Zellzyklus, Zellteilung,

Zelldifferenzierung,

Zelltod, Stammzellen,

Keimzellen

Orsolya Kántor

Institut für Anatomie, Histologie und Embryologie

Semmelweis UniversitätBudapest

Zellzyklus

Interphase: Vorbereitung auf die nächste Zellteilung, Wachstum, Verdoppelung der Erbsubstanz (S-Phase), Verdoppelung der Zellorganellen. Länge des Zyklus: 12-24 Stunden-1/2-1 Jahr!

„Waschmaschineprogramm”

Phasen des Zellzyklus, Kontrollpunkte

MetaphasenKontrollpunkt

G1: Ergänzung der Zellorganellen, ggf. DNS-Repair, Ausübung spezifischer Funktionen

G0: „Ruhephase” (bez. Teilung!) Endstation: Neurone, SkelettmuskelfasernZurück in den Zyklus: Lymphozyten, Leberzellen

S: Verdoppelung der DNS

G2: Synthese des mitotischen Apparats

Kontrollpunkte:G1/S: Sind die Umweltbedingungen für die Teilung günstig? Ist die DNS intakt?G2: Ist die DNS Verdoppelung vollständig? Ist die DNS intakt?Metaphase: Sind alle Chromosomen in der Equatorialplatte? Sind alle Chromatiden mit einem Pol verbunden?

Kontrolle des Zellzyklus – Cycline et Co.1 Cyclinabhängige Kinasen (Cdk)

Zyklische Aktivität → Protein-

phosphorylation

2 Cycline: z. B. A, B1, B2, C, D, E

Konzentration ändert sich zyklisch

Konservativ

Aktivieren cycliabhängige Kinasen

3 Cdk Inhibitore

Hemmen die Entstehung und/oder

Aktivität von Cycline/Cdk Komplex

Hemmen das Fortschreiten des

Zellzyklus

Kontrolle des Zellzyklus –Wachstumsfaktore Protoonkogene, Tumor Suppressor-Gene

Zusammenspiel positiver und negativer Wirkungen

Wachstumsfaktore (growth factors):•Polypeptide, parakrine Wirkung durch Membranrezeptore → Signaltransduktionskette → meistens Aktivierung des Zellzyklus•z. B. EPO, EGF, FGF, NGF, PDGF, TGF, Cytokine

Protoonkogene:•Kodieren meistens Proteine, die an Wirkung von Wachstumsfaktoren beteiligt sind•Mutation → Zellteilung wird auch ohne Wachstumsfaktore aktiviert! → Tumor!•z. B. sys, Erb-B, ras, jun, myc

Tumor Suppressor Gene:•Bremsen des Zellzyklus•Mutation → Tumore!•Z. B. p53 Gen, Retinoblastoma Gen•p53: Transkriptionsfaktor für cdk-Inhibitor → hemmt G1-S Übergang •Retinoblastoma Protein: bindet an und inaktiviert Transkriptionsfaktore, die Expression von Cyclinen oder Cdks regulieren

ZellteilungEtwa 1 Stunde

Kernteilung: Mitose/Meiose

Cytoplasmateilung: Cytokinese

Einleitung: M-Cdk

Änderungen in der Zelle: (außer DNS)

•Zellkontakte Kontakte zur ECM werden

abgebaut

•Kernlamina zerfällt

•ER, Golgi-Apparat zerfallen

•Zytoskelett wird umorganisiert, Zentrosom

verdoppelt sich, Spindelapparat entsteht

} M-Phase

Änderungen der DNS:

•Nach S Phase werden die Schwesterchromatiden zusammengehalten (Cohesine)

•Verdichtung der Chromosomen (Condensine) → Metaphasechromosomen

ZellteilungMitose:

•Teilung der somatischen Zellen

•Genetisch identische Tochterzellen

•Anzahl der Chromosomen in der

Tochterzellen: 46 (2n, diploid)

•Meiose:

Teilung der Keimzellen

•Zwei aufeinanderfolgende Teilungen → vier

Tochterzellen

•Crossing over, zufällige Verteilung der

parental Chromosomen in die Tochterzellen

→ genetisch unterschiedliche Tochterzellen

•Anzahl der Chromosomen in der

Tochterzellen: 23 (1n, haploid)

•Ziel: haploide Keimzellen

genetischer Vielfalt

Mitotische/Teilungsspindel

Zentrosom: rotMikrotubuli: grünChromosomen: blauKinetochor: violettAster, Teilungsstern

G2 Interphase: Ausgangspunkt zur Mitose

•Verdoppelte Zentrosomen

•Aufgelockerte Chromosomen, 2x2n!

Phasen der Mitose: Prophase

•Verdoppelte Zentrosomen wandern zu gegenüberliegenden Zellpolen•Astral Mikrotubuli wachsen aus•Chromosomen weden sichtbar: Faden, Stäbchen•Zelle rundet sich ab•Zerfall von ER, Golgi → Vesikeln

Phasen der Mitose: Prometaphase

•Kernlamin Phosphorylation → Kernhülle zerfällt

•Mikrotubuli binden an Kinetochoren

•Entstehung der Mitosespindel

Phasen der Mitose: Metaphase

•Chromosomen werden in die äquatoriale Platte angeordnet•Chromatide sind durch kinetochore Mikrotubuli an einem Zellpol gebunden (ein Chromatid an einem, der andere an anderem Zellpol) → Metaphase Checkpoint

Phasen der Mitose: Anaphase

•Cohesine werden abgebaut•Mikrotubuli verkürzen sich → Scwesterchromosomen wandern an entgegengesetzte Zellpolen•Interpolare Mikrotubuli werden durch Kinesine aneinandergleiten → Zelle wird in die Polenrichtung verlängert

Phasen der Mitose: Telophase

•Chromosomen dekondersieren sich•Entsteht Kernhülle•Interpolare Mikrotubuli depolymerisieren

Cytokinese•Während der Telophase

•Zellorganellen werden in die zwei

Tochterzellen verteilt

•Wiederentstehung von ER, Golgi, Kernhülle

aus Vesikeln

•Kontraktiler Ring aus kortikalen

Aktinfilamenten, Abschnürung mithilfe Myosin

•Teilungsfurche wird tiefer → zwei

Tochterzellen

Kontraktiler Ring

Aktin: rot

Myosin: grün

MeioseErste Reifeteilung: (Meiose 1)

•Zwei diploide Tochterzellen

•Anzahl der Chromosomen wird halbiert (23, 2n)

•Genetische Rekombination:

crossing over

zufällige Verteilung der Chromosomen

Zweite Reifeteilung: (Meiose 2)

•Insgesamt 4 Tochterzellen (23, 1n)

•Einfache Mitose

•Seggregation der Schwesterchromatiden

Meiose 1: Prophase2 Zygotän: Paarung der homologen Chromosomen (synaptomales Komplex)

gleiche Allele in gleicher Höhe

3 Pachytän: Rekombinationsknoten (1-3): DNS-Strang bricht, Austausch der Bruchstücke zwischen mü. u. va. Chromosomen → Mosaikchromosom aus mü. u. va. Stücken

4 Diplotän: synaptomales Komplex verschwindet, Chromosomen werden auseinandergezogen → Kreuzungen werden sichtbar (Chiasma, crossing

over)

1 Leptotän: homologe Chromosomen kommen nebeneinander zu liegen (Tetradformation)1 Zentromer/Chromosom

5 Diakinese: homologe Chromosomen werden durch die Chiasmata zusammengehalten

Crossing over

Umgebaute Chromosomen

Meiose: weiterer VerlaufMeiose 1: Metaphase, Anaphase, Telophase

Ähnlich wie bei Mitose, Unterschiede:

•Metaphase: Tetrade sind in der Metaphasenplatte

aufgereiht

•Anaphase: Chromosomen (aus 2 Chromatiden) werden

bewegt

•In den Tochterzellen: 23 Chromosomen (2n), zufällige

Kombination von parentalen Chromosomen (>8 Mi.

Variationen!)

Meiose 2:

•Ohne vorherige DNS Replikation!

•Wie Mitose, Chromatiden werden bewegt

•4 unterschiedliche haploide Tochterzellen mit 23

Chromosomen

Keimzellen – Ovum, Oozyt

Zellen der Corona radiata

Zellkern

Zona pellucida

Größte Zelle des Körpers: 100 μm

Im Zytoplasma:

„Dotter”: 5%, Lipide, Kohlenhydrate (Reserve)

Reserve RNS: m, t, r, für die frühe Entwicklung

Kortikale Granulen: bei Fertilisation werden

ausgeschüttet → binden an Zona pellucida, hemmen

das Eindrigen weiterer Spermien

Keine Zentriolen!

Zona pellucida:

Glykoprotein Hülle (ZP 1-4, ZP3: Rolle bei

Spermienbindung)

Mechanischer Schutz, Zusammenhalten der

Blastomere, Barrier gegen Polyspermia

Corona radiata:

Aus Follikelepithelzellen

Ernährende Funktion, Zellen stehen mit dem Oozyt

durch Gap junctions in Verbindung

Mikrovilli

ZP

Zellfortsatz

Entwicklung der Eizellen - Oogenese

Urkeimzellen: aus Dottersack

Oogonien (2n)

primäre Oozyten (4n)

Sekundäre Oozyten (2n)

Polozyt (2n)

Zygote

Polozyt (n)

DNS-Synthese (4n), Wachstum

Spermium (n)

Vermehrungsphase

(Mitosen)

Metaphase 2

Wachstumsphase

Meiose 1

Meiose 2

Befruchtung

Reifungsphase

Ort: Ovarium, ovarielle Follikeln

Asymmetrische Teilung: Oozyt-Polozyt

Meiose wird zweimal gestoppt:

1. In Prophase 1, Diplotän:

Mehrere Jahre, sogar 40 Jahre!

2. In Metaphase

Meiose 2 wird erst bei Befruchtung vervollständigt

Ohne Befruchtung: Oozyte stirbt in Metaphase 2 ab

Weiteres Wachstum

Kortikale Granulen

Zona pellucida

Spermium ~ 60μm lang, beweglich (gegen Flüssigkeitsstrom=

Rheotaxis, opt. pH: 7,2-7,4)

Kopf: Kern

Acrosom: aus Golgi, Durchdrang durch

Corona radiata, Zona pellucida

Hals: prox. Zentriol

dist. Zentriol → Basalkorn

Mittelstück: Kinozilium

Mitochondrien (24)

lat. Fasern: Keratin

Hauptstück: Kinozilium

Faserring

Acrosomale Kappe

Entwicklung der Spermien: Spermiogenese

Spe

rmat

ozyt

ogen

ese

(Ver

meh

rung

spha

se)

Mei

ose

(Rei

fung

spha

se)

Spermiohistogenese(Differenzierungsphase)

Zellen aus einem

Spermatogonium werden

durch Zytoplasmabrücken

verbundenMitosen

Spermiohistogenese (Spermatide → Spermium)

•Keine Teilung, nur Umgestaltung

•Zytoplasmabrücken zwischen den

Spermatiden werden getrennt

•Zellkernkondensation

•Golgi-App. → Acrosom

•Wanderung von Mitochondrien,

Zentrosomen

•Dist. Zentrosom → Schwanzfaden

•Zytoplasmateile werden phagozytiert

Differentiation

Determination: Festlegung des Schicksals der Zellen während der Entwicklung

Differentation: strukturelle und funktionelle Spezialisation der Zellen, Änderung der Genexpression (Ein- oder Ausschalten spezieller Gene)

Oft Kaskade: Mastergene (z. B. MyoD bei Muskeldifferentation) schalten weitere Gene ein, die wiederum weitere Gene aktivieren u. s. w.

Geht meistens mit Einengung der Entwicklunspotenzial einher. Entwicklungspotenzial: toti/omnipotent: Zygote, frühe Blastomere →zu allen Zelltypen

pluripotent: zu Zellen aller 3 Keimblätter multipotent: zu näher verwandten Zelltypen unipotent

Differenzierte Zellen befinden sich oft in G0 Phase.

StammzellenUnspezialisierte Zellen mit zwei wichtigen Eigenschaften:

1 können sich zu anderen Zelltypen differenzieren2 die Stammzellpopulation ist selbsterhaltend (self

renewal)

Formen:•Embryonale Stammzellen: Blastozyten•Adulte Stammzellen: in Erwachsenen, nicht oder wenig differenzierte Zellen, niedrige Teilungsrate!

Rolle: normales Turnover regenerativer Organe (Haut, Darm)

Reparation•Nabelschnurstammzellen

Potenzial der Stammzellen:•Totipotent •Pluripotent•Multipotent (adulte)•Unipotent (z. B. Spermatogonium, Oogonium)

Zukünftige Verwendung: Zellersatz: Knochenmark, Neurone, Herzmuskulatur, Pancreas β-Zellen

Haematopoetische (multipotente) Stammzelle

ZelltodApoptose (~Selbstmord)

•Programmierter Selbstmord

• Zelle schrumpft

• veränderte Chromatinstruktur

• Zytoplasma und Kern wird fragmentiert (apoptotic bodies)

• Kreuzverbindungen zw. Proteinen

• Zelle wird von Fresszellen erkannt und phagozytiert

• Zelle verschwindet schnell und ohne Spuren

Necrose (~Mord)• durch externe Faktore schwer beschädigte Zellen

•Zelle desintegriert

• Zelle schwillt an und „explodiert”

•Membrane rupturieren

• Zytosol und Organellen kommen in die Umgebung

• Leukozyten werden angelockt → Entzündungsreaktion

ApoptoseZellvermehrung und Zelltod sollte im Gleichgewicht stehen

Entfernt werden sollen: überaltete Zellen

überflüssige Zellen

geschädigte Zellen (Tumor, Virusinfektion, DNS-Schädigung et

c.)

Apoptotische Zellen

Apoptose EM

Zellkern: Chromatin: helle und dunkle Gebiete, Pyknosis (Schrumpfung), Karyorhexis (Fragmentierung)DNS wird gespalten (Endonuklease) → ELFO: DNS Leiter

Zellmembran: Phosphatidilserin wandert in äußere Lipidschicht → Signal für Fresszellen zur Phagozytose

DNS ELFO

Molekulare Mechanismen der Apoptose - Caspasen

Caspasen: Protease, die Peptidketten am Aspartat spaltenEin Caspase aktiviert den nächsten → Kaskade, auch Verstärkung

Initiator Caspasen: Caspase 2, 8, 9, 10Effektor- Caspasen: Caspase 3, 6, 7

Substrate der Caspasen:Lamin in Kernlamina → Kernlamina zerfälltAdhäsionsmoleküle, Zytoskelett → Zelle verliert den Kontakt mit den Nachbarn, wird abgerundetEndonuklease Inhibitor Protein → Endonuklease wird aktiviert, DNS wird gespaltenTransglutaminase → Kreuzverbindungen zw. Proteinen

Signale zur Caspasen-Aktivation:Von Außen: Fas-Ligand: wirkt durch Death-Rezeptore

Mangel an WachstumsfaktorenVon Innen: Cytochrom-C Ausstrom aus Mitochondrien

p53

Rolle für Apoptose

In Embryonalentwicklung: (ontogenetic cell death)•Entstehung der Höhle des Blastozyste•Trennung der Fingern/Zehen•Entstehung von Gelenkhöhlen•Rückgang des Wolff/Müller-Ganges•Elimination überzähliger Neurone

In Erwachsenen:•Elimination überflüssiger Oogonien/Spermatogonien•Elimination autoreaktiver T-Lymphozyten, Absterben von B-Zellen ohne Antigenstimulation•Rückgang hormonsensitiver Drüsen: Milchdrüse nach Abstillen, Prostata, Endometrium

Wenn die Apoptose gestört ist:•Entwicklungsstörungen•Autoimmunität•Tumore•Neurodegenerative Erkrankungen

Syndaktilia

Danke für die Aufmerksamkeit!

Verwendete Literatur:Welsch: Lehrbuch HistologieRöhlich: SzövettanAlberts: Lehrbuch der molekularen ZellbiologieFolien von Prof. Pál Röhlich