Der Zellzyklus

Funktion der Zelle und Zellvielfalt


Zu jeder Zeit erfüllt die Mehrheit der Körperzellen die Funktion des Gewebes oder Organs, zu dem sie gehören. Sie können beispielsweise an einem Stoffwechselprozess beteiligt sein oder Hormone und Enzyme für das Verdauungssystem produzieren. Sobald sie jedoch ein Wachstumssignal erhalten, beginnen sie sich zu teilen. Beschädigte Zellen können durch eine Gruppe gesunder Zellen ersetzt werden. Die menschlichen Körperzellen können sich mit einer Geschwindigkeit von mehreren Millionen pro Sekunde teilen! Während dieses Prozesses muss die DNA der Mutterzelle in die Tochterzellen repliziert werden. Darüber hinaus muss das Gleichgewicht zwischen jungen und sterbenden Zellen ausgewogen sein. Wenn es nicht genug gesunde Zellen gibt, kommt es zur Gewebeatrophie. Wenn die Zellen jedoch unkontrolliert mit hoher Geschwindigkeit produziert werden, entstehen Tumorbedingungen. In eukaryotischen Zellen wird der Zellteilungsprozess durch regulatorische Proteine im Zellzykluskontrollsystem gesteuert.

Das Zellzykluskontrollsystem

Zellbiologen glauben, dass der Zellzyklus in fünf Phasen unterteilt werden kann: G1, S, G2, M und G0. Wenn Defekte entdeckt werden, wird der Zellzyklus an folgenden Kontrollpunkten angehalten: Kontrollpunkt G1, Kontrollpunkt G2 und Kontrollpunkt der Spindelmontage in der Mitosephase. Die Tumorsuppressoren p53 (der „Wächter des Genoms“) und Rb regulieren den Zyklus von der G1-Phase bis zur S-Phase. Wenn p53 oder Rb mutiert sind und ihre Unterdrückungsfunktion gestört ist, führt dies zu unkontrolliertem Zellwachstum und -teilung und infolgedessen zur Tumorentstehung.

G1-Phase (Wachstumsphase). Diese Anfangsphase des Wachstums ist gekennzeichnet durch die Erfüllung der metabolischen Funktionen der Zelle und die Vorbereitung der Nukleotide für die nachfolgende DNA-Synthese. Am G1-Kontrollpunkt werden DNA-Schäden durch chemische Substanzen oder ionisierende Strahlung erkannt. Bei Erkennung von Schäden stoppt der „Wächter des Genoms“ p53 den Zellzyklus, um Schäden an der DNA vor dem Eintritt in die S-Phase zu beheben. p53 wird konstitutiv in gesunden Zellen exprimiert. Der Tumorsuppressor Rb wird ebenfalls konstitutiv in der Zelle produziert und hemmt den Zellzyklus. Für den Übergang in die S-Phase ist die Hyperphosphorylierung von Rb erforderlich, was den weiteren Verlauf des Zyklus ermöglicht. Der weitere Verlauf wird durch den epidermalen Wachstumsfaktor und die Aktivierung des Cyclin-abhängigen Kinase (Cdk)/Cyclin-Komplexes bestimmt. Wie der Name schon sagt, ist Cdk nur dann aktiv, wenn es an ein Cyclin gebunden ist. Während der S-Phase bindet Cyclin E an Cdk2 und bildet den aktiven Cdk2/Cyclin E-Komplex, der den Beginn der S-Phase signalisiert und die DNA-Replikation auslöst. Bevor der Zyklus in die G2-Phase eintritt, muss das Genom vollständig repliziert sein.

S-Phase (Synthesephase). In dieser Phase findet die DNA-Synthese und -Replikation des gesamten Genoms statt.

G2-Phase. In dieser Phase wächst die Zelle, die Mitochondrien werden repliziert, die Chromosomen verdichten sich und Proteine (Mikrotubuli-Proteine), die für die Mitose benötigt werden, werden synthetisiert. Am G2-Kontrollpunkt wird die Integrität der DNA-Struktur und das Zellvolumen überprüft. Wenn die Prüfung zufriedenstellend ist, beginnt die Mitosephase, die durch den aktiven Cdk/Cyclin B-Komplex eingeleitet wird.

Mitosephase. Am Spindel-Kontrollpunkt werden Garantien dafür umgesetzt, dass alle Chromosomen ordnungsgemäß an den Spindelfasern angeordnet sind, bevor die Zellteilung beginnt.

Zytokinese-Phase. Die Zytokinese-Phase beginnt, wenn die Zytoplasma-Teilung durch eine Scheidewand zwei Tochterzellen bildet.

G0-Phase. Einige Zelltypen umgehen den Hauptzellweg und treten in die G0-Phase ein: Dazu gehören rote Blutkörperchen, Neuronen, Herz- und Knochenmuskeln. Zellen, die sich langfristig in der G0-Phase befinden, können aus Stammzellen regeneriert werden. Andere Zellen wie Leberzellen oder Lymphozyten sind stabil und treten in die G0-Phase ein, um in einem Ruhezustand zu verbleiben, bis sie durch äußere Faktoren stimuliert werden, um in die G1-Phase einzutreten. Einige Zellen wie Haarfollikel, Darmzellen, Epithelzellen, Hautzellen und Knochenmarkszellen sind instabil und teilen sich sehr schnell. Sie treten direkt in die G1-Phase ein, ohne die G0-Phase zu durchlaufen. Die Phasen G1, S und G2 werden als Interphase bezeichnet. Die Interphase dauert in der Regel etwa 23 Stunden, kann aber in Darmzellen und Krebszellen kürzer sein. Sie ist deutlich länger als die Mitosephase, die normalerweise etwa 1 Stunde dauert.