17.11:

17.11: Zellen koordinieren Wachstum und Proliferation

Cells Coordinate Growth and Proliferation

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Cells Coordinate Growth and Proliferation

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17.10: Abnormal Proliferation

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02:36 min

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April 07, 2021

Overview

Die Zellgröße ist ein wesentlicher Faktor, der sich auf das Design, die Funktion und die Fitness der Zellen auswirkt. Es gibt eine gewisse interne Koordination, durch die Zellen ihre Massen verdoppeln, bevor sie sich teilen, wodurch die Homöostase erreicht wird. Die Koordination zwischen Zellwachstum und Zellproliferation hängt von den Kontrollpunkten zwischen den Zellzyklusphasen ab. Ein Verlust der Koordination oder ein Versagen des Checkpoint-Mechanismus kann die Zelle zu unkontrolliertem Wachstum und Verlust der Zellfunktion führen. Wie sich teilende Zellen, die das Zellwachstum koordinieren, regulieren nicht teilende Zellen bei Erwachsenen die Zellgröße in Abhängigkeit von ihren Stoffwechselzuständen.

Bei Erwachsenen variiert die Größe der sich nicht teilenden Muskelzellen je nach Umweltbedingungen und Ernährungszustand. Regelmäßiges körperliches Training führt dazu, dass sich adulte Muskelzellen vergrößern, wenn einzelne Myozyten an Größe zunehmen, da die Myozyten selbst oder die Muskelstammzellpopulation nicht vermehrt werden. Im Gegensatz dazu kann ein Nährstoffmangel die Muskelzellen stark schädigen. Die Größe der Muskelzellen hängt vom Gleichgewicht zwischen dem anabolen Weg, der die Zellgröße erhöht, und dem katabolen Weg, der intrazelluläre Proteine abbaut, was zu einer Verringerung der Zellgröße führt, ab.

Der anabole oder IFF/PI3K/AKT/mTORC1-Signalweg beinhaltet die mTORC1-Signalgebung, die zur Proteinsynthese führt, was zu einer Erkrankung führt, die als Muskelzellhypertrophie bezeichnet wird. Diese Zunahme der Zellgröße ist jedoch nur vorübergehend. Damit die Zellen ihre Größe behalten, muss man regelmäßig für eine kontinuierliche mTORC1-Signalübertragung trainieren. Bewegungsmangel, Hunger oder bestimmte Muskelerkrankungen lösen einen katabolen Weg oder Myostatin/SMAD2/3 für den Proteinabbau aus. Durch den Abbau von Proteinen werden Aminosäuren für andere Zellen des Körpers mobilisiert, wodurch die Größe der Skelettmuskelzellen reduziert wird.

Transcript

Die Zellgröße ist ein entscheidender Faktor bei den meisten grundlegenden Prozessen, wie z. B. dem Nährstofftransport.

In einer ungewöhnlich großen Zelle müssen Nährstoffe längere Strecken zurücklegen, um sich in der Zelle zu verteilen. Infolgedessen wird die Nährstoffdiffusion langsam, was dazu führt, dass die Zelle an Nährstoffmangel stirbt.

Daher reguliert eine gesunde Zelle ihr Wachstum an Zellzyklus-Checkpoints – normalerweise am G1/S-Phasenübergang oder am G2/M-Phasenübergang.

Diese Kontrollpunkte ermöglichen es der Zelle, ihre Größe zu überwachen und den Zeitpunkt der Zellteilung zu regulieren, wodurch sichergestellt wird, dass die Tochterzellen eine gleichbleibende Größe haben – ein Phänomen, das als Größenhomöostase bezeichnet wird.

Einzellige Organismen, wie z. B. Hefen, werden häufig als Modellorganismen verwendet, um die Größenhomöostase zu untersuchen.

Eine knospende Hefezelle teilt sich asymmetrisch, wodurch eine größere Mutterzelle und eine kleinere Tochterzelle entstehen.

Die größere Mutterzelle wächst schnell auf ihre kritische Größe und passiert den Größenprüfpunkt am G1/S-Phasenübergang.

Im Gegensatz dazu hat die kleinere Tochterzelle einen großen Größenunterschied zu erreichen und verbringt daher mehr Zeit mit dem Wachstum in der G1-Phase.

In der frühen G1-Phase werden die Proteinkomplexe SBF und MBF, die zellzyklusfördernden Transkriptionsfaktoren, in der Regel durch ein Repressorprotein namens Whi5 gebunden und gehemmt, wodurch der Übergang zum Zellzyklus verhindert wird.

Die Reaktivierung des Zellzyklus hängt von einem Sizer-Protein namens Cln3 ab, einem G1-Cyclin, dessen Konzentration proportional zur Zellgröße zunimmt.

Wenn die Zelle ihre Zielgröße erreicht hat, erreicht Cln3 eine kritische Konzentration und bildet einen Komplex mit der Cyclin-abhängigen Kinase-1 oder Cdk1, einem Schlüsselaktivator von zellzyklusfördernden Faktoren.

Der aktive Cln3-Cdk1-Komplex phosphoryliert dann Whi5 an mehreren Stellen, um aktive SBF- und MBF-Transkriptionsfaktoren freizusetzen, die G1/S-Phasenübergangsgene auslösen, die an lebenswichtigen Prozessen wie der Knospeninitiierung und der DNA-Replikation beteiligt sind.

Die Aktivierung dieser Übergangsereignisse ermöglicht es der Zelle, den Größenprüfpunkt zu passieren und andere Phasen des Zellzyklus zu durchlaufen.

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