Zellzyklus , Zellteilung , Zelldifferenzierung , Zelltod , Stammzellen , Keimzellen

1. Zellzyklus, Zellteilung, Zelldifferenzierung, Zelltod, Stammzellen, Keimzellen Orsolya Kántor Institut für Anatomie, Histologie und Embryologie Semmelweis Universität Budapest

2. Zellzyklus „Waschmaschineprogramm” Interphase: Vorbereitung auf die nächste Zellteilung, Wachstum, Verdoppelung der Erbsubstanz (S-Phase), Verdoppelung der Zellorganellen. Länge des Zyklus: 12-24 Stunden-1/2-1 Jahr!

3. Phasen des Zellzyklus, Kontrollpunkte G1: Ergänzung der Zellorganellen, ggf. DNS-Repair, Ausübung spezifischer Funktionen G0: „Ruhephase” (bez. Teilung!) Endstation: Neurone, Skelettmuskelfasern Zurück in den Zyklus: Lymphozyten, Leberzellen Metaphasen Kontrollpunkt S: Verdoppelung der DNS G2: Synthese des mitotischen Apparats Kontrollpunkte: G1/S: Sind die Umweltbedingungen für die Teilung günstig? Ist die DNS intakt? G2: Ist die DNS Verdoppelung vollständig? Ist die DNS intakt? Metaphase: Sind alle Chromosomen in der Equatorialplatte? Sind alle Chromatiden mit einem Pol verbunden?

4. Kontrolle des Zellzyklus – Cycline et Co. 1 Cyclinabhängige Kinasen (Cdk) Zyklische Aktivität → Protein- phosphorylation 2 Cycline: z. B.A, B1, B2, C, D, E Konzentration ändert sich zyklisch Konservativ Aktivieren cycliabhängige Kinasen 3 Cdk Inhibitore Hemmen die Entstehung und/oder Aktivität von Cycline/Cdk Komplex Hemmen das Fortschreiten des Zellzyklus

5. Kontrolle des Zellzyklus –Wachstumsfaktore Protoonkogene, Tumor Suppressor-Gene • Zusammenspiel positiver und negativer Wirkungen • Wachstumsfaktore (growth factors): • Polypeptide, parakrine Wirkung durch Membranrezeptore → Signaltransduktionskette → meistens Aktivierung des Zellzyklus • z. B. EPO, EGF, FGF, NGF, PDGF, TGF, Cytokine • Protoonkogene: • Kodieren meistens Proteine, die an Wirkung von Wachstumsfaktoren beteiligt sind • Mutation → Zellteilung wird auch ohne Wachstumsfaktore aktiviert! → Tumor! • z. B. sys, Erb-B, ras, jun, myc • Tumor Suppressor Gene: • Bremsen des Zellzyklus • Mutation → Tumore! • Z. B. p53 Gen, Retinoblastoma Gen • p53: Transkriptionsfaktor für cdk-Inhibitor → hemmt G1-S Übergang • Retinoblastoma Protein: bindet an und inaktiviert Transkriptionsfaktore, die Expression von Cyclinen oder Cdks regulieren

6. Zellteilung • Etwa 1 Stunde • Kernteilung: Mitose/Meiose • Cytoplasmateilung: Cytokinese • Einleitung: M-Cdk • Änderungen in der Zelle: (außer DNS) • Zellkontakte Kontakte zur ECM werden abgebaut • Kernlamina zerfällt • ER, Golgi-Apparat zerfallen • Zytoskelett wird umorganisiert, Zentrosom verdoppelt sich, Spindelapparat entsteht } M-Phase Änderungen der DNS: • Nach S Phase werden die Schwesterchromatiden zusammengehalten (Cohesine) • Verdichtung der Chromosomen (Condensine) → Metaphasechromosomen

7. Meiose:Teilung der Keimzellen • Zwei aufeinanderfolgende Teilungen → vier Tochterzellen • Crossing over, zufällige Verteilung der parental Chromosomen in die Tochterzellen → genetisch unterschiedliche Tochterzellen • Anzahl der Chromosomen in der Tochterzellen: 23 (1n, haploid) • Ziel: haploide Keimzellen • genetischer Vielfalt Zellteilung • Mitose: • Teilung der somatischen Zellen • Genetisch identische Tochterzellen • Anzahl der Chromosomen in der Tochterzellen: 46 (2n, diploid)

8. Mitotische/Teilungsspindel Zentrosom: rot Mikrotubuli: grün Chromosomen: blau Kinetochor: violett Aster, Teilungsstern

9. G2 Interphase: Ausgangspunkt zur Mitose • Verdoppelte Zentrosomen • Aufgelockerte Chromosomen, 2x2n!

10. Phasen der Mitose: Prophase • Verdoppelte Zentrosomen wandern zu gegenüberliegenden Zellpolen • Astral Mikrotubuli wachsen aus • Chromosomen weden sichtbar: Faden, Stäbchen • Zelle rundet sich ab • Zerfall von ER, Golgi → Vesikeln

11. Phasen der Mitose: Prometaphase • Kernlamin Phosphorylation → Kernhülle zerfällt • Mikrotubuli binden an Kinetochoren • Entstehung der Mitosespindel

12. Phasen der Mitose: Metaphase • Chromosomen werden in die äquatoriale Platte angeordnet • Chromatide sind durch kinetochore Mikrotubuli an einem Zellpol gebunden (ein Chromatid an einem, der andere an anderem Zellpol) → Metaphase Checkpoint

13. Phasen der Mitose: Anaphase • Cohesine werden abgebaut • Mikrotubuli verkürzen sich → Scwesterchromosomen wandern an entgegengesetzte Zellpolen • Interpolare Mikrotubuli werden durch Kinesine aneinandergleiten → Zelle wird in die Polenrichtung verlängert

14. Phasen der Mitose: Telophase • Chromosomen dekondersieren sich • Entsteht Kernhülle • Interpolare Mikrotubuli depolymerisieren

15. Cytokinese • Während der Telophase • Zellorganellen werden in die zwei Tochterzellen verteilt • Wiederentstehung von ER, Golgi, Kernhülle aus Vesikeln • Kontraktiler Ring aus kortikalen Aktinfilamenten, Abschnürung mithilfe Myosin • Teilungsfurche wird tiefer → zwei Tochterzellen Kontraktiler Ring Aktin: rot Myosin: grün

16. Meiose • Erste Reifeteilung: (Meiose 1) • Zwei diploide Tochterzellen • Anzahl der Chromosomen wird halbiert (23, 2n) • Genetische Rekombination: • crossing over • zufällige Verteilung der Chromosomen • Zweite Reifeteilung: (Meiose 2) • Insgesamt 4 Tochterzellen (23, 1n) • Einfache Mitose • Seggregation der Schwesterchromatiden

17. Meiose 1: Prophase 2 Zygotän: Paarung der homologen Chromosomen (synaptomales Komplex) gleiche Allele in gleicher Höhe 1 Leptotän: homologe Chromosomen kommen nebeneinander zu liegen (Tetradformation) 1 Zentromer/Chromosom 3 Pachytän: Rekombinationsknoten (1-3): DNS-Strang bricht, Austausch der Bruchstücke zwischen mü. u. va. Chromosomen → Mosaikchromosom aus mü. u. va. Stücken 4 Diplotän: synaptomales Komplex verschwindet, Chromosomen werden auseinandergezogen → Kreuzungen werden sichtbar (Chiasma, crossing over) 5 Diakinese: homologe Chromosomen werden durch die Chiasmata zusammengehalten Crossing over Umgebaute Chromosomen

18. Meiose: weiterer Verlauf • Meiose 1: Metaphase, Anaphase, Telophase • Ähnlich wie bei Mitose, Unterschiede: • Metaphase: Tetrade sind in der Metaphasenplatte aufgereiht • Anaphase: Chromosomen (aus 2 Chromatiden) werden bewegt • In den Tochterzellen: 23 Chromosomen (2n), zufällige Kombination von parentalen Chromosomen (>8 Mi. Variationen!) • Meiose 2: • Ohne vorherige DNS Replikation! • Wie Mitose, Chromatiden werden bewegt • 4 unterschiedliche haploide Tochterzellen mit 23 Chromosomen

19. Keimzellen – Ovum, Oozyt Größte Zelle des Körpers: 100 μm Im Zytoplasma: „Dotter”: 5%, Lipide, Kohlenhydrate (Reserve) Reserve RNS: m, t, r, für die frühe Entwicklung Kortikale Granulen: bei Fertilisation werden ausgeschüttet → binden an Zona pellucida, hemmen das Eindrigen weiterer Spermien Keine Zentriolen! Zona pellucida: Glykoprotein Hülle (ZP 1-4, ZP3: Rolle bei Spermienbindung) Mechanischer Schutz, Zusammenhalten der Blastomere, Barrier gegen Polyspermia Corona radiata: Aus Follikelepithelzellen Ernährende Funktion, Zellen stehen mit dem Oozyt durch Gap junctions in Verbindung Zellen der Corona radiata Zellkern Zona pellucida Mikrovilli Zellfortsatz ZP

20. Entwicklung der Eizellen - Oogenese Urkeimzellen: aus Dottersack Oogonien (2n) Vermehrungsphase (Mitosen) • Ort: Ovarium, ovarielle Follikeln • Asymmetrische Teilung: Oozyt-Polozyt • Meiose wird zweimal gestoppt: • In Prophase 1, Diplotän: • Mehrere Jahre, sogar 40 Jahre! • In Metaphase • Meiose 2 wird erst bei Befruchtung vervollständigt • Ohne Befruchtung: Oozyte stirbt in Metaphase 2 ab Wachstumsphase DNS-Synthese (4n), Wachstum primäre Oozyten (4n) Weiteres Wachstum Kortikale Granulen Zona pellucida Meiose 1 Reifungsphase Sekundäre Oozyten (2n) Polozyt (2n) Spermium (n) Meiose 2 Metaphase 2 Befruchtung Polozyt (n) Zygote

21. ~ 60μm lang, beweglich (gegen Flüssigkeitsstrom= Rheotaxis, opt. pH: 7,2-7,4) Kopf: Kern Acrosom: aus Golgi, Durchdrang durch Corona radiata, Zona pellucida Hals: prox. Zentriol dist. Zentriol → Basalkorn Mittelstück: Kinozilium Mitochondrien (24) lat. Fasern: Keratin Hauptstück: Kinozilium Faserring Spermium Acrosomale Kappe

22. Entwicklung der Spermien: Spermiogenese Zellen aus einem Spermatogonium werden durch Zytoplasmabrücken verbunden Spermatozytogenese (Vermehrungsphase) Mitosen Meiose (Reifungsphase) Spermiohistogenese (Differenzierungsphase)

23. Spermiohistogenese (Spermatide → Spermium) • Keine Teilung, nur Umgestaltung • Zytoplasmabrücken zwischen den Spermatiden werden getrennt • Zellkernkondensation • Golgi-App. → Acrosom • Wanderung von Mitochondrien, Zentrosomen • Dist. Zentrosom → Schwanzfaden • Zytoplasmateile werden phagozytiert

24. Differentiation Determination:Festlegung des Schicksals der Zellen während der Entwicklung Differentation: strukturelle und funktionelle Spezialisation der Zellen, Änderung der Genexpression (Ein- oder Ausschalten spezieller Gene) Oft Kaskade: Mastergene (z. B. MyoD bei Muskeldifferentation) schalten weitere Gene ein, die wiederum weitere Gene aktivieren u. s. w. Geht meistens mit Einengung der Entwicklunspotenzial einher. Entwicklungspotenzial: toti/omnipotent: Zygote, frühe Blastomere →zu allen Zelltypen pluripotent: zu Zellen aller 3 Keimblätter multipotent: zu näher verwandten Zelltypen unipotent Differenzierte Zellen befinden sich oft in G0 Phase.

25. Stammzellen • Unspezialisierte Zellen mit zwei wichtigen Eigenschaften: • 1 können sich zu anderen Zelltypen differenzieren • 2 die Stammzellpopulation ist selbsterhaltend (self renewal) • Formen: • Embryonale Stammzellen: Blastozyten • Adulte Stammzellen: in Erwachsenen, nicht oder wenig differenzierte Zellen, niedrige Teilungsrate! • Rolle: normales Turnover regenerativer Organe (Haut, Darm) • Reparation • Nabelschnurstammzellen Haematopoetische (multipotente) Stammzelle • Potenzial der Stammzellen: • Totipotent • Pluripotent • Multipotent (adulte) • Unipotent (z. B. Spermatogonium, Oogonium) Zukünftige Verwendung: Zellersatz: Knochenmark, Neurone, Herzmuskulatur, Pancreas β-Zellen

26. Zelltod • Apoptose (~Selbstmord) • Programmierter Selbstmord • Zelle schrumpft • veränderte Chromatinstruktur • Zytoplasma und Kern wird fragmentiert (apoptotic bodies) • Kreuzverbindungen zw. Proteinen • Zelle wird von Fresszellen erkannt und phagozytiert • Zelle verschwindet schnell und ohne Spuren • Necrose (~Mord) • durch externe Faktore schwer beschädigte Zellen • Zelle desintegriert • Zelle schwillt an und „explodiert” • Membrane rupturieren • Zytosol und Organellen kommen in die Umgebung • Leukozyten werden angelockt → Entzündungsreaktion

27. Apoptose Zellvermehrung und Zelltod sollte im Gleichgewicht stehen Entfernt werden sollen: überaltete Zellen überflüssige Zellen geschädigte Zellen (Tumor, Virusinfektion, DNS-Schädigung et c.) Zellkern: Chromatin: helle und dunkle Gebiete, Pyknosis (Schrumpfung), Karyorhexis (Fragmentierung) DNS wird gespalten (Endonuklease) → ELFO: DNS Leiter Zellmembran: Phosphatidilserin wandert in äußere Lipidschicht → Signal für Fresszellen zur Phagozytose Apoptose EM DNS ELFO Apoptotische Zellen

28. Molekulare Mechanismen der Apoptose - Caspasen Caspasen: Protease, die Peptidketten am Aspartat spalten Ein Caspase aktiviert den nächsten → Kaskade, auch Verstärkung Initiator Caspasen: Caspase 2, 8, 9, 10 Effektor- Caspasen: Caspase 3, 6, 7 Substrate der Caspasen: Lamin in Kernlamina → Kernlamina zerfällt Adhäsionsmoleküle, Zytoskelett → Zelle verliert den Kontakt mit den Nachbarn, wird abgerundet Endonuklease Inhibitor Protein → Endonuklease wird aktiviert, DNS wird gespalten Transglutaminase → Kreuzverbindungen zw. Proteinen Signale zur Caspasen-Aktivation: Von Außen: Fas-Ligand: wirkt durch Death-Rezeptore Mangel an Wachstumsfaktoren Von Innen: Cytochrom-C Ausstrom aus Mitochondrien p53

29. Rolle für Apoptose • In Embryonalentwicklung: (ontogenetic cell death) • Entstehung der Höhle des Blastozyste • Trennung der Fingern/Zehen • Entstehung von Gelenkhöhlen • Rückgang des Wolff/Müller-Ganges • Elimination überzähliger Neurone • In Erwachsenen: • Elimination überflüssiger Oogonien/Spermatogonien • Elimination autoreaktiver T-Lymphozyten, Absterben von B-Zellen ohne Antigenstimulation • Rückgang hormonsensitiver Drüsen: Milchdrüse nach Abstillen, Prostata, Endometrium • Wenn die Apoptose gestört ist: • Entwicklungsstörungen • Autoimmunität • Tumore • Neurodegenerative Erkrankungen Syndaktilia

30. Danke für die Aufmerksamkeit! Verwendete Literatur: Welsch: Lehrbuch Histologie Röhlich: Szövettan Alberts: Lehrbuch der molekularen Zellbiologie Folien von Prof. Pál Röhlich