Der Zellzyklus ist die Reihe von Stadien, die das Leben einer Zelle konstituieren und begrenzen . Dieser Zyklus besteht aus mehreren Wachstumsphasen, in denen die Zelle wächst und ihr genetisches Material verdoppelt (Interphase) und einer Phase, in der sie sich teilt (Mitose), um zwei identische Tochterzellen hervorzubringen (im Fall der Mitose). Die Tochterzellen reproduzieren diesen Zyklus und so weiter.
Die Dauer der verschiedenen Phasen des Zellzyklus konnte in vitro im optimalen Zustand gemessen werden:
Mit, je nach Spezies und Zelltyp:
Das Genom von Eukaryoten umfasst eine Anzahl N Chromosomentypen . Diese Zahl unterscheidet sich von einer Art zur anderen.
Jede diploide Zelle enthält zwei homologe Chromosomen (mit gleichen Funktionen) pro Typ - eines vom Vater und eines von der Mutter - insgesamt 2 mal N, abgekürzt "2N", Chromosomen.
Jede haploide Zelle enthält nur ein Chromosom pro Typ - eine Mischung von Genen von Vater und Mutter, die durch den Prozess des Crossing-Over gewonnen werden , siehe unten - insgesamt 1 mal N, abgekürzt "1N" Chromosomen.
Die durch den Replikationsprozess entstehenden Chromosomen werden „ Chromatiden “ oder „Schwesterchromatiden“ genannt und nehmen ihren Namen „Chromosom“ erst nach ihrer Trennung in Mitose/Anaphase oder Meiose/Anaphase2 wieder an. Andere Quellen verwenden den Begriff „Chromatid“ nur, wenn die Zentromere der Chromosomen miteinander in Kontakt stehen.
Die Anzahl der Chromatiden pro Chromosomentyp in einer Zelle wird durch eine Zahl gefolgt vom Buchstaben C angezeigt. Zum Beispiel „4C“ für 4 Chromatiden pro Chromosomentyp.
Einige Beispiele :
Hinweis: Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die folgenden Abbildungen und Texte so geschrieben, als ob es nur einen Chromosomentyp gäbe. Es sollte natürlich daran erinnert werden, dass sie für alle N-Chromosomentypen gelten.
Die Interphase ist, wenn die Zelle lebt und alles tut, was sie programmiert hat (~ 90% des Zellzyklus). Es bereitet sich auch auf die Teilung vor. Die Phasen der Teilung sind im Folgenden beschrieben:
Mitose ist, wenn sich die Zelle teilt. Die Mitose (Zellteilung mit oder ohne Zellvermehrung) dient in erster Linie dem Wachstum und der Regeneration – durch chromosomale Replikation und Zellteilung – des Zellgewebes jedes Organs des Körpers. Dieses Wachstum geht Hand in Hand mit der Zelldifferenzierung .
Bei der mitotischen Teilung entstehen aus der Mutterzelle zwei genetisch identische Tochterzellen. Eine der Tochterzellen bleibt im Stadium der Differenzierung von der Mutterzelle, während die andere während dieses Prozesses ihre funktionelle Eigenschaft erhält. Ein Gewebe besteht also aus zwei Arten von Zellen: denen, die die Abstammungslinie sicherstellen und denen, die die Funktion sicherstellen. Stammzellen sind zum Beispiel das Produkt von Linien ohne Differenzierung, während funktionelle Zellen zum Absterben programmiert sind. Dies sind die letzten Arbeiten an der Zelle, die die Theorie von Dr. André Gernez aus den Jahren 1971-72 bestätigten. Die Phasen der Teilung sind im Folgenden beschrieben:
Hinweis: Es gibt in Wirklichkeit eine Zwischenphase der „Prometaphase“, in der das Aufbrechen der Kernhülle sowie das Eindringen von kinetochoren und polaren Mikrotubuli in die „Kernzone“ beobachtet wird (diese Phase ist einfacher nicht zu berücksichtigen) .
Der Zweck der Meiose ist zweierlei: zum einen die Vermischung des väterlichen und mütterlichen Genoms , um so maximale genetische Variation zu gewährleisten, und zum anderen die Herstellung haploider Zellen zu einem Chromatid für die sexuelle Fortpflanzung.
Während der Befruchtung verschmilzt eine 1N-1C-Zelle mit einem Gameten eines anderen Organismus, um eine 2N-2C-Zygote zu produzieren.
Wir sprechen manchmal von "post-mitotischen" Zellen, um ruhende oder seneszente Zellen zu bezeichnen. Nicht-proliferative Zellen in mehrzelligen Eukaryoten treten im Allgemeinen vom G1-Zustand in den G0-Ruhezustand über und können sehr lange oder sogar unbegrenzt ruhen (was bei Neuronen häufig vorkommt). Dies ist bei vollständig differenzierten Zellen sehr häufig der Fall. Die zelluläre Seneszenz tritt als Folge von DNA-Abbau oder -Schädigung auf, Schäden, die andernfalls zur Unfähigkeit der Zellnachkommen führen würden (Karzinogenese usw.). Es gibt einige Zellen, die für einen semipermanenten Zeitraum in die G0-Phase eintreten, darunter einige Zellen aus Leber, Niere und Magen. Viele Zellen treten jedoch nie in die G0-Phase ein und teilen sich stattdessen während des gesamten Lebens des Organismus (zB Epithelzellen).
Bildbeschriftung:
Die Mechanismen der Zellzyklusregulation basieren im Wesentlichen auf zwei komplementären Proteinstrukturen namens Cdk ( Cyclin-dependent Kinase ) und Cyclin . Cdk ist die Grundkomponente, benötigt aber, wie der Name schon sagt, ein Cyclin, um seine Funktionen zu aktivieren. Cdks und Cycline verbinden sich und bilden heterodimere Komplexe.
Es gibt verschiedene Arten von Cdk und Cyclinen. Erstere werden durch Zahlen und letztere durch Buchstaben identifiziert. Für einen Komplex wird beispielsweise notiert: Cdk4 -CyclineD. Ein Cdk kann mit mehreren verschiedenen Cyclinen Komplexe bilden und umgekehrt. Ein oder mehrere Cdk-Cyclin-Komplexe entsprechen jeder Phase des Zellzyklus.
Ein Cdk besteht aus zwei Lappen: dem N-Lobe, der im Wesentlichen aus Beta-Sheets besteht, und dem C-Lobe, der im Wesentlichen aus Alpha-Helices besteht. Am Schnittpunkt der beiden Lappen befindet sich eine katalytische Stelle, an der die Phosphorylierung stattfindet, die Proteine aktiviert, die im Zellzyklus eine Rolle spielen (Fragmentierung der Kernhülle, Verdichtung der Chromosomen, DNA-Replikation usw.). Dafür benötigt Cdk Cycline und verschiedene regulatorische Proteine. Die Stelle umfasst zwei nebeneinander liegende Taschen: eine zur Aufnahme des Substrats (das zu phosphorylierende Protein), die andere zur Aufnahme des ATP . Im Wesentlichen erfolgt die Phosphorylierung durch die Übertragung von Phosphat-γ von ATP auf das Substrat. Das resultierende ADP und das phosphorylierte Substrat werden dann freigesetzt.
Im inaktiven Zustand wird der Eintritt in das katalytische Zentrum durch zwei Proteinschleifen blockiert: die PSTAIRE-Domäne (benannt nach den Initialen der konstituierenden Aminosäuren) und die T-Schleife ( T-Schleife ).
Während der Assoziation mit Cyclin durchläuft die PSTAIRE-Schleife eine Rotation, die die ATP-Tasche formt, um eine angemessene Orientierung des Triphosphats während der Phosphorylierung des Substrats zu erhalten.
Gleichzeitig wird die T-Schleife verdrängt, wodurch bestimmte CDK-Aminosäuren ( Threonin 161, Threonin 14 und Tyrosin 15) regulatorischen Kinasen ausgesetzt werden .
Die Cycline sind die primären Aktivatoren des Cdk-Cyclin-Komplexes. Darüber hinaus werden sie durch eine Reihe von aktivierenden und hemmenden Kinasen und Phosphatasen sowie durch inhibitorische Moleküle namens CKIs (Cyclin-dependent Kinase Inhibitor) reguliert.
AktivatorkinasenWährend der Transition erfolgt die Transkription von essentiellen Genen für G1 und der Eintritt in die Teilung. Diese Transkription wird durch zwei Signalwege stimuliert:
Die Gene für Cycline D und E sowie die Proteine p21 und p27 werden transkribiert, einschließlich Cyclin E unter der Kontrolle von E2F.
Diese Passage steht unter der Kontrolle des R-Punkts, selbst unter der Kontrolle mehrerer Proteine: Rb , E2F , cdk2 , cdk4 . In der G1-Phase bindet unphosphoryliertes Rb an E2F und hemmt es.
Während der Passage CycD / cdk4 und cycE / cdk2 hyperphosphorylate Rb (4 Phosphorylierung Seiten), die freigibt E2F . Freies E2F bildet mit dem DP-Protein ein Heterodimer . Zusammen spielen sie die Rolle eines Transkriptionsfaktors und induzieren Zielgene, die den Übergang in die S-Phase ermöglichen, in der die DNA-Synthese stattfindet .
Diese Passage wird durch den Cdk1-CyclineB-Komplex reguliert.
Zu Beginn bindet Cyclin B an Cdk1, was die „Öffnung“ des Arms bewirkt und den Zugang zur ATPasic-Stelle von Cdk1 ermöglicht. Der Cyclin B-Cdk1-Komplex wird durch das Enzym Wee1 auf Threonin 14 und Tyrosin 15 von Cdk1 phosphoryliert, was den Zugang von ATP zur ATPase-Stelle verhindert.
Dann phosphoryliert das CAK-Enzym den Komplex auf dem Threonin 161 von Cdk1, was die "Öffnung" des Arms ermöglicht, was dem Substrat Zugang zur Substratstelle von Cdk1 ermöglicht. Da der Zugang zur ATP-Stelle blockiert ist, bleibt Cdk inaktiv, so dass es das Substrat noch nicht phosphorylieren kann. An diesem Punkt ist der Komplex dreimal phosphoryliert. Dies bildet den Pre-MPF.
Damit letzteres aktiv wird und somit den Übergang in die Mitose induziert , muss es an den Resten 14 und 15 durch Cdc25 dephosphoryliert werden: Dies bewirkt die „Öffnung“ des Arms, der den Zugang zur ATPase-Stelle ermöglicht. Tatsächlich bildet der phosphorylierte Komplex nur am Rest 161 von Cdk1 das aktive MPF.
ATP an der ATPase-Stelle gibt seine Phosphatgruppe an das Substrat ab, das so phosphoryliert wird. Je nach Art des Substrats hemmt oder aktiviert diese Phosphorylierung dieses Substrat.
Es besteht daher eine echte Konkurrenz zwischen Wee1, das eine Kinase ist und daher dazu neigt, an den Resten 14 und 15 zu phosphorylieren und somit MPF zu inaktivieren, und Cdc25, das eine Phosphatase ist und daher dazu neigt, die Reste zu dephosphorylieren und aktivieren so den Pre-MPF bei aktivem MPF. Es gibt einen Eintritt in die Mitosephase.
Wee1 ist aktiv, wenn es nicht phosphoryliert ist, während Cdc25 nur aktiv ist, wenn es phosphoryliert ist. Es erfolgt daher das Eingreifen anderer Proteinkinase und Phosphatase .
Prinzip: Das tritiierte radioaktive Thymidin (H3) geht in den Zellkern und wird nur in Zellen eingebaut, deren DNA Nukleotide einbaut, also Zellen in Phase S. Das Interesse von Thymidin besteht darin, dass es in die DNA einbaut, nicht aber in die RNA . Nach Spülen des Kulturmediums und anschließender Inkubation kann der Anteil der Zellen gemessen werden, die radioaktives Thymidin enthalten.
Prinzip: Die Zellen werden mit einem fluoreszierenden DNA-Farbstoff inkubiert. Die Menge der Fluoreszenz ist proportional zur Intensität der Fluoreszenz. Es wird ein Fluorimeter verwendet . Damit kann die Dauer der Phase G1 berechnet werden. Die Dauer jeder Phase wird durch Kombination der drei Techniken erhalten.
Die Regulierung des Zellzyklus muss sehr fein sein. Krebserkrankungen sind beispielsweise durch eine anarchische Proliferation aufgrund der Störung des Kontrollsystems des Zellzyklus gekennzeichnet. Siehe Onkogene , die oft Gene sind, die Proteine kodieren, die für die Kontrolle des Zellzyklus verantwortlich sind.
Hinweis: Während des Zellzyklus gibt es Kontrollpunkte, die es der Zelle ermöglichen, zu überprüfen, ob auf genetischer Ebene (falsche DNA-Replikation) und strukturell (fehlgebildete mitotische Spindel) keine Veränderungen vorgenommen wurden. Diese Systeme sind sehr wichtig für die Integrität unseres genetischen Erbes. Diese Kontrollpunkte können verhindern, dass der Zyklus fortschreitet, wenn die Bedingungen nicht erfüllt sind, und dadurch die Zelle zur Apoptose (programmierter Zelltod) begehen. Diese Checkpoints können verändert werden und verhindern jede Regulation des Zellzyklus. Tatsächlich gibt es eine sofortige Reaktion und eine andere, die verzögert ist. In allen Fällen sind beide Antworten aktiviert. Die sogenannte Rapid Response arbeitet mit Phosphorylierungen, während die sogenannte Delayed Response einen Transkriptionsfaktor beinhaltet.