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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
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