Zellzyklus: Perioden und Kontrolle des Zelllebenszyklus

In diesem Artikel erfahren Sie mehr über die Perioden und die Kontrolle des Zelllebenszyklus!

Der Zellzyklus (Howard und Pelc, 1953) ist eine Reihe von Veränderungen, die in einer neu gebildeten Zelle auftreten und deren Wachstum und Teilung zu zwei Tochterzellen führen.

Es besteht aus zwei Zuständen, einer langen, sich nicht teilenden, wachsenden I-Phase oder Interphase und einer kurzen, sich teilenden M-Phase oder einer mitotischen Phase. Interphase ist eine Reihe von Veränderungen, die in einer neu gebildeten Zelle und ihrem Zellkern stattfinden, bevor sie sich wieder teilen kann. Daher wird es auch als Intermitose bezeichnet. Interphase kann nicht als Stadium der Mitose aufgeführt werden.

Es ist eine kritische Zeit im Hinblick auf die Vorbereitung der Zellteilung, da während dieser Phase eine Duplizierung von Chromosomen in mitotischen Zellen und eine Verdoppelung der Zellgröße auftritt. Die Interphase nimmt die Zeit zwischen dem Ende der Telophase und dem Beginn der nächsten Prophase ein. Die Dauer der Interphase variiert von Organismus zu Organismus und nimmt 75 bis 90% der gesamten Erzeugungszeit ein.

Perioden des Zellzyklus:

Der Zellzyklus ist in vier Perioden unterteilt: G ₁, S, G ₂ und Mitose. Auf der Grundlage der synthetischen Aktivitäten wird die Interphase in drei Teilstufen unterteilt. Gj, S und G2 (G steht für Wachstum und S für Synthese).

1. G ₁ -Phase:

G der Interphase variiert in der Zeitdauer und nimmt 25 bis 50% der Interphasenzeit ein. G ₁ ist die Zeit "Lücke" zwischen dem Ende der Mitose und dem Beginn der DNA-Synthese (S-Phase). Es ist die variabelste Periode; Abhängig von den physiologischen Bedingungen der Zellen kann es Tage, Monate oder Jahre dauern. Zellen, die aufhören, sich zu vermehren, werden an einem bestimmten Punkt von G ₁ angehalten und verbleiben im G ₁ -Zustand aus dem Zellzyklus.

Der wichtigste Punkt bei der Regulierung der Zellproliferation tritt während G auf, wenn die entscheidende Entscheidung getroffen wird, ob die Zelle einen neuen Teilungszyklus durchläuft oder in den G ₀ -Zustand gelangt, aber wie dies erreicht wird, ist nicht bekannt. Die G-Stufe ist durch eine Reihe von Aktivitäten zur Vorbereitung der S-Phase gekennzeichnet und umfasst die Synthese und Organisation der Substrate und Enzyme, die für die DNA-Synthese erforderlich sind. Daher ist G, durch die Synthese von RNA und Protein gekennzeichnet.

2. S-Phase:

Es ist die Zeit der DNA-Synthese. Die Chromosomen replizieren hierfür (DNA-Moleküle fungieren als Templat und bilden Kohlenstoffkopien. Der DNA-Gehalt verdoppelt sich, und es werden doppelte Gene erzeugt. Mit der Replikation von DNAs werden neue Chromatinfasern gebildet, die jedoch paarweise gebunden bleiben.

Da Chromatinfasern langgestreckte Chromosomen sind, hat jedes Chromosom zwei Schwesterchromatide, die am Zentromer gebunden bleiben. Die S-Phasenzellen enthalten Faktoren, die die DNA-Synthese induzieren. Histone werden während der S-Phase synthetisiert, dem Zeitraum, in dem sie mit der neu replizierten DNA assoziiert werden.

Die Unterstufe hat eine relativ konstante Dauer unter ähnlichen Zellen einer Spezies und nimmt 35 bis 40% der Interphasenzeit ein.

3. G ₂ -Phase:

Diese Phase folgt der DNA-Synthese und geht der Mitose (M) voraus. Sie ist oft durch ein erhöhtes Kernvolumen und im Durchschnitt gekennzeichnet; Die Dauer von G ₂ ist der Mitose ähnlich, 1 bis 4 Stunden. Bezeichnenderweise ist G ₂ die Zeit, während der bestimmte Stoffwechsel- und Organisationsereignisse auftreten, die Voraussetzungen für eine Mitose sind.

In dieser Phase werden Proteine ​​hergestellt, die zur Bildung von Spindelfasern benötigt werden. In frühem G ₂ werden Ribosomen synthetisiert, die für den nachfolgenden Zellzyklus reserviert sind. Messenger-RNA (mRNA) wird auch in G _{2 hergestellt} .

Vor der DNA-Synthese (in G) erscheint jedes Chromosom normalerweise als Einzelstrang und daher ist der DNA-Wert 2C, aber nach S erscheint das Chromosom in G2 als zwei strängige Chromatiden und der DNA-Gehalt hat einen 4C-Wert.

Im S-Stadium hat der DNA-Gehalt einen 4C-Wert. Wenn Mitose auftritt, wird der DNA-Wert auf den 2C-Wert zurückgesetzt, oder wenn Meiose auftritt, hat jedes Produkt eine DNA-Konstante von 1C. Die Synthese von RNA findet während der gesamten Interphase statt, im Gegensatz zur DNA-Synthese, die nur in der S-Phase stattfindet. Die Synthese der RNA wird während der S-Phase und der M-Phase nach zwei Perioden abgebrochen.

Kontrolle des Zellzyklus:

1. Kontrollpunkte und ihre Regelung:

Die Einleitung eines Zellteilungszyklus erfordert das Vorhandensein von extrazellulären Wachstumsfaktoren oder Mitogenen, bei deren Abwesenheit sich die Zellen aus dem Zellzyklus in G ₁ zurückziehen und in die G ₀ -Ruhephase eintreten. Der Punkt in G _1, an dem Informationen bezüglich der Umgebung der Zelle bewertet werden, und die Zelle entscheidet, ob ein anderer Teilungszyklus eintreten soll, wird als Restriktionspunkt (oder R-Punkt) bezeichnet. Zellen, die vor dem Erreichen des R-Punktes an Mitogenen hungern, treten erneut in G _{0 ein} und versagen 10 der Zellteilung.

Zellen, die nach Durchlaufen des R-Punktes an Mitogenen hungern, setzen sich durch den Zellzyklus fort, um die Zellteilung abzuschließen, bevor sie in G _{0 gelangen} . Bei den meisten Zelltypen tritt der R-Punkt einige Stunden nach der Mitose auf. Der R-Punkt ist von entscheidender Bedeutung für das Verständnis der Verpflichtung von Zellen, einen Zellteilungszyklus zu durchlaufen. Das Intervall in G zwischen Mitose und dem R-Punkt ist die Periode, in der das Mehrfachsignal zusammenfällt und in Wechselwirkung tritt, um das Schicksal der Zelle zu bestimmen.

Die Teile des Zellzyklus, beispielsweise der R-Punkt, an denen der Prozess gestoppt werden kann, werden als Prüfpunkte bezeichnet. Prüfpunkte funktionieren während der Lückenphasen. Diese stellen sicher, dass die Zelle befähigt ist, eine weitere Runde der DNA-Replikation (am R-Punkt in G, Phase) zu durchlaufen und dass die Replikation der DNA vor der Zellteilung erfolgreich abgeschlossen wurde (G ₂ -Phasen-Checkpoint).

2. Cycline und Cyclin-abhängige Kinasen:

Ein Hauptmechanismus für die Kontrolle des Zellzyklusprogresses ist die Regulation der Proteinphosphorylierung. Dies wird durch spezifische Proteinkinasen kontrolliert, die aus einer regulatorischen Untereinheit und einer katalytischen Untereinheit bestehen. Die regulatorischen Untereinheiten werden Cycline genannt, und die katalytischen Untereinheiten werden Cyclin-abhängige Kinasen (CDKs) genannt.

Die CDKs haben keine katalytische Aktivität, sofern sie nicht mit einem Cyclin assoziiert sind und jedes mit mehr als einer Art von Cyclin assoziieren kann. Das CDK und das in einem spezifischen CDK-Cyclin-Komplex vorhandene Cyclin bestimmen gemeinsam, welche Zielproteine ​​durch die Proteinkinase phosphoryliert werden.

Es gibt drei verschiedene Klassen von Cyclin-CDK-Komplexen, die entweder den G _{1 -}, S- oder M-Phasen des Zellzyklus zugeordnet sind.

(i) Die G ₁ CDK-Komplexe bereiten die Zelle für die S-Phase vor, indem Transkriptionsfaktoren aktiviert werden, die die Expression von für die DNA-Synthese erforderlichen Enzymen und die Gene für die S-Phase-CDK-Komplexe bewirken.

(ii) Die S-Phase-CDK-Komplexe stimulieren den Beginn der organisierten DNA-Synthese. Die Maschinerie stellt sicher, dass jedes Chromosom nur einmal repliziert wird.

(iii) Die mitotischen CDK-Komplexe induzieren eine Chromosomenkondensation und eine geordnete Chromosomentrennung in den beiden Tochterzellen.

Die Aktivität der CDK-Komplexe wird auf drei Arten reguliert:

(i) Durch Steuerung der Transkription der CDK-Komplex-Untereinheiten.

(ii) durch Inhibitoren, die die Aktivität der CDK-Komplexe verringern. Zum Beispiel werden die mitotischen COK-Komplexe in der S- und G.-Phase synthetisiert, ihre Aktivität wird jedoch so lange unterdrückt, bis die DNA-Synthese abgeschlossen ist.

(iii) durch organisierte Proteolyse der CDK-Komplexe in einem definierten Stadium des Zellzyklus, wo sie nicht mehr benötigt werden.

3. Regulierung durch E2F und Rb:

Die Zellzyklusprogression durch G. und in die S-Phase wird zum Teil durch Aktivierung (und in einigen Fällen Hemmung) der Gentranskription reguliert, wohingegen die Progression durch die späteren Zellzyklusphasen primär durch posttranskriptionelle Mechanismen reguliert zu sein scheint. Das Passieren des Schlüssels G ₁ R hängt entscheidend von der Aktivierung des Transkriptionsfaktors E2F ab.

E2F stimuliert die Transkription und Expression von Genen, die Proteine ​​codieren, die für die DNA-Replikation und Desoxyribonukleotidsynthese erforderlich sind, sowie für Cycline und CDKs, die in späteren Zellzyklusphasen erforderlich sind. Die Aktivität von E2F wird durch die Bindung des Proteins Rb (das Retinoblastom-Tumorsuppressorprotein und verwandte Proteine) gehemmt.

Wenn Rb hypophosphoryliert (unterphosphoryliert) ist, wird die E2F-Aktivität inhibiert. Die Phosphorylierung von Rb durch Cyclin-CDK-Komplexe während der mittleren und späten G ₁ -Phase setzt E2F frei, so dass es die Transkription aktivieren kann.

4. Aktivierung und Hemmung des Zellzyklus:

Kleine Inhibitorproteine ​​können die Zellzyklusprogression durch Unterdrückung der Aktivität von Cyclin-CDK-Komplexen verzögern. Es gibt zwei Klassen dieser Inhibitoren, CIP-Proteine ​​und INK4-Proteine.