17.3: Das Cell Cycle Control System

Der Zellzyklus ist eine organisierte Reihe von Ereignissen, die dazu führen, dass sich die Zelle in zwei Tochterzellen teilt, die jeweils Chromosomen enthalten, die mit denen der Elternzelle identisch sind. Es ist der Zellzyklus, der zur Bildung eines ganzen Organismus aus einer einzelligen Zygote führt. Darüber hinaus funktioniert die Zellteilung auch bei der Erneuerung oder Reparatur von Geweben in adulten mehrzelligen Eukaryoten. Im Knochenmark zum Beispiel teilen sich die Stammzellen zu neuen Blutzellen. Obwohl für mehrere Funktionen unerlässlich, führt die Zellteilung ohne Kontrollmechanismus zu Krebs und vielen genetischen Krankheiten.

Um sicherzustellen, dass die DNA-Replikation korrekt abläuft und jede Tochterzelle die richtige Anzahl von Chromosomen erbt, verfügt die Zelle über Überwachungsmechanismen, die das Kontrollsystem für den Zellzyklus bilden. Es gibt mindestens zwei bekannte Methoden zur Kontrolle des Zellzyklus. Einer dieser Prozesse umfasst eine Kaskade von Proteinphosphorylierungen, die eine Zelle von einer Phase in die nächste überführt. Außerdem gibt es eine Reihe von Checkpoints, die den Abschluss wesentlicher Ereignisse überwachen und, falls erforderlich, den Übergang zur nächsten Phase verzögern. An jedem Checkpoint verhindern die Regulatorproteine, dass die Zellinitiation in die nächste Phase eintritt, bis die Fehler der vorherigen Phase behoben sind.

Die erste Form der Regulation umfasst eine stark regulierte Familie von Kinasen. Die Aktivierung der Kinase erfordert die Interaktion mit einer zweiten Untereinheit, die an festen Punkten des Zellzyklus exprimiert wird. Diese Sekundärkomponente wird als phasenspezifisches “Cyclin” bezeichnet, das sich mit seinem Partner “Cyclin-abhängige Kinase” (CDK) verbindet und einen aktiven Komplex bildet, von denen jeder eine unterschiedliche Substratspezifität aufweist. Regulatorische Phosphorylierung und Dephosphorylierung stimmen die Funktion von Cyclin-CDK-Komplexen fein ab und sorgen für eine genau definierte Progression.

Die zweite Form der Zellzyklusregulierung – die Checkpoint-Kontrolle – ist eher ein Überwachungsmechanismus. Zellzyklus-Checkpoints identifizieren Defekte bei kritischen Ereignissen wie DNA-Replikation und Chromosomensegregation. So löst eine DNA-Schädigung eine Signalkaskade aus, die mehrere Zellzyklus-Inhibitoren aktiviert. Diese Inhibitoren binden kritische Proteine des Zellzyklus, um den Zyklus zu stoppen, bis das Mutationsrisiko beseitigt ist.