4.1: Eine Einführung in die Zellteilung

Die Zellteilung ist ein Prozess, bei dem eine Zelle zwei oder mehr Tochterzellen produziert. Einzellige Organismen wie Hefe vermehren sich durch Zellteilung, während mehrzellige Organismen wie wir den gleichen Prozess verwenden, um unser Gewebe zu entwickeln, zu wachsen und zu erhalten. Das Wissen darüber, was die normale Zellteilung steuert, ist entscheidend, um zu verstehen, wie eine Störung dieses Phänomens pathologische Prozesse auslösen kann.

Dieses Video präsentiert eine kurze Geschichte der Entdeckungen auf dem Gebiet der Zellteilung, beleuchtet Schlüsselfragen von Zellbiologen, gibt einen Überblick über prominente Werkzeuge, die verwendet werden, und zeigt einige aktuelle Anwendungen.

Beginnen wir mit einem Überblick über einige wegweisende Studien, die den Grundstein für die Zellteilungsforschung gelegt haben.

Die Existenz von Zellen wurde erstmals in den 1600er Jahren von Anton van Leeuwenhoek und Robert Hooke berichtet. Angetrieben durch Innovationen in der Mikroskopie zogen sie den Schleier über die unsichtbare mikroskopische Welt zurück. Die erste Beobachtung, dass sich Zellen teilen können, wurde in den 1830er Jahren von zwei Botanikern, Barthèmy Dumortier und Hugo von Mohl, gemacht, die entdeckten, dass aus einer Pflanzenzelle durch Teilung zwei hervorgehen können. Nach dieser Entdeckung wurde 1838 ein Botaniker? Matthias Jakob Schleiden? Und ein Physiologe? Theodor Schwann beobachtete Ähnlichkeiten bei pflanzlichen und tierischen Zellen. Dies führte Schwann dazu, die beiden Grundsätze der Zelltheorie zu postulieren: Erstens: "Alle lebenden Organismen bestehen aus einer oder mehreren Zellen"; Zweitens: "Zellen sind die Grundbausteine allen Lebens." Fast zwanzig Jahre später veröffentlichte ein Arzt namens Rudolf Virchow den dritten Grundsatz der Zelltheorie, der besagte: "Alle Zellen entstehen aus bereits existierenden Zellen."

Im Jahr 1876 beobachtete Walther Flemming bei der Beobachtung der Zellteilung die Trennung fadenförmiger Strukturen. Daher prägte er den Begriff "Mitose" abgeleitet vom griechischen Wort mitos, was Faden bedeutet. Später entdeckten Edouard Van Beneden und Theodor Heinrich Boveri, dass es sich bei diesen Fäden eigentlich um Chromosomen handelt, die mit Hilfe von Mikrotubuli geteilt werden, die aus Strukturen stammen, die heute als Zentrosomen bekannt sind. Beneden erklärte zusammen mit Oscar Hertwig und August Weismann auch die Meiose – eine andere Art der Teilung, bei der Zellen wie Gameten entstehen. Sie zeigten, dass die Meiose im Gegensatz zur Mitose eine Runde der DNA-Replikation, aber zwei Runden der Zellteilung umfasst, was zu einer Halbierung der Chromosomenzahl von der Eltern- zu den Tochterzellen führt.

In der zweiten Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts begannen sich Wissenschaftler für die Regulation des Zellzyklus zu interessieren, einen Prozess, bei dem eine Zelle eine Reihe von Phasen durchläuft, die zu ihrer Teilung führen. Eine der wichtigsten Entdeckungen auf diesem Gebiet stammt 1972 von Leland Hartwell und Kollegen. Anhand von Hefestämmen zeigten sie, dass es Gene gibt, die eine wichtige Rolle dabei spielen, Zellen durch die Zellzyklusstadien zu führen, und Dr. Hartwell nannte sie die Gene des Zellteilungszyklus oder "cdc?s".

Eine weitere Entdeckung machte Tim Hunt 1983, der Seeigel untersuchte. Er identifizierte Proteine, die in ihrer Häufigkeit synchron zu den Zellzyklusphasen oszillieren. Aufgrund ihrer oszillatorischen Natur nannte er diese Proteine "Cycline", Und jetzt wissen wir, dass Cycline wichtige Regulatoren des Zellzyklus sind. Vier Jahre später zeigten Sir Paul Nurse und Kollegen, dass cdc-Gene, insbesondere cdc2, zwischen Hefen und Menschen hochkonserviert waren. Zusammengenommen haben diese Entdeckungen unser Verständnis der Zellteilung erheblich erweitert und wurden daher im Jahr 2001 verdientermaßen mit dem Nobelpreis belohnt.

Nachdem wir nun einige historische Höhepunkte besprochen haben, wollen wir einige grundlegende Fragen untersuchen, mit denen sich das Gebiet der Zellteilung heute konfrontiert sieht.

Beginnen wir mit der vielleicht umfassendsten Frage der Zellteilung: Welche Gene und intrazellulären Signalwege regulieren den Zellzyklus? Es ist bekannt, dass Duplikation und Teilung durch eine Reihe von biochemischen Schaltern gesteuert werden, die die Zellzyklusprozesse aktivieren oder deaktivieren. Forscher arbeiten daran, mehr Licht in die Moleküle zu bringen, die das Fortschreiten oder die Hemmung des Zellzyklus beeinflussen.

Biologen interessieren sich auch für die Identifizierung der extrazellulären Faktoren, die die Zellteilung stimulieren oder hemmen. Zellen können die Zellteilung als Reaktion auf externe chemische Signale, die Mitogene genannt werden, erhöhen. Wissenschaftler arbeiten daran, zu verstehen, welche externen Signale die Zellteilung stimulieren oder hemmen.

Eine abnormale Zellteilung kann zu einer erhöhten oder verminderten Zellproliferation führen. Eine vermehrte Zellproliferation verursacht Krankheiten wie Krebs. Forscher haben herausgefunden, dass Mutationen in bestimmten Genen, die als Onkogene bekannt sind, an der Entstehung von Krebs beteiligt sind. Darüber hinaus haben Wissenschaftler auch mehrere Proteine entdeckt, die eine entscheidende Rolle bei der Tumorprogression spielen. Einige tumorverursachende Faktoren sind jedoch noch unbekannt und Biologen bemühen sich intensiv, sie aufzudecken.

Nun, da Sie ein Gefühl für einige der unbeantworteten Fragen haben, schauen wir uns einige Forschungswerkzeuge an, die Biologen verwenden, um Antworten zu finden.

In einem Gemisch von sich aktiv teilenden Zellen kann der Anteil der Zellen, die in jeder Phase des Zellzyklus vorhanden sind, durch Zellzyklusanalyse bestimmt werden. Dies geschieht mit Hilfe von speziellen Farbstoffen, wie Bromodeoxyuridin oder BrdU. Es ist ein Thymidin-Analogon und baut sich während der DNA-Replikation in den neu synthetisierten DNA-Strang ein. Daher werden nur Zellen der S-Phase beschriftet. Auf der anderen Seite färben fluoreszierende Verbindungen wie Propidiumidodid (PI) die gesamte DNA, aber die Menge an gebundenem PI kann helfen, zwischen Zellen in verschiedenen Phasen zu unterscheiden. Der letzte Schritt besteht darin, die gefärbten Zellen mittels Durchflusszytometrie zu analysieren, und die erhaltenen Daten zeigen die Verteilung der Zellen auf die verschiedenen Zellzyklusstadien.

Fortschritte in der Bildgebung erleichtern nun die direkte Beobachtung der Zellteilung. Wissenschaftler können nun Zellen mit Fluoreszein-Farbstoffen färben oder genetische Manipulationen durchführen, um die Expression von fluoreszierenden Proteinen zu induzieren. Anschließend können sie mittels Zeitraffermikroskopie direkt beobachten, wie sich lebende Zellen teilen.

Schließlich haben Wissenschaftler auch eine Methode entwickelt, um die Anzahl der Teilungen zu quantifizieren, die bestimmte Zellen innerhalb einer gemischten Zellpopulation durchlaufen. Dies geschieht durch die Verwendung von "quantifizierbaren Tracking-Farbstoffen". Diese Farbstoffe sind nützlich, weil das Signal, das sie erzeugen, schwächer wird, wenn es durch die Zellteilung verdünnt wird. Die abnehmende Fluoreszenzintensität kann genutzt werden, um Zellen verschiedener Generationen zu identifizieren. Darüber hinaus kann die Differenz zwischen der höchsten und der niedrigsten Fluoreszenzintensität Aufschluss darüber geben, wie oft sich die Zellen geteilt haben.

Nachdem Sie nun mit einigen gängigen Ansätzen zur Untersuchung der Zellteilung vertraut sind, schauen wir uns an, wie diese Methoden angewendet werden.

Wie bereits erwähnt, spielen Gene eine wichtige Rolle bei der Kontrolle des Zellzyklus. Hier untersuchten die Wissenschaftler den Einfluss genetischer Mutationen auf die Zellteilung in Drosophila-Larven. Sie führten genetische Kreuzungen durch, um Fliegen mit spezifischen Mutationen zu erzeugen, und beobachteten dann mit Hilfe von Zellzyklusanalysen die Auswirkungen der Mutation im sich entwickelnden Flügelgewebe.

Mit Hilfe der Fluoreszenzmikroskopie können Wissenschaftler auch direkt beobachten, wie sich Medikamente bei Krebs auf die Zellteilung auswirken. In diesem Experiment waren die Forscher daran interessiert herauszufinden, wie ein potenzielles Medikament, JP-34, die Zellteilung von Krebszellen beeinflusst. Die Ergebnisse zeigten, dass Krebszellen, die mit JP-34 behandelt wurden, ein mitotisches Versagen und einen Zelltod erlitten.

Schließlich verwenden Wissenschaftler Tracking-Farbstoffe, um Unterschiede in den Zellproliferationsraten zu identifizieren. Hier setzten sie einen quantifizierbaren Tracking-Farbstoff ein, der Zellmembranen markiert, um Unterschiede in der Zellteilung verschiedener Immunzellen zu untersuchen. Die durchflusszytometrische Datenanalyse ergab, dass sich die Proliferationsrate zwischen verschiedenen Arten von Immunzellen unterscheidet.

Sie haben gerade die Einführung von JoVE in die Zellteilung gesehen. In diesem Video haben wir einige der wichtigsten Entdeckungen in der Zellteilung besprochen, Schlüsselfragen, die heute von Zellbiologen gestellt werden, prominente Werkzeuge, die in Zellteilungslabors eingesetzt werden, und ihre aktuellen Anwendungen. Wie immer vielen Dank fürs Zuschauen!