CELLDELNING, mitos, cellcykelreglering, meios EUKARYOT CELLDELNING 1. cellcykeln 2. mitos 3. cytokinesis Eukaryot celldelning • självreplikering • encelliga organismer: – en ny organism bildas vid varje celldelning • människa: – ett befruktat ägg genomgår cykler av celltillväxt, celldelning, (commitment/differentiering/specialisering) – människokroppen består av c:a 1013 celler Celldelning organeller fördelas eller fragmenteras och byggs upp på nytt cellegenskaper tillfälligt förändrade omorganisation av cytoskelett Interaktion med omgivning ändras Växtceller bildar ny cellvägg vesiklar från Golgi samlas i mitten ny cellvägg bildas mellan kärnorna vid cyotkinesen Eukaryot celldelning • => ”identiska” dotterceller (sanning med modifikation) • celldelning: – storlekstillväxt – DNA-replikation – distribution av dubblerade kromosomer – celldelning • Mekanismer, koordination, reglering? Cellcykeln • Extracellulära signaler styr cellcykeln – celldelning när det • passar omgivningen och organismen • Cellen är ”in shape” • Aktiv Go-signal • Cellcykel-reglering: – Fosforyleringar – proteinnivåer (expression, degradering) Cellcykeln • G1 – transkription, translation, tillväxt • S – DNA-syntes • G2 – transkription, translation storlekstillväxt • M – Mitos kärnan delar sig – Cytokinesis cellen delas ANIMATION Kontroll av cellcykel från externa tillväxtsignaler Figure 8.6 The Biology of Cancer (© Garland Science 2007) Det befruktade ägget/tidiga embryot • DNA syntes och celldelning – Ingen tillväxt ANIMATION Före M-fasen • DNA dupliceras i S-fasen • två kopior – systerkromatider hålls ihop av cohesins • kondensering av DNA till kromosomer börjar m.h.a. condensins • centrosomen dubbleras M-fasen mitos cytokinesis mitos – DNA delas cytokinesis – cytoplasma delas Mitos ANIMATION • Profas – – kromosomerna kondenserar – mitotiska spolen assembleras • Prometafas – kärnmembran går sönder – mitotiska spolen når kromosomerna • Metafas – – • kromosomerna radar upp sig i mitten Anafas – systerkromatiderna dras isär • Telofas – – nya kärnmembran bildas Mitos Profas Centrosomerna separerar => varsin pol av cellen mikrotubuli - växer (hög omsättning) - interpolära möts • DNA kondenserar – Systerkromatiderna hålls ihop i centromeren • kärnhöljet bryts ner – mikrotubuli når kromosomerna inter Prometafas • mikrotubuli bundna till kromosomerna • kinetokor – bindningsställe för mikrotubuli • kromosomerna skjuts fram och tillbaks – centrering Prometafas Metafas inter Metafas Metafas Anafas Anafas Anafas • cohesin bryts ner av proteolytiska enzymer • systerkromatiderna separerar, kallas dotterkromosomer • anafas A mikrotubuli förkortas dotterkromosomerna dras mot varsin pol • anafas B interpolära mikrotubuli förlängs, glider längs varandra m.h.a. motorprotein polerna dras isär av motorprotein fästa vid cell-barken (cell cortex) anafas A mikrotubuli förkortas, dotterkromosomerna dras mot varsin pol anafas B interpolära mikrotubuli förlängs, glider längs varandra m.h.a. motorprotein, polerna dras isär av motorprotein fästa vid cell-barken (cell cortex) Anafas •cohesin bryts ner av proteolytiska enzymer, •systerkromatiderna separerar, kallas dotterkromosomer Telofas • kärnhöljen återbildas och bildar dottercellernas kärnhöljen • proteiner importeras till kärnan • kromosomerna dekondenserar • gener kan nu transkriberas CYTOKINESIS • börjar i anafas • mitotiska spolen styr läget och timingen • Kontraktil ring – aktin- och myosinfilament – assemblar i anafas, fästs på membranprotein – plasmamembranet veckas och ett spår bildas – vanligtvis delas cellen symmetriskt • blir mindre och mindre, försvinner tillslut helt Kontraktil ring • • • • aktin- och myosinfilament sätts ihop i anafas Fäster på membranprotein plasmamembranet veckas och ett spår bildas CELLCYKELNS KONTROLLSYSTEM • reglera cellantalet i en vävnad – celldelning när det passar cellen, omgivningen och organismen som helhet • cell med felaktigt DNA ska ej dela sig – Reparera eller apoptos • Rubbningar => risk för cancer Cellcykelns kontrollsystem • extracellulära signaler, tex. Tillväxtfaktorer – Sätter igång ”program” • interna signaler – övervakar och koordinerar • särskilda kontrollpunkter (=checkpoints) – restriction point – G1 – Damage control points – oocyter kan stoppas i G2 – aktiveras av hormoner Kontrollpunkter • koordinerar cellcykelns händelser • aktiverar och deaktiverar enzym i rätt ordning • hindrar cellen att gå in i ny fas – innan föregående fas avslutats – Om ej korrekt DNA – om ej cellen är mogen för delning (inte bara intakt DNA)? – Om inte ”ok” från omgivning Kontrollpunkter ANIMATION Reglering av cellcykeln • cellen förs från det ena stadiet till det andra i cellcykeln • huvudkomponenter: – cyklin – cyklin-beroende kinaser (cdk:s) – CKI:s (Cycklinberoende kinase inhibitorer” Cykliner • • • • universella proteiner (alla eukaryoter) olika cykliner i olika stadier i cellcykeln koncentrationen varierar cykliskt ackumulering och nedbrytning av cyklin reglerar cellcykeln genom CDK:s aktivering • CDK:s i sin tur kan aktivera nedbrytning av cyklin Cyklin-beroende kinaser, CDKs • Centrala i cellcykel-reglering – cykliskt aktiverade proteinkinaser, CDKs • Aktiverade CDKs – fosforylerar nyckelproteiner som: • initierar eller reglerar DNA-replikation, • mitos eller cytokinesis • CDK:s närvarande under hela cellcykeln – aktiverade vid speciella tidpunkter • Av cyklin-bindning, fosforylering/defosforylering, CKI:s – därefter snabbt deaktiverade • Cykliner nedbrutna, proteolys, tuggade i proteasome Reglering av CDK – cykliner, fosforyleringar och inhibitorer Cyklin-beroende kinaser, CDKs • Regleras på flera sätt – cyklinbindning – Fosforylering och de-fosforylering av specifika aminosyror – associering med cdk-inhibitorer (CKI) Reglering av CDK aktivitet vid G2/M Cyklinbinding, fosforylering och defosforylering för att ge aktiverat kinase/cyklin komplex (cdk/cyklin) (kan blockas= stopp för Cdk aktivering) - Olika cykliner i olika faser, med olika CDK partners Figure 8.8 The Biology of Cancer (© Garland Science 2007) Reglerad nedbrytning av cyklin • Aktivt CDK/cyklin aktiverar ubiquitinmedierat proteolyssystem – ubiquitin märker ut cyklin för ”destruktion” • proteaskomplex (proteasome) känner igen ubiquitinerat cyklin – tuggar sönder detta • CDK inaktivt Ubiquitinering – ”dödsmärkning” av ett protein Cyklindegradering (B-Cdk1) (Cdk1) ANIMATION Via CAK och Wee Via Cdc25 (Maturation promoting factor) cdk-inhibitorer, CKI (p16, p 21, p27,…,.. ) • förmedlar stopp i proliferation • Svar på extracellulära signaler, tex TGF-b • Svar på skadat DNA – DNA skada inducerar P53 – P53 inducerar P21 – p21 stoppar vid G1-checkpoint via bindning till cdk2/cyklinE p53 vid G1-arrest • Fosforylering stabiliserar p53 – Normalt t½ ca 2 min – Nu hämmad nedbrytning • P53 nivåer ökar ( 100 ggr) • p53 reglerade gener ökar (p21, …, …) • Inhibition av – Proliferation – DNA syntes • Stimulering av – DNA reparation – Apoptos-maskineriet DNA-skada ger induktion av p21 – en cdkinhibitor Reglering med tillväxtfaktorer Tillväxtfaktorer • cellantal regleras av tillväxtfaktorer • restriction point i G1-fas • utan tillväxtfaktorer: G0-fas = vilostadium – lämnar cellcykeln – kontrollsystemet delvis nedmonterat • många cykliner och cdk:s bryts ner • återgång till cellcykeln om stimulering av tillväxtfaktorer Induktion av D Cykliner Fosforyleringsstatus av Rb under cellcykeln Hämning/repression orsakad av Rb neutraliserad Figure 8.19 The Biology of Cancer (© Garland Science 2007) Figure 8.1 The Biology of Cancer (© Garland Science 2007) Mitos • diploida celler • dubblering av varje kromosom • två identiska diploida dotterceller - Meios • förutsättning för sexuell reproduktion • fyra haploida celler bildas Meios • reduktionsdelning • skapa könsceller • ’germ line cells’ (diploida) gör gameter (haploida) • var gamet - en kromosom av var sort, (antingen från modern eller fadern) • gameter smälter samman vid befruktningen • Sexuell reproduktion • blandning av gener då kromosomer kombineras • utprovning av genkombinationer • genblandning ger överlevnadsfördelar i en föränderlig miljö • dåliga gener kan avlägsnas från arten Meios sker i tre steg DNA-replikation Meios I • homolog parning av dotterkromatider • överkorsning • celldelning ger 2 dotterceller med två nästan identiska kopior av enkel genuppsättning Meios II • vanlig mitos utan den inledande DNAreplikationen Meios sker i 3 steg DNA-replikation från diploid cell med 2x23 kromosomer fås diploid cell med 2x2x23 kromosomer Meios I överkorsning => nya genetiska kombinationer celldelning => två haploida celler med homologa par av dubblerade kromosomer Meios II två haploida cell med två (nästan) identiska Systerkromatider =>fyra haploida dotterceller med enkel genuppsättning (1 x 23 kromosomer) Meios (versus mitos) ANIMATION meios ANIMATION jmf Meios I leptotene – zygotene – pachytene – diplotene – diakinesis Profas i Meios I ANIMATION Leptotene • dubbelsträngar bryts så att enkelsträngsregion er bildas • enkelsträngar kan invadera homologa kromosomer genom basparning leptotene – zygotene – pachytene – diplotene – diakinesis Zygotene • homologa kromosomer paras • 'synaptonemal complex' leptotene – zygotene – pachytene – diplotene – diakinesis Pachytene • synaptonemal complex kvarstår • överkorsning sker i slutet av pachytenestadiet till diplotene Diplotene • synaptonemal complex försvinner • homologa kromosomerna separerar, men fortfarande länkade till varandra i chiasmata • systerkromatider sitter ihop i centromerer • varje kromosompar består av fyra kromatider Diakinesis • övergång till metafas I Metafas I – Anafas I Meios II • börjar direkt efter meios I och första cytokinesis • liknar mitos • länken mellan centromererna på systerkromatiderna bryts i anafas II • systerkromatider vandrar till varsin pol Bildandet av humana könsceller ANIMATION polar bodies profas I: diplotene metafas II Befruktning – avslutande av meios II Befruktning • zygot = befruktat ägg • återskapar ett komplett genom för somatiska celler • dubblel genuppsättning Ex på tentafrågor • Vad är en zygot? • Cellcykelns kontrollsystem baseras på olika 'cdk'. Vad betyder 'cdk'? Hur regleras cdk (kortfattat)? • Meiotisk rekombination – förklara hur det går till, samt vitsen/fördelen med det ur naturens synvinkel • Proteinkinaser ingår i cellcykelns kontrollsystem. De finns närvarande i cellen genom hela cellcykelns olika faser, men aktiveras bara vid vissa tidpunkter för att därefter snabbt deaktiveras. Grupper av proteiner och en mindre molekyl ansvarar för att detta sker. Vilka är dessa proteiner (minst två grupper) och vilken är molekylen? Hur sker denna aktivering? Hemuppgift • Nondisjunction – vad är det, när och hur kan det inträffa • Vilka reglersystem ska normalt förhindra detta mot detta • Redogör mycket kort för 2 olika tillstånd/syndrom där non-disjunction är orsaken