Teil 2

• Aktivierung von cyclin-dependent kinases (Cdks)


  Nur wenn Cyclin und Cdk einen stabilen Heterodimer-Komplex bilden, wird die Proteinkinase aktiviert und spezifische Zellzyklus-Ereignisse initiiert

  
• Aktivierung von Cdks


  1. In Abwesenheit von Cyclin ist das aktive Zentrum der Cdk durch eine Cdk-eigene Proteinschleife (T-loop) verdeckt

  2. Cyclin-Bindung verdrängt T-loop und das Cdk-Enzym ist teilweise aktiv

  3. Voll aktiviert wird der Cyclin-Cdk-Komplex durch eine Cdk-aktivierende Kinase (CAK) welche eine Aminosäure im T-loop phosphoryliert

  
• Regulierung von Cyclin-Cdk-Komplexen


  1. Phosphorylierung von 2 Tyrosin (Y)-Resten im 'Dach' des aktiven Zentrums der Cdk durch Wee1-Kinase hemmt den aktiven Cyclin-Cdk-Komplex

  2. Dephosphorylierung dieser 2 Tyrosine (= Entfernung beider Phosphatreste) durch eine Cdc25-Phosphatase aktiviert den Cyclin-Cdk-Komplex wieder

  3. Cyclin-Cdk-Komplexe werden durch Bindung von Cdk-Inhibitor-Proteine (CKIs) inaktiviert

  4. p21 unterdrückt Zellzyklus-Progression nach DNA Schäden

  5. p27 unterdrückt Zellzyklus-Progression in der G1- und S-Phase falls Stimulation durch Mitogene oder Wachstumsfaktoren fehlt

  
• Aktivierung und Regulierung von Cdks


  1. Cdks werden durch Bindung von Cyclinen zyklisch aktiviert

  2. Cycline unterliegen während dem Zellzyklus selbst einem Zyklus aus Auf- und Abbau

  3. Cdk Konzentrationen ändern sich nicht und bleiben während des Zellzyklus konstant

  4. G1-Cycline (Cyclin D) aktivieren Cdks die die Aktivitäten der G1/S-Cycline lenken

  5. G1/S-Cycline (Cyclin E) aktivieren Cdks in der späten G1-Phase und lösen Start aus

  6. S-Cycline (Cyclin A) aktivieren Cdks nach Durchschreiten des Start-Übergangs und regen u.a. die DNA Replikation an

  7. M-Cycline (Cyclin B) aktivieren Cdks die am G2/M-Übergang den Eintritt in die Mitose stimulieren

  
• Aktivierung von M-Cdk (=Cyclin B-Cdk1)


  1. Am Ende der G2-Phase enthält die Zelle grosse Mengen an inaktiven M-Cdk-Komplexen (Cyclin B-Cdk1)

  2. Entscheidend für die Aktivierung von M-Cdk ist die Aktivierung der Cdc25 Phosphatase, welche zwei hemmende Phosphatgruppen im Dach des inaktiven M-Cdk-Komplex entfernt

  3. Positive Rückkopplung stimuliert M-Cdk Aktivität: M-Cdk stabilisert durch Phosphorylierung von Cdc25 Phosphatase (Ser18und Ser116) ihren eigenen Aktivator

  4. M-Cdk hemmt durch Phosphorylierung der Wee1 Kinase ihren eigenen Inhibitor

  
• Cohesin


  • Cohesin hilft Schwesterchromatide zusammenzuhalten
  • Cohesin bildet ringartige Strukturen, die sich um die beiden Schwesterchromatide herumlegen
  • Cohesin ist ein Proteinkomplex aus vier Untereinheiten: Smc1-Smc3, Scc1-Scc3
  • Separase schneidet die Scc1-Untereinheit und öffnet dadurch den Cohesin-Ring (Metaphase-Anaphase-Übergang)

  
• Condensin


  • Condensin hilft die verdoppelten Schwesterchromatide für die Trennung zu gruppieren
  • Kondensation und Lösung der Schwesterchromatiden hängt von Condesin ab, ein Komplex der ähnlich wie Cohesin aufgebaut ist
• APC/C-Komplex reguliert Metaphase-zu-Anaphase Übergang


  1. Der Metaphase-Anaphase-Übergang wird durch Protein-Abbau (Proteolyse) und nicht durch Protein-Phosphorylierung angetrieben

  2. Der Anaphase-Promoting Complex/Cyclosome (APC/C) Enzymkomplex gehört zur Familie der E3 Ubiquitin-Ligasen

  3. Cdc20 Untereinheit aktiviert APC/C in der Mitose und markiert Zielproteine für deren Degradierung durch das 26S Proteasom

  4. Proteolyse von Securin führt in der Metaphase zur Aktivierung einer Protease (Separase), welche Cohesin-Ringe aufspaltet und so die Anaphase auslöst

  5. Proteolyse von S- und M-Cycline führt zur Inaktivierung der betroffenen Cdks und somit zur Dephosphorylierung derer Zielproteine durch Phosphatasen in der Anaphase

  
• Die Vorgänge der Kernteilung (Mitose) und der Trennung der Zellen (Cytokinese), die zusammen als M-phase bezeichnet werden, sind unter dem Mikroskop leicht erkennbar

  
• Zellzyklus

  Der Periodische Ablauf von Ereignissen zwischen zwei Zellteilungen
• Ziel des Zellzyklus

  • Fehlerfreie Weitergabe der Erbinformation an die nächste Zellgeneration
  • Entstehen von zwei genetisch identischen Tochterzellen
• Alle lebenden Organismen sind das Ergebnis wiederholter Runden von Zellwachstum und Zellteilung (Zellzyklus)
• Gründe für Zellteilung

  • Entwicklung und Wachstum aller Lebewesen
  • Fortpflanzung (Meiose): Gameten
  • Erneuerung von Gewebe (Haut: monatlich, Verdauungstrakt wenige Tage, Blutzellen, Immunsystem - 10 Zellteilungen pro Sekunde)
• Hypoplasie (zu wenige Zellen) führt zur Unterentwicklung eines Organs/Gewebes
• Hyperplasie (zu viele, aber normale Zellen) führt zur Vergrößerung eines Gewebes/Organs
• Proliferation stoppt, wenn der Stimulus fehlt (z.B. Wachsen, Wundheilung, Prostatavergrößerung)
• Neoplasie (Neubildung von Zellen durch unkontrollierte Zellteilung) führt zu gutartigen Tumoren, die keine Metastasen bilden
• Bösartige Tumore bilden Metastasen
• Arten von Hypertrophie


  • Endokrine (hormonelle) (z.B. Brust in Schwangerschaft)
  • Aktivitäts-Hypertrophie (z.B. Muskelwachstum durch Krafttraining)
  • Kompensatorische Hypertrophie (z.B. nach Verlust einer Niere - Mehrbelastung)
• Phasen des Zellzyklus


  • G1
  • S
  • G2
  • M
• Interphase


  • Zeit für Wachstum und Verdoppelung ihrer Proteine und Organelle
  • Bei ungünstigen Umweltbedingungen verzögern Zellen das Durchlaufen der G1 oder gehen in einen Ruhezustand G0
  • Nach Überschreiten eines Kontrollpunktes gibt es kein Zurück mehr
• Eine menschliche Zelle braucht ca. 24h für eine Teilung (davon 12h in der G1-Phase)
• In früher Embryonalentwicklung: 4h
• Kontrollsystem des Zellzyklus


  • Nächste Phase wird nur eingeleitet, wenn die vorhergehende Phase vollständig und korrekt abgeschlossen worden ist
  • Es gibt 3 Kontrollpunkte: G1/S-Übergang, G2/M-Übergang, Metaphase-zu-Anaphase-Übergang
• G2/M-Übergang


  Eintritt in Mitose
• Metaphase-zu-Anaphase-Übergang


  Starte Anaphase und gehe weiter zur Cytokinese
• Kontrollsystem: Eintritt in den Zellzyklus und Weiterschreiten zur S-Phase


  Sind die Umweltbedingungen günstig?
• Stadien der Mitose


  • Prophase
  • Prometaphase
  • Metaphase
  • Anaphase
  • Telophase
  • Cytokinese
• Prophase


  Chromosomen kondensieren, Mitosespimdel bildet, intakte Kernlle

  
• Prometaphase


  Auflösung der Kernhülle, Chromosome gehen über Kinetochore an die Mikrotubulli

  
• Metaphase


  Chromosomen entlang des Äquators, Kinetochor-Mikrotubuli verbinden die Tochterchromatiden

  
• Anaphase


  Trennung der Schwesterchromatoden indem sie zum Spindelpol gezogen werden. Der Kinetochor-Mikrotubulus wird kürzer und die Spindelpole bewegen auseinander

  
• Telophase


  Chromosomen an den Polen, beginnen aufzulocken, neue Kernhülle bildet sich

  
• Cytokinese


  Das Cytoplasma wird durch den kontraktilen Ring aus Aktin und Myosin in zwei geteilt, es werden 2 Tocherzellen mit eigenen Kernen gebildet
• Mitosespindel


  • Bipolare Anordnung von Mikrotubuli
  • Minus-Enden der Mikrotubuli sind an den Spindelpolen verankert, welche durch Centrosomen organisiert sind
  • Plus-Enden der Mikrotubuli weisen vom Spindelpol weg
  • Interpolare Mikrotubuli von den beiden Polen greifen in der Mittelzone, am Spindeläquator, ineinander
  • Kinetochor-Mikrotubuli sind an grossen Proteinstrukturen, den Kinetochoren, an die Schwesterchromatide geheftet
  • Kinetochore sitzen am Centromer jeder Schwesterchromatide
  • Astralmikrotubuli strahlen aus den Polen aus in Zytoplasma und unterstützen die Positionierung der Spindel

  
• Spindelaufbau-Kontrollpunkt (SAC)


  Inhibiert APC/C
• Entdeckt durch Wirkstoffe, die die Mikrotubuli destabiliseren (Mitosehemmstoffe, 'Spindelgifte') und Zellen in der Mitose festhalten

  
• Spindle Assembly Checkpoint (SAC)


  Stellt sicher, das Zellen erst dann in die Anaphase eintreten, wenn alle Chromosomen korrekt an der Spindel ausgerichtet sind
• Spindelaufbau-Kontrollpunkt (SAC)


  1. Jedes Kinetochor, das nicht richtig mit der Spindel verbunden ist, sendet ein diffundierendes Signal durch die Zelle, das die Aktivierung von APC/C (und somit von Separase) blockiert

  2. In somatischen Säugerzellen beginnt die Zerstörung von Securin einige Augenblicke nach dem das letzte Schwesterchromatidenpaar korrekt an der Spindel zweiseitig ausgerichtet wurde, und die Anaphase beginnt 20 min später

  3. In der Prometaphase lösen falsch oder nicht angeheftete Kinetochore den SAC aus, was zum Aufbau des mitotic checkpoint complex (MCC: BUBR1, CDC20, BUB3 und MAD2) führt

  4. Der MCC inhibiert APC/C-vermittelte Ubiquitinierung von Zielproteinen (zb Securin) bis alle Chromosomen korrekt an den Mikrotubuli angeheftet sind
• Das Zellzyklus-Kontrollsystem II

  • G1-to-S (Start)
  • G2-to-M
  • Metaphase-to-Anaphase