Der eukaryontische Zellzyklus

Die Grundlage für die Generierung und Aufrechterhaltung multizellulärer Organismen ist die exakte Weitergabe der genetischen Information an jede Generation und die Tatsache, dass eine Zelle sich immer aus einer bereits bestehenden Zelle entwickelt. Der Großteil des genetischen Materials befindet sich im Zellkern einer eukaryontischen Zelle. Darüber hinaus ist ein kleiner Teil der Gene auch in den Mitochondrien bzw. bei Pflanzen zusätzlich in den Chloroplasten zu finden. Diese Gene liegen auf ringförmigen, doppelsträngigen DNA-Molekülen im Inneren der entsprechenden Zellorganellen und werden zusammen mit diesen vererbt. Die koordinierte Weitergabe der gesamten DNA bildet die Grundlage für die Etablierung von zwei identischen Tochterzellen. Diesen Prozess bezeichnet man als Zellzyklus. In Abbildung 1 ist eine Übersicht über die einzelnen Zellzyklusphasen dargestellt, die für die koordinierte Weitergabe der Zellkern-lokalisierten DNA benötigt werden.

Grundlage hierfür ist die fehlerfreie Verdopplung der genetischen Information, die dann anschließend gleichmäßig auf die Tochterzellen aufgeteilt wird. Diese zwei Prozesse finden in den zwei Hauptphasen des Zellzyklus, in der S-(Synthese)-Phase und M-Phase (Mitose) statt. Dazwischen liegen Wachstumsphasen, sog. Gap-Phasen (G1 und G2), wobei die

G1-Phase zwischen M- und S-G1-Phase liegt, während sich die G2-G1-Phase zwischen S-G1-Phase und der nachfolgenden M-Phase befindet. Zusammenfassend werden die Gap-Phasen und die S-Phase auch als Interphase bezeichnet.

In der G1-Phase finden verschiedene, essentielle Prozesse statt, wie zum Beispiel die Proteinbiosynthese und die RNA-Synthese, die die Grundlage für die bevorstehende Verdopplung der DNA schaffen. Ein weiteres Merkmal dieser Phase ist die Trennung der Zentriolen, sodass dann in der anstehenden S-Phase nicht nur der DNA-Gehalt verdoppelt wird, sondern auch die Zentrosomen, die später als Organisator der mitotischen Spindel fungieren. Nach der DNA-Replikation in der S-Phase liegen von jedem Chromosom zwei identische Kopien vor, die als Schwesterchromatiden bezeichnet werden.

Abbildung 1: Der eukaryontische Zellzyklus. Schematische Darstellung zur Veranschaulichung der einzelnen Zellzyklusphasen. Die Mitose untergliedert sich dabei in Prophase, Metaphase, Anaphase und Telophase. In der S-Phase kommt es zur DNA-Synthese und Etablierung der Schwester-chromatidkohäsion. Diese beiden Zellzyklusphasen sind durch sog. Gap-Phasen (G1 und G2) voneinander getrennt. Einige Zelltypen gehen in eine Zellzyklusarrestphase über, die als G0-Phase bezeichnet wird. Die gezeichneten Illustrationen stammen aus Flemming, 1882. Die mikroskopischen Abbildungen zeigen in vivo-Aufnahmen aus der Mitose 14 von Drosophila melanogaster Embryonen, die eine fluoreszenzmarkierte Version eines Histons tragen (His2Av-mRFP). Der Größenmaßstab beträgt 10 µm.

Eine weitere Besonderheit bestimmter Zelltypen, wie zum Beispiel Nervenzellen, Muskelzellen und Erythrozyten ist der Übertritt in ein Dauerstadium, was auch als G0-Phase bezeichnet wird. Diese Zellzyklusphase, in der die entsprechenden Zellen über Wochen und Monate verbringen können, zeichnet sich durch einen Proliferationsstillstand aus. Einige Zelltypen verbleiben nach ihrer vollständigen Differenzierung über einen sehr langen Zeitraum in dieser Phase und verlassen diese auch nicht mehr, wohingegen andere Zelltypen wie zum Beispiel Hepatozyten und Lymphozyten wieder in den G1-Zustand zurückzukehren und weitere Zellteilungen durchführen können. Die G2-Phase stellt ebenfalls eine Phase des Zellwachstums dar und dient der Zelle zur Vorbereitung auf die bevor-stehende Mitose. Die Mitose wiederum ist in mehrere Unterphasen eingeteilt (Alberts et al., 2014). In der Prophase kommt es zum Zusammenbruch der Kernhülle und zur Kondensation der DNA. Dabei wird das Interphasechromatin enorm verdichtet und einzelne Chromosomen ausgebildet. Diese Kompaktierung des Genoms und die damit einhergehende Etablierung der mitotischen Chromosomen ist ein essentieller Vorgang, denn nur so kann die akkurate Verteilung der Schwesterchromatiden gewährleistet werden (zur Übersicht siehe Hirano, 2005). Im Durchschnitt muss für jedes Chromosom ein ca. 4 cm langer DNA-Faden in eine 10 μm lange und etwa 1 μm durchmessende Struktur verpackt werden (Murray, 1998).

Ausgehend von den Zentrosomen wird dann die mitotische Spindel assembliert. Dabei handelt es sich um eine Struktur, bestehend aus Mikrotubuli, die durch einen ständigen Wechsel aus Polymerisation und Depolymerisation eine hohe Dynamik aufweist und so die Chromosomen in der Zellmitte anordnet. Die Assoziation der mitotischen Spindel mit den Chromosomen erfolgt über die Kinetochore, welche einen mehrschichtigen Proteinkomplex darstellen, der mit den zentromerischen Regionen der Schwesterchromatiden assoziiert ist.

Die Ausrichtung der einzelnen Chromosomen in der Äquatorialebene der Zelle geschieht in der Metaphase. Erst wenn alle Kinetochore richtig an die mitotische Spindel angeheftet und in der sogenannten Metaphaseplatte ausgerichtet sind, setzt die Anaphase ein, die durch die Trennung der Schwesterchromatiden gekennzeichnet ist. Dabei depolymerisieren die Mikrotubuli und die Spindel verkürzt sich, was zur Trennung der Schwesterchromatiden führt, die zu den entgegengesetzten Polen gezogen werden. In der Telophase kommt es zur Dekondensation der Chromosomen, zur kompletten Disassemblierung der mitotischen Spindel und zur Neusynthese der Kernhülle. Abgeschlossen wird die Zellteilung durch die vollständige Abschnürung des Zytoplasmas, was auch als Zytokinese bezeichnet wird.

Die Regulation der einzelnen Zellzyklusprozesse muss genau kontrolliert sein, da nur so der korrekte Ablauf und die richtige Reihenfolge aller Prozesse gewährleistet werden kann.

Mit Hilfe von sogenannten Zellzyklus-Kontrollpunkten (checkpoints) wird so zum Beispiel sichergestellt, dass die Aufteilung der Chromosomen auf die Tochterzellen erst stattfindet, wenn in der S-Phase eine Verdopplung der DNA stattgefunden hat. Diese Kontrollpunkte

werden meist durch post-translationale Modifikationen oder durch die Degradation der entsprechenden Proteine gesteuert (Murray und Kirschner, 1989). Als mit die wichtigsten Modifikationen werden dabei die Phosphorylierungen durch Cyclin-abhängige Kinasen (Cdks) angesehen. Die Aktivierung dieser Proteinfamilie erfolgt durch die Bindung regulatorischer Untereinheiten, den Cyclinen. Diese werden im Verlauf des Zellzyklus spezifisch abgebaut und regulieren damit die Aktivität der entsprechenden Kinase (Murray, 2004). Jede einzelne Phase des Zellzyklus ist durch eine spezifische Zusammensetzung der Cyclin/Cdk-Level charakterisiert. So wird zum Beispiel ein hohes Level an Cyclin B/Cdk am Ende der G2-Phase einerseits für den Eintritt in Mitose benötigt, andererseits inhibiert dieses aber in der G1-Phase die Initiation der Replikation (Fisher und Nurse, 1996). Um einen vollständigen Abschluss der Zellteilung zu erhalten, muss die Cdk-Aktivität im Verlauf der Mitose wieder reduziert werden, da nur so ein Mitoseaustritt stattfinden kann. Um die nachfolgende DNA-Replikation abzuschließen, muss das Level an Cyclin B/Cdk erneut wieder ansteigen (Coudreuse und Nurse, 2010, Noton und Diffley, 2000), damit alle für die S-Phase benötigten Kontrollmechanismen aktiviert werden. Neben diesem Cyclin B/Cdk1-Komplex gibt es für die Regulation des Zellzyklus noch Cyclin A und Cyclin E, welche in Kombination mit Cdk1 und Cdk2 essentiell für den korrekten Ablauf der Interphase sind. Eine genaue Abstimmung all dieser Regulationsfaktoren ist essentiell für den korrekten Ablauf der einzelnen Zellzyklusphasen und gewährleistet so die Entstehung von zwei genetisch-identischen Tochterzellen.