JoVE Science Education

Advanced Biology

Eine Einführung in die Zellteilung

JoVE Science Education
Cell Biology

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

JoVE Science Education Cell Biology

An Introduction to Cell Division

4.2: Cell Cycle Analysis

75,339 Views

•

10:03 min

•

April 30, 2023

Overview

Zellteilung ist der Prozess, durch den eine Mutterzelle teilt und gibt Anlass zu zwei oder mehr Tochterzellen. Es ist ein Mittel der Reproduktion für einzellige Organismen. In mehrzelligen Organismen trägt Zellteilung für Wachstum, Entwicklung, Reparatur und die Generation von Keimzellen (Spermien und Eiern). Zellteilung ist ein streng regulierten Prozess und aberrante Zellteilung Krankheiten, insbesondere Krebs verursachen können.

Jupiters Einführung in die Zellteilung wird eine kurze Geschichte der Wahrzeichen Entdeckungen auf dem Gebiet abdecken. Wir diskutieren einige wichtige Fragen und Methoden, wie z. B. Zellzyklus Analyse und live Cell Imaging. Zu guter Letzt präsentieren wir einige aktuelle Anwendungen dieser Techniken in der Zellteilung Forschung.

Procedure

Zellteilung ist ein Verfahren, mit denen eine Zelle mindestens zwei Tochterzellen produziert. Einzellige Organismen wie Hefe, vermehren sich durch Zellteilung, während vielzellige Organismen, wie wir den gleichen Prozess verwenden zu entwickeln, wachsen und pflegen unser Gewebe. Kenntnisse der normalen Zellteilung welche Kontrollen ist von entscheidender Bedeutung für das Verständnis, wie Störungen des Phänomens pathologische Prozesse initiieren kann.

Dieses Video präsentiert eine kurze Geschichte der Entdeckungen auf dem Gebiet der Zellteilung, hebt wichtige Fragen von Zellbiologen Beiträge prominenter Hilfsmittel und präsentiert einige heutige Anwendungen.

Zunächst einige Wahrzeichen Studien, die den Grundstein der Zellteilung Forschung zu überprüfen.

Die Existenz von Zellen wurde zuerst in den 1600 von Anton van Leeuwenhoek und Robert Hooke berichtet. Gestärkt durch Innovationen in der Mikroskopie, zogen sie wieder den Schleier auf die unsichtbare mikroskopische Welt. Die erste Beobachtung, die Zellen teilen könnte wurde in den 1830ern von beiden Botaniker, Barthélemy Dumortier und Hugo von Mohl, der entdeckt, dass eine Pflanzenzelle kann Anlass zu zwei dividiert. Nach dieser Entdeckung im Jahre 1838, ein Botaniker — Matthias Jakob Schleiden — und ein Physiologe — Theodor Schwann – Ähnlichkeiten in pflanzliche und tierische Zellen beobachtet. Dies führte Schwann, die zwei Grundsätze der Zelltheorie, zuerst zu postulieren: “alle lebenden Organismen bestehen aus einer oder mehreren Zellen”; zweite: “Zellen sind die Grundbausteine allen Lebens.” Fast zwanzig Jahre später, ein Arzt namens Rudolf Virchow veröffentlicht den dritten Grundsatz der Zelle Theorie, die erklärt: “alle Zellen entstehen aus bereits vorhandenen Zellen.”

1876 beobachtet Walther Flemming, beim Anzeigen von Zellteilung, Trennung von fadenförmigen Strukturen. Daher, er prägte den Begriff “Mitose”, abgeleitet aus dem griechischen Wort Mitos Bedeutung Thread. Später entdeckt Edouard Van Beneden und Heinrich Theodor Boveri, dass diese Threads sind eigentlich Chromosomen, die mit Hilfe von Mikrotubuli aus Strukturen, die jetzt bekannt als Zentrosomen aufgeteilt sind. Beneden, zusammen mit Oscar Hertwig und August Weismann, erklärte auch Meiose – eine andere Art der Division, die Zellen wie Gameten produziert. Sie zeigten, dass die Meiose, im Gegensatz zu Mitose, eine Runde, der DNA-Replikation, sondern zwei Runden der Zellteilung, wodurch Halbierung der Chromosomenzahl von den Eltern an die Tochterzellen beinhaltet.

In der zweiten Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts interessierte Wissenschaftler Regulierung des Zellzyklus, ein Prozess, in dem eine Zelle durchläuft eine Reihe von Phasen zu seiner Division. Eines der wichtigsten Entdeckungen in diesem Bereich kam 1972 von Leland Hartwell und Kollegen. Mit Hefestämme, zeigten sie, dass gibt es Gene, die eine wichtige Rolle in der Führung der Zellen durch die Phasen des Zellzyklus und Dr. Hartwell nannte sie als die Zellteilung Zyklus Gene oder “cdc.”

Eine weitere Entdeckung kam im Jahr 1983 von Tim Hunt, der Seeigel studiert wurde. Er identifizierte Proteine, die in ihrer Fülle im Gleichtakt mit der Zellzyklus-Phasen zu oszillieren. Aufgrund ihrer oszillierende Natur er nannte diese Proteine als “Cyclins”, und jetzt wissen wir, dass Cyclin wichtige Regulatoren des Zellzyklus. Vier Jahre später, Sir Paul Nurse und Kollegen zufolge cdc-Gene in bestimmten cdc2, wurde hoch konserviert zwischen Mensch und Hefen. Zusammen, diese Entdeckungen deutlich erhöht unser Verständnis der Zellteilung und somit wurden auch verdientermaßen mit einem Nobelpreis 2001 belohnt.

Jetzt, wo wir einige historische Highlights überprüft haben, betrachten wir ein paar grundlegende Fragen mit Blick auf dem Gebiet der Zellteilung heute.

Wir beginnen mit vielleicht die größte Frage bei der Zellteilung: welche Gene und intrazellulären Signalwege Zellzyklus regulieren? Es ist bekannt, dass Doppelarbeit und Division durch eine Reihe von biochemischen Schalter gesteuert werden, die aktiviert oder deaktiviert die Zellzyklus-Prozesse. Forscher arbeiten daran, mehr Licht auf die Moleküle, die Einfluss auf die Progression oder Hemmung des Zellzyklus.

Biologen interessieren auch die Identifizierung der extrazellulären Faktoren, die zu stimulieren oder hemmen Zellteilung. Zellen können Zellteilung in Reaktion auf externe chemische Signale genannt Mitogene erhöhen. Wissenschaftler arbeiten, um zu verstehen, welche externe Signale stimulieren oder hemmen Zellteilung.

Abnorme Zellteilung führen zu erhöhten oder verringerten Zellvermehrung. Erhöhten Zellproliferation verursacht Krankheiten wie Krebs. Forscher haben entdeckt, dass Mutationen in bestimmten Genen als Onkogene bekannt ist Einleitung von Krebs beteiligt. Wissenschaftler haben darüber hinaus auch mehrere Proteine entdeckt, die eine entscheidende in der Tumorprogression Rolle. Jedoch mehrere Tumor-verursachenden Faktoren sind noch unbekannt, und Biologen streben hart, sie zu enthüllen.

Nun, da Sie eine Gefühl für einige unbeantworteten Fragen haben, schauen Sie bitte ein paar Recherche-Tools, die Biologen verwenden, um Antworten zu finden.

In einer Mischung aus aktiv teilenden Zellen kann der Anteil der Zellen, die in jeder Phase des Zellzyklus vorhanden durch Zellzyklus-Analyse ermittelt werden. Dies geschieht mit Hilfe von speziellen Farbstoffen, wie Bromodeoxyuridine oder BrdU. Es ist eine analoge Thymidin und integriert sich in die neu synthetisierte DNA-Strang während der DNA-Replikation. Daher bezeichnet es S Phase nur Zellen. Auf der anderen Seite fluoreszierende Verbindungen wie Propidium Idodide (PI) färben alle der DNA, aber die Menge von PI gebunden kann helfen, zwischen Zellen in verschiedenen Phasen zu unterscheiden. Der letzte Schritt ist der gefärbten Zellen mittels Durchflusszytometrie analysiert und gewonnenen Daten zeigt die Verteilung der Zellen unter verschiedenen Zellzyklus Phasen.

Fortschritte in der bildgebenden Verfahren jetzt erleichtern die direkte Beobachtung der Zellteilung. Wissenschaftler können jetzt beflecken Zellen unter Verwendung von Fluorescein Farbstoffe oder Genmanipulation um Expression fluoreszierende Proteine induzieren führen. Im Anschluss daran können sie direkt live beobachten Zellen geteilt mit Zeitraffer-Mikroskopie.

Zu guter Letzt haben Wissenschaftler auch entwickelte eine Methode, die Anzahl der Unterteilungen zu quantifizieren, die bestimmte Zellen innerhalb einer gemischten Zellpopulation unterzogen werden. Dies geschieht durch Verwendung von “quantifizierbare Tracking Farbstoffen.” Diese Farbstoffe sind nützlich, weil das Signal erzeugen sie wird dunkler, als es durch Zellteilung verdünnt wird. Die abnehmende Fluoreszenzintensität kann verwendet werden, um Zellen in verschiedenen Generationen zu identifizieren. Darüber hinaus kann der Unterschied zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Fluoreszenzintensität bieten Einblick in die Zellen wie oft Abteilung unterzog.

Nun, da Sie einige gemeinsame Ansätze zur Zellteilung studieren kennen, schauen Sie wie diese Methoden angewendet werden.

Wie bereits erwähnt, spielen Gene eine wichtige Rolle im Zellzyklus-Kontrolle. Hier untersuchten die Wissenschaftler die Auswirkungen der genetischen Mutation auf Zellteilung in Drosophila Larven. Sie führten genetische Kreuze um fliegen mit spezifischen Mutationen, und dann mit Zellzyklus Analyse beobachtet die Auswirkungen der Mutation im dritten Flügel Gewebe zu produzieren.

Mit Fluoreszenz-Mikroskopie, können Wissenschaftler auch direkt beobachten, wie Medikamente beeinflussen Zellteilung in der Krebstherapie. In diesem Experiment Forscher waren interessiert bei der Bestimmung, wie eine mögliche Droge, JP-34, Krebs Zellteilung betroffen. Ergebnisse zeigten, dass Krebszellen mit JP-34 behandelt mitotischen scheitern und Zelle Tod erfuhr.

Schließlich verwenden Wissenschaftler Tracking-Farbstoffe, um Unterschiede in Zelle Verbreitung zu identifizieren. Hier beschäftigt sie einen quantifizierbaren Tracking-Farbstoff, der Zellmembranen um Unterschiede bei der Zellteilung von verschiedenen Immunzellen zu studieren-Etiketten. Flow Cytometry Datenanalyse ergab, dass die Proliferationsrate zwischen verschiedenen Arten von Immunzellen unterscheidet.

Sie habe nur Jupiters Einführung in die Zellteilung beobachtet. In diesem Video haben wir einige der großen Entdeckungen bei der Zellteilung, wichtige Fragen gestellt von Zellbiologen heute prominente Werkzeuge in Zellteilung Labs und ihre aktuellen Anwendungen eingesetzt. Wie immer vielen Dank für das ansehen!

Transcript

Cell division is a process by which one cell produces two or more daughter cells. Unicellular organisms, like yeast, reproduce by cell division, whereas multicellular organisms, like us, use the same process to develop, grow, and maintain our tissues. Knowledge of what controls normal cell division is critical to understanding how disruption of this phenomenon can initiate pathological processes.

This video presents a brief history of discoveries in the cell division field, highlights key questions asked by cell biologists, reviews prominent tools being used, and showcases some present-day applications.

Let’s start by reviewing some landmark studies that laid the foundation of cell division research.

The existence of cells was first reported in the 1600’s by Anton van Leeuwenhoek and Robert Hooke. Empowered by innovations in microscopy, they pulled back the veil on the invisible microscopic world. The first observation that cells could divide was made in the 1830’s by two botanists, Barthélemy Dumortier and Hugo von Mohl, who discovered that one plant cell can give rise to two by dividing. Following this discovery, in 1838, a botanist—Matthias Jakob Schleiden— and a physiologist—Theodor Schwann—observed similarities in plant and animal cells. This led Schwann to postulate the two tenets of cell theory, first: “all living organisms are composed of one or more cells”; second: “cells are the basic building blocks of all life.” Nearly twenty years later, a physician named Rudolf Virchow published the third tenet of cell theory, which stated: “all cells arise from preexisting cells.”

In 1876, Walther Flemming, while viewing cell division, observed separation of thread-like structures. Therefore, he coined the term “mitosis,” derived from the Greek word mitos meaning thread. Later on, Edouard Van Beneden and Theodor Heinrich Boveri discovered that those threads are actually chromosomes, which are being divided with the help of microtubules arising from structures now known as centrosomes. Beneden, along with Oscar Hertwig and August Weismann, also explained meiosis—a different type of division that produces cells like gametes. They showed that meiosis, unlike mitosis, involves one round of DNA replication but two rounds of cell division, resulting in halving of the chromosome number from the parent to the daughter cells.

In the latter half of the twentieth century, scientists became interested in regulation of the cell cycle, a process in which a cell passes through a series of phases leading to its division. One of the most important discoveries in this field came in 1972 from Leland Hartwell and colleagues. Using yeast strains, they demonstrated that there are genes that play an important role in guiding cells through the cell cycle stages, and Dr. Hartwell named them as the cell division cycle genes or “cdc’s.”

Another discovery came in 1983 by Tim Hunt, who was studying sea urchins. He identified proteins that oscillate in their abundance in synchrony with the cell cycle phases. Due to their oscillatory nature, he named these proteins as “cyclins,” and now we know that cyclins are key regulators of the cell cycle. Four years later, Sir Paul Nurse and colleagues showed that cdc genes, in particular cdc2, was highly conserved between yeasts and humans. Together, these discoveries significantly increased our understanding of cell division, and thus were well deservedly rewarded with a Nobel Prize in 2001.

Now that we’ve reviewed some historical highlights, let’s examine a few fundamental questions facing the field of cell division today.

We’ll begin with perhaps the broadest question in cell division: what genes and intracellular signaling pathways regulate the cell cycle? It is known that duplication and division are controlled by a series of biochemical switches that activate or deactivate the cell cycle processes. Researchers are working to shed more light on the molecules that influence the progression or inhibition of the cell cycle.

Biologists are also interested in identifying the extracellular factors that stimulate or inhibit cell division. Cells may increase cell division in response to external chemical cues called mitogens. Scientists are working to understand what external cues stimulate or inhibit cell division.

Abnormal cell division can lead to increased or decreased cell proliferation. Increased cell proliferation causes diseases like cancer. Researchers have discovered that mutations in certain genes known as oncogenes is involved in initiation of cancer. In addition, scientists have also discovered several proteins that play a critical role in tumor progression. However, several tumor-causing factors still remain unknown, and biologists are striving hard to reveal them.

Now that you have a feel for some of the unanswered questions, let’s look at a few research tools biologists use to find answers.

In a mixture of actively dividing cells, the proportion of cells that exist in each phase of the cell cycle can be determined by cell cycle analysis. This is done with the help of special dyes, like bromodeoxyuridine or BrdU. It is a thymidine analog and incorporates itself in the newly synthesized DNA strand during DNA replication. Hence, it labels S phase cells only. On the other hand, fluorescent compounds like propidium idodide (PI) stain all of the DNA, but the amount of PI bound can help distinguish between cells in different phases. The final step is to analyze the stained cells using flow cytometry, and data obtained reveals distribution of cells amongst different cell cycle stages.

Advances in imaging techniques now facilitate direct observation of cell division. Scientists can now stain cells using fluorescein dyes, or perform genetic manipulation to induce expression of florescent proteins. Following this, they can directly observe live cells dividing using time-lapse microscopy.

Lastly, scientists have also devised a way to quantify the number of divisions that specific cells undergo within a mixed cell population. This is done by using “quantifiable tracking dyes.” These dyes are useful because the signal they generate becomes dimmer as it’s diluted through cell division. The diminishing fluorescence intensity can be used to identify cells in different generations. In addition, the difference between the highest and the lowest fluorescence intensity can provide insight into how many times the cells underwent division.

Now that you’re familiar with some common approaches to studying cell division, let’s look at how these methods are being applied.

As discussed earlier, genes play a major role in cell cycle control. Here, scientists studied the effect of genetic mutation on cell division in Drosophila larvae. They performed genetic crosses to produce flies with specific mutations, and then using cell cycle analysis observed the effects of the mutation within the developing wing tissue.

Using fluorescence microscopy, scientists can also directly observe how drugs affect cell division in cancer. In this experiment, researchers were interested in determining how a potential drug, JP-34, affected cancer cell division. Results showed that cancer cells treated with JP-34 underwent mitotic failure and cell death.

Finally, scientists use tracking dyes to identify differences in cell proliferation rates. Here, they employed a quantifiable tracking dye that labels cell membranes to study differences in cell division of various immune cells. The flow cytometry data analysis revealed that the proliferation rate differs between different types of immune cells.

You’ve just watched JoVE’s introduction to cell division. In this video we reviewed some of the major discoveries in cell division, key questions being asked by cell biologists today, prominent tools employed in cell division labs, and their current applications. As always, thanks for watching!

Tags

Leerer Wert Problem