1

Zellteilung MITOSE & MEIOSE

2

Mitose und Meiose

3

Mitose und Meiose

4

Jonathan M. Scholey, Ingrid

Brust-Mascher & Alex

Mogilner: Cell division

NATURE VOL 422, 2003

Anaphase A

Anaphase B

Telophase Metaphase

Prometaphase

Prophase Mitose

5

Der Struktur der Spindel

6

KINETOCHOR – „Search and capture” Modell

CENTROMER

DYNAKTIN Complex DYNEIN Complex Kinetochorproteine und Adaptorproteine

Kinetochor: Struktur aus Proteinen und DNA-Abschnitten, die dem Zentromer aufsitzt und bei Kernteilungsvorgängen als Ansatzstelle für die Fasern des Spindelapparates dient.

7 Rebecca W. Heald: Burning the spindle at both ends NATURE VOL 427 2004

Bewegung der Chromosomen

Metaphase

anafázis

kinetokór

MT

kinetokó

r

centroszóma

Chromoso

me

Aufrollen

Pac-Man

8 Rogers et. al.: Two mitotic kinesins cooperate to drive sister chromatid separation during anaphase NATURE | VOL 427 | 22 J 2004

MT –

depolymerisierendes

Kinesin Dynein

Kinetocho

r

Centrosom

Dynaktin

MT-Flux

Microtubuli und die Segregation der Chromosomen

MT –

depolymerisierendes

Kinesin

9

Spindel ohne Centrosom

Pflanzenzellen Weibliche Meiose Meiste Tierzellen

Patricia Wadsworth and Alexey Khodjakov: E pluribus unum:

towards a universal mechanism for spindle assembly. TRENDS in

Cell Biology Vol.14 No.8 2004

10 Oliver J. Gruss and Isabelle Vernos: The mechanism of spindle assembly: functions of Ran and its target TPX2. The Journal of Cell

Biology, Volume 166, Number 7, 2004 949–955

Wie entstehen Spindel ohne Centrosom?

NUKLEATION ORGANISATION AUSBILDUNG DER POLEN

11

Meiose I

Meiose II

oder

2 Ry : :

Heterozygous diploid cell (YyRr) to undergo meiosis

y y

y

y y

y

y y

y

Y

Y Y

Y

Y Y

Y

Y Y

R

R

R r

r

y

r

r R

R

Y

R

R R

R

y

R

r

r r

r

Y

r

Y y

R r

R

r r

2 rY 2 ry 2 RY

Trennung der Chromosomen in der Meiose

Yy, rR

12

MEIOSE

13

Meiose

SPERMATOGENESE OOGENESE

Urkeimzelle

Spermatogonien/Oogonien

Primäre

Spermatocyten/Oocyten

Sekundäre

Spermatocyten/Oocyten

Spermatiden/Ootiden

Spermien/Ovum

Meiose I

Meiose II

Mitose

Mitose

Weibliche Meiose: Asymmetrisch (1 Eizelle+3

Polkörperchen)

Arratierung in Prophase I und

Metaphase II

14

Fehler bei der Meiose

Nondisjunktion:

Ein homologes Chromosomenpaar wird bei

der Meiose I nicht getrennt.

Die Chromatiden werden bie der Meiose II

nicht getrennt.

Die Folge ist Aneuploidie: Es fehlen ein oder mehrere Chromosomen, oder sind überzählig

vorhanden (Nullisomie, Monosomie, Trisomie).

15 Michael Glotzer :ANIMAL CELL CYTOKINESIS Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 2001. 17:351–86

CYTOKINESE – Der kontraktile Ring

16

Tubulin-GFP Actin-GFP

CYTOKINESE

17

Regulierung des Zellzyklus

18

Der Zellzyklus bei Eukaryoten

Die meisten Zellen teilen sich

nie: differenzierte Zellen

(Nervenzellen, Muskelzellen)

Manche Zellen teilen sich oft

und schnell

(embrionale Zellen, Stammzellen)

Sogar diese Zellen verbringen die

meiste Zeit in der Interphase

19

Chromosomen und der Zellzyklus

20

M Anfang M Ende

S Anfang

G1/S Kontrollpunkt

G2/M Kontrollpunkt Metaphasen- Kontrollpunkt

Ist die DNA-Replikation abgeschlossen?

Ist die replizierte DNA beschädigt?

Wurde die mitotische Spindel aufgebaut?

Sind alle Kinetochore mit Transportfasern des Spindelapparates verbunden?

Sind die Umweltbedingungen günstig?

Regulierung der Zellzyklus

21

Cdk 1

Cyklin B

M-Phase promoting Complex Cyklin-abhängige Kinase (CDK)+Cyklin

Aktiviert/inaktiviert viele Targetproteine durch Phosphorylierung, wodurch

die M- Phase eingeleitet wird.

22 MPF ist nur bei hocher Cyklinkonzentration aktiv

Mitotische

s Cyklin

MPF-Aktivität

idő

Relative

Konzentration

M-Phase promoting Complex Cyklin-abhängige Kinase (CDK)+Cyklin

23

CDK-Cyklin Complexe der höheren Eukaryoten

M G1 G2 S M G1

Cdk-s

D E A B(A) Cykline

Cdk4 Cdk2 Cdk1

24

Regulationsmechanismen der Cyklin-abhängigen Kinasen

1. CYKLIN-Bindung

4. CDK-INHIBITOR 2. AKTIVIERENDE PHOSPHORYLIERUNG

3. HEMMENDE PHOSPHORYLIERUNG

25

Pozitive Rückkopplung

Aktivierende Phosphorilierung

Inaktíve M-Cdk

Inaktíve M-Cdk

aktíve M-Cdk

M-Cyklin

Cdk1

inaktive Phosphatase

PHOSPHORYLIERUNG - DEPHOSPHORYLIERUNG

Cdk-Aktivator Kinase

Cdk-Inhibitor Kinase

Regulationsmechanismen der Cyklin-abhängigen Kinasen

Hemmende Phosphorilierung

26

Inaktives Cyklin-Cdk-p27

Complex

Aktíves Cyklin-Cdk Complex

p27

Cyklin Cdk

CDK- INHIBITOREN (CDKI)

Regulationsmechanismen der Cyklin-abhängigen Kinasen

27

APC-abhängige Proteolyse

aktives APC

Aktivierende Untereinhet (Cdc20)

inaktives APC

Ubiquitinierungsenzyme

Polyubiquitinkette

Cdk inhibítor fehérje (CDKI)

M-Cyiklin Abbau

UBIQUITIN-abhängiger Cyklinabbau

Regulationsmechanismen der Cyklin-abhängigen Kinasen

Proteasom

28

Protoonkogene sind Gene die den normalen Ablauf des Zellzyklus fördern. Durch dominante Mutationen werden sie zu Onkogene. Dominante (hypermorphe) Mutationen von CDKs und Cykline können zur Tumorenbildung führen.

29

M Anfang M Ende

S Anfang G1/S Kontrollpunkt

G2/M Kontrollpunkt Metaphasen- Kontrollpunkt

Ist die DNA-Replikation abgeschlossen?

Ist die replizierte DNA beschädigt?

Wurde die mitotische Spindel aufgebaut?

Sind alle Kinetochore mit Transportfasern des Spindelapparates verbunden?

Sind die Umweltbedingungen günstig? Ist die DNA beschädigt?

Regulierung der Zellzyklus

30

G2/M Kontrollpunkt

Metaphasen-Kontrollpunkt

G1/S Kontrollpunkt

Zellgrösse

Nährstoffe

Wachstumsfaktoren

DNA-Schäden

Zellgrösse

DNA-Schäden

Chromosomen-Spindel-Bindung

G0

Kontrollenpunkte des Zellzyklus

31

DNS

Aktivierung von Kinasen

Phosphorylierung von p53

p53 Abbau

Stabil, Aktív p53

p53 bindet an den Promotor des p21 Gens

Transkription

Translation p21 mRNS

p21 (CKI)

AKTÍV INAKTÍV

G1/S Kontrollpunkt

Beschädigte DNA

32

G1/S Kontrollpunkt

33

Durch die Bindung des Rb protein zum E2F Transkriptionsfaktor wird die G1/S Übergang gehemmt. E2F ist zur Transkription der c-myc & c-fos Protoonkogene notwendig..

Transkription

der E2F-

Targetgene

G1/S Kontrollpunkt

34

Symptome vom ataxia telangiektázia. Das ATM-Protein spielt eine

wichtige Rolle in der Detektierung der DNA-Schäden.)

ATM (ataxia telangiectasia mutated)

Sterilität

Strahlunds-

empfindlichkeit

Neurodegeneration

telangiektasia

Immunprobleme

Krebs-

bildung

35

G2/M Kontrollpunkt

Metaphasen-Kontrollpunkt

G1/S Kontrollpunkt

Zellgrösse

Nährstoffe

Wachstumsfaktoren

DNA-Schäden

Zellgrösse

DNA-Schäden

Chromosomen-Spindel-Bindung

G0

Kontrollenpunkte des Zellzyklus

36

DNA-Replikation ist abgeschlossen

Kontrollpunkt-

proteine

Mitose Arretierun

g in G2

Kontrollpunkt-

proteine

G2/M Kontrollpunkt DNA-Replikation ist nicht abgeschlossen / DNA-Schäden

37

cdk1

G2/M Kontrollpunkt

38

G2/M Kontrollpunkt

Metaphasen-Kontrollpunkt

G1/S Kontrollpunkt

Zellgrösse

Nährstoffe

Wachstumsfaktoren

DNA-Schäden

Zellgrösse

DNA-Schäden

Chromosomen-Spindel-Bindung

G0

Kontrollenpunkte des Zellzyklus

39

Schwester-chromatiden Cohesin

anafázis Metaphase

Anaphasen

promoting

Complex

(APC)

MPF

(cdk-Cyclin-Complex)

Abgebautes

mitotisches Cyclin

Abgebautes

Securin

Separin

Separase

Securin

Anaphase

Metaphasen-Kontrollpunkt (Metaphase-Anaphase-Übergang)

40

Anaphase wird nicht eingeleitet, wenn nicht alle Chromosmen an

Spindelfasern gebunden sind.

Anaphase Metaphase

Metaphasen-Kontrollpunkt (Metaphase-Anaphase-Übergang)

41 APC wird durch den Metaphasen-Kontrollpunkt inaktiviert

HTLV-1 vírus Tax Protein des HTLV- Virus

bindet und inaktiviert Mad, und verursacht

dadurch T-Zellen Leukaemie.

Kontrollpunkt inaktiv

Kontrollpunkt aktiv

Kinetochor ist nicht an

beiden Seiten an

Spindelfasern gebunden

Kinetochor ist an

beiden Seiten an

Spindelfasern

gebunden

Anaphase

wird

gehemmt

Anaphase beginnt

Metaphasen-Kontrollpunkt (Metaphase-Anaphase-Übergang)

42

Was wurde ohne die Metaphasen-Kontrollpunkt passieren?

Aneuploide Zellen Tumorzellen sind alle aneuploid!

Abnormale

Spindel

Anaphase

Cytokinese

Extra

Chromosom

Chromosomen-

verlust

Metaphasen-Kontrollpunkt (Metaphase-Anaphase-Übergang)

43

Tumorsupressor Gene hemmen den normalen Zellzyklus. Rezessive Mutationen der Tumorsupressor Gene führen zur Krebsbildung. (Siehe noch im 2. Semester bei der Vorlesung Krebs)