Phasen des Zellzyklus

Ein typischer eukaryotischer Zellzyklus wird durch menschliche Zellen in Kultur veranschaulicht, die sich ungefähr alle 24 Stunden teilen. Im Mikroskop betrachtet ist der Zellzyklus in zwei grundlegende Teile unterteilt: Mitose und Interphase. Die Mitose (Kernteilung) ist das dramatischste Stadium des Zellzyklus, das der Trennung von Tochterchromosomen entspricht und normalerweise mit der Zellteilung (Zytokinese) endet. Mitose und Zytokinese dauern jedoch nur etwa eine Stunde, so dass ungefähr 95% des Zellzyklus in der Interphase — der Periode zwischen den Mitosen – verbracht werden. Während der Interphase werden die Chromosomen dekondensiert und im gesamten Kern verteilt, so dass der Kern morphologisch einheitlich erscheint. Auf molekularer Ebene ist Interphase jedoch die Zeit, in der sowohl das Zellwachstum als auch die DNA-Replikation in Vorbereitung auf die Zellteilung geordnet ablaufen.

Die Zelle wächst während der gesamten Interphase stetig, wobei sich die meisten sich teilenden Zellen zwischen einer Mitose und der nächsten verdoppeln. Im Gegensatz dazu wird DNA nur während eines Teils der Interphase synthetisiert. Das Timing der DNA-Synthese teilt somit den Zyklus eukaryotischer Zellen in vier diskrete Phasen (Abbildung 14.1). Die M-Phase des Zyklus entspricht der Mitose, auf die normalerweise die Zytokinese folgt. Auf diese Phase folgt die G1-Phase (Gap 1), die dem Intervall (Gap) zwischen Mitose und Beginn der DNA-Replikation entspricht. Während G1 ist die Zelle metabolisch aktiv und wächst kontinuierlich, repliziert jedoch nicht ihre DNA. Auf G1 folgt die S-Phase (Synthese), in der die DNA-Replikation stattfindet. Nach Abschluss der DNA-Synthese folgt die G2-Phase (Gap 2), in der das Zellwachstum fortgesetzt und Proteine zur Vorbereitung auf die Mitose synthetisiert werden.

Abbildung 14.1

Phasen des Zellzyklus. Der Teilungszyklus der meisten eukaryotischen Zellen ist in vier diskrete Phasen unterteilt: M, G1, S und G2. Auf die M-Phase (Mitose) folgt normalerweise eine Zytokinese. Die S-Phase ist der Zeitraum, in dem die DNA-Replikation stattfindet. Die Zelle wächst (mehr…)

Die Dauer dieser Zellzyklusphasen variiert in verschiedenen Zelltypen erheblich. Für eine typische schnell proliferierende menschliche Zelle mit einer Gesamtzykluszeit von 24 Stunden kann die G1-Phase etwa 11 Stunden, die S-Phase etwa 8 Stunden, G2 etwa 4 Stunden und M etwa 1 Stunde dauern. Andere Zelltypen können sich jedoch viel schneller teilen. Angehende Hefen können beispielsweise alle vier Stadien des Zellzyklus in nur etwa 90 Minuten durchlaufen. Noch kürzere Zellzyklen (30 Minuten oder weniger) treten in frühen Embryozellen kurz nach der Befruchtung des Eies auf (Abbildung 14.2). In diesem Fall findet jedoch kein Zellwachstum statt. Stattdessen teilen diese frühen embryonalen Zellzyklen das Zytoplasma der Eizelle schnell in kleinere Zellen. Es gibt keine G1- oder G2-Phase, und die DNA-Replikation erfolgt in diesen frühen embryonalen Zellzyklen sehr schnell, die daher aus sehr kurzen S-Phasen bestehen, die sich mit M-Phasen abwechseln.

Abbildung 14.2

Embryonale Zellzyklen. Frühe embryonale Zellzyklen teilen das Zytoplasma des Eies schnell in kleinere Zellen. Die Zellen wachsen während dieser Zyklen, denen G1 und G2 fehlen, nicht und bestehen einfach aus kurzen S-Phasen, die sich mit M-Phasen abwechseln.

Im Gegensatz zur schnellen Proliferation embryonaler Zellen stellen einige Zellen bei erwachsenen Tieren die Teilung ganz ein (z. B. Nervenzellen) und viele andere Zellen teilen sich nur gelegentlich, um Zellen zu ersetzen, die aufgrund von Verletzungen oder Zelltod verloren gegangen sind. Zellen des letzteren Typs umfassen Hautfibroblasten sowie die Zellen vieler innerer Organe wie Leber, Niere und Lunge. Wie im nächsten Abschnitt weiter erläutert, verlassen diese Zellen G1, um in ein Ruhestadium des Zyklus namens G0 einzutreten, in dem sie metabolisch aktiv bleiben, sich aber nicht mehr vermehren, es sei denn, sie werden durch geeignete extrazelluläre Signale dazu aufgefordert.

Die Analyse des Zellzyklus erfordert die Identifizierung von Zellen in den verschiedenen oben diskutierten Stadien. Obwohl mitotische Zellen mikroskopisch unterschieden werden können, müssen Zellen in anderen Phasen des Zyklus (G1, S und G2) nach biochemischen Kriterien identifiziert werden. Zellen in der S-Phase können leicht identifiziert werden, da sie radioaktives Thymidin enthalten, das ausschließlich für die DNA-Synthese verwendet wird (Abbildung 14.3). Wenn beispielsweise eine Population schnell proliferierender menschlicher Zellen in Kultur für einen kurzen Zeitraum (z. B. 15 Minuten) radioaktivem Thymidin ausgesetzt und dann durch Autoradiographie analysiert wird, wird festgestellt, dass etwa ein Drittel der Zellen radioaktiv markiert ist, was dem Anteil der Zellen in der S-Phase entspricht.

Abbildung 14.3

Identifizierung von S-Phasenzellen durch Einbau von radioaktivem Thymidin. Die Zellen wurden radioaktivem Thymidin ausgesetzt und autoradiographisch analysiert. Markierte Zellen sind durch Pfeile gekennzeichnet. (Aus D. W. Stacey et al., 1991. Mol. In: Cell Biol. 11: 4053.) (Mehr…)

Variationen solcher Zellmarkierungsexperimente können auch verwendet werden, um die Länge verschiedener Stadien des Zellzyklus zu bestimmen. Betrachten Sie beispielsweise ein Experiment, bei dem Zellen 15 Minuten lang radioaktivem Thymidin ausgesetzt werden, wonach das radioaktive Thymidin entfernt und die Zellen vor der Autoradiographie für unterschiedliche Zeiträume kultiviert werden. Radioaktiv markierte Interphasenzellen, die sich während der Zeit der Exposition gegenüber radioaktivem Thymidin in der S-Phase befanden, werden mehrere Stunden lang beobachtet, während sie den Rest von S und G2 durchlaufen. Im Gegensatz dazu werden radioaktiv markierte mitotische Zellen erst 4 Stunden nach der Markierung beobachtet. Diese 4-stündige Verzögerungszeit entspricht der Länge von G2 – der Mindestzeit, die eine Zelle benötigt, die radioaktives Thymidin am Ende der S-Phase eingebaut hat, um in die Mitose einzutreten.

Zellen in verschiedenen Stadien des Zellzyklus können auch durch ihren DNA-Gehalt unterschieden werden (Abbildung 14.4). Zum Beispiel sind tierische Zellen in G1 diploid (enthalten zwei Kopien jedes Chromosoms), so dass ihr DNA-Gehalt als 2n bezeichnet wird (n bezeichnet den haploiden DNA-Gehalt des Genoms). Während der S-Phase erhöht die Replikation den DNA-Gehalt der Zelle von 2n auf 4n, so dass Zellen in S DNA-Gehalte von 2n bis 4n aufweisen. Der DNA-Gehalt bleibt dann bei 4n für Zellen in G2 und M und nimmt nach der Zytokinese auf 2n ab. Experimentell kann der zelluläre DNA-Gehalt durch Inkubation von Zellen mit einem Fluoreszenzfarbstoff, der an DNA bindet, bestimmt werden, gefolgt von einer Analyse der Fluoreszenzintensität einzelner Zellen in einem Durchflusszytometer oder fluoreszenzaktivierten Zellsortierer, wodurch Zellen in den Phasen G1, S und G2 / M des Zellzyklus unterschieden werden.

Abbildung 14.4

Bestimmung des zellulären DNA-Gehalts. Eine Population von Zellen wird mit einem Fluoreszenzfarbstoff markiert, der DNA bindet. Die Zellen werden dann durch ein Durchflusszytometer geleitet, das die Fluoreszenzintensität einzelner Zellen misst. Die Daten werden als Zelle aufgetragen (mehr…)