulationen im Zellzyklus können zu einem unkontrollierten Zell- und damit Gewebewachstum führen. Dabei gehen wichtige Regulationsproteine (z. B.p53) durchMutationverloren oder werden übermäßig exprimiert.

Nobelpreis für Medizin

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Für ihre Entdeckungen zur Kontrolle des Zellzyklus erhielten die WissenschaftlerLeland H. Hartwell(USA),Tim Hunt(UK) undPaul M. Nurse(UK) im Jahre 2001 denNobelpreis für Medizin.[10]

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Commons:Cell cycle– Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
  • Lexikon der Biologie:Zellzyklus.Spektrum, Heidelberg 1999.

Einzelnachweise

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  1. ↑H Lundegård:Fixierung, Färbung und Nomenklatur der Kernstrukturen, ein Beitrag zur Theorie der zytologischen Methodik.In:Archiv für Mikroskopische Anatomie80: 223–273, 1912.
  2. ↑abA Howard, SR Pelc:Synthesis of desoxyribonucleic acid in normal and irradiated cells and its relation to chromosome breakage.In:Heredity,6, 1953, S. 261–273.
  3. ↑Swift Hewson Hoyt:The constancy of desoxyribose nucleic acid in plant nuclei.In:Proceedings of the National Academy of Sciences USA,36, 1950, S. 643–654.
  4. ↑abRenate Huch(Hrsg.), Klaus D. Jürgens (Hrsg.):Mensch Körper Krankheit,6. Auflage, 2011, Urban & Fischer Verlag/Elsevier,ISBN 978-3-437-26792-5,S. 34.
  5. ↑Joel A Huberman, Arthur D Riggs:On the mechanism of DNA replication in mammalian chromosomes.In:Journal of Molecular Biology,32, 1968, S. 327–341.
  6. ↑Katharina Munk (Hrsg.):Grundstudium Biologie – Biochemie, Zellbiologie, Ökologie, Evolution.Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg / Berlin 2000,ISBN 3-8274-0910-1,S. 13–14.
  7. ↑Katharina Munk (Hrsg.):Grundstudium Biologie – Biochemie, Zellbiologie, Ökologie, Evolution.Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg Berlin 2000,ISBN 3-8274-0910-1,S. 13–15.
  8. ↑Pedrali-Noy, G.et al.:Synchronization of HeLa cell cultures by inhibition of DNA polymerase Alpha with aphidicolin,in:Nucleic Acids Res.19808(2):377–387;PMID 6775308,PMC 327273(freier Volltext)
  9. ↑Hamid Emminger, Christian Benz:Physikum exakt: Das gesamte Prüfungswissen für die 1. Äp.4. Auflage, Georg Thieme Verlag, 2005,ISBN 978-3-13-107034-0,S. 18
  10. ↑Nobelpreis für Medizin und Physiologie 2001
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