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Die Zellteilung ist für alle lebenden Organismen von grundlegender Bedeutung und für Wachstum und Entwicklung erforderlich. Als wesentliches Fortpflanzungsmittel für alle Lebewesen ermöglicht die Zellteilung den Organismen, ihr Erbgut an ihre Nachkommen weiterzugeben. Für einen einzelligen Organismus entsteht durch die Zellteilung ein völlig neuer Organismus. Bei mehrzelligen Organismen produziert die Zellteilung neue Zellen für die allgemeine Entwicklung des Organismus sowie gesunde Zellen, um beschädigte Zellen durch Verletzungen zu ersetzen. Die Fortpflanzung mehrzelliger Organismen erfordert die Zellteilung, um Fortpflanzungszellen zu bilden.
Um sich zu teilen, muss eine Zelle zunächst ihren genetischen Inhalt duplizieren und in zwei Tochterzellen aufteilen. Diese Reihe von Duplikationen und Teilungen wird als Zellzyklus bezeichnet. Die Details des Zellzyklus variieren von Organismus zu Organismus, aber die grundlegenden Stadien der Zellteilung sind universell.
Etwa 78 % des Lebens einer Zelle verbringen sie in der Interphase, wo sie wächst und sich auf die Zellteilung vorbereitet. Interphase selbst besteht aus drei Unterphasen. Unmittelbar nach der Zellteilung tritt eine neu gebildete Zelle in den Gap-1- oder G1-Teil der Interphase ein. Während G1 wachsen Zellen aktiv und differenzieren sich in vielen Fällen, um bestimmte Funktionen zu erfüllen. In diesem Stadium reagiert die Zelle empfindlich auf interne und externe Signale, um zu bestimmen, ob sie sich teilen soll oder nicht. Einige Zellen, wie z. B. Neuronen, fahren nach der Differenzierung nicht mit der Zellteilung fort und verbleiben in G1, bis sie absterben. Sobald die Zelle die Kriterien für die Zellteilung erfüllt, tritt sie in die Synthese oder S-Phase der Interphase ein, in der die Zelle ihr gesamtes Genom repliziert. Als nächstes tritt die Zelle in die Gap-2- oder G2-Phase ein, um alle notwendigen Proteine für die Zellteilung zu synthetisieren. Daran schließt sich die Zellteilungsphase an.
In eukaryotischen Zellen gibt es zwei Arten der Zellteilung: Mitose und Meiose. Somatische oder nicht-reproduktive Zellen produzieren Tochterzellen durch mitotische Teilung. Die Mitose ist die Kernteilung und besteht aus fünf Stadien: Prophase, Prometaphase, Metaphase, Anaphase und Telophase Während der Prophase kondensieren duplizierte DNA-Moleküle zu dicht gepackten Chromosomen, während Mikrotubuli Spindeln bilden. Die Kernhülle löst sich in der Prometaphase auf. Während der Metaphase reihen sich die Chromosomen, die mit den Spindeln verbunden sind, entlang des Äquators der Zellen aneinander. Während der Anaphase werden die Schwesterchromatiden an entgegengesetzte Pole der Zelle gezogen. Schließlich werden während der Telophase neue Kernhüllen um beide Chromosomengruppen gebildet. Nachdem die Kernteilung abgeschlossen ist, trennt sich das Zytoplasma um jeden Zellkern durch Zytokinese voneinander, was zu zwei identischen Tochterzellen führt.
Die andere Art der eukaryotischen Zellteilung wird Meiose genannt und ist spezifisch für Fortpflanzungszellen. Die Meiose produziert vier Tochterzellen, die jeweils nur halb so viel Erbgut wie die Mutterzelle haben. Bei diesem Prozess dupliziert die Zelle ihre DNA während der Interphase und schließt dann zwei aufeinanderfolgende Zellteilungen ab, wobei die Zellen von zwei in vier Zellen geteilt werden. Diese aufeinanderfolgenden Zellteilungen werden Meiose I und Meiose II genannt, die beide aus allen Stadien von der Prophase bis zur Telophase bestehen. Der Austausch von genetischem Material zwischen den Sätzen der Nicht-Schwesterchromatiden erfolgt während der Prophase I in einem Prozess, der als Kreuzung bezeichnet wird. Homologe Chromosomenpaare werden während der Metaphase I entlang des Äquators der Zelle ausgerichtet und während der Anaphase I voneinander weggezogen. Haploide Tochterkerne werden während der Telophase I gebildet. Die Zytokinese tritt häufig vor der Meiose II auf, die Interphase findet jedoch fast nie zwischen den beiden aufeinanderfolgenden Teilungen statt. Die Meiose II ist der Mitose sehr ähnlich und trennt die Schwesterchromatiden. Am Ende der Meiose werden vier haploide Tochterzellen gebildet. Diese Zelltöchterzellen werden Gameten genannt und bilden die Samen- oder Eizellen.
Die Zellteilung wird extern und intern streng reguliert. Externe Regulierung stellt die Notwendigkeit der Teilung sicher. Zum Beispiel teilen sich Zellen der Magenschleimhaut häufig, um den anhaltenden Bedarf an neuen Zellen zu decken, um beschädigte Zellen zu ersetzen. In ähnlicher Weise kann es bei verletztem Gewebe zu höheren Zellteilungsraten kommen, um beschädigte Zellen zu ersetzen, jedoch nur für einen bestimmten Zeitraum, solange die externen Signale zur direkten Zellteilung vorhanden sind. Die interne Regulation der Zellteilung sichert die Gesundheit der Tochterzellen. Innerhalb der Phasen des Zellzyklus gibt es viele Checkpoints, die den Übergang der Zelle von einer Phase zur nächsten regulieren. So lassen Qualitätskontrollmechanismen die Zelle nur dann von der G1- in die S-Phase übergehen, wenn die DNA intakt und für die Replikation geeignet ist. In ähnlicher Weise ermöglicht ein Checkpoint bei G2 den Zellen nur dann den Übergang zur Mitose (M-Phase), wenn die DNA vollständig und genau repliziert wurde. Außerdem stellt ein Metaphase-Checkpoint sicher, dass die Chromosomen an den Spindeln befestigt und korrekt ausgerichtet sind, bevor die Anaphase beginnen kann. Eine Zelle, die an einem Checkpoint versagt, kann für die Apoptose ins Visier genommen werden, wenn die Zelle nicht in der Lage ist, den Fehler zu korrigieren.
Einige Mutationen ermöglichen es Zellen, sich zu teilen, auch wenn es kein Signal gibt, das die Zellteilung steuert. Zum Beispiel verhindern Tumorsuppressorgene, dass sich Zellen unkontrolliert teilen, und Mutationen in diesen Genen lösen diese Hemmung. Diese abnorme Zellteilung kann, wenn sie nicht kontrolliert wird, zur Tumorbildung und in einigen Fällen zu Krebs führen. Als eine der häufigsten Todesursachen in den Vereinigten Staaten hat Krebs zweifellos einen großen Einfluss auf die Gesellschaft. Das lebenslange Krebsrisiko steigt mit dem Alter, da sich Mutationen in der DNA im Laufe der Zeit ansammeln, insbesondere bei Brust-, Lungen-, Prostata- und Dickdarmkrebs1. Daher ist die laufende Forschung zur Zellteilung unerlässlich, um die Krebserkennung, -behandlung und schließlich die Prävention zu verbessern. Tatsächlich nutzen aktuelle Therapien zur Behandlung von Krebs das Wissen über Zellteilungsmechanismen, wie z. B. Targeting-Mechanismen, die an der Zellteilung beteiligt sind. Zum Beispiel binden Platin-Medikamente wie Cisplatin an die DNA und stoppen die DNA-Replikation, während Taxane wie Paclitaxel an Mikrotubuli binden und den Spindelabbau hemmen, wodurch die Zellteilunggestoppt wird 2.
Ein Verständnis des Zellzyklus und der Zellteilungsmechanismen ist auch wichtig, um Behandlungen für Erkrankungen zu verstehen und zu entwickeln, die sich nicht teilende Zellen betreffen. Derzeit können Verletzungen des Nervensystems oder des Herzens schwächende Auswirkungen haben, da beschädigte Neuronen- und Muskelzellen nicht ersetzt werden können. Eine Verletzung des Nervengewebes ist jedoch mit der Aktivierung von Zellzykluswegen in Neuronen und unterstützenden Gliazellen verbunden. Interessanterweise reduziert die Hemmung dieser Zellzykluswege die Bildung von Glianarben und sekundäre Schäden nach Verletzungen. Daher ist das Verständnis der Regulation des Zellzyklus und der Zellteilung unerlässlich, um den gesunden und kranken Zustand aller Organsysteme zu verstehen3.
Der Zellzyklus bezieht sich auf die Abfolge von Ereignissen im Leben einer typischen Zelle - einschließlich Wachstum, DNA-Replikation und Vorbereitung auf die Zellteilung. Für sich sexuell fortpflanzende Organismen beginnt das Leben als Zygote, eine befruchtete Eizelle. Im Laufe der Zeit wächst und teilt sich diese ursprüngliche einzelne Zelle auf kontrollierte Weise, um ein mehrzelliges, komplexes Individuum zu erzeugen. Die Zellen setzen diesen Prozess fort, insbesondere um das Gewebe während des Alterns zu erhalten und zu reparieren.
Schauen wir uns das nun genauer an. In Eukaryoten ist die doppelsträngige DNA speziell in einem membrangebundenen Zellkern organisiert, um den begrenzten Platz der Zelle aufzunehmen. Auf der ersten Ebene der Verdichtung wird die DNA fest um bestimmte Proteine gewickelt, die Histone genannt werden. Diese Kombination von DNA-Proteinpartikeln wird dann wiederholt und in Arrays verpackt, die als Nukleosomen bekannt sind und zusammen mit der Linker-DNA gewickelte Chromatinfasern bilden. Schließlich verdichten zusätzliche faserige Proteine das Chromatin noch weiter und packen große DNA-Längen in eng verdichtete Einheiten. Werden als Chromosomen erkannt, abhängig von der Phase der Zellteilung.
Um sich auf die Teilung vorzubereiten, müssen die Zellen die Interphase durchlaufen, die in drei Stadien unterteilt ist. G1, S und G2. In G1, der ersten Lückenphase, wächst eine neu erzeugte Tochterzelle an Größe und bereitet sich auf die DNA-Duplikation in der nächsten Phase vor. In S, der Synthesephase, duplizieren die Zellen nun ihre Kern-DNA, die als Chromatin verpackt bleibt. Zellen duplizieren auch die Zentrosomen, die Mikrotubuli-organisierenden Strukturen, die den mitotischen Spindelapparat bilden. In G2, der zweiten Lückenphase, wachsen die Zellen schließlich weiter, vermehren Organellen und Proteine, die für die Mitose benötigt werden, und füllen ihre Energiespeicher wieder auf. Die Zelle ist nun bereit, in das erste Stadium der Mitose einzutreten.
Die Mitose besteht aus fünf einzigartigen Stadien und ist eine Form der Teilung, bei der das genetische Material einer Zelle auf zwei Tochterzellen aufgeteilt wird. Zuerst kondensiert nukleinisches Chromatin während der Prophase beim Menschen zu X-förmigen Chromosomen, die aus Schwesterchromatidenpaaren bestehen, die an Zentromerübergängen befestigt sind. Gleichzeitig wandern Zentrosomen außerhalb des Zellkerns zu entgegengesetzten Seiten der Zelle. Während sie dies tun, beginnen Mikrotubuli-Stäbchen aus jedem zu wachsen. Entweder nach innen oder nach außen, so dass ein netzartiger Spindelapparat entsteht. Als nächstes löst sich die Kernhülle während der Prometaphase auf und setzt die Chromosomen dem anderen Inhalt der Zelle aus. Proteinstrukturen treten auch auf beiden Seiten der Zentromere auf, eine für jedes Chromatid. Sobald sich diese Kinetochore gebildet haben, befestigen sich ausdehnende innere Mikrotubuli an ihnen, wobei jedes Schwesterchromatid an einen anderen Pol gebunden ist.
Die Mitose schreitet dann in die Metaphase fort, in der der Spindelapparat die Chromosomen so anordnet, dass sie in ähnlicher Weise in einer festen Reihe entlang des Äquators der Zelle ausgerichtet sind. Während der Anaphase verkürzen sich die mit Kinetochor fixierten Mikrotubuli. Und Schwesterchromatiden, die nun einzeln als Chromosomen bezeichnet werden, werden auseinandergezerrt. Diese und andere Mikrotubuli-Dynamiken verlängern die Zelle zusätzlich. Schließlich landen die Chromosomen während der Telophase an gegenüberliegenden Zellseiten. Und der Spindelapparat löst sich auf. Das Erbgut löst sich, und es entstehen zwei Kernhüllen, eine um jeden Chromosomensatz. Während der Telophase teilt ein bestimmter Prozess, der technisch gesehen kein Mitosestadium ist, die Zytokinese, die Zelle. Das Endergebnis der Mitose ist also ein Zellpaar, das genetisch identisch mit seinem Vorläufer ist.
Leider können Mutationen Schäden an Genen verursachen, die die Zellzyklusregulation steuern, was dazu führt, dass die Zellteilung unkontrolliert abläuft. In diesem Fall produziert jede aufeinanderfolgende Zellteilung Tochterzellen mit noch mehr Schaden... und die fehlerhafte Wachstumsregulation führt schließlich zur Bildung von Zellmassen, die als Tumore bezeichnet werden.
In diesem Lab untersuchen Sie die verschiedenen Stadien der Mitose anhand von Zellen der Zwiebelwurzelspitzen. Und untersuchen Sie dann, was passiert, wenn die Kontrolle über den Zellzyklus verloren geht.
