Mitose
Bei der Mitose (Kernteilung) wird das gesamte Genmaterial einer Zelle erbgleich an zwei Tochterzellen weitergegeben. Solche Zellteilungen sind nötig, wenn ein Organismus durch Zellvermehrung wachsen will oder wenn er zugrunde gegangene Zellen ersetzen muss.
Der Zellzyklus
Zellen, die sich teilen, durchlaufen eine regelmässige Abfolge von Zuständen, welche sich von Generation zu Generation wiederholen. Man spricht deshalb von einem Zellzyklus. Die eigentliche Zellteilung, welche als M-Phase bezeichnet wird, macht nur einen kleinen Teil des Zyklus aus. Die Interphase, die Zeit zwischen zwei Zellteilungen, beansprucht dafür etwa 95 % des ganzen Zellzyklus. Sie setzt sich aus G1-Phase, G2-Phase (G für Gap, Lücke, da keine DNA-Synthese nachzuweisen ist) und dazwischenliegender S-Phase (S für DNA-Synthese) zusammen. Die Dauer der einzelnen Phasen ist stark vom Zelltyp und den äusseren Bedingungen abhängig.
Schematische Darstellung
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Schematische Darstellung des ZellzyklusDie angegebenen Zeiten gelten für eine Maus-Hepatom-Zelllinie.
Bildquelle: Traut: "Chromosomen - klassische und molekulare Cytokinetik",Springer-Verlag, 1. Auflage 1991, ISBN 3-540-53319-2
S-Phase: (6-10 h): Die Verdoppelung der DNA, die Replikation, findet in der S-Phase (S für Synthese) statt.
G2-Phase: (2-4 h): Die Zelle bereitet sich auf die Zellteilung vor. Die Produktion des Mitose-promoting-factors leitet zur M-Phase über.
M-Phase: (3-4 h): Die Mitose-Phase wird weiter in sechs Stadien unterschiedlicher Länge unterteilt: Prophase, Prometaphase, Metaphase, Anaphase, Telophase und Cytokinese.
Wie bestimmt man die Dauer der einzelnen Zyklusphasen?
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Wie bestimmt man die Dauer der einzelnen Zyklusphasen?Die Dauer einer Zyklusphase entspricht ungefähr dem Bruchteil an Zellen, die sich zu einem beliebigen Zeitpunkt in dieser Phase befinden, multipliziert mit der Gesamtdauer des Zyklus. Aber wie weiss man, in welcher Phase sich eine Zelle befindet? Radioaktiv markiertes [3H]-Thymidin kann in DNA, nicht aber in RNA eingebaut werden. Gibt man nun einer Zellkultur für unterschiedlich lange Zeiträume [3H] -Thymidin-Lösung zu, so lassen sich die Zellen, die während der S-Phase [3H] -Thymidin in die DNA eingebaut haben, mittels Autoradiographie bestimmen. Mikroskopisch muss noch ermittelt werden, wieviele Mitosezellen sich unter den radioaktiv markierten Zellen befinden.
Das Prinzip der Zellteilung
Eine Zelle, die sich teilen will, muss in der S-Phase ihren DNA-Gehalt verdoppeln. Im Verlaufe der M-Phase trennen sich die beiden Chromatiden eines jeden Chromosoms und wandern zu entgegengesetzten Zellpolen. Damit ist sichergestellt, dass die bei der darauffolgenden Teilung entstehenden Tochterzellen dasselbe Erbgut wie ihre Mutterzelle erhalten.
Schema
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Resultat: Die beiden Tochterzellen haben die gleiche Erbinformation wie die Mutterzelle.Bildquelle: Alberts et al,: "Molekularbiologie der Zelle",
VCH, 2. Auflage 1990, ISBN 3-527-27983-0 und 3. Auflage 1995, ISBN 3-527-30055-4
Vergleich mit Meiose
Syntax der Sonderzeichen:
In dieser Unterlage wird bei einigen Abbildungen eine spezielle Schreibweise für Chromosomen verwendet, die sich zum Verständnis von Mitose und Meiose gut eignet. Sie werden wahrscheinlich später immer wieder auf folgende Darstellung der Syntax zurückgreifen müssen:
Beispiele:
11m und 11w bilden ein Chromosomenpaar. 11m ist also das homologe Partnerchromosom von 11w.
Wie wird die Mitose gesteuert?
Damit eine Zellteilung reibungslos abläuft, sind Steuersignale nötig, die ungewollte Aktionen verhindern und stattdessen ein koordiniertes Nebeneinander vieler Reaktionen gewährleisten sollen. So soll etwa der Eintritt in die M-Phase verwehrt werden, wenn die Zelle ihre DNA-Replikation noch nicht abgeschlossen hat. Zur Zeit sind folgende Steuersignale bekannt:
- der S-Phase-Aktivator: er setzt die DNA-Replikation in Gang
- der M-Phase-Verzögerungsfaktor: er ist möglicherweise mit dem S-Phase-Aktivator identisch und verhindert den Übertritt von der G2- in die M-Phase, indem er die Synthese des M-Phase-Förderfaktors unterdrückt.
- der M-Phase-Förderfaktor MPF (engl. "Mitose-promoting-factor"): er ist eine Kinase und leitet durch Phosphorylierung verschiedener Proteine (darunter das Histon H1) die Prophase der Mitose ein.
Experimentelle Befunde
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Wie wird die Mitose gesteuert? Experimentelle Befunde bestätigen die
Regelmechanismen:Eine Zelle A im G2-Stadium kann durch Fusion mit einer Zelle B im S-Stadium daran gehindert werden, in die M-Phase überzutreten. Interpretation: offenbar wird während der S-Phase ein M-Phase-Verzögerungsfaktor produziert, der verhindert, dass eine Zelle mit nicht replizierter DNA (fatal!) sich teilt.
Fusioniert man eine Zelle A, welche sich in der M-Phase befindet, mit einer Zelle B in der Interphase (G1-, S- oder G2-Phase), so beginnt sich Zelle B zu teilen, obwohl sie unter Umständen ihre DNA noch gar nicht repliziert hat!
Interpretation: Zelle A enthält den sehr potenten M-Phase-Förderfaktor (MPF), der in jeder Phase des Zellzyklus wirkt und in Zelle B eine Mitose auslöst. Obwohl der M-Phase-Verzögerungsfaktor die Synthese von MPF normalerweise verhindert, bis die gesamte DNA repliziert ist, kann er gegen einen künstlich zugegebenen MPF nichts ausrichten.
Prophase
Die durch die MPF katalysierte Phosphorylierung von Laminin führt zur Auflockerung und schliesslich zur Auflösung der Faserschicht um den Kern. Es wird angenommen, dass analog dazu die Phosphorylierung des Histons H1 die Chromosomenkondensation herbeiführen könnte. Mit der langsam fortschreitenden Verdichtung der Chromosomen löst sich auch der Nucleolus auf. Die beiden Zentriolenpaare trennen sich zunehmends voneinander und wandern der Aussenseite der Kernmembran entlang auf entgegengesetzte Seiten. Die Mikrotubuli, die in der Interphase noch Bestandteil des Cytoskeletts waren, zerfallen und organisieren sich als Polstrahlen, welche sternförmig von den Zentriolenpaaren ausgehen. Am Centromer eines jeden Chromosoms haften verschiedenste Proteine und bilden gegen Ende der Prophase an jedem Chromatid ein Kinetochor aus.
Illustration mit Legende
Bildquelle: Langman, Jan: "Medizinische Embriologie"
8. Auflage 1989, Georg Thieme Verlag Stuutgart - New York
Prometaphase
Die beginnende Auflösung der Kernmembran in kleine Vesikel markiert den Übergang von der Prophase in die Prometaphase. Dadurch, dass die das Kerngebiet schützende Hülle langsam verschwindet, können die Polstrahlen auch zu den Chromosomen vordringen. Einige haften an die Kinetochoren und werden deshalb als Kinetochormikrotubuli bezeichnet. Mikrotubuli, die zwar an der Ausbildung der Spindel teilhaben, aber nicht an die Chromosomen gebunden sind, nennt man Polmikrotubuli. Mikrotubuli-assoziierte Proteine binden an die Enden von solchen Polmikrotubuli, welche von verschiedenen Zentriolen ausgehen, und schützen diese vor spontanem Zerfall. Astraltubuli sind ganz kurze Mikrotubuli, welche gar nicht zu den Chromosomen gelangen, sondern auf die nahgelegene Zellmembran weisen.
Die beiden Kinetochoren eines Chromosoms müssen über Kinetochormikrotubuli mit verschiedenen Spindelpolen verbunden werden. Dadurch ist nämlich gewährleistet, dass später die Schwesterchromatiden auch wirklich in verschiedene Tochterzellen gelangen.
Die Prometaphase ist ein Zeitraum heftigster Aktivität: Die Chromosomen, die sich weiter verdichten, werden - an den Mikrotubuli aufgehängt - wie Marionetten auf eine Ebene gelenkt. Die Zugkräfte, die auf die Chromosomen wirken, sind nämlich umso grösser, je grösser der Abstand zwischen Kinetochor und Zentriole ist. Dadurch wird nach einigem Hin- und Herpendeln ein stabiler Gleichgewichtszustand in der Metaphasenplatte gefunden.
Illustration mit Legende
Bildquelle: Langman, Jan: "Medizinische Embriologie"
8. Auflage 1989, Georg Thieme Verlag Stuutgart - New York
Metaphase
Auch jetzt, wo sich die maximal kondensierten (Metaphase-) Chromosomen auf der Metaphasenplatte oder Äquatorialebene befinden, wirken noch starke Zugkräfte (ein Experiment
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Folgendes Experiment zeigt die noch vorhandenen starken Zugkräfte:Trennt man die Verbindung zwischen Kinetochor und Zentriole auf nur einer Seite mit einem Laser durch, so bewegen sich die Chromosomen zu dem Spindelpol, mit dem sie noch verbunden sind.
Die Metaphase dauert verhältnismässig lange und ist deshalb auch im Mikroskop oft sichtbar. Man nimmt an, dass Chromosomen, deren Kinetochoren noch nicht an Mikrotubuli gekoppelt sind, ein Signal aussenden, welches die Trennung der Chromatiden und damit die Anaphase hinauszögert. In der Praxis werden Metaphase-Chromosomen zur Erstellung eines Karyogramms analysiert.
Illustration mit Legende
Bildquelle: Langman, Jan: "Medizinische Embriologie"
8. Auflage 1989, Georg Thieme Verlag Stuutgart - New York
Bildquelle: Alberts et al,: "Molekularbiologie der Zelle", VCH,
2. Auflage 1990, ISBN 3-527-27983-0 und 3. Auflage 1995, ISBN 3-527-30055-4
EM-Bild einer Metaphase
Anaphase
In der Anaphase trennen sich die Chromatiden abrupt voneinander und werden von den Kinetochormikrotubuli zu den beiden Zellpolen gezogen. Die Segregation der Schwesterchromatiden wird durch Anstieg der Ca2+-Konzentration im Cytosol initiiert.
Experimente, die dies illustrieren.
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Experimente zur Anaphase> Kappt man die Verbindung zwischen Kinetochor und Centrosom auf beiden Seiten der Metaphasenplatte, so trennen sich die Chromatiden immer noch voneinander.
> Injiziert man einer teilungsfähigen Zelle das Protein Aequorin, so beobachtet man während der Anaphase einen Calciumanstieg um das Zehnfache des Normalwerts.Aequorin kann zur Messung von Calcium verwendet werden, weil es in Anwesenheit von Calcium Lichtblitze emmitiert.
> Eine Anaphase kann frühzeitig ausgelöst werden, indem man einer Zelle im Metaphasenstadium Calcium von Aussen zugibt.
> In der Nähe der Spindelpole konnten Membranvesikel gefunden werden, welche reich an Calcium waren. Es wäre möglich, dass diese Vesikel - analog dem sarkoplasmatischen Retikulum in Muskelzellen - die nötigen Calciumionen bereitstellen.
Bildquelle: Langman, Jan: "Medizinische Embriologie"
8. Auflage 1989, Georg Thieme Verlag Stuutgart - New York
Bildquelle: Alberts et al,: "Molekularbiologie der Zelle", VCH,
2. Auflage 1990, ISBN 3-527-27983-0 und 3. Auflage 1995, ISBN 3-527-30055-4
In der Anaphase A verkürzen sich die Kinetochormikrotubuli unter Dissoziation der Mikrotubuliuntereinheiten an dem dem Kinetochor zugewandten Ende, so dass sich die Chromosomen zwangsläufig den Zentriolen nähern müssen.
Zwei Modelle
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Zwei Modelle werden gegenwärtig zur Erklärung der Mechanismen in der Anaphase A
herbeigezogen:In Modell A bewirken ATP-abhängige Proteine wie Kinesin und Dynein am Kinetochor eine polwärts gerichtete Kraft und den Abbau des Mikrotubulus.
In Modell B wird die Chromosomenbewegung durch den Abbau der Mikrotubuli selbst angetrieben, indem ein dem Kinetochor assoziiertes Protein eine grosse Affinität für polymerisiertes Tubulin besitzt.
Die Anaphase B ist gekennzeichnet durch das Längenwachstum der Polmikrotubuli. Da entgegengesetzt polarisierte Polmikrotubuli in der Metaphasenplatte durch Proteine miteinander verbunden sind, kann man sich leicht vorstellen, dass sich durch ständigen Zuwachs an Mikrotubuliuntereinheiten die beiden Zentriolen voneinander "abstossen". Hinzu kommt, dass die Spindelpole offenbar unter Einwirkung der Astralmikrotubuli an die Zellmembran gelenkt werden.
Anaphase A und B lassen sich experimentell unterscheiden
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Anaphase A und B lassen sich experimentell unterscheiden, indem man durch Zugabe von Chloralhydrat die Bewegung der Pole verhindert: Obwohl damit die Anaphase B blockiert ist, entfernen sich die Schwesterchromatiden zunehmend voneinander,
weil Chloralhydrat keinen Einfluss auf die Anaphase A hat.
Die Kinetochormikrotubuli sind in der späten Anaphase fast völlig zerfallen und die Chromosomen somit an ihrem Bestimmungsort, den Polen, angelangt.
Telophase
In der Telophase bildet sich um jede der beiden Chromosomengruppen durch Fusion von Vesikeln eine neue Kernmembran und die Chromosomen werden zum Interphasen-Chromatin entspiralisiert. Die RNA-Synthese wird wieder in Gang gesetzt und neue Proteine werden synthetisiert. Der Nucleolus als Ort der rRNA-Synthese ist nun mikroskopisch wieder zu sehen.
Bildquelle: Langman, Jan: "Medizinische Embriologie"
8. Auflage 1989, Georg Thieme Verlag Stuutgart - New York
Cytokinese
Obwohl die Cytokinese, die Teilung des Zytoplasmas, schon in der Anaphase beginnt, wird sie aus didaktischen Gründen erst jetzt behandelt. Die Teilung der Zelle in zwei Tochterzellen erfolgt durch einen kontraktilen Ring, der Actin und Myosin enthält. Ein schwaches Verbindungsstück, der Mittelkörper, bleibt noch eine Weile als dünne Brücke zwischen den beiden Zellen bestehen. Er enthält die überlappenden Mikrotubuli.
Weil sich die Teilungsfurche immer auf Höhe der Äquatorialebene ausbildet, ist gewährleistet, dass jede künftige Tochterzelle nur einen Kern erhalten wird. Meist liegt die Metaphasenplatte gerade in der Mitte der Mutterzelle, und es entstehen so zwei gleich grosse Tochterzellen; in bestimmten Fällen können sich durch asymmetrische Lage der Spindel zwei unterschiedlich grosse Zellen entwickeln.
Lage der Teilungsfurche
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Lage der Teilungsfurche:Folgende Experimente zeigen, dass die Mitosespindel die Lage der Teilungsfurche bestimmt:
- Eine beginnende Furchung erkennt man an einer leichten Runzelung der Zellmembran. Verändert man in einer solchen Zelle die Lage der Spindel, so verschwindet die Furchung wieder und es bildet sich eine neue dort, wo sich nun die Spindel befindet.
- Wenn man die Spindel einer Mitosezelle zur Seite schiebt, bildet sich eine einseitige Furchung aus und es entsteht eine zweikernige Zelle:
Bildquelle: Alberts et al,: "Molekularbiologie der Zelle", VCH, 2. Auflage 1990,ISBN 3-527-27983-0 und 3. Auflage 1995, ISBN 3-527-30055-4
Die genauen Mechanismen, die zur Trennung der Mutterzelle in zwei Tochterzellen führen, sind noch längst nicht in allen Details bekannt. Fest steht aber, dass dabei ungeheure Kräfte wirken: So wird z. B. eine in die Zelle eingeführte feine Glasnadel durch den Druck des immer enger werdenden Rings entzwei gebrochen!
Sehen Sie sich einige Mitosefiguren an. Können Sie die verschiedenen Phasen zuordnen? Denken Sie daran, dass die Metaphase am längsten dauert und deshalb viele Zellen in diesem Stadium zu finden sind. Entsprechend werden Sie weniger Zellen in der Anaphase entdecken.
Zellorganellen bei Zellteilungen
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Zellorganellen bei Zellteilungen:In vielen Lehrbüchern wird zwar ausführlich über das Verhalten der Chromosomen bei Zellteilungen berichtet, wie es sich aber mit andern Zellorganellen - die ja volumenmässig den grösseren Teil ausmachen und für eine Zelle von ebensogrosser Wichtigkeit sind - auf sich hat, wird oft verschwiegen. In diesem Abschnitt wird kurz geschildert, wie einige wichtige Zellorganellen auf die Tochterzellen verteilt werden:
Kernhülle: Wie schon oben gezeigt, löst sie sich am Ende der Prophase in kleine Vesikel auf. In der Telophase fusionieren diese um jede Chromosomengruppe wieder zu zwei vollständigen Kernmembranen.
Zentriolen: In der G1-Phase des Zellzyklus rücken die Zentriolen ein kleinwenig auseinander. Rechtwinklig zu jeder alten Zentriole wächst nun zwischen der S- und der G2-Phase je eine Tochterzentriole heran. Die beiden Zentriolenpaare sind anfangs noch gemeinsam in ein Centrosomenmaterial eingebettet, trennen sich dann zu Beginn der M-Phase zunehmends voneinander und erhalten so je ein eigenes Mikrotubuliorganisierendes Zentrum.
Cytoskelett: Die Actinfilamente und die Mikrotubuli zerfallen in ihre Untereinheiten (G-Actin bzw. - und -Tubulin) und werden so mehr oder weniger gleichmässig auf die Tochterzellen weitergegeben. Das Netz von Intermediärfilamenten, das in der Interphase den Zellkern umgibt, dehnt sich während der M-Phase aus, umgibt später beide Tochterzellkerne und wird schliesslich durch den kontraktilen Ring in zwei Teile gespalten.
Mitochondrien und Chloroplasten: Diese Organellen können nicht aus Untereinheiten zusammengesetzt werden und müssen so als kompakte Strukturen weitergegeben werden. Sie sind in der Mutterzelle meist so stark vertreten, dass jede Tochterzelle einen Teil davon erhält. Dort können sie sich durch Teilung vermehren und somit ebenso zahlreich werden wie in der Mutterzelle. Eine Tochterzelle muss aber bei einer Zellteilung wenigstens ein Mitochondrium erhalten, damit sie weiterleben kann.
Golgi-Apparat und Endoplasmatisches Retikulum: Sie zerfallen ähnlich wie die Kernhülle in kleine Vesikel und können so gleichmässiger aufgeteilt werden.
Zellteilung bei Prokaryonten
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Zellteilung bei ProkaryontenDa Prokaryonten oft nur ein Chromosom besitzen (das Nukleoid), geht die Zellteilung viel einfacher vonstatten als bei Eukaryonten. So ist beispielsweise kein Spindelapparat nötig, um die Schwesterchromosomen voneinander zu trennen: Die DNA der Prokaryonten heftet sich nach der Replikation an der Zellmembran an, und die dazwischenliegende Membran wächst dann gegen innen, so dass zwei Tochterzellen mit je einem neuen Nukleoid entstehen:
Bildquelle: Hausmann, Rudolf: "... und wollten versuchen, das Leben zu verstehen... -Betrachtungen zur Geschichte der Molekularbiologie",
Darmstadt: Wissenschaftliche Buchgesellschaft, 1. Auflage 1995,
ISBN 3-534-11575-9