Zellzyklus

Der Zellzyklus ist der zyklische Ablauf von Ereignissen in einer eukaryotischen Zelle von einer Zellteilung zur nächsten. Der Zellzyklus besteht im Regelfall aus Interphase und Mitose (Zellkernteilung).

Phasen des Zellzyklus

Schema des Zellzyklus. I=Interphase, M=Mitosis. Die Dauer der Mitose in Relation zu den anderen Phasen ist zur Veranschaulichung verlängert dargestellt

Einzelne Phasen der Mitose

Der Zellzyklus der Zelle ist in zwei Phasen gegliedert: Nach der Mitose (Kernteilung) kommt die Zelle in die Interphase (Zwischenphase), auf die wieder eine Mitose folgt. Die Interphase wird in die G₁-, S- und G₂-Phase aufgeteilt. Die Bezeichnungen der einzelnen Phasen gehen auf A. Howard und S. R. Pelc (1953) zurück.^[1]

G₁-Phase (für engl. gap Lücke, Abstand), postmitotische Phase oder Präsynthesephase: Im Anschluss an die Mitose beginnt die Zelle wieder zu wachsen, Zellbestandteile (Zytoplasma oder Zytosol, Zellorganellen) werden ergänzt. Die nachfolgende Synthesephase wird durch Produktion von mRNA für Histone und Replikationsenzyme (DNA-Polymerasen, Ligasen) vorbereitet. Die Zentriolen teilen sich. Der Vorrat an Desoxyribonukleosid-Triphosphaten steigt. Diese Phase dauert im Durchschnitt 3 Stunden, bei in Kultur gehaltenen Säugerzellen zwischen 1 und 12 Stunden. In der G₁-Phase liegen die Chromosomen mit einem Chromatid vor.

S-Phase, Synthesephase: Reduplikation (Replikation) der DNA, Produktion der Histone. Danach hat jedes Chromosom zwei Chromatiden. Diese Phase dauert ca. 7 Stunden.

G₂-Phase, prämitotische Phase oder Postsynthesephase: Das Endoplasmatische Retikulum wird eingeschmolzen, die Zelle bereitet sich auf die Mitose vor. In Geweben lösen sich die Zellkontakte zu den Nachbarzellen, die Zelle rundet sich ab und vergrößert sich durch Flüssigkeitsaufnahme. Es werden verstärkt RNA-Moleküle und zellteilungsspezifische Proteine synthetisiert, um die nachfolgende Mitose vorzubereiten. Die mittlere Dauer beträgt 3 bis 4 Stunden.

M-Phase (Mitosephase): Hier findet die Teilung der Chromosomen, des Zellkerns (Karyokinese) und der Zelle (Zytokinese) statt. Die 0,5 bis 1 Stunde dauernde Mitose ist in die Phasen Prophase, Prometaphase, Metaphase, Anaphase, und Telophase unterteilt. Anschließend an die Mitose findet die Cytokinese, die Zellteilung, statt.

G₀-Phase, Ruhephase: Ausgereifte (ausdifferenzierte), nicht mehr teilungsfähige Zellen, die eine bestimmte Aufgabe innerhalb des Organismus wahrnehmen, verbleiben in der G₁-Phase, die dann als G₀-Phase bezeichnet wird. Zu diesen Zellen zählen beispielsweise Nervenzellen, Muskelzellen oder Erythrozyten. Einige Zelltypen verbleiben nach ihrer Ausdifferenzierung für Wochen oder Monate in der G₀-Phase, können aber dann wieder in die G₁-Phase zurückkehren und sich teilen. Beispiele sind Leberzellen (Hepatozyten) oder Lymphozyten.

Dauer der Phasen

Die Dauer der Phasen ist von Zelltyp und Organismus abhängig. Insgesamt vergeht zwischen zwei Zellteilungen durchschnittlich eine Zeit von 12 bis 24 Stunden (bei Säugerzellen in Kultur). Beispiele:

Zelltyp	G1	S	G2	M	Gesamtdauer des Zellzyklus (Stunden)
Schleimpilz (Physarum polycephalum)	sehr kurz	2	4	0,7	ca. 6,7
Bohne (Vicia faba) Meristem der Wurzelspitze	4	9	3,5	2	18,5
Maus (Mus musculus) Tumorzellen in Kultur	10	9	4	1	24
Mensch (Homo sapiens) Tumorzellen in Kultur	8	6	4,5	1	19,5

Bei einigen tierischen Embryonen finden sogenannte Furchungsteilungen statt, bei denen es darum geht eine große befruchtete Eizelle in möglichst viele kleine Einzelzellen zu zerlegen. Bei diesem Prozess sind die Wachstumsphasen G1 und G2 sehr kurz, da die Zellen vor ihrer Teilung nicht mehr wachsen müssen.^[2]

Regulation des Zellzyklus

Äußere Faktoren

Zu den äußeren Faktoren, die regulatorisch auf den Zellzyklus einwirken, gehören unter anderem die Zellgröße und das zur Verfügung stehende Nährstoffangebot. Die Anzahl der Nachbarzellen ist bedeutsam, da zuviele Nachbarn eine Zellteilung hemmen können. Weiterhin greifen bestimmte Moleküle, die Wachstumsfaktoren, in den Verlauf des Zyklus ein.

Zu diesen Faktoren gehören auch künstliche Eingriffe in den Zellkyklus, die helfen Zellen einer Zellkultur zu synchronisieren um diese im gleichen Zellzyklusstadium zu halten. Dazu werden zum Beispiel Desoxythymidin und Aphidicolin verwendet, welche die Zellen in der S-Phase halten.^[3]

Innere Faktoren und Kontrollpunkte

Dauer und Abfolge der Phasen werden von Steuerungsmechanismen, sogenannten Kontrollpunkten (Checkpoints) überwacht, die dafür sorgen, dass erst dann der nächste Schritt des Zellzyklus erfolgt, wenn der vorhergehende abgeschlossen ist. An solchen Checkpoints besteht dann die Möglichkeit einer Unterbrechung (Arretierung) des Zellzyklus oder auch der Apoptose, des eingeleiteten programmierten Zelltodes.

Es existieren spezielle Zellzyklusproteine wie die CDKs (Cycline dependent Kinases) und die sog. Cycline. Zu bestimmten Zeitpunkten im Zyklus werden diese Proteine verstärkt exprimiert, bis die Konzentration ein Maximum erreicht. Von diesem Maximum nimmt man an, dass es den Kontrollpunkt darstellt. Danach werden die Cycline schnell abgebaut. CDKs und die zugehörigen Cycline bilden Komplexe, deren Aktivierung beziehungsweise Deaktivierung unter anderem durch Wachstumsfaktoren und Protoonkogene gesteuert wird. Die CDKs phosphorylieren und aktivieren somit spezifisch eine Reihe anderer Proteine und steuern so den Zellzyklus.

Beispiel für einen Kontrollpunkt (Checkpoint) ist der

• Kontrollpunkt für DNA-Schäden: Fehlen Nukleotide, ist der DNA-Stoffwechsel anderweitig gestört oder ist die DNA durch Strahlen oder chemische Stoffe (Mutagene) geschädigt, erzeugt dies ein Signal, das bewirkt, dass die Zelle in einer der beiden G-Phasen oder in der S-Phase die DNA-Synthese stoppt und Reparaturgene aktiviert.
• Kontrollpunkt der Spindelbildung: Die Trennung der Chromatiden in der Anaphase der Mitose wird so lange unterbunden, bis alle Zentromere (Kinetochore) mit Transportfasern des Spindelapparates verbunden sind und die Chromosomen in der Äquatorialplatte nebeneinander angeordnet sind.

Einleitung der Zellteilung

Die Zellteilung bzw. Kernteilung oder Mitose wird bei Eukaryoten durch den Mitose-promoting factor (MPF) eingeleitet. Der Proteinkomplex MPF besteht aus der Cyclin-abhängigen Kinase „CDK1“ und dem „Cyclin B“. In der aktiven Form phosphoryliert der Komplex verschiedene Eiweiße - wie etwa des Histon H1 - und beginnt damit die Prophase der Mitose. Die aktivierten Histone bewirken eine Spiralisierung, das sogenannte „Supercoiling“ der DNA, welches eine der Grundvoraussetzungen für den Beginn der Kernteilung ist.^[4]

Zellzyklus und Krebs

Der Zellzyklus neoplastischer Zellen (Krebszellen) wird nicht mehr durch den Organismus kontrolliert. Diese Zellen teilen sich autonom. Die Dauer eines Zellzyklus ist gegenüber normalen Zellen verändert.

Die Entdeckung des Zellzyklus ermöglichte einen tieferen Einblick in die Krebsentstehung. Fehlregulationen im Zellzyklus können zu einem unkontrollierten Zell- und damit Gewebewachstum führen. Dabei gehen wichtige Regulationsproteine (z. B. p53) durch Mutation verloren oder werden übermäßig exprimiert.

Nobelpreis für Medizin

Für ihre Entdeckungen zur Kontrolle des Zellzyklus erhielten die Wissenschaftler Leland H. Hartwell (USA), Tim Hunt (UK) und Paul M. Nurse (UK) im Jahre 2001 den Nobelpreis für Medizin.

Weblinks

 Commons: Cell cycle – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Nobelpreis für Medizin und Physiologie 2001

Einzelnachweise

1. ↑ A. Howard, S. R. Pelc: Synthesis of Desoxyribonuclein Acid in Normal and Irradiated Cells and its Relation to Chromosome Breakage, Heredity 6, Suppl. 261 (1953)
2. ↑ Lehrbuch der molekularen Zellbiologie - Bruce Alberts, 3. Aufl., S. 652
3. ↑ Pedrali-Noy, G. et al.: Synchronization of HeLa cell cultures by inhibition of DNA polymerase alpha with aphidicolin, in: Nucleic Acids Res. 1980 8(2):377–387; PMID 6775308; PDF (freier Volltextzugriff, auf Englisch)
4. ↑ Hamid Emminger, Christian Benz: Physikum exakt: Das gesamte Prüfungswissen für die 1. Äp. 4. Auflage, Georg Thieme Verlag, 2005, ISBN 978-3-13-107034-0, S. 18