ZYTOSKELETT

ZELLTEILUNG

ZELLZYKLUS

22

Krebs ist die Ursache der meisten Todesfälle weltweit: 7.4 Million Todesfälle/Jahr (ungefähr 13% aller Todesfälle).

3

4

Rb: RETINOBLASTOMA

5

CYTOSKELETT

Funktionen des Cytoskeletts:

1. Es verleiht der Zelle Form und Reissfestigkeit

2. Es ermöglicht verschiedene Arten zellulärer

Bewegung.

3. Separiert die Chromosomen bei der Zellteilung

4. Es liefert „Schienen” für Motorproteine, die an der

Bewegung von Zellbestandteilen beteiligt sind.

5. Wechselwirkt mit extracellulären Strukturen, um die

Zelle in Position zu halten

Heilung einer Wunde

DAS CYTOSKELETT

Wachstum eines Axons

DAS CYTOSKELETT

Die schnelle Bewegung der Kenatocyte ist duch die Koordination zwischen der Ausstülpung des Lamellipodiums und der Translokation der

Zellkörpers ermöglicht. Fluoreszente Partikel auf dem Substrat zeigen die rollende Bewegung der Zelle Während der Bewgung haften diese

Partikel an den Zelloberfläche. Anderson et al., 1996.

DAS CYTOSKELETT

Weiße Blutzelle folgt ein Bakterium

DAS CYTOSKELETT

11Zellteilung

DAS CYTOSKELETT

MIKROFILAMENTE MICROTUBULI INTERMEDIÄRFILAMENTE

A B C

DAS CYTOSKELETT

13

14

INTERMEDIÄR-

FILAMENTE

15

INTERMEDIÄRFILAMENTE

16

Fibrilläre Untereinheit

Intermediärfilamente

• Intermediärfilamente bestehen aus fibrilläre Proteinen

Stabilisieren die Form der Zelle und verleihen ihr Reissfestigkeit.

• Manche sind an Desmosomen verankert unterstützen so den Zusammenhalt von Nachbarzellen.

• Andere bilden die Kernlamina

17

Typen:

I., II, Keratine (Desmosomen, Haar, Nagel)

III., Vimentin (Anfang der Zelldifferenzierung) Desmin

(Muskeln).

IV., Neurofilamente (Axone von Neuronen);

V., Lamin (Innere Seite der Kernmembran);

Krankheiten:

epidermolysis bullosa simplex, (Keratin)

amyotrophic lateral sclerosis (ALS) (Neurofilament)

INTERMEDIÄRFILAMENTE

18

AKTIN-

FILAMENTE

(Microfilamente)

Microfilamente:

• Actinfilamente verändern die Zellgestalt und ermöglichen die Zellbewegung (Kontraktionen,

Cytoplasmaströmung).

• Actinfilamente und Myosinfilamente sind gemeinsam für die Muskeltätigkeit verantwortlich.

• Verbinden Transmembranproteine mit zytoplasmatischen Proteinen

• Zytokinese

• Aktinfilamente (F-Aktin) polymerisieren als lange helikale Ketten aus glubuläre Aktin-Monomern

(G-Aktin)

Aktin Monomer

20

ACTIN-BINDENDE PROTEINE

Quervernetzung: filamin

Depolimerisierung: KofilinMembranverbindung: spectrin, distrofin

Fragmentierung: Gelsolin

Actin Monomer

Actin Polymer

Monomer-

Sequstrierung:

Timozin

Capping: CapZ Bündelung: Fascin, Fimbrin

21

Viele Zellen bewegen sich durch Ausstülpungen an der

Zellfront (LAMELLIPODIUM) and ziehen danach das

Zellende zürück.

Zellbewegung - Lamellipodia

22

Zellbewegung - Filopodia

23Schaefer A W et al. J Cell Biol 2002;158:139-152

Zellbewegung – Filopodia, Lamellipodia

24Gezeigt bei Speckle-Microscopy.

TREADMILLING VON AKTIN IM LAMELLIPODIUM

Zellbewegung - Lamellipodia

25

PROTEININTERAKTIONEN IN LAMELLIPODIA

Zellbewegung - Lamellipodia

26

(a & b )Integrine verbinden Zellen miteinander und mit der extracellulären Matrix.

Wandernde Zellen machen und unterbrechen Kontakte mit der Matrix.

Zellbewegung - Zelladhesion

Fokalkontakte - Stressfasern

27

PROTEININTERACTIONEN IN LAMELLIPODIA

Zellbewegung - Lamellipodia

28

Zellbewegung - Zelladhesion

Microtubuli sind notwendig für den Abbau von

Fokaladhesionen und Fokalkomplexen während der

Zellwanderung.

Vorderseite (Lamellipodium) Hinterseite

29

Schematic representation of the actin cytoskeleton in a polarised fibroblast. The different organisational forms

of actin filaments are depicted: diagonal actin filament meshwork in the lamellipodium (Lam.), with associated

radial bundles (filopodia, Fil); contractile bundles of actin (stress fibres, S.F.) in the cell body and at the cell

edge; and a loose actin network throughout the cell. Sites of adhesion of the cell with the substrate are also

indicated: focal complexes (Fx) associated with lamellipodia and filopodia and focal adhesions (F.A.) at the

termini of actin stress fibre bundles.

STRESS FIBERS werden

geformt, wenn die Zelle mit

dem Substratum eine stabile

Verbindung aufbaut.

Während der Kontraktion

der stress fibers Myosin trägt

zum Gleiten der

antiparallelen Aktinfilamente

bei.

Kontraktion der stress

fibers zieht das Zellende.

Zellbewegung

30

Microtubuli sind notwendig für den Abbau von

Fokaladhesionen und Fokalkomplexen während der

Zellmigration.

Zellbewegung – Zelladhesion und

Mikrotubuli

Listeria monocytogenes moving in PtK2 cells

These pathogenic bacteria grow directly in the host cell cytoplasm. The phase-dense streaks behind the bacteria are the actin-rich comet tails.

Actin-based motility is also used in cellular motility; this cell is using it's cytoskeleton to crawl toward the lower right-hand corner. Speeded up

150X over real time. Julie Theriot & Dan Portnoy

Viele Pathogene

benutzen das Aktin der

Wirtszelle, um sich in

der infizierten Zelle zu

bewegen und zu einer

anderen Zelle

übertragen zu werden.

Sie lassen Aktin-

Schwänze wachsen.

Pathogene und das Aktin-Cytoskelett

Muskeldystrophien:• fortschreitende, meist symmetrisch ausgebildete Muskelschwäche

• Es sind mehr als 30 verschiedene Formen bekannt

• Die Symptome der Krankheit können erfolgreich behandelt werden, aber MD ist tödlich

je nach Form auch schon in jungen Jahren

Duchenne muscular dystrophy (DMD)• X-gekoppelt, Dystrophinmutationen

• jeder 3300ste Mann ist betroffen

• erste Symptome um das 5te Lebensjahr

• Rollstuhl um das 12te Lebensjahr

• Lebeserwartung mit DMD: bis die Mitte der 30er Jahre

Muskeldystrophien

Mikrovilli

34

MYOSINE

35

Skelettmuskulatur

36

Gleitfilamenttheorie

37

MYOSINE

Aktin-bindende Motorproteine

38

Gleitfilamenttheorie

39

Gleitfilamenttheorie

40

RIGOR MORTIS

(Totenstarre)

41

MIKROTUBULI

42

• Mikrotubuli sind lange zylinderförmige Gebilde, die aus Tubulin gebildet werden. Tubulin besteht aus zwei Untereinheiten :

a-tubulin und b-tubulin

• Mikrotubuli verlängern oder verkürzen sich, indem Tubulin-Dimere zugefügt oder entfernt werden.

• Durch das Verkürzen von Mikrotubuli werden die Chromosomen

bei der Zellteilung bewegt.

• Wechselwirkungem zwischen Mikrotubuli ermöglichen Zellbewegungen.

• Mikrotubuli dienen als „Gleise” für die Beforderung von Vesikeln.

Tubulin Dimer

b-Tubulin

Monomer

a-Tubulin

Monomer

Mikrotubuli

(Makrofilamente)

43

MIKROTUBULI

(MT)

Dynamische Instabilität

MT-assiziierte Proteine

beeinflussen die

dynamische

Instabilität.

Zytostatika: Substanzen,

die die Zellteilung hemmen

Colchizin, Taxol,

Vinblastin-

Stabilisatoren, in

grosser Konzentration

depolymerisieren

- Ende + Ende

Aufbau

POLIMERISIERUNG

DEPOLIMERISIERUNG

44Susan L. Kline-Smith and Claire E. Walczak: Mitotic Spindle Assembly and Chromosome Segregation: Refocusing on

Microtubule Dynamics. Molecular Cell, Vol. 15, 317–327, 2004,

„Strömung”

der MT-

Unter-

einheiten

45

Mikrotubuli sind dynamisch an

den + Enden

46

Motorproteine

47

MYOSIN

DYNEIN

KINESIN

+Ende

gerichtetes

Actinmotor

Motorproteine

+Ende

gerichtetes

MT-motor

-Ende

gerichtetes

MT-motor

48

Motorproteine

Verändern ihre Konformation

reversibel, angetriben vom ATP.

Dynein bindet an Microtubuli und

bewegt diese an benachbarten

Mikrotubuli entlang.

Kinesin bindet an Vesikeln und führt

es an einem Mikrotubulus entlang.

49

Kinezin Stammbaum

MT-MOTOREN: KINEZINE

Klassifizierung der Kinesine: (Position des

Motor-Domäns)

(N:N terminus, I:Innere Region, C: C-terminus):

Kin N (+ Ende-gerichtete Kinesine),

Kin I (MT-Depolymerasen)

Kin C (+ Ende-gerichtete Kinesine)

Monomer-, Dimer-, Tetramer-Formen

50

Kinezin családfa

MT MOTOROK: KINEZINEK

Funktionen der Kinesine:

Transport von Zellorganellen

• Vesikeln

• Pigmente

• ER und Golgi-Apparat

• Chromosomen

51

DYNEINE:

DYNAKTIN

Komplex

DYNEIN

Komplex

Funktionen der Dyneine:

Transport von Zellorganellen

• Vesikeln

• Pigmente

• ER und Golgi-Apparat

• Chromosomen

52

Figure 4.22 Sliding Microtubules Cause Cilia to Bend

Geisseln (Flagellen) und Cilien

53

Geisseln (Flagellen) und Cilien

54

55

56

Axonale Transport

57

Centriolen

58

Bestehen aus 9

Mikrotubuli-Tripletts.

Organisieren das

Centrosom

CENTRIOLEN

59

CENTROSOM

Marie Delattre and Pierre Gönczy: The arithmetic of centrosome biogenesis. Journal of Cell Science 117, 1619-1629 2004

CENTROSOM:

CENTRIOLEN

und PCM

g-tubulin ring

complex :

MT-Nucleation

Microtubuli-

Organisations-

centrum (MTOC)

60

CENTROSOM

61

Zellteilung

MITOSE & MEIOSE

62

Mitose und Meiose

63

Mitose und Meiose

64

Jonathan M. Scholey, Ingrid

Brust-Mascher & Alex

Mogilner: Cell division

NATURE VOL 422, 2003

Anaphase A

Anaphase B

TelophaseMetaphase

Prometaphase

ProphaseMitose

65

Der Struktur der Spindel

66

Chromosomen

Gene

Centromer

Tochterchromatiden

Dupliziertes

Chromosom

Telomer

Aufbau der Chromosomen

Chromatin:

Nicht kondensierte DNA mit Proteinen (in der

Interphase des Zellzyklus

Chromosom: kondensierte DNA mit Proteinen

verpackt (in der M-Phase des Zellzyklus)Karyogram

(human)

„a” Allel„A” Allel

Homologe Chromosomen

1.♀ 1.♂2.♀ 2.♂

67

KINETOCHOR – „Search and capture” Modell

C

E

N

T

R

O

M

E

R

DYNAKTIN Complex DYNEIN Complex Kinetochorproteine und Adaptorproteine

Kinetochor: Struktur aus Proteinen und DNA-Abschnitten, die dem Zentromer

aufsitzt und bei Kernteilungsvorgängen als Ansatzstelle für die Fasern des

Spindelapparates dient.

68

Rebecca W. Heald: Burning the spindle at both ends NATURE VOL 427 2004

Bewegung der Chromosomen

metafázis

anafázis

kinetokór MT

kinetokór

centroszóma

kromoszóma

Aufrollen

Pac-Man

69Rogers et. al.: Two mitotic kinesins cooperate to drive sister chromatid separation during anaphase NATURE | VOL 427 | 22 J 2004

MT –

depolymerisierendes

KinesinDynein

Kinetochor

Centrosom

Dynaktin

MT-Flux

Microtubuli und die Segregation der Chromosomen

MT –

depolymerisierendes

Kinesin

70

Dynein

Kinesin

Microtubuli und die Entstehung der Spindel

71

Spindel ohne Centrosom

Pflanzenzellen Weibliche MeioseMeiste Tierzellen

Patricia Wadsworth and Alexey Khodjakov: E pluribus unum:

towards a universal mechanism for spindle assembly. TRENDS in

Cell Biology Vol.14 No.8 2004

72Oliver J. Gruss and Isabelle Vernos: The mechanism of spindle assembly: functions of Ran and its target TPX2. The Journal of Cell

Biology, Volume 166, Number 7, 2004 949–955

Wie entstehen Spindel ohne Centrosom?

NUKLEATION ORGANISATION AUSBILDUNG DER POLEN

73Andreas Merdes and Don W. Cleveland: Pathways of Spindle Pole Formation: Different Mechanisms; Conserved Components

The Journal of Cell Biology 138, Number 5, September 8, 1997, 953–956

Mit Centrosom Ohne Centrosom

Microtubuli und die Entstehung der Spindel

Chromosomengeheftetes

Kinesin Tetramer Kinesin

Dynein Complex

74

Meiose I

Meiose II

oder

2 Ry : :

Heterozygous diploid

cell (YyRr) to

undergo meiosis

yy

y

y y

y

yy

y

Y

YY

Y

YY

Y

Y Y

R

R

R r

r

y

r

r R

R

Y

R

RR

R

y

R

r

rr

r

Y

r

Yy

Rr

R

rr

2 rY 2 ry 2 RY

Trennung der Chromosomen in der Meiose

Yy, rR

75

MEIOSE

76

MeioseSPERMATOGENESE OOGENESE

Urkeimzelle

Spermatogonien/Oogonien

Primäre

Spermatocyten/Oocyten

Sekundäre

Spermatocyten/Oocyten

Spermatiden/Ootiden

Spermien/Ovum

Meiose I

Meiose II

Mitose

Mitose

Weibliche Meiose:• Asymmetrisch (1 Eizelle+3

Polkörperchen)

• Arratierung in Prophase I und

Metaphase II

77

Fehler bei der Meiose

Nondisjunktion:

Ein homologes Chromosomenpaar wird

bei der Meiose I nicht getrennt.

Die Chromatiden werden bie der

Meiose II nicht getrennt.

Die Folge ist Aneuploidie: Es fehlen ein oder mehrere Chromosomen, oder sind

überzählig vorhanden (Nullisomie, Monosomie, Trisomie).

78

Michael Glotzer :ANIMAL CELL CYTOKINESIS Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 2001. 17:351–86

CYTOKINESE – Der kontraktile Ring

79

Tubulin-GFP Actin-GFP

CYTOKINESE

80

Regulierung des Zellzyklus

8181

82

Der Zellzyklus bei Eukaryoten

Die meisten Zellen teilen sich

nie:differenzierte Zellen

(Nervenzellen, Muskelzellen)

Manche Zellen teilen sich oft

und schnell

(embrionale Zellen, Stammzellen)

Sogar diese Zellen verbringen die

meiste Zeit in der Interphase

83

Verlassen des Zellzyklus – G0

G0

Interphase

84

G1 Phase

G2 Phase

S PhaseDNA Replikation

Interphase

M PhaseMitose

Zytokinese

Die Phasen des Zellzyklus

85

Chromosomen und der Zellzyklus

86

Regulierung der Zellzyklus

szabályozószabályozó

Entstehung der Spindel

Abschluss der Zellteilung

S Anfang

M Anfang M Ende

DNS replikációDNA-Replikation

87

M Anfang M Ende

S Anfang

G1/S Kontrollpunkt

G2/M Kontrollpunkt Metaphasen- Kontrollpunkt

Ist die DNA-Replikation abgeschlossen?

Ist die replizierte DNA beschädigt?

Wurde die mitotische Spindel aufgebaut?

Sind alle Kinetochore mit Transportfasern des

Spindelapparates verbunden?

Sind die Umweltbedingungen günstig?

Regulierung der Zellzyklus

88

Cdk 1

Cyklin B

M-Phase promoting ComplexCyklin-abhängige Kinase (CDK)+Cyklin

Aktiviert/inaktiviert viele Targetproteine durch Phosphorylierung, wodurch

die M- Phase eingeleitet wird.

89MPF ist nur bei hocher Cyklinkonzentration aktiv

Mitotisches

Cyklin

MPF-Aktivität

idő

Relative

Konzentration

M-Phase promoting ComplexCyklin-abhängige Kinase (CDK)+Cyklin

90

CDK-Cyklin Complexe der höheren Eukaryoten

M G1 G2S M G1

Cdk-s

D E A B(A)Cykline

Cdk4 Cdk2 Cdk1

91

Regulationsmechanismen der Cyklin-abhängigen Kinasen

1. CYKLIN-Bindung

4. CDK-INHIBITOR 2. AKTIVIERENDE PHOSPHORYLIERUNG

3. HEMMENDE PHOSPHORYLIERUNG

92

Pozitive

Rückkopplung

Aktivierende

Phosphirilierung

Inaktíve

M-Cdk

Inaktíve

M-Cdk

aktíve M-

Cdk

M-Cyklin

Cdk1

inaktive

Phosphatase

PHOSPHORYLIERUNG - DEPHOSPHORYLIERUNG

Cdk-

Aktivator

Kinase

Cdk-Inhibitor

Kinase

Regulationsmechanismen der Cyklin-abhängigen Kinasen

Hemmende

Phosphirilierung

93

Inaktives

Cyklin-Cdk-p27

Complex

Aktíves

Cyklin-Cdk

Complexp27

CyklinCdk

CDK- INHIBITOREN (CDKI)

Regulationsmechanismen der Cyklin-abhängigen Kinasen

94

APC-abhängige Proteolyse

aktives

APC

Aktivierende Untereinhet

(Cdc20)

inaktives

APC

Ubiquitinierungsenzyme

Polyubiquitinkette

Cdk inhibítor fehérje

(CDKI)

M-Cyiklin

Abbau

UBIQUITIN-abhängiger Proteinabbau

Regulationsmechanismen der Cyklin-abhängigen Kinasen

Proteasom

95

Protoonkogene sind Gene die den normalen

Ablauf des Zellzyklus fördern. Durch

dominante Mutationen werden sie zu

Onkogene.

Dominante (hypermorphe) Mutationen von

CDKs und Cykline können zur Tumorenbildung

führen.

96

G2/M

Kontrollpunkt

Metaphasen-Kontrollpunkt

G1/S

Kontrollpunkt

Zellgrösse

Nährstoffe

Wachstumsfaktoren

DNA-Schäden

Zellgrösse

DNA-Schäden

Chromosomen-Spindel-Bindung

G0

Kontrollenpunkte des Zellzyklus

97

M Anfang M Ende

S AnfangG1/S Kontrollpunkt

G2/M Kontrollpunkt Metaphasen- Kontrollpunkt

Ist die DNA-Replikation abgeschlossen?

Ist die replizierte DNA beschädigt?

Wurde die mitotische Spindel aufgebaut?

Sind alle Kinetochore mit Transportfasern des

Spindelapparates verbunden?

Sind die Umweltbedingungen günstig?

Ist die DNA beschädigt?

Regulierung der Zellzyklus

98

DNS

Aktivierung

von Kinasen

Phosphorylierung von p53

p53 Abbau

Stabil,

Aktív p53

p53 bindet an den Promotor des p21

Gens

Transkription

Translationp21 mRNS

p21 (CKI)

AKTÍV INAKTÍV

G1/S Kontrollpunkt

Beschädigte DNA

99

G1/S Kontrollpunkt

100

Durch die Bindung des Rb protein zum E2F Transkriptionsfaktor wird die G1/S Übergang gehemmt. E2F ist zur Transkription der c-myc & c-fos Protoonkogene notwendig..

Transkription

der E2F-

Targetgene

G1/S Kontrollpunkt

101Symptome vom ataxia telangiektázia. Das ATM-Protein spielt eine

wichtige Rolle in der Detektierung der DNA-Schäden.)

ATM (ataxia telangiectasia mutated)

Sterilität

Strahlunds-

empfindlichkeit

Neurodegeneration

telangiektasia

Immunprobleme

Krebs-

bildung

102

G2/M

Kontrollpunkt

Metaphasen-Kontrollpunkt

G1/S Kontrollpunkt

Zellgrösse

Nährstoffe

Wachstumsfaktoren

DNA-Schäden

Zellgrösse

DNA-Schäden

Chromosomen-Spindel-Bindung

G0

Kontrollenpunkte des Zellzyklus

103

DNA-Replikation ist abgeschlossen

Kontrollpunkt-

proteine

MitoseArretierung

in G2

Kontrollpunkt-

proteine

G2/M KontrollpunktDNA-Replikation ist nicht abgeschlossen / DNA-Schäden

104

cdk1

G2/M Kontrollpunkt

105

G2/M

Kontrollpunkt

Metaphasen-Kontrollpunkt

G1/S Kontrollpunkt

Zellgrösse

Nährstoffe

Wachstumsfaktoren

DNA-Schäden

Zellgrösse

DNA-Schäden

Chromosomen-Spindel-Bindung

G0

Kontrollenpunkte des Zellzyklus

106

Schwester-chromatiden Cohesin

anafázisMetaphase

Anaphasen

promoting

Complex

(APC)

MPF

(cdk-Cyclin-Complex)

Abgebautes

mitotisches Cyclin

Abgebautes

Securin

Separin

Separase

Securin

Anaphase

Metaphasen-Kontrollpunkt (Metaphase-Anaphase-Übergang)

107Anaphase wird nicht eingeleitet, wenn nicht alle Chromosmen an

Spindelfasern gebunden sind.

AnaphaseMetaphase

Metaphasen-Kontrollpunkt (Metaphase-Anaphase-Übergang)

108

Was wurde ohne die

Metaphasen-Kontrollpunkt

passieren?

Aneuploide Zellen

Tumorzellen sind alle aneuploid!

Abnormale

Spindel

Anaphase

Cytokinese

Extra

Chromosom

Chromosomen-

verlust

Metaphasen-Kontrollpunkt (Metaphase-Anaphase-Übergang)

109

APC wird durch den Metaphasen-Kontrollpunkt inaktiviert

HTLV-1 vírus Tax Protein des HTLV- Virus

bindet und inaktiviert Mad, und verursacht

dadurch T-Zellen Leukaemie.

Kontrollpunkt inaktiv

Kontrollpunkt aktiv

Kinetochor ist nicht an

beiden Seiten an

Spindelfasern gebunden

Kinetochor ist an

beiden Seiten an

Spindelfasern

gebunden

Anaphase

wird

gehemmt

Anaphase beginnt

Metaphasen-Kontrollpunkt (Metaphase-Anaphase-Übergang)

110

Tumorsupressor Gene hemmen den normalen Zellzyklus.

Recessive Mutationen der Tumorsupressor Gene führen zur Krebsbildung.