Biologie für Mediziner WS 2007/08

Transkript

1 Biologie für Mediziner WS 2007/08 Teil Allgemeine Genetik, Prof. Dr. Uwe Homberg 1. Endozytose 2. Lysosomen 3. Zellkern, Chromosomen 4. Struktur und Funktion der DNA, Replikation 5. Zellzyklus und Zellteilung (Mitose) 6. Reifeteilung (Meiose) 7. Zellkommunikation 8. Signalmoleküle, Rezeptoren 9. Signalantwort 10. Apoptose, Nekrose Folien zum download:

2 Zellteilung und Zellzyklus Bei der Vermehrung von Zellen wechseln sich Zellwachstum (kontinuierlich) und Zellteilung (diskontinuierlich) ab Den Ablauf der Zellteilung kann man als einen wiederkehrenden zyklischen Prozeß betrachten: Zellzyklus

3 Zellteilung findet statt in Embryonalentwicklung, im Wachstum und zur Zellerneuerung, umfasst Mitose = Kernteilung und Cytokinese = Teilung des Cytoplasmas im Embryo alle 30 min im Dünndarm alle 12 Std in der Leber alle 365 Tage

4 Zellzyklus einer eukaryontischen Zelle

5 Zellzyklus vier Phasen: M-Phase: Teilung G 1 -Phase S-Phase Interphase G 2 Phase

6 Zellzyklus M-Phase: Mitose (Kernteilung) + Cytokinese (Teilung des Cytoplasmas

7 Zellzyklus G 1 -Phase Vorbereitung zur DNA Replikation

8 Zellzyklus S-Phase Replikation der DNA

9 Zellzyklus G 2 Phase Vorbereitung der Mitose, Kondensation der Chromsomen

10 Eukaryotischer Zellzyklus Die M-Phase (Teilung) dauert nur etwa eine Stunde!

11 Mitose = Kernteilung Nur während der Mitose sind die Chromosomen sichtbar Damit eine Aufteilung erfolgen kann, werden die Chromosomen durch Kondensation stark verkürzt

12 Kondensation der Chromsomen

13 Mitosestadien Prophase: Kondensation der Chromosomen Prometaphase: Abbau der Kernhülle Metaphase: Aufbau des Spindelapparates Anaphase: Trennung der Chromatiden Telophase: Entspiralisierung der Chromosomen, Wiederaufbau der Kernhülle

14

15 2 Schwesterchromatiden Lungenepithel Molch

16

17

18 2 Tochterchromosomen

19

20 Aktin und Myosin

21 Cytokinese

22 Zusammenfassung: Zellteilung und Zellzyklus

23 Kontrolle des Zellzyklus

24 Kontrolle des Zellzyklus Fehler im Kontrollsystem des Zellzyklus (Mutationen) führen häufig zu Tumoren!!

25 Xenopus Oocyte

26 Injektionsexperimente

27 Mitosis promoting factor (MPF) Mitotische Zellen enthalten eine aktive Komponente, Mitosis promoting factor die in den Kernen mitotische Veränderungen (Auflösung der Kernhülle, Chromosomen- Kondensierung) hervorruft.

28 Anstieg und Abfall von MPF und Cyclin Alberts et al. (1999) Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie

29 Cyclin-abhängige Kinase (Cdk) Mitosis-promoting factor (MPF) ist ein Komplex aus zwei Proteinen: Cyclin-abhängige Kinase (Cdk) und Cyclin Cdk ist eine Proteinkinase, die andere Proteine phosphoryliert Cycline akkumulieren zyklisch und werden zyklisch abgebaut

30 Funktion von MPF Phosphorylierung von Schlüsselproteinen der Mitose: Phosphorylierung der Laminfilamente Auflösung der Kernlamina und Kernhülle Phosphorylierung von Mikrotubuliassoziierten Proteinen Bildung der Mitosespindel

31 Der Cyclin/Cdk-Komplex Alberts et al. (1999) Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie

32 Aktivierung von MPF Alöberts et al. (1999) Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie

33 Aktivierungskaskade Alberts et al. (1999) Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie

34 Kontrollpunkte (checkpoints) Der Zellzyklus wird an bestimmten Kontrollpunkten von verschiedenen Cdk-Cyclin-Komplexen gesteuert: Eintritt in die S-Phase (Start) Eintritt in die Mitose Beendigung der Mitose (Metaphase-Anaphase Übergang)

35 Cyclin-Cdk-Komplexe an zwei Kontrollpunkten

36 Initiation der Mitose Regulation der Cdks Wachstumsfaktoren Initiation der DNA-Replikation Abbau der Cycline durch Ubiquitinierung und Abbau im Proteasom

37 Regulation des Startes (eukaryotische Zellen) Durch Phosphorylierung des Rb (Retinoblastoma)- Proteins durch G1-Cyclin-Cdk kommt es zur Freisetzung eines Transkriptionsfaktors, der Gene für die Initiation des Zellzyklus aktiviert.

38 Stimulation der Zellproliferation G 0 -Zelle Teilungsaktive Zelle

39 Onkogene und Tumorsuppressorgene Die Teilungsaktivität wird von Proto-Onkogenen und Tumorsuppressorgenen gesteuert Tumorsupressorgene hemmen die Proliferation Zu einer unkontrollierten Vermehrung kommt es, wenn beide Kopien des Tumorsuppressors defekt sind Proto-Oncogene fördern die Proliferation Unkontrollierte Vermehrung durch dominante Mutation bewirkt eine Hyperaktivierung des Zellzyklus

40 Kontrolle des Zellzyklus Zwei Kopien eines Tumorsuppressor-Gens Zellzyklus Kontroll- System Zwei Kopien eines Proto-Onkogens AUSWIRKUNG: Normale Zellteilung

41 Kontrolle des Zellzyklus Zwei Kopien eines Tumorsuppressor-Gens Tumorsuppressor Zellzyklus Kontroll- System Zwei Kopien eines Proto-Onkogens AUSWIRKUNG: Normale Zellteilung Mutation eines der beiden Proto-Onkogene führt zur Hyperaktivierung (Onkogen) Unkontrollierte Zellteilung

42 Kontrolle des Zellzyklus Zwei Kopien eines Tumorsuppressor-Gens Tumorsuppressor Beide Kopien des Tumorsuppressors inaktiviert Zellzyklus Kontroll- System Zwei Kopien eines Proto-Onkogens AUSWIRKUNG: Normale Zellteilung Mutation eines der beiden Proto-Onkogene führt zur Hyperaktivierung (Onkogen) Unkontrollierte Zellteilung Zwei Kopien eines Proto-Onkogens Unkontrollierte Zellteilung

43 Zusammenfassung Zellzykluskontrolle Zyklisch aktivierte Proteinkinasen MPF = Cyclin-Cdk-Komplex: M-Phaseneintritt Cyclin: periodische Konzentrationsänderungen Cdks: Kontrolle durch (De)Phosphorylierungen Verschiedene Cyclin-Cdk-Komplexe Start der Zellteilung über Cdk-vermittelte Phosphorylierung von Rb Störungen im Kontrollsystem: Krebs

44 Zellproliferation, Überleben, oder Sterben hängt von Signalen ab, die andere Zellen aussenden: Zellkommunikation

45 Biologie für Mediziner WS 2007/08 Teil Allgemeine Genetik, Prof. Dr. Uwe Homberg 1. Endozytose 2. Lysosomen 3. Zellkern, Chromosomen 4. Struktur und Funktion der DNA, Replikation 5. Zellzyklus und Zellteilung (Mitose) 6. Reifeteilung (Meiose) 7. Zelltod (Apoptose, Nekrose) 8. Zellkommunikation 9. Signalmoleküle, Rezeptoren 10. Signaltransduktion Folien zum download:

46 Keimzellbildung, Meiose Bei der Keimzellbildung kommt es in der Meiose zu einer Reduktion der Chromosomensätze Die Meiose besteht aus einer Reduktionsteilung (Meiose I) und einer anschließenden Mitose (Meiose II) Aus einer diploiden Ausgangszelle entstehen vier haploide Keimzellen

47 Haploid - Diploid Haploid (1N) Eine Kopie des genetischen Materials aufgeteilt auf Chromosomen Diploid (2N) Zwei Kopien des genetischen Materials aufgeteilt auf Chromosomen Drei nicht-homologe Chromosomen Drei Paare homologer Chromosomen

48 2n/2c 2n/4c 2n/2c 2n/4c Diploide somatische Zellen 2n/4c 1n/2c 2n/2c 1n/1c

49 Meiose Erste meiotische Teilung (Reduktionsteilung) Prophase I: dauert lange, 5 Stadien Aneinanderlagerung der homologen Chromosomen zum synaptonemalen Komplex Metaphase I Anaphase I Telophase I

50 Leptotän erste Spiralisierung der Chromosomen an Kernmembran fixiert

51 Zygotän Paarung homologer Chromosomen Bildung des synaptonemalen Komplexes

52 Pachytän Unterteilung in zwei Chromatiden sichtbar (Tetrade) Crossing-over

53 Diplotän Parallelanordnung lockert sich Kreuzungsstellen als Chiasmata sichtbar

54 Diakinese Chromosomen haben maximale Kondensation Auflösung der Kernmembran

55 Synaptonemaler Komplex Alberts et al. (2004) Molekularbiologie der Zelle

56 Meiose 2n/4c 1n/2c 1n/1c

57 Meiosefehler Nondisjunction: homologe Chromosomen trennen sich nicht Down-Syndrom (Trisomie 21) 3 Kopien des Chromosoms 21, Häufigkeit 1:700 körperliche Anomalien, geistige Retardierung

58 Zusammenfassung Meiose Zwei Kern- und zwei Zellteilungen Bildung von 4 haploiden Gameten Prophase mit verschiedenen Stadien, kann Tage bis Jahre dauern Paarung homologer Chromosomen in der Prophase 1. Teilung = Reduktionsteilung: die beiden homologen Chromosomen werden geteilt 2. Teilung = Mitotische Teilung: die Schwesterchromatiden werden geteilt

59 Genetische Neusortierung: = Rekombination 1. Zufällige Verteilung mütterlicher und väterlicher Homologen auf die Gameten 2 n mögliche Kombinationen = Interchromosomale Rekombination

60 Genetische Neusortierung: = Rekombination 2. Austauch von Chromosomenteilstücken (Crossing over) = Intrachromosomale Rekombination

61 Intrachromosomale Rekombination Im synaptonemalen Komplex kommt es zu Chromosomenbrüchen, die zur Ausbildung von Crossing over-strukturen (Chiasmata) führen In jedem Chromosomenpaar des Menschen etwa 2-3 Crossing over

62 Chiasmata

63 Synaptonemaler Komplex Alberts et al. (2004) Molekularbiologie der Zelle

64 Crossing over während der Meiose I

65 Intrachromosomale Rekombination A B a B A b a b

66 Thomas Hunt Morgan

67 Drosophila melanogaster

68 Einheit der Rekombinationsfrequenz 5 cm 20 cm 3 cm 28 cm A B C D E 42 cm 1 cm (centimorgan) entspricht 1% Rekombination

69 Bedeutung der Rekombination Inter- und intrachromosomale Rekombination in der Meiose: neue Mischung, neue Eigenschaften Sexuelle Fortpflanzung: Variabilität Variabilität und Selektion als Grundlage der Evolution neuer Arten