34.3
Das Cell Cycle Control System
Der Zellzyklus ist eine organisierte Abfolge von Ereignissen, die dazu führt, dass sich eine Zelle in zwei Tochterzellen teilt, von denen jede identis…
Der Zellzyklus beinhaltet die Duplikation des intrazellulären Inhalts, gefolgt von der Teilung in zwei Tochterzellen.
Die Replikation des zellulären Inhalts, insbesondere der DNA, ist von entscheidender Bedeutung, und jeder Fehler während des Prozesses kann zu Erkrankungen wie Krebs führen.
Wie verhindern Zellen also Fehler bei der Teilung?
Das Zellzykluskontrollsystem verfügt über Regulatorproteine, die den Zyklus an verschiedenen Kontrollpunkten stoppen.
An jedem Kontrollpunkt verhindern die Regulatorproteine die Einleitung jedes Schritts, bis die früheren Stadien abgeschlossen sind und eventuelle Fehler korrigiert wurden.
Im Allgemeinen verfügt das Steuerungssystem über drei entscheidende Kontrollpunkte, die sich in den Phasen G1, G2 und M befinden.
Am G1-Checkpoint prüft das Regulatorprotein, ob die Zelle die kritische Größe erreicht hat und die DNA frei von Fehlern ist. Es wird auch überprüft, ob genügend Nährstoffe und Wachstumsfaktoren vorhanden sind, um mit der DNA-Synthese zu beginnen.
Wenn die Zelle zu diesem Zeitpunkt nicht das erforderliche Signal empfängt, wechselt sie in einen Ruhezustand, der als G0-Phase bezeichnet wird, bis alle Bedingungen erfüllt sind.
Die Zellen, die den G1-Checkpoint passieren, durchlaufen die Synthese oder S-Phase, in der die DNA repliziert wird.
Danach trifft die Zelle auf einen zweiten Checkpoint in der G2-Phase, wo die Regulatorproteine überprüfen, ob Fehler in der DNA vorhanden sind und ob die Zelle eine geeignete Größe hat, um in die Mitose- oder M-Phase zu gelangen.
Während der Mitose überprüft das Kontrollsystem, ob die Chromosomen an der Spindel befestigt und genau ausgerichtet sind, damit der Zyklus zur Zellteilung fortgesetzt wird. Stellt das Regulatorprotein zu irgendeinem Zeitpunkt irreparable Schäden fest, kommt es zum Zelltod. Eine Art von kritischen Regulatorproteinen sind die Cyclin-abhängigen Proteinkinasen (CDK). CDKs bilden Komplexe mit Cyclinen, und ihre Aktivität beeinflusst Proteine, die direkt am Zellwachstum und der DNA-Synthese beteiligt sind.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What mechanisms control progression through the cell cycle?
The cell cycle is regulated by a complex system of proteins, primarily cyclins and cyclin-dependent kinases (CDKs), which act as molecular switches. These regulatory proteins control when cells enter different phases, ensuring DNA replication occurs accurately before division. Checkpoint mechanisms monitor cell conditions and halt progression if problems are detected, maintaining cellular integrity.
Q2: How do checkpoints prevent cells from dividing with damaged DNA?
Cell cycle checkpoints are control points that assess whether conditions are appropriate for progression. They monitor DNA integrity, chromosome attachment, and nutrient availability. If damage is detected, checkpoint proteins halt the cycle, allowing time for repair or triggering cell death if damage is irreparable, preventing transmission of mutations to daughter cells.
Q3: What role do cyclins and cyclin-dependent kinases play in cell division?
Cyclins are regulatory proteins whose levels fluctuate throughout the cell cycle, while cyclin-dependent kinases are enzymes activated only when bound to cyclins. Together, they phosphorylate target proteins that drive cell cycle transitions. Different cyclin-CDK complexes control specific phases, ensuring events occur in the correct sequence and timing.
Q4: Why is the G1 checkpoint critical for cell cycle control?
The G1 checkpoint, also called the restriction point, determines whether a cell commits to DNA replication. Cells assess nutrient availability, growth signals, and DNA damage at this stage. Once cells pass this checkpoint and enter S phase, they are committed to completing the cell cycle regardless of external conditions.
Q5: How do external signals influence cell cycle progression?
Growth factors and hormones bind to cell surface receptors, triggering signal transduction pathways that activate cyclin-CDK complexes. These external signals promote progression through G1 phase and entry into S phase. Conversely, stress signals or nutrient deprivation can inhibit these pathways, halting cell cycle progression.
Q6: What happens when cell cycle control mechanisms fail?
Failure of cell cycle control can lead to uncontrolled cell division and cancer development. Mutations in genes encoding cyclins, CDKs, or checkpoint proteins can disable regulatory mechanisms. Cells may bypass checkpoints, accumulate DNA damage, and divide inappropriately, contributing to tumor formation and disease progression.