Unter Zellzyklus versteht man den Zeitraum zwischen der Entstehung von zwei Tochterzellen aus einer Mutterzelle und ihrer erneuten Teilung in zwei weitere Tochterzellen. Diese Zeitperiode kann unterteilt werden in Mitose (auch M-Phase genannt) und die Interphase. Die Interphase wird wiederum in G1-, S- und G2-Phase unterteilt. Der Zellzyklus ist somit der sich regelmäßig wiederholende Ablauf von Mitose und Interphase. Die G1-Phase (G von engl. „gap“ = Lücke) ist das erste Stadium der Interphase. Die Interphase dient vor allem dazu, der Zelle Zeit zum Wachstum zu geben. Hier findet die RNA- und Proteinsynthese statt, die DNA-Replikation wird vorbereitet und es entscheidet sich, ob die Zelle den Zyklus ein weiteres Mal durchläuft oder ob sie in die G0-Phase (Ruhephase) übergeht. Zu diesem Zeitpunkt ist die Zelle noch diploid, d.h. es liegt ein einfacher Chromosomensatz vor. Am Ende der G1-Phase befindet sich ein Kontrollpunkt, der den Fortschritt des Zellzyklus überprüft. Erfüllt die Zelle und die darin enthaltene DNA alle Voraussetzungen für eine Zellteilung wie ausreichende Zellgroße, RNA- und Proteinsynthese, tritt sie in die nächste Phase des Zellzyklusses, die S-Phase, ein. Die S-Phase (=Synthesephase) ist das zweite Stadium der Interphase. Die Zelle wächst durch die Produktion von RNA und Proteinen an und verdoppelt ihren DNA-Gehalt durch DNA-Synthese, so dass die Zelle am Ende der S-Phase tetraploid ist. Das dritte Stadium der Interphase ist die G2-S-Phase (=Postsynthesephase).
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In dieser Phase wächst die Zelle weiter auf ungefähr die doppelte Größe, produziert neue Proteine und beendet die Vorbereitung für die Mitose. Zwischen G2-Phase und Mitose befindet sich ein weiterer Kontrollpunkt des Zellzyklus, der darüber entscheidet, ob die Zelle in die Mitose übergehen kann. Im letzten Schritt des Zellzyklus, der eigentlichen Zellteilungsphase, wächst die Zelle nicht weiter, sondern teilt sich in zwei Tochterzellen.
Diese können erneut den Zellzyklus durchlaufen oder in einen Differenzierungsprozess eintreten (G0-Phase). Hier befindet sich ein weiterer Kontrollpunkt des Zellzyklus, der darüber entscheidet, ob die Zelle erneut in den Zyklus eingeschleust wird oder in die Differenzierungsphase eintritt (ALBERTS 2004; MORGAN 2007).
1.3.1 Regulation des Zellzyklus
Der Verlauf einer Zelle durch den Zellzyklus wird durch verschiedene Zytoplasmaproteine kontrolliert und reguliert. Die wichtigsten Vertreter dieser Proteine sind die Cycline. Das G1-Phasen-Cyclin (Cyclin D) ist über den gesamten Zellzyklus vorhanden, seine Konzentration steigt jedoch während der G1-Phase an. Das G1/S-Phasen-Cyclin (Cyclin E) liegt am Übergang zwischen G1-Phase und S-Phase in hoher Konzentrationen vor und fällt im Laufe der S-Phase wieder ab. Das S-Phasen-Cyclin (Cyclin A) steigt am Anfang der S-Phase an, behält ein Maximum während der gesamten S-phase bis zur G2-Phase sowie während der Mitose und fällt im weiteren Verlauf wieder ab. Das G2/Mitose-Phase-Cyclin (auch Cyclin B genannt) steigt während der G2-Phase an und erreicht ein Maximum zur Beginn der Mitose.
Dieser zyklische Anstieg und Abfall der verschiedenen Cycline ist für die unterschiedlichen Zellzyklusphasen essentiell. Neben den Cyclinen sind auch Cyclin-abhängige Kinasen (engl.
cyclin dependent kinases, CDK) an der Kontrolle und Regulation des Zellzyklusses beteiligt.
Es handelt sich dabei um Proteinkinasen, die andere Enzyme durch Phosphorylierung aktivieren oder inaktivieren können. Die Menge an CDKs ist während des gesamten Zellzyklus gleichbleibend. Die CDKs bilden Komplexe mit den dazugehörigen Cyclinen und werden erst durch diese aktiviert. Die Aktivität der CDKs wird allein durch den zyklischen Anstieg und Abfall der Cycline reguliert. Es werden vier CDKs unterschieden: CDK 4 und 6, welche zusammen mit Cyclin D als G1-Cyclin-CDK-Komplex fungieren. CDK 2 bildet zum einen mit Cyclin E den G1/Cyclin-CDK-Komplex, zum anderen mit Cyclin A den S-Cyclin-CDK-Komplex. CDK 1 bildet jeweils mit Cyclin A und Cyclin B den M-Cyclin-CDK-Komplex.
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Das G1-Cyclin (D-Cyclin)-Level steigt an und bindet an die dazugehörigen CDKs.
Anschließend wird an die Zelle ein Signal gesendet, um die Replikation der Chromosomen vorzubereiten. Durch steigende Konzentration des S-Phasen-Cyclins (A-Cyclin) und seiner Bindung an CDK 2 entsteht der S-Phasen-promoting-Faktor (SPF). Dieser tritt in den Zellkern ein und bereitet die Zelle auf die DNA-Duplikation vor. Während des Fortschreitens der DNA-Duplikation, steigt die Konzentration des Mitose-Cyclins (Cyclin B) an. Die Bindung von Cyclin B an CDK 1 führt zur Entstehung des M-Phase-Promoting-Faktors (MPF). Dieser führt zur Chromosomenkondensation, dem Abbau der Kernhülle und zur Bildung der Mitosespindel. All diese Ereignisse führen letztendlich zur Start der Mitose (GALDERISI et al. 2003).
1.3.2 Kontrollpunkte des Zellzyklus
Eine Zelle hat verschiedene Mechanismen entwickelt, um zu verhindern, dass beispielsweise fehlerhafte DNA-Moleküle an die Tochterzellen weitergegeben werden. Mit diesen Mechanismen kann eine Zelle kontrollieren, ob sie den Zellzyklus weiter durchlaufen kann oder ob dieser angehalten werden muss, um DNA-Reparaturarbeiten durchzuführen. Diese Kontrolle kann auch dazu führen, falls die Fehler nicht mehr zu beheben sind, dass die Zelle in den programmierten Zelltod, die Apoptose, übergeht. Hierdurch kann die Aufrechterhaltung eines gesunden Organismus gewährleistet werden (ELLEDGE 1996;
PIETENPOL u. STEWART 2002). Es sind drei festgelegte Kontrollpunkte im Verlauf des Zellzyklus eingebaut. Der Erste, auch Restriktionspunkt genannt, befindet sich am Ende der G1-Phase, vor dem Eintritt in die S-Phase. Hier wird überprüft, ob DNA-Schäden (die z.B.
durch Strahlung, reaktive Sauerstoffspezies oder verschiedene Substanzen entstehen können) vorhanden sind, ob die Zelle groß genug ist und ob die Umgebungsbedingungen günstig sind.
DNA-Schäden, die vor Eintritt in die S-Phase entdeckt werden, führen über verschiedene Wege zur Hemmung des Cyclin E-CDK 2-Komplexes, was einen Zellzyklusarrest zur Folge hat. Dieser Zellzyklusstopp dient dazu, der Zelle Zeit zu geben, um den entstandenen Schaden reparieren zu können (DELSAL et al. 1996). Wenn dies allerdings nicht gelingt, kann die Zelle in die Apoptose geschickt werden. Liegen jedoch zum Zeitpunkt der Kontrolle keine DNA-Schäden vor, und sind alle o. g. anderen Kriterien erfüllt, kann die Zelle weiter im Zyklus fortschreiten und in die S-Phase übergehen. In der S-Phase ist ein weiterer Kontrollpunkt vorhanden (TERCERO et al. 2003). Der S-Phase-Kontrollpunkt koordiniert
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hauptsächlich die DNA-Replikation. Neben der DNA-Reparatur wird die Stabilisierung der DNA-Replikation nach DNA-Schäden, die Wiederaufnahme der DNA-Replikation nach Reparatur und Hemmung der Mitose kontrolliert, bis die DNA-Replikation vollständig abgeschlossen ist. Wenn eine Bedrohung für die DNA-Replikation z.B. durch DNA-Schäden oder Nukleotid-Abbau besteht, wird der S-Phase-Checkpoint aktiviert (BRANZEI u. FOIANI 2007; PAULSEN u. CIMPRICH 2007; TOURRIERE u. PASERO 2007). Während der DNA-Replikation muss die Zelle in hoher Bereitschaft sein. Hier können viele Fehler auftreten, wie z.B. DNA-Strangbrüche und die fehlerhafte Anordnung der Basen. Zwar sind entsprechende Kontrollmechanismen in allen Zellzyklusphasen vorhanden, diese sind aber nicht fehlerfrei und das Risiko, dass nicht ausreichend reparierte DNA in die Mitosephase übertragen wird, besteht immer wieder. An den Kontrollpunkten des Zellzyklusses werden Informationen über geschädigte DNA als erstes an zwei Proteine der phosphoinositide 3-kinase related kinases (PIKK)-Familie gesendet. Die Proteine ATM (ataxia-telangiectasia-mutated) und ATR (ATM- and Rad3-related) können DNA-Schäden detektieren, vor allem DNA-Doppelstrang-brüche, und dann den geregelten Zellzyklusablauf unterbrechen, falls Schäden entdeckt worden sind (ABRAHAM 2001). Während ATM bei allen Kontrollpunkten eine wichtige Rolle spielen, hat ATR vor allem bei der Überwachung und Reparatur der DNA während der S-Phase eine besondere Bedeutung (LUPARDUS et al. 2002). Das Protein P53 hat eine wichtige Funktion bei der Regulierung des Zellzyklusses nach der ATM/ATR Kontrolle, spielt jedoch bei der Kontrolle und Regulierung der DNA-Replikation während der S-Phase keine Rolle (ABRAHAM 2001). Das letzte Hindernis, das Zellen mit beschädigter DNA vor dem Eintritt in die Mitose-Phase blockieren und kontrollieren kann, ist der G2-Kontrollpunkt.
Nach erfolgreichem Ablauf der G1- und S-Phase, wird die Zelle erneut kontrolliert, um wiederholt zu überprüfen, ob Schäden an der DNA entstanden sind. Dieser Kontrollpunkt ähnelt dem G1-Kontrollpunkt, allerdings dominiert hier nicht CDK 2 sondern CDK 1 (siehe oben). Wenn die DNA nach der S-Phase beschädigt wird, wird die Bindung von Cyclin B an CDK 1 gehemmt, dementsprechend entsteht kein MPF und der Zellzyklus wird angehalten.
Ohne den MPF kann die Zelle nicht in die Mitose-Phase übergehen und die Zelle erstarrt in der G2-Phase, noch vor Übergang in die Mitose. Weitere Kontrollmechanismen sind auch für die Mitose-Phase beschrieben worden, wie z.B. die Gene der mitotic arrest deficient
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Gene. Falls zu diesem Zeitpunkt ein Fehler entdeckt wird, blockieren diese Gene den Eintritt in die Anaphase der Mitose.