Blogprojekt ScienceBlog: The regulation of chromosome and chromatid seperation is dependent on the APC/C - oder: was ich eigentlich grade mache

Seit nun mehr als einem Monat bin ich am MPI und habe bisher nur mehr oder weniger sporadisch ein paar kurze Einblicke in meine Arbeit gegeben. Um das alles mal in einem größerem Zusammenhang zu stellen und auch euch eine kurze Einführung zu geben, heute dazu ein Beitrag.
Am Anfang eine kleine Hinführung zum Thema, indem ich den mitotischen Zellzyklus anschneide, auf einige wichtige Proteine und -funktionen eingehe, die in meiner Arbeitsgruppe eine Rolle spielen, und zum Schluss mein Thema, das sich eher auf die Meiose beschränkt.

Der Zellzyklus, also der Ablauf von immer wieder aufeinander folgenden Zellteilungen, lässt sich grob in vier verschiedene Phasen unterteilen. In der unten stehenden Abbildung habe ich das mal so zusammengetragen, wie man das eigentlich auch in jedem guten Lehrbuch findet und wahrscheinlich schon in der Schule lernt.

Zellzyklus

In G1 wächst die Zelle normalerweise und betreibt ihren ganz normalen Stoffwechsel. G steht dabei für Gap, da man in früheren Zeiten in der Zelle keine nennenswerte Aktivität feststellen konnte, sozusagen ein “Lücke” im Zyklus. Dieser Zustand kann für sehr lange Zeit aufrecht erhalten werden, indem die Zell in G0 übergeht. Eine Art Ruhephase, die keine Zellteilung erlaubt. Die meisten Zellen eines Organismus liegen wahrscheinlich in G0 vor, da sie sich eben nicht mehr teilen müssen, sondern ihre Funktion im (Über-)leben des Organismusses erfüllen. Eine Rückführung von G0 in G1 ist theoretisch möglich, wird bei höher organisierten Lebenwesen aber eigentlich nicht beobachtet. Dass es allerdings möglich ist, zeigt die Möglichkeit induzierte pluripotente Stammzellen (Takahashi et al, 2007) zu erzeugen. In weniger komplexen Organismen (wobei man mit dem Begriff ja vorsichtig sein sollte, siehe JLT) wird das aber mehr oder weniger regelmäßig beobachtet, so ist das z.B. von Hefen schon sehr lange bekannt.
Die auf G1 folgende S-Phase bezeichnet die Synthese neuer DNA, bzw. die Verdopplung des Chromosomensatzes um eine anschließende Zellteilung durchzuführen. So wirklich viel zu sagen lässt sich dabei nicht. Bemerkenswert ist aber, dass zum Beispiel in der frühen Embryonalentwicklung der Fruchtfliege (Drosophila melanogaster) die G1-Phase völlig übersprungen werden kann und keinerlei Wachstum erfolgt, sondern nach einer abgeschlossenen Teilung gleich neue DNA synthetisiert wird. Allerdings sollte man dabei auch erwähnen, dass zu diesem frühen Zeitpunkt noch keine wirkliche zelluläre Struktur erkennbar ist, sondern die Teilungen einzig auf Kernteilungen beruhen und der Embryo als sogenanntes blastodermes Syncycium (eine “mehrkernige Zelle”) vorliegt. So wird eine rasche Entwicklung des Embryos sichergestellt, was wiedereinmal die erstaunlichen Leistungen einer Zelle verdeutlicht, da, soweit ich mich erinnere, die ersten 12 Teilungen in nur 3 Stunden auf diese Weise ablaufen. Das macht eine beeindruckende Geschwindigkeit von nur 15 Minuten pro Zellzyklus! Kein Wunder, dass die G1-Phase dabei übersprungen wird.
Auf die Synthesephase folgt eine weitere Gap-Phase, G2, in der die Zelle alle Vorbereitungen für die bevorstehende Teilung trifft. Befindet sich die Zelle in einem Zellverbund, so umfasst das zum Beispiel die Lösung der Kontakte zu Nachbarzellen und damit eine Abrundung der Zelle, was man in Kulturen auch sehr schön unter dem Mikroskop beobachten kann.
Die eigentliche Teilung erfolgt dann in der Mitose. Auch diese lässt sich in verschiedene Phasen unterteilen, die sich durch spezifische Faktoren unterscheiden. Ich will hier jetzt nicht unbedingt das wiederholen, was man eigentlich überall nachlesen kann, weswegen ich mich auf zwei Phasen beschränken werde, bzw. den Übergang von Metaphase zu Anaphase, also dem eigentlichen Punkt der Schwesterchromatidentrennung (die “halben” Chromosomen). In dem Bild unten ist grob dargestellt, wie die Chromosomen vorliegen.

Mitosis

In Prophase sind die beiden Schwesterchromatiden komplett zusammen. Diese Bindung wird durch das Cohesin bewerkstelligt, wobei es das Chohesin im Sinnes eines Moleküls gar nicht gibt. So sind verschiedene Untereinheiten identifiziert, die zusammen eine Art Ring bilden, der sich um die Chromosomen legt. Wobei es auch hier verschiedene Auffassungen gibt, wie das ganze eigentlich von statten geht. So könnte es einerseits wirklich ein Ring sein, der sich um beide Chromosomen gleichzeitig legt, aber nach anderen Vorstellungen auch jeweils ein Ring pro Chromatid, die dann wiederum mit einander in Verbindung stehen. Wie auch immer, die beiden Chromosomenteile hängen von oben bis zusammen. Nach der Prometaphase besteht diese Verbindung nur noch im centromeren Bereich der Chromosomen. Dort befindet sich das Kinetochor, wo später die Mikrotubuli anheften um die Chromatiden in entgegengesetzte Richtungen der Zelle zu ziehen. Erst wenn die Anheftung der Mikrotubuli erfolgt ist, wird der sogenannte spindle assambly checkpoint (SAC) aktiviert und die Zelle geht von der Metaphase in die Anaphase über, wobei sich die Chromatiden trennen. Die oben angesprochene Trennung der Chromosomen in den “Armbereichen” wird unabhängig von einer Protease bewerkstelligt. Das Cohesin wird von einer Kinase (Polo like kinase 1, Plk1) phosphoryliert und dissoziiert einfach vom Chromosom. Für den nächsten Zellteilungszyklus kann es also wiederverwendet werden, da es noch in Funktion ist. Nun ergibt sich aber ein Problem: Die Cohesine im Kinetochorbereich sind nicht anders, als jede an der Armen. Wie kann die Kinase also unterscheiden, welche sie phosphorylieren soll und welche nicht? Gar nicht, und lange Zeit war der Mechanismus relativ unbekannt, bis eine japanische Arbeitsgruppe (Kitajima TS, Kawashima SA, Watanabe Y, 2004) ein Protein gefunden hat, welches die Cohesine in der Mitte beschützt. Getauft haben sie es Shugoshin (Sgo), was soviel wie “Beschützergeist” bedeutet. Durch Bindung von Sgo an eine Untereinheit des Cohesinrings wird eine Phosphatase (PP2A) rekrutiert, die die Phosphorylierung, also die Anheftung von Phosphaten, an Cohesin wieder rückgängig macht (Watanabe Lab., 2006).
Die Trennung der Chromatiden ist dann abhängig von dem oben angesprochenen SAC, solange die Mikrotubuli, die die Chromatiden in Richtung der beiden Zellpole ziehen, nicht an wirklich jedem Chromosom/Kinetochor angeheftet haben, wird der Checkpoint nicht aktiviert. Zur Messung dieser Anheftung sind auch wieder verschiedene Komponenten nötig, z.B. Mad2 (Salmon and Musacchio, 2007), worüber ich aber nicht mehr sagen kann, da sich das alles im aktuellen Forschungsprozess befindet. Nach erfolgreicher Bindung der Mikrotubuli an die Kinetochore wird der Anaphase Promoting Complex oder auch das Cyclosome (APC/C) durch seinen Cofaktor Cdc20 aktiviert. Diese Aktivierung ist wohl irgendwie auch Mad2 abhängig, wobei da noch wesentlich mehr Komponenten (wie z.B. early mitotic inhibitor Emi1) eine Rolle spielen. Der APC/C ist eine Ubiquitin-Ligase, wodurch verschiedene Proteine markiert (mit Ubiquitin versehen) werden. Ubiquitinierung zieht normalerweise den Abbau der entsprechenden Proteine nach sich, so auch hier. Wichtige Ziele sind dabei einmal Cycline, eine Art Oberregulatoren des Zellzyklusses, die ich hier jedoch mal ganz außen vorgelassen habe, da es dafür sicherlich bessere Erklärungen gibt, aber auch ein sehr kleines Protein, das Securin (Sec). Dieses hält eine Protease, die Separase (Sep), inaktiv, was sehr wichtig ist, da Separase spezifisch Cohesine spaltet, größtenteils unabhängig von Phosphorylierungen. Aha! Separase spaltet nun also die restlichen Cohesine, die nach der Prometaphase noch im Centromer der Chromosomen verblieben sind, was letztendlich in der Trennung der Chromatiden endet.
Wie man hieran sehen kann, ist die Mitose schon relativ gut verstanden. Sicherlich gibt es immer noch Teile, die unklar sind, aber viele Sachen ergeben sich recht logisch und machen so Sinn. Ein bisschen anders verhält es sich mit der Meiose, also der Produktion von Keimzellen. Gameten haben, anders als normale Zellen, nur einen einfach Chromosomensatz. Während in der Mitose also immer die homologen Chromosomen (bzw. Chromatiden sind es ja dann nur noch) zusammen bleiben, werden diese in der Meiose auch noch getrennt. Der zweite Teil, also die Trennung der Schwesterchromatiden (Meiose II), verläuft dabei grundsätzlich ähnlich, ein Problem ist eher die Trennung der homologen Chromosomen, die vor der Trennung der Schwesterchromatiden erfolgt. Auch die homologen Chromosomen sind in der Meiose I durch Cohesine verbunden, wodurch Crossing Over (der Austausch von DNA-Abschnitten) zwischen den Chromosomen ermöglicht wird. Ein Phänomen, welches schon Mendel beobachtet hat, und worauf letztendlich seine dritte Regel beruht. Der Prometaphaseweg der Meiose I verläuft zwar auf gleiche Weise wie der der Mitose, allerdings kann die Trennung der Chromosomen wohl nicht ohne die Aktivierung des APC/C ablaufen. Während das in der Mitose und Meiose II zwar auch funktioniert, die Zellen dann aber in der Telophase arretieren würden, dort also Festhängen (Giménez-Abián et al., 2005), so konnte in Mauseizellen gezeigt werden, dass die Trennung der Chromosomen in Meiose I nur abhängig vom APC/C abläuft (Terret et al., 2003). Ein homologes Protein zu Emi1 von oben, genannt Emi2 oder Emi related protein (Erp1), spielt nach Meiose I eine sehr wichtige Rolle, da es den APC/C nach Meiose I wieder inaktivieren kann. Und hier setzt nun mein Thema ein, denn dieser Hinweis ist sehr interessant und es ist durchaus möglich, dass der APC/C auch bei anderen Organismen für Meiose I unabdingbar ist. Die Untersuchung der Meiose ist allerdings nicht ganz so einfach, da eben immer zwei Schritte erfolgen, zuerst die Chromosomentrennung und Schluss die Reduktion auf einen einfachen Chromosomensatz durch Schwesterchromatidentrennung. Und das von einander zu unterscheiden stellt eine der größten Herausforderungen dar, da man, wenn man der ersten Schritt untersuchen will, den zweiten wenn möglichst erst gar nicht stattfinden lassen sollte. Und da kommt wieder Emi2/Erp1 ins Spiel… Verzwickt, oder?

Der Beitrag wurde am Sonntag, den 8. Juni 2008 um 13:03 Uhr veröffentlicht und wurde unter Allgemein, ScienceBlog abgelegt. Folgende Tags wurden dabei verwendet , , , , . Du kannst die Kommentare zu diesen Eintrag durch den RSS 2.0 Feed verfolgen. Kommentare und Pings sind derzeit nicht erlaubt.

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