BIO112 - Zellbiologie

Wichtigste Verbindung zwischen Mikrotubuli und Chromosmen entwickelt sich an den Kinetochoren, einem grossen Proteinkomplex, der sich im Bereich der Centromere an die Chromosomen anhaftet (später wichtig für Chromosomensegregation).

Innerer Kinetochor verbindet den Proteinkomplex mit der DNA mittels spezieller H3 Histonvariante.

Äusserer Kinetochor stellt Verbindung mit Mikrotubuli +Enden her -> hier ist die biopolare Ausrichtung extrem wichtig, sodass in Anaphase jeweils ein Chromosom an die beiden Spindelpole gezogen werden kann.

Chromosomen werden von centrosomalen Mikrotubuli über einen "Such und Fang" Mechanismus gefunden.

Falsch verbundene Kinetochoren aktivieren einen Checkpointmechanismus, welcher die Mikrotubulibindung löst.

1. Mikrotubulidepolymerisation (Filamente biegen sich nach aussen) -> verursacht ein Gleiten des äusseren Kinetochorrings und damit des Chromosoms in Richtung Mikrotubuli -Ende

2. Kontinuierliche  Mikrotubulidepolymerisation am +Ende und gleichzeitiges Entfernen von Tubulineinheiten durch spezielle Enzyme am -Ende (mit gleicher Rate), produziert einen Fluss des ganzen Mikrotubulus hin zum Spindelpol -> angeheftete Chromosomen werden mitgezogen.

3. Kinesin 4 und 10 Motorproteine erzeugen "polare Auswurfkraft", indem sie Chromosomenarme entlang nahegelegener Mikrotubuli in Richtung +Ende hinziehen

Metaphase ist erreicht, wenn alle Kinetochoren bipolar ausgerichtet sind und der Spindelcheckpoint vollständig aus ist -> alle Chromosomen sind in der Mitte der Spindel angeordnet und bilden die Metaphasenplatte. Alles ist bereit für die Segregation

Damit Schwesterchromatiden an die beiden Spindelpole transportiert werden können, müssen sie getrennt werden. Dies geschieht als Folge des Anaphase fördernden Komplexes: 

- Neben Cyklin degradiert dieser auch das Securin Protein (hemmt eine Protease die Separase genannt wird)

- Die freigeworderen Separase kann nun die Cohesinkomplexe aufschneiden, wodurch Schwesterchromatiden getrennt werden -> das neue Kräftegleichgewicht führt zur schnellen Separation der Chromosomen

- Je nach Zelltyp ist dabei der Mikrotubuliflux durch erhöhte Depolymerisierung an -Enden (Embryonale Tierzellen) oder an +Enden (somatische Tierzellen, Hefezellen) der Kraftspender.

Nach Beginn der Chromosmensegregation entfernen sich die Spindelpole voneinander. Dies geschieht durch Kinesin-5 in der Überlappungszone der sich verlängernden interpolaren Mikrotubuli und durch Dynein am Zellkortex. 

Damit Dyneinmotoren Zugkräfte auf die astralen Mikrotubli ausüben können, müssen sie am Actinkortex verankert sein (weshalb eine Zelle mit defektem Actinkortex nicht teilungsfähig ist)

- Spindel bricht zusammen

- Neue Kernmembrane bilden sich um die segregierten Chromosomen

- Gleichzeitig dekondensieren die Chromosomen (noch nicht verstanden)

Beginnt meist schon in Anaphase und löst folgende Probleme: 

- Generierung einer Trennwand

- Richtige Positionierung besagter Trennwand, um gerechte Verteilung des Zellinhaltes zu ermöglichen

In den meisten Eukaryotenzellen wird Trennwand durch Einschnüren der Zellmembran geschaffen. Hierfür verwendet die Zelle einen kontraktilen Ring aus Actin und MyosinII Motorproteinen, der an Membran befestigt ist. Die Kontraktion dieses Rings generiert die Kraft, welche die Membran nach innen zieht. 

- Actinringaufbau und seine Funktion benötigt die Lokalisierung von GTPasen und durch diese rekrutierte Kinasen

- Im Ring wird F-Actin umgesetzt. Dessen Konzentration nimmt mit Verkleinerung des Rings ab

- Gleichzeitig wird am Ring neue Membran eingebaut, um Oberflächenvergrösserung zu ermöglichen

Die Mitosespindel bestimmt die Position der Teilungsebene. Sie generiert in der Anaphase ein Signal, welches die GTPase in der Mitte über die Spindel lokalisiert. Für diesen Prozess gibt es mehrere Erklärungsansätze

Grösster Aufwand während der Mitose kommt der vollständigen und präzisen Aufteilung der Erbinformation zu. Jedoch muss auch restlicher Zellinhalt fair aufgeteilt werden, da gewisse Organellen (ER, Golgi-Apparat) nicht neu gebaut werden können. 

Diese werden mithilfe des Cytoskeletts bereits vor der Zellteilung gleichmässig im Cytoplasma verteilt (ER, Mitochondrien), oder während der Mitose fragmentiert und die Fragmente an beide Spindelpole angelagert (Golgi-Apparat)

v. a. während der Embryonalentwicklung teilen sich manche Zellen asymmetrisch -> Entstehung von unterschiedlichen Tochterzellen. Ein anderes wichtiges Beispiel hierfür sind die Stammzellen, bei deren Teilung eine Stammzelle und eine differenzierte Zelle entstehen. 

Bei der asymmetrischen Zellteilung ist nicht nur Grösse der Tochterzellen unterschiedlich, sondern auch die Verteilung gewisser Proteine (Zellschicksalsdeterminanten) ungleich. 

Da Eizelle und Spermium verschmelzen, muss sichergestellt sein, dass die befruchtete Eizelle nicht tetraploid ist. Es werden also haploide Chromosomensätze benötigt, welche in der Keimbahn hergestellt werden. 

In der Meiose geschehen zwei Kernteilungen, von denen die zweite mechanisch identisch ist mit der Mitose. 

1. Kernteilung: homologe Chromosomen werden gepaart, homologe Chromosomen getrennt, aber nicht die Schwesterchromatiden -> Chromosomenzahl halbiert sich.

- Mitose generiert Klone, in Meiose werden Gene neu gemischt: 

-> Elterliche Chromosomen werden frei verteilt

-> Homologe Chromosomen können rekombinieren und so weitere genetische Vielfalt erzeugen

Die Paarung der homologen Chromosomen in der Prophase 1 ist sehr langsam (Stunden bis Wochen). Hierbei sind Crossovergebiete wichtig, um die Homologen zusammenzuhalten. Diese CO-Gebiete werden als Chiasmata am Ende der Prophase 1 sichtbar.

Problem: 4 Kinetochoren, die bipolar eingefangen werden müssen

Hierbei müssen die Schwesterchromatiden zum gleichen Pol gerichtet sein, was in der Mitose strengstens verboten ist. 

-> spezielle meiotische Proteine stellen sicher, dass sich die Schwesterkinetochoren wie ein Kinetochor verhalten

-> den Rest erledigen Spannungskräfte wie bei der Mitose

-> In der Anaphase stellt ein weiteres meiotisches Protein, Shugoshin, sicher, dass sich die Schwesterkinetochoren nicht trennen. Shugoshin wird für Meiose II abgebaut

- Verankerung von Organellen -> Organisation verschiedener Strukturen innerhalb der Zelle

- Transport von Organellen mittels Motorproteinen

- Information -> gibt der Pflanzenzelle eine Achse, an derer sie sich orientieren kann (z. B. für Teilung)

- Polarität -> Polarität der Filamente wird ausgenutzt für z. B. gerichteten Transport

- Aktine

- Tubuline

- Intermediärfilamente? (umstritten)

- Kinesine

- Dyneine

- Tubulin- und aktinassoziierte Proteine (Regulation)

Werden durch Multigenfamilien kodiert. Beide haben in der Pflanze zwar die gleichen Funktionen, jedoch gibt es eine grössere Variation mit spezialisierteren Funktionen oder anderer Regulation: 

- Alpha- und Beta-Tubuline: 4-9 Kopien, ähnlich wie bei Tiergenomen

- Aktine: Sehr viel mehr Actinformen bei Pflanzen als bei Tieren

(Pflanzen haben durch häufigere Polyploidierung i. A. mehr Gene als Tiere)

Funktionelle Divergenz von Isotypen: Proteine haben leicht unterschiedliche Funktionen, divergierten voneinander -> Superfunktionalisierung

Regulatorische Flexibilität: Proteine haben noch gleiche Funktion, jedoch unterschiedliche Regulation (z. B. nur in Wurzel, nur in Spross)

Historischer Zufall

Kann untersucht werden, indem ein Transgen erzeugt wird (Promotor eines Proteins wird mit dem Informationsteil des anderen Proteins verbunden). Danach wird geschaut, ob die Funktion immer noch vorhanden ist. 

Beispiele: 

Beta2 Tubulin kann in Drosophila nur in Spermatozoen exprimiert werden und nicht durch Beta3 Tubulin ersetzt werden -> Funktionelle Spezialisierung

In Wurzelhaarzellen können verschiedene Aktine ein mutantes Aktin2 ersetzen (führt einfach zu unterschiedlichen Wurzelhaarlängen) -> keine funktionelle Spezialisierung, aber zellspezifische Expression.

Existenz von IF in pfl. Zellen ist umstritten. 

- IF-like Proteine können nur biochemisch und immunozytologisch nachgewiesen werden, nicht durch Sequenzhomologie (sind funktionell gleich aber nicht sequenziell)

- Gibt keine Lamin-ähnlichen Proteine (Lamine: wichtig für Zellkern -> Funktion vermutlich durch andere Proteine übernommen)

-Funktion von IF in Pflanzen wird grösstenteils durch Zellwand wahrgenommen. Schlussfolgerung: IF vermutlich unabhängig in Tier und Pflanzenzellen entstanden, in Pflanzen aber nicht konserviert da in hier Zellwand wichtige Funktionen übernimmt.

"Reverse fountain streaming"

Für Mobilität ist Aktin bei Pflanzen wichtiger als Tubulin (gegensätzlich zu Tieren). In Pollenschläuchen ist der "reverse fountain stream" gut zui sehen (ausserhalb Strom zur Spitze, innerhalb Strom zurück). Es werden v. a. Vesikel und Mitochondrien über Actinfilamente transportiert, die wichtig für das extrem schnelle Wachstum sind. 

-> Gabe eines Actininhibitor führt zu sofortigem Stopp des Wachstums, da Vesikel und Mitochondrien fehlen.

Sekretorische Vesikel (kleine Vesikel) werden an Aktinfilamenten zur Spitze transportiert, andere Organellen sind von Spitze ausgeschlossen. 

-> Gerichteter, polarisierter Transport

Durch starke Lichtbestrahlung verändert sich die Position der Chloroplasten, da zu starke Lichtstrahlung die Chloroplasten zerstört. Positionsänderung geschieht über Actinfilamente. 

Beweisen lässt sich dies gut an der Alge Mougeotia scalaris, die nur einen grossen Chloroplasten besitzt, welcher durch Actinfilamente schnell (10 min) aus dem Licht gedreht wird, wenn dieses zu stark ist. 

Zellpolarität

Geschieht über kortikale Mikrotubuli. Dies sind Mikrotubuli die direkt unter der Zellmembran (Zellkortex) paralell angeordnet sind. 

-> Zellulose Mikrofibrillen (ausserhalb der Zellwand) orientieren sich an den Mikrotubuli (und haben so die gleiche Anordnung)

Elongation

Die Aufnahme von Wasser in die Vakuole produziert einen hohen Turgordruck auf die Zellwand -> wird diese aufgelockert, so kann sich die Zelle ausdehnen. Mikrofibrillen (also auch Mikrotubuli) sind immer senkrecht zur Elongationsrichtung ausgedehnt (siehe Bild). Somit bestimmt die Mikrotubulianordnung die Elongationsrichtung.

Geschieht über mechanische Kräfte ausserhalb der Zelle.

Tierzelle: fokussierte Spindel in Metaphase zeigt sich

Pflanzenzelle: keine fokussierte Spindel in Metaphase (auch interpolare Mikrotubuli und Kinetochoren, aber keine Centrosomen)

Centrosomen sind in Tierzellen verantwortlich für die fokussierte Spindel in der Metaphase. Sie müssen auch in der S-Phase verdoppelt werden, da sie während der Cytokinese wieder aufgeteilt werden. 

Pflanzenzellen haben keine Centrosomen.

Die Spindelform erfolgt durch Selbstorganisation, dazu müssen gewisse Faktoren, in der M-Phase gebildet, vorhanden sein. 

- Wird Polymerisation von Mikrotubuli durch Taxol in einem Interphasen Extrakt induziert, bilden sich unorganisierte Mikrotubulistrukturen

- Induzierung von Polymerisation durch Taxol in einem mitotischen Extrakt führt zur Ausbildung von radialen Astern (Spindeln). Was auf Proteine im mitotischen Extrakt schliessen lässt, die Mikrotubuli in Spindelform organisieren

- Sobald Mikrotubuli, Chromatin und Proteine für Spindelorganisation vorhanden sind, bildet sich Spindel (auch in vitro)

Interphase: Radiale Mikrotubuli positionieren den Zellkern, kortikale Mikrotubuli sind an Zellmembran

Präprophase: kortikale Mikrotubuli bündeln sich "um" (unter dem Zellkortex) in der Mitte -> bilden Präpophasenband -> hier wird später eine neue Zellwand eingebaut

Prophase: Es bildet sich eine fokussierte Mikrotubulispindel um den Zellkern ohne Centrosomen

Metaphase: Keine fokussierte Spindel mehr, nur noch paralelle Anordnung der Mikrotubuli

Tochterzellen: Dort, wo vorher Präprophasenband war, wird nun neue Membran und Zellwand eingebaut

Phragmosom = organellfreie Zone, wo zuvor das Präprophasenband war. Hier bildet sich später der Phragmoplast aus, der eine neue Zellwand bildet.

Dies tut er, indem sehr viele Membranvesikel dorthin transportiert werden. Eine Vesikelfusion führt zur Bildung eines tubulären Netzwerkes, was mit Actin und Mikrotubuli geschieht.

Wächst der Phragmoplast, verschwinden Mikrotubuli von Zentrum und gehen nach aussen, während Actin von Aussen ins Zentrum migriert. 

Endoplasmatisches Retikulum -> Im Endoplasma befindliches Netz

Golgi-Apparat -> sehr wichtig für Sekretion

Mitochondrien -> Energiefabriken

Lysosomen -> wichtig für Abbau

Zellkern

Gerichteter Transport: Zwischen Kern und Cytoplasma

Transmembrantransport: Import ins endoplasmatische Reticulum und in die Mitochondrien

Vesikeltransport: Membran und Proteintransport zwischen den Organellen, Sekretion, Endocytose

Der Transport von Proteinen in den Kern und in die Mitochondrien ist posttranslational.

Der Transport von Proteinen ins ER ist cotranslational (findet während Translation statt)

Das ER ist ein kontinuierliches Netzwerk aus Taschen, Röhren und der Kernhülle. Die Gestalt der ER-Domänen wird aktiv erzeugt, ist hoch reguliert und zellspezifisch angepasst. 

Es wird unterteilt in raues und glattes ER. 

Die Gestalt des ER ist zelltypspezifisch.