Zellbiologie 6+7 (Trennung homologer Chromosomen, Zelltod und Zellaltern)

Die hellblau dargestellten DNA-Abschnitte markieren die Origins of Replication.

Die Gelben Strukturen stellen die Helikase da. Sie öffnet die DNA für die Replikation. Nach der Replikation & der Mitose befinden sich beide neuen DNA-Stränge in der G1 Phase & können wieder repliziert werden.

In G1 wird das Protein Cdt1 an die Helikase gebunden. Dies ist nur in dieser Phase möglich.

erfordert die Duplikation von Chromatinproteinen (Histone usw.) und deren ordnungsgemäßen Zusammenbau auf der DNA

Die Produktion von Chromatinproteinen steigt während der S-Phase, um das Rohmaterial bereitzustellen, das benötigt wird, um die neu synthetisierte DNA zu verpacken. S-Cdks stimulieren eine starke Zunahme der Synthese der vier Histon-Untereinheiten, die die Histon-Oktamere im Kern jedes Nukleosoms bilden.

Cohesin hält replizierte Schwesterchromatiden zusammen.

Proteinkonzentrationen müssen zur richtigen Zeit erreicht werden, damit die Zelle in die Mitose eintreten kann.

- kondensieren die replizierten Chromosomen, die jeweils aus zwei eng assoziierten Schwesterchromatiden bestehen.

- Außerhalb des Zellkerns sammelt sich die mitotische Spindl zwischen den beiden Zentrosomen, die sich repliziert und auseinander bewegt haben

- Zusammenbruch der Kernhülle.

Chromosomen können sich nun über ihre Kinetochoren an Spindelmikrotubuli anheften und sich aktiv bewegen.

- Chromosomen am Äquator der Spindel ausgerichtet, auf halbem Weg zwischen den Spindelpolen. -> Metaphasenplatte

- Die Kinetochor-Mikrotubuli heften Schwesterchromatide an entgegengesetzte Pole der Spindel.

- Synchrone Trennung der Schwesterchromatiden 

-> zwei Tochterchromosomen

- Tochterchromosom wird langsam in Richtung des Spindelpols gezogen, dem es zugewandt ist.

- Die Kinetochor-Mikrotubuli werden kürzer, und auch die Spindelpole bewegen sich auseinander; Beide Prozesse tragen zur Chromosomentrennung bei.

- die beiden Sätze von Tochterchromosomen kommen an den Polen der Spindel an und dekondensieren

- Eine neue Kernhülle setzt sich um jeden Satz wieder zusammen, schließt die Bildung von zwei Kernen ab und markiert das Ende der Mitose.

- Die Teilung des Zytoplasmas beginnt mit der Kontraktion des kontraktilen Rings

- das Zytoplasma wird durch einen kontraktilen Ring aus Aktin- und Myosinfilamenten in zwei Teile geteilt, um zwei Töchter mit jeweils einem Kern zu erzeugen.

Der Cohesin-Komplex hält replizierte Schwesterchromatiden zusammen.

Cohesin und Condensin fördern die Schleifenextrusion und regulieren die Faltung des Genoms.

Chromosomen werden durch die Zentromere zusammengehalten. Währen der Mitose setzt dort der Spindelapparat an, um die Chromosomen in zwei Schwesterchromatiden zu teilen.

der Spindelapparat beider Pole zieht je an einer Seite des Chromosoms 

Die Mikrotubuli binden nicht sofort an die Zentromere. Es benötigt einen gewissen Zug, damit dies funktionieren kann- Dieser wird nur dann erreicht, wenn an den Zentromeren von beiden Seiten gleichmäßig gezogen wird.

a) Schwesterchromatiden

b) Zentromere

c) Kinetochore

d) Zentrosomen

hängt von Genomstabilität und Haploidisierung ab aber auch auf die Fähigkeit, unerwünschte/beschädigte Zellen zu eliminieren..

Der programmierte Zelltod spielt eine entscheidende Rolle in der tierischen und pflanzlichen Entwicklung und auch im Erwachsenenalter. Es gleicht die Zellproliferation perfekt aus, so dass unser Gewebe nicht überwuchert oder unkontrolliert schrumpfen!

Apoptose ist eine Form des programmierten Zelltods, die in mehrzelligen Organismen auftreten kann.

Apoptose produziert Zellfragmente, die als apoptotische Körper bezeichnet werden, die phagozytische Zellen verschlingen und schnell entfernen können, bevor der Inhalt der Zelle auf die umgebenden Zellen übergehen und Schäden verursachen kann

Apoptose notwendig für:

- Normale Entwicklung

- Immunsystem

- eliminiert genetisch instabile Zellen

Initiation:

- Extrinsisch Typ 1

- Intrinsich Typ 2

- (stressreduziert Typ 3)

Bis zu 100 Milliarden Zellen sterben jeden Tag aufgrund von Apoptose beim durchschnittlichen menschlichen Erwachsenen. Bei einem durchschnittlichen Kind zwischen 8 und 14 Jahren sterben täglich etwa 20 bis 30 Milliarden Zellen ab.

Z.B. Apoptose während der Metamorphose einer Kaulquappe in einen Frosch.

Das Immunsystem muss geschult werden, damit es nicht die Körpereigenen Zellen angreift, da dieses stehts auf der Suche nach ungewollten Zellen ist. Immunzellen begehen Zelltod nach der Phagozytose eines Krankheitserregers.

Neben seiner Bedeutung als biologisches Phänomen sind defekte apoptotische Prozesse an einer Vielzahl von Krankheiten beteiligt.

-> Krebs, Atrophie

Biochemische Ereignisse führen zu charakteristischen Zellveränderungen (Morphologie) und Tod.

Zu diesen Änderungen gehören:

• Zellschrumpfung

• „Blubbern“

• Kernfragmentierung

• Chromatinkondensation

• chromosomale DNA-Fragmentierung.

→ Terminal deoxynucleotidyl transferase, Färbung der Zellen, welche sich in der Apoptose befinden

Form des traumatischen Zelltods, die aus einer akuten Zellverletzung resultiert

Apoptose hängt von einer intrazellulären proteolytischen Kaskade ab, die durch Caspasen vermittelt wird.

• Cysteinproteasen, die Substrate an bestimmten Asparaginsäuren spalten

• Synthetisiert als inaktive Vorläufer, Proskaspasen

• Aktiviert durch proteolytische Spaltung

• Die Spaltung führt zu einer kleinen und großen Untereinheit

>1000 Proteine werden von Caspasen identifiziert!!!

CAD: Caspase-aktivierte DNase

ICAD: Inhibitor von CAD

CAD kann die DNA in Fragmente teilen.

Apoptotisches Signal trifft auf ein Adapter Molekül

→ Diese interagieren mit den Initiator Caspasen

→ Sie bilden einen aktivierten Komplex

→ Exekutiv Caspasen werden aktiviert

→ Apoptose

Zelloberflächentodrezeptoren aktivieren den extrinsischen Weg der Apoptose.

Lymphozyten, können die präsentierten Rezeptoren der geschädigten Zelle erkennen & somit die einzelnen einleitungsschritte der Apoptose durchführen. Durch den nun ausgelösten Selbsttod Mechanismus, kommt es innerhalb der Zelle zur Aktivierung der Caspasen, welche zur Apoptose der Zelle führen.

FADD: Fas-assoziierte Todesdomäne

DISC: Death Inducing Signaling Complex

Der intrinsische (mitochondriale) Weg der Apoptose hängt von den Mitochondrien ab

Apoptotisches Signal stimuliert Mitochondrium

→ dieses setzt Cytochrome c frei

→ diese werden von einem Apaf erkannt

→ mehrere der gekoppelten Apaf bilden das Apoptosom

→ Apoptosom aktiviert Caspase

→ Apoptose wird durchgeführt

Apaf: Apoptotischer Protease-aktivierender Faktor

CARD-Bereich: Caspase-Rekrutierungsbereich

Wie stellen Zellen sicher, dass sie nicht versehentlich Apoptose auslösen, während sie sich bei Bedarf selbst töten?

Bcl2-Proteine regulieren den intrinsischen Weg der Apoptose. Dieses stellen sicher, dass Apoptose nur dann stattfindet, wenn es dem Organismus nicht schadet.

Kontrolle der Apoptose durch Steuerung der mitochondrialen äußeren Membranpermeabilisierung.

(Unser) Fortpflanzung hängt von der Zellproliferation ab

... die Fähigkeit, unerwünschte/beschädigte Zellen zu eliminieren...

… aber auch auf die Fähigkeit, unerwünschte/beschädigte Zellen zu eliminieren oder "einzufrieren"...

Seneszenz: ein zelluläres Programm, das einen stabilen Wachstumsstopp induziert, begleitet von deutlichen phänotypischen Veränderungen.

In vitro:

• Flach und groß

• vakuolisiert

• gelegentlich mehrkernig

In Vivo:

• Aufrechterhaltung der normalen Morphologie durch Gewebearchitektur

Andere charakteristische phänotypische Veränderungen:

• Chromatin-Remodellierung

• metabolische Programmierung

• erhöhte Autophagie

• Implementierung eines komplexen entzündungsfördernden Sekretoms

Wichtig: Seneszente Zellen sind nicht tot und weiterhin metabolisch aktiv!

Replikative Seneszenz:

1961 fanden Hayflick und Moorehead heraus, dass sich Fibroblastenkulturen, die aus der menschlichen Haut gewonnen wurden, 40- bis 50-mal teilen und dann aufhören und "Seneszenz" durchlaufen.

Weitere Arbeiten zeigten, dass Zellen von älteren Menschen weniger Teilungen durchliefen als Zellen von jüngeren Menschen, was darauf hindeutet, dass es die Gesamtzahl der Teilungen seit der Geburt war, nicht die Gesamtzahl der Teilungen in Kultur, die wichtig war. (gilt NICHT für alle Zellen, z.B. Keimbahn)

Jede Runde der DNA-Replikation lässt 50-200 bp DNA unrepliziert am 3'-Ende.

Telomere bieten auch ein Mittel zum "Zählen" der Zellteilung: Telomere verkürzen sich mit jedem Zyklus

Die zelluläre Seneszenz wird ausgelöst, wenn Zellen ein oder wenige kritisch kurze Telomere erwerben.

DANN-Schäden: (einschließlich onkogeninduzierter Seneszenz)

Seneszenz in der Entwicklung und in Stresssituationen hat viel gemeinsam.

Die Seneszenz ist eng verknüpft mit dem Alter. Eine hohe Anzahl alternder Zellen wird bei so ziemlich allen altersbedingten Erkrankungen beobachtet, wie Sie in dieser Tabelle zusammenfassen können.