fasen van de celcyclus

een typische eukaryotische celcyclus wordt geïllustreerd door menselijke cellen in kweek, die zich ongeveer elke 24 uur verdelen. Zoals bekeken in de microscoop, is de celcyclus verdeeld in twee basisdelen: mitose en interfase. De mitose (nucleaire afdeling) is het meest dramatische stadium van de celcyclus, die aan de scheiding van dochterchromosomen en gewoonlijk eindigend met celdeling (cytokinese) overeenkomt. Echter, mitose en cytokinese duren slechts ongeveer een uur, dus ongeveer 95% van de celcyclus wordt doorgebracht in interfase-de periode tussen mitoses. Tijdens de interfase worden de chromosomen gedecondenseerd en verspreid door de kern, zodat de kern morfologisch uniform lijkt. Op moleculair niveau is interfase echter de tijd waarin zowel de celgroei als de DNA-replicatie op een ordelijke manier plaatsvinden ter voorbereiding op celdeling.

de cel groeit met een constante snelheid gedurende de interfase, waarbij de meeste delende cellen verdubbelen in grootte tussen de ene mitose en de volgende. In tegenstelling, wordt DNA samengesteld tijdens slechts een gedeelte van interphase. De timing van de synthese van DNA verdeelt zo de cyclus van eukaryotic cellen in vier afzonderlijke fasen (figuur 14.1). De M-fase van de cyclus komt overeen met mitose, die gewoonlijk door cytokinesis wordt gevolgd. Deze fase wordt gevolgd door de G1-fase (kloof 1), die aan het interval (kloof) tussen mitose en initiatie van de replicatie van DNA correspondeert. Tijdens G1, is de cel metabolisch actief en groeit onophoudelijk maar herhaalt zijn DNA niet. G1 wordt gevolgd door S-fase (synthese), waarin de replicatie van DNA plaatsvindt. De voltooiing van de synthese van DNA wordt gevolgd door de fase G2 (gap 2), waarin de celgroei blijft en de proteã nen ter voorbereiding op mitose worden samengesteld.

figuur 14.1

fasen van de celcyclus. De delingscyclus van de meeste eukaryotic cellen is verdeeld in vier afzonderlijke fasen: M, G1, S, en G2. M fase (mitose) wordt meestal gevolgd door cytokinese. S fase is de periode waarin de replicatie van DNA voorkomt. De cel groeit (meer…)

de duur van deze fasen van de celcyclus varieert aanzienlijk in verschillende soorten cellen. Voor een typische snel prolifererende menselijke cel met een totale cyclustijd van 24 uur, kan de G1-fase ongeveer 11 uur duren, S-fase ongeveer 8 uur, G2 ongeveer 4 uur en M ongeveer 1 uur. Andere soorten cellen kunnen zich echter veel sneller delen. Ontluikende gisten, bijvoorbeeld, kunnen door alle vier stadia van de celcyclus in slechts ongeveer 90 minuten vorderen. Nog kortere celcycli (30 minuten of minder) komen voor in vroege embryocellen kort na de bevruchting van het ei (figuur 14.2). In dit geval vindt de celgroei echter niet plaats. In plaats daarvan, verdelen deze vroege embryonale celcycli snel het eicytoplasma in kleinere cellen. Er is geen fase van G1 of G2, en de replicatie van DNA komt zeer snel in deze vroege embryonale celcycli voor, die daarom uit zeer korte fasen van S afwisselend met fasen van M bestaan.

figuur 14.2

embryonale celcycli. De vroege embryonale celcycli verdelen snel het cytoplasma van het ei in kleinere cellen. De cellen groeien niet tijdens deze cycli, die G1 en G2 missen en eenvoudig uit korte S-fasen afwisselend met M-fasen bestaan.

in tegenstelling tot de snelle proliferatie van embryonale cellen stoppen sommige cellen bij volwassen dieren volledig met delen (bv. zenuwcellen) en delen vele andere cellen slechts af en toe, indien nodig ter vervanging van cellen die verloren zijn gegaan als gevolg van letsel of celdood. De cellen van het laatste type omvatten huidfibroblasten, evenals de cellen van vele interne organen, zoals de lever, de nier, en de long. Zoals verder besproken in de volgende sectie, verlaten deze cellen G1 om een rustgevend stadium van de cyclus genoemd G0 in te gaan, waar zij metabolisch actief blijven maar zich niet langer verspreiden tenzij geroepen om dit door aangewezen extracellulaire signalen te doen.

analyse van de celcyclus vereist identificatie van cellen in de verschillende stadia die hierboven zijn besproken. Hoewel de mitotische cellen microscopisch kunnen worden onderscheiden, moeten de cellen in andere fasen van de cyclus (G1, S, en G2) door biochemische criteria worden geà dentificeerd. Cellen in S-fase kunnen gemakkelijk worden geïdentificeerd omdat zij radioactief thymidine bevatten, dat uitsluitend voor DNA-synthese wordt gebruikt (figuur 14.3). Bijvoorbeeld, als een bevolking van snel prolifererende menselijke cellen in cultuur aan radioactieve thymidine voor een korte periode (b.v., 15 minuten) wordt blootgesteld en dan door autoradiografie wordt geanalyseerd, zal ongeveer een derde van de cellen worden gevonden om radioactief worden geëtiketteerd, die aan de fractie van cellen in S-fase overeenstemmen.

figuur 14.3

Identificatie van S-fase cellen door opname van radioactief thymidine. De cellen werden blootgesteld aan radioactief thymidine en geanalyseerd door autoradiografie. Gelabelde cellen worden aangegeven met pijlen. (Van D. W. Stacey et al., 1991. Mol. Cel Biol. 11: 4053.) (meer…)

variaties van dergelijke celetiketteringsexperimenten kunnen ook worden gebruikt om de lengte van verschillende stadia van de celcyclus te bepalen. Denk bijvoorbeeld aan een experiment waarbij de cellen gedurende 15 minuten aan radioactief thymidine worden blootgesteld, waarna het radioactieve thymidine wordt verwijderd en de cellen voor variërende lengtes van tijd voorafgaand aan autoradiografie worden gekweekt. Radioactief geëtiketteerde interfasecellen die tijdens de blootstelling aan radioactief thymidine in S-fase waren, zullen gedurende enkele uren worden geobserveerd terwijl zij door de rest van S en G2 vorderen. In tegenstelling, radioactief gelabelde mitotische cellen zullen niet worden waargenomen tot 4 uur na het labelen. Deze vertragingstijd van 4 uur komt overeen met de lengte van G2—de minimale tijd die nodig is voor een cel die radioactief thymidine aan het einde van S-fase heeft opgenomen om mitose in te gaan.

cellen in verschillende stadia van de celcyclus kunnen ook worden onderscheiden door hun DNA-gehalte (figuur 14.4). Bijvoorbeeld, zijn de dierlijke cellen in G1 diploid (die twee exemplaren van elk chromosoom bevatten), zodat wordt hun DNA-inhoud bedoeld als 2n (n wijst de haploïde DNA-inhoud van het genoom aan). Tijdens de fase van S, verhoogt de replicatie de inhoud van DNA van de cel van 2n aan 4n, zodat hebben de cellen in S de inhoud van DNA die zich van 2n aan 4n uitstrekken. de inhoud van DNA blijft dan bij 4n voor cellen in G2 en M, die tot 2n na cytokinese verminderen. Experimenteel, kan de cellulaire inhoud van DNA door incubatie van cellen met een fluorescente kleurstof worden bepaald die aan DNA bindt, door analyse van de fluorescentieintensiteit van individuele cellen in een stroomcytometer of fluorescentie-geactiveerde celsorteerder wordt gevolgd, daardoor het onderscheiden van cellen in de fasen G1, S, en G2/M van de celcyclus.

figuur 14.4

bepaling van cellulair DNA-gehalte. Een populatie van cellen wordt geëtiketteerd met een fluorescente kleurstof die DNA bindt. De cellen worden dan overgegaan door een stroomcytometer, die de fluorescentieintensiteit van individuele cellen meet. De gegevens worden uitgezet als cel (meer…)