Zell- und Lebenszyklus der Zelle
Der Zellzyklus ist die Lebensdauer einer Zelle von einer Teilung bis zur nächsten. Er sollte nicht mit dem Lebenszyklus verwechselt werden, der die Zeit von der Entstehung der Zelle bis zu ihrem Tod umfasst. Auf die eigentliche Teilung (Mitose) entfallen nur etwa 10% des Zellzyklus, während die übrigen 90% von der Interphase — der Vorbereitung auf die Teilung — eingenommen werden.
Im Organismus befinden sich verschiedene Zellen unterschiedlich lang im Zellzyklus:
- Sich ständig teilende Zellen — zum Beispiel blutbildende Stammzellen, die den Zyklus nicht verlassen.
- Ruhende Zellen — zum Beispiel Hepatozyten, die bei fehlenden Leberschäden in die Ruhephase übergehen und bei Pathologien (Zirrhose, Regeneration) in den Zyklus zurückkehren.
- Terminal differenzierte Zellen — zum Beispiel Neuronen, die ihre Fähigkeit zur Teilung verloren haben.
Struktur der Interphase
Die Interphase umfasst drei aufeinanderfolgende Perioden:
- Präsynthetische Periode (G1) — die längste, dauert bis zu mehreren Tagen.
- Synthetische Periode (S) — etwa 5 Stunden.
- Postsynthetische Periode (G2) — bis zu 8 Stunden.
Das Ziel der Interphase ist eine korrekte Vorbereitung auf die Teilung und die präzise Weitergabe des genetischen Materials an die Tochterzellen.
Präsynthetische Periode (G1)
Beginnt unmittelbar nach der Mitose. Die Zelle wächst aktiv, stellt Organellen und das Zytoplasma-Volumen wieder her, es finden ein intensiver Stoffwechsel sowie die Synthese von Proteinen, Lipiden und Kohlenhydraten statt. Die Periode endet mit der Vorbereitung auf die DNA-Replikation.
Eine schlüsselregulatorische Rolle spielen cyclinabhängige Proteinkinasen (CDK). Dies sind Enzyme, die die Phosphorylierung von Proteinen durchführen und nur in Komplex mit regulatorischen Proteinen — den Cyclinen (der Gruppen D, E, A, B) — aktiv sind. Cycline werden während des gesamten Zyklus synthetisiert und zu Beginn der Anaphase abgebaut.
Wirkungen des Cyclin-CDK-Komplexes:
- Phosphorylierung von Kernhüllproteinen und Vorbereitung auf deren Auflösung;
- Umbau des Zytoskeletts;
- Aktivierung von DNA-Replikationsgenen.
Ein Beispiel für die Wirkung von CDK ist die Regulation des Transkriptionsfaktors E2F. Im inaktiven Zustand ist er an das Retinoblastom-Protein (Rb) gebunden. CDK phosphoryliert Rb unter ATP-Verbrauch und setzt dabei E2F frei, welches die Transkription von Replikationsenzymen aktiviert.
Restriktionspunkt und die Rolle des p53-Proteins
In jeder Periode der Interphase gibt es einen Restriktionspunkt (Kontrollpunkt), an dem die Integrität der DNA überprüft wird. Bei einer DNA-Beschädigung wird das P53-Gen aktiviert und das gleichnamige Protein synthetisiert, welches:
- die Replikation unterdrückt und die Reparatur der DNA unter Beteiligung von DNA-Polymerasen stimuliert;
- die P21- und P27-Gene aktiviert, deren Proteine CDKs inhibieren und den Zellzyklus anhalten;
- die Zelle bei Unmöglichkeit der Reparatur dem Weg der Apoptose zuführt.
Nach dem Passieren des Restriktionspunkts tritt die Zelle unabhängig von äußeren Signalen in die S-Phase ein. Mutationen von P53 führen zur Teilung von Zellen mit DNA-Schäden und zur Entstehung von Tumoren. Dominante Mutationen des Retinoblastom-Protein-Gens verursachen die Entwicklung eines Retinoblastoms, da E2F permanent frei bleibt und die Zelle ununterbrochen in den Zyklus eintritt.
Synthetische Periode (S)
In der S-Phase finden statt:
- DNA-Replikation;
- Synthese von Histonen, die für die Chromatinkondensation notwendig sind;
- Verdopplung des zellulären Zentrums (Zentrosom);
- zweiter Kontrollpunkt — Überprüfung der korrekten Replikation und wiederholte Reparatur.
Replikationsstörungen sind mit Pathologien wie dem Louis-Bar-Syndrom (Ataxie-Telangiektasie), das von kapillären Erweiterungen und Koordinationsstörungen begleitet wird, sowie mit Xeroderma pigmentosum assoziiert.
Postsynthetische Periode (G2) und MPF
In der G2-Phase werden durchgeführt:
- Synthese von Tubulinen zum Aufbau der Mikrotubuli des Spindelapparats;
- Auflösung der zentriolären Satelliten und Bildung des Halos im zellulären Zentrum;
- postreplikative DNA-Reparatur;
- Vorbereitung auf die Auflösung des Golgi-Apparats und des endoplasmatischen Retikulums;
- Synthese des mitosestimulierenden Faktors (MPF, Mitosis Promoting Factor).
MPF entfaltet seine Wirkungen erst in der Prophase der Mitose:
- Phosphorylierung von Laminen und Auflösung der Kernmembran;
- Phosphorylierung von Histon H1 und Chromosomenkondensation;
- Phosphorylierung von Proteinen des Stütz- und Kontraktionsapparats sowie Zerstörung der Interphase-Mikrotubuli zum Aufbau der Spindelfasern.
Kern-Zytoplasma-Relation nach Perioden
Die Dynamik des Zellwachstums spiegelt sich im Kern-Zytoplasma-Verhältnis wider:
- in G1 ist es kleiner als eins — hauptsächlich wächst das Zytoplasma und stellt das Volumen nach der Teilung wieder her;
- in S ist es größer als eins — der Zellkern vergrößert sich aktiv durch die DNA-Replikation;
- in G2 gleicht sich das Verhältnis aus und nähert sich eins an.
Schlüsselpunkte
- Der Zellzyklus reicht von Teilung zu Teilung; die Interphase nimmt etwa 90% seiner Dauer ein.
- Die Interphase besteht aus den G1- (präsynthetisch), S- (synthetisch) und G2-Perioden (postsynthetisch).
- Regulatoren des Zyklus sind Cyclin-CDK-Komplexe, die Schlüsselproteine phosphorylieren.
- Der Transkriptionsfaktor E2F wird nach seiner Phosphorylierung aus dem Komplex mit dem Rb-Protein freigesetzt und startet die Replikation.
- An den Restriktionspunkten kontrolliert das p53-Protein die DNA-Integrität, indem es über p21 und p27 die Reparatur oder Apoptose aktiviert.
- Mutationen von p53 führen zu Tumorenwachstum; Mutationen des Rb-Gens zu Retinoblastom.
- In G2 wird MPF synthetisiert, das seine Wirkungen in der Prophase der Mitose entfaltet: Auflösung der Kernhülle und Kondensation der Chromosomen.
- Das Kern-Zytoplasma-Verhältnis verändert sich gesetzmäßig: <1 in G1, >1 in S, ≈1 in G2.