Zellbiologie 4+5 (Cytoskelett und Zellmigration, Zellzyklus)

drei Typen von Proteinfilamenten:

• Actinfilamente (die kleinsten Bestandteile)

• Intermediärfilamente

• Mikrotubuli (die größten Bestandteile)

Alle drei Filament Systeme des Zytoskeletts müssen normalerweise gemeinsam funktionieren, um einer Zelle ihre Stärke, ihre Form und ihre Bewegungsfähigkeit zu verleihen. Zytoskelette sind nicht statisch.

• bestimmen die Form der Zelloberfläche

• sind notwendig für die Bewegung der ganzen Zelle

• treiben die Teilung der Zelle in zwei voran, während der Zellteilung 

• helikale Polymere des Proteins Aktin

• flexible Strukturen mit einem Durchmesser von 8 nm

• organisieren sich in einer Vielzahl von linearen Bündeln, zweidimensionalen Netzwerken und 3-dimensionalen Gelen.

• Obwohl Aktinfilamente in der gesamten Zelle verteilt sind, sind sie am konzentriertesten im Kortex, direkt unter der Plasmamembran

• Bestimmen die Positionen von membranumschlossenen Organellen, indem sie sie in der Zelle bewegen

• direkter intrazellulärer Transport

• bilden die mitotische Spindel

• Mikrotubuli sind typischerweise lange, hohle Zylinder aus dem Protein Tubulin

• Haben einen Außendurchmesser von 25 nm

• Viel steifer als Aktinfilamente.

• Mikrotubuli sind lang und gerade häufig mit einem Ende an ein Mikrotubuli-organisierenden Zentrum gebunden, einem sogenannten Zentrosom.

• verleihen der Zelle mechanische Festigkeit

• Bilden seilartige Fasern mit einem Durchmesser von etwa 10 nm

• Hergestellt aus intermediären Filamentproteinen, die eine große und heterogene Gruppe bilden.

• Eine Art von Zwischenfilament bildet ein Geflecht, das Kernlamina genannt wird, direkt unter der inneren Kernmembran

• Andere Arten erstrecken sich über das Zytoplasma und geben den Zellen mechanische Kraft.

• Aktinfilamente und Mikrotubuli werden aus Untereinheiten aufgebaut, die kompakt und kugelförmig sind (Aktin bzw. Tubuli)

• Intermediärfilamente bestehen aus kleineren Untereinheiten, die selbst länglich und faserig sind

• Alle drei Haupttypen von Zytoskelettfilamenten bilden sich aus helikaler Anordnungen von Untereinheiten, die sich selbst Anordnen, indem sie eine Kombination aus End-to-End- & Side-to-Side-Proteinkontakten verwenden

• Unterschiede in den Strukturen der Untereinheiten und die Stärken der Anziehungskräfte zwischen ihnen führen zu wichtigen Unterschieden in der Stabilität und mechanischen Eigenschaften jeder Art von Filament

• schwache nichtkovalente Wechselwirkungen, die die drei Arten von Zytoskelettpolymeren zusammenhalten. Folglich kann ihre Montage und Demontage schnell erfolgen.

Actinfilamente bauen sich Head-to-Tail auf, das heißt von Kopf zum Schwanz

• Jede Aktin-Untereinheit (globulär oder G-Aktin) ist ein 375-Aminosäuren-Polypeptid, das ein eng assoziiertes Molekül von ATP oder ADP trägt

• Aktin-Untereinheiten setzen sich von Kopf zu Schwanz zusammen, um eine enge, rechtsdrehende Helix zu bilden, die eine etwa 8 nm breite Struktur bildet, die filamentös oder F-Aktin genannt wird

•Aktin selbst die Hydrolyse des Nukleosidtriphosphats ATP katalysieren kann

• Filamente polar und haben strukturell unterschiedliche Enden: ein langsamer wachsendes Ende, das als Minusende bezeichnet wird; und ein schneller wachsendes Ende, was Plus-Ende genannt wird.

• Einzelne Aktinfilamente, sind recht flexibel. In einer lebenden Zelle jedoch vernetzen und bündeln akzessorische Proteine die Filamente miteinander, wodurch großflächige Aktinstrukturen entstehen, die viel steifer als ein einzelnes Aktinfilament sind

geschwindigkeitsbegrenzende Schritt bei der Bildung von Aktinfilamenten

• Die Regulation der Aktinfilament Bildung ist ein wichtiger Mechanismus, mit dem Zellen ihre Form und Bewegung steuern.

• Kleine Oligomere von Aktin-Untereinheiten können sich spontan zusammensetzen, aber sie sind instabil und zerfallen leicht, da jedes Monomer nur an ein oder zwei andere Monomere gebunden ist.

• Damit sich ein neues Aktinfilament bilden kann, müssen sich Untereinheiten zu einem Kern zusammensetzen, der durch mehrere Untereinheits-Untereinheitskontakte stabilisiert wird und sich dann durch Hinzufügen weiterer Untereinheiten schnell verlängern kann.

• Für Mikrotubuli ist das Prinzip im Allgemeinen das gleiche, auch wenn der Prozess etwas komplizierter ist.

beeinflussen Filamentdynamik und - organisation

→ Verfügbarkeit, Filamentkeimbildung, Dehnung und Depolymerisation

• Cofilin bindet Aktinfilamente (insbesondere ADP-Aktinfilamente) und beschleunigt deren Zersetzung

• Der Arp2/3-Komplex oben rechts hilft Aktin, sich zu nukleieren und eine Webkonfiguration zu bilden

Ein Mikrotubuli ist eine hohle zylindrische Struktur aus 13 parallelen Protofilamenten.

Diese Anordnung, die mehrere Kontakte zwischen Untereinheiten beinhaltet, macht Mikrotubuli steif und sehr schwer zu biegen

Das Mikrotubuli-Gitter selbst hat eine ausgeprägte strukturelle Polarität, wobei α-Tubuline am Minusende und β-Tubuline am Plus-Ende exponiert sind.

Die Dynamik von Mikrotubuli wird stark durch die Bindung und Hydrolyse von Nukleotid beeinflusst.

Viele Mikrotubuli gehen von einem einzigen Zentrosom aus, wobei die Minusenden der Mikrotubuli in das Zentrosom eingebettet sind und das Plus-Ende frei im Zytoplasma ist.

Intermediäre Filamente sind besonders ausgeprägt im Zytoplasma von Zellen, die mechanischer Belastung ausgesetzt sind, und werden im Allgemeinen nicht bei Tieren gefunden, die starre Exoskelette besitzen.

Motorproteine nutzen Energie in Form von ATP, um entlang bestimmter Zytoskelettbahnen zu "gehen".

• Myosin ist mit Aktin-Mikrofilamenten assoziiert und wird für die Bewegung von Muskeln benötigt

• Dynein ist mit Tubulin-Mikrotubuli assoziiert und wird für die Bewegung von Zilien und Flagellen benötigt

• Kinesin ist mit Tubulin-Mikrotubuli assoziiert und wird für die Bewegung von Vesikeln und anderen intrazelluläre Komponenten benötigt

Myosin erzeugt Kraft durch Kopplung der ATPHydrolyse an Konformationsänderungen. Die Funktionen von Aktinfilamenten werden sowohl durch polymerstabilisierende als auch durch polymerdestabilisierende Chemikalien gehemmt.

• Das Zytoplasma eukaryotischer Zellen ist räumlich durch ein Netzwerk von Proteinfilamenten organisiert -> Zytoskelett 

• drei Haupttypen von Filamenten: Aktinfilamente, Mikrotubuli und Intermediärfilamente.

• Alle drei Arten von Filamenten bilden sich in helikaler Anordnungen von Untereinheiten, die sich mithilfe einer Kombination von End-to-End- und Side-to-Side-Proteinkontakten selbst assoziieren.

• Unterschiede in der Struktur der Untereinheiten und der Art und Weise ihrer Selbstorganisation verleihen den Filamenten unterschiedliche mechanische Eigenschaften.

• Aktin und Tubulin binden und hydrolysieren Nukleosidtriphosphate (ATP bzw. GTP) und setzen sich von Kopf bis Schwanz zusammen, um polarisierte Filamente zu erzeugen, die in der Lage sind Kraft zu erzeugen.

• In lebenden Zellen modulieren akzessorische Proteine die Dynamik und Organisation von Zytoskelettfilamenten, was zu komplexen Ereignissen wie Zellteilung oder Migration führt.

Bewegung ist lebensnotwendig, auf allen Ebenen der Metazoen Organisation, von einzelnen Zellen bis zu Tieren

Zellen bewegen sich mithilfe von Filamenten, aus denen das sogenannte Zytoskelett besteht

Wie Zellen ihre Bewegung initiieren, ist vom Zelltyp & von der Oberfläche abhängig. Um die Bewegung einzuleiten, strecken Zellen „Scheinfüßchen“ aus dünnen Zytoplasmaschichten hervor, die Lamellipodien genannt werden

• Morphogenese von Embryonen

• Geweberegeneration und -reparatur

• Immunantwort

• Transplantation

• Auf der Suche nach Nahrung

• Entwicklungsstörungen

• Immunsuppression

• defekte Wundheilung

• Autoimmunerkrankungen

• Tumorverbreitung (Metastasierung)

- Lamellipodien

- Filopodien

- Invadopodien und Podosomen

gebildet von Epithelzellen, Fibroblasten & einigen Neuronen

• zweidimensionalen, blattartigen Strukturen

• ein Netz aus Aktinfilamenten, von denen die meisten in einer Ebene parallel zum festen Substrat liegen

gebildet durch wandernde Wachstumszapfen von Neuronen und einigen Arten von Fibroblasten.

• sind im Wesentlichen eindimensional.

• einen Kern auslangen, gebündelten Aktinfilamenten enthalten, die an solche in Mikrovilli erinnern, aber länger sind und dünner und dynamischer

erstrecken sich dreidimensional und sind wichtig für Zellen, um Gewebebarrieren zu überwinden, z.B. eine metastasierte Krebszelle, welche in das umliegende Gewebe eindringt.

Keratozyten bedecken das Tier durch Bildung und Epithelschicht und sind auf das Schließen von Wunden spezialisiert. Lamellipodien sind mit dichten Kernen aus filamentösem Aktin gefüllt, welches membranumschlossene Organellen ausschließt. An ihnen kann man sehr schön erkennen, was das Aktin macht. Die einzelnen Aktinfilamente sin in einer bestimmten Anordnung gelagert.

Der ARP-Komplex bindet Filamente am effizientesten, wenn er an die Seite eines bereits vorhandenen Aktinfilaments gebunden wird. Wiederholte Bildung der verzweigten Keimbildung führt zu einem baumartigen Netz von Aktinfilamenten .

Zelladhäsion und Traktion ermöglichen es den Zellen, sich nach vorne zu ziehen

A) Aktinmonomere lagern sich am Stachelende von Aktinfilamenten an der Vorderkante an. Transmembran-Integrin-Proteine helfen bei der Bildung von Verankerung der Zelle.

B) Besteht keine Wechselwirkung zwischen Aktinfilament und Zellverankerung, wird das Aktinfilament durch neu zusammengesetztes Aktin nach hinten getrieben. Myosinmotoren tragen ebenfalls zur Bewegung bei.

C) Wechselwirkungs-Ionen zwischen Aktin-bindenden Adapterproteinen und Integrinen verbinden das Aktinzytoskelett mit dem Substrat. Myosin → vermittelt kontraktile Kräfte, welche dann durch die Zellverankerung übertragen werden, um Traktion auf der extrazellulären Matrix zu erzeugen. Neue Aktinpolymerisation treibt die Vorderkante in einem Vorsprung voran.

GTPasen der Rho-Familie sind molekulare Schalter, die die Organisation von Aktinen steuern.

Extrazelluläre Signale können die drei Mitglieder der Rho-Proteinfamilie aktivieren.

Extrazelluläre Signale können die drei Mitglieder der Rho-Proteinfamilie aktivieren.

Als Zellproliferation versteht man das schnelle Wachstum der Zellen.

Zyklus von Duplikation und Teilung

1. Das genetische Material muss repliziert und an beiden Tochterzellen gleich vererbt werden

2. Alle essenziellen Organellen müssen dupliziert und zwischen den Tochterzellen aufgeteilt werden

3. Die Zellteilung muss an das Zellwachstum angepasst werden

4. Die Zellteilung muss an die Umgebung der Zelle angepasst werden

Interphase: hier findet die DNA-Replikation statt, sie gliedert sich in G1-, S- & G2-Phase

Prophase: homologe Chromosomen lagern sich zusammen

Promethaphase: Die Spindel bildet sich aus und bindet an den Zentromeren der Chromosomen

Metaphase: Die Chromosomen ordnen sich an der Equatorialebene an

Anaphase: Der Spionageapparat zieht die Chromosomen auseinander

Telophase: Die Zelle teilt sich in zwei

M-Phase: Mitose Phase→ hier findet die Mitose/Meiose statt

G1-Phase→ „gap-phase 1“ Es ist ein Zustand der Pluripotenz. Die Zelle kann sich differenzieren, ruhig ("ruhend") werden, wachsen... Die Länge von G1 kann variabel sein

S-Phase→ DNA Replikation

G2-Phase→ „gap-phase 2“ Lücke vor der Mitose. Check-up-Zeit vor der Mitose.

Hefe (s. cerevisiae & S. pombe):

• Ausgeprägte Morphologie ermöglicht einfache Überwachung der Zellzyklusstadien

• Leistungsstarke molekulare und genetische Ansätze können verwendet werden, um die Gene und Proteine zu identifizieren und zu charakterisieren, die die grundlegenden Merkmale der Zellteilung steuern

Drosophila melanogaster (Fruchtfliege):

• Besonders geeignetes Modell für die genetische Analyse von Mechanismen, die der Steuerung und Koordination des Zellwachstums und der Zellteilung in vielzelligen Organismen zugrunde liegen

Xenopus laevis (frühe Embryos) (Krallenfrosch):

• Frühe Embryonen von Xenopus laevis bieten hervorragende Werkzeuge für die biochemische Dissektion von Zellzykluskontrollmechanismen

Menschliche Zellen in Kultur:

• Ein hervorragendes System für die molekulare und mikroskopische Erforschung des komplexen Prozesses, durch den sich unsere eigenen Zellen teilen!

Brdu: immunzytochemische Nachweis von Bromdesoxyuridin (BrdU), das in die DNA eingebaut ist, ist ein leistungsfähiges Werkzeug, um die Zytokinetik normaler und neoplastischer Zellen zu untersuchen. Die In-vitro- oder In-vivo-Markierung von Tumorzellen mit dem Thymidin-Analogon BrdU und der anschließende Nachweis von inkorporiertem BrdU mit spezifischen monoklonalen Anti-BrdU-Antikörpern ist eine genaue und umfassende Methode zur Quantifizierung des Grades der DNA-Synthese.

Unvollständige Replikation könnte Chromosomentrennung verhindern Deshalb werden die einzelnen Schritte fast immer zeitlich getrennt ablaufen, damit die Möglichkeit des Abbruches besteht.

Ein großer Durchbruch kam in den späten 1980er Jahren mit der Identifizierung der Schlüsselproteine des Kontrollsystems, zusammen mit der Erkenntnis, dass sie sich von den Proteinen unterscheiden, die die Prozesse der DNA-Replikation, Chromosomentrennung und so weiter durchführen.

Das Kontrollsystem blockiert das Fortschreiten durch Start und verhindert so die Zellteilung, bis die Bedingungen günstig werden.

Bei einem Experiment wurden Zellen in verschiedenen Stadien kombiniert:

1. Fazit: S-Phasenkern setzt etwas frei, das den G1-Kern in S- treibt Phase

2. Fazit: G2-Kern ist resistent gegen S-Phasen-fördernden Faktor

3. Fazit: G1 und G2 beeinflussen sich nicht gegenseitig

Das Zellzyklus-Kontrollsystem hängt von zyklisch aktivierten Cyclin-abhängigen Proteinkinasen (Cdks) ab.

1. G1/S-Cycline aktivieren Cdks im späten G1 und helfen so, die Progression durch Start auszulösen, was zu einer Verpflichtung zum Zellzykluseintritt führt. Ihre Werte fallen in die S-Phase

2. S-Cycline binden Cdks kurz nach der Progression durch Start und helfen, die Chromosomenduplikation zu stimulieren. Die S-Cyclinspiegel bleiben bis zur Mitose erhöht, und diese Cycline tragen auch zur Kontrolle einiger früher mitotischer Ereignisse bei.

3. M-Cycline aktivieren Cdks, die den Eintritt in die Mitose am G2/M-Übergang stimulieren. Der M-Cyclin-Spiegel sinkt in der Mitte der Mitose.

4. (in den meisten Zellen) G1-Cycline helfen bei der Steuerung der Aktivitäten der G1/S-Cycline, die die Progression durch Start in G1 steuern

Phosphorylierung kann die Eigenschaften des CDK-Substrats verändern

Verschiedene CDKs können unterschiedliche Ausdrucksmuster und Ziele haben!

A) Ohne Cyclinbindung wird das aktive Zentrum in Cdk durch die T-Schleifenregion blockiert

B) Die Bindung des Cyclins bewirkt, dass sich die T-Schleife aus dem aktiven Zentrum bewegt

C) Die Phosphorylierung von Cdk2 (durch CAK) in der T-Schleife aktiviert das Enzym weiter, indem sie die Form der T-Schleife ändert und die Fähigkeit des Enzyms verbessert, seine Substrate zu binden

p27, ein CKI, bindet sowohl das Cyclin als auch Cdk im Komplex und verzerrt das aktive Zentrum des Cdk. Es fügt sich auch in die ATP-Bindungsstelle ein, wodurch die Enzymaktivität weiter gehemmt wird.

Der Anaphase Promoting Complex (APC/C) wird in der Mitose durch Assoziation mit Cdc20 aktiviert, das Aminosäuresequenzen auf Cyclinen erkennt

Stark kontrollierter und organisierter Zellzyklus Ablauf

Anpassung der Zellzyklusübergänge zu intra- und extrazellulären Signalen