Sejtosztódás és sejtciklus. Metafázis kromoszómák. Dr. Szabó Arnold szabo.arnold@med.semmelweis-univ.hu Semmelweis Egyetem Humanmorfológiai és Fejlődésbiológiai Intézet 2012. 10. 02.

François-Vincent Raspail Omnis cellula e cellula François-Vincent Raspail (1794-1878) Robert Remak (1815-1865) Rudolf Carl Wirchow (1821-1902) A sejtosztódás-elmélet elfogadása, kiegészítése és széleskörű népszerüsítése. „Omnis cellula e cellula” Sejt csak sejtből keletkezhet. A sejtosztódás első leírása(1852).

Akik mégsem hittek benne… Olga Boriszovna Lepesinszkaja (1871-1963) … de nem volt igazuk

Sejtciklus A sejtosztódás a sejtciklus részeként megy végbe, ami egy interfázisra és a tényleges mitózisra (M-fázis) osztható. Az interfázis a G1-, az S- és a G2-fázisokból tevődik össze. Az egész sejtciklus hossza 12-24 órára tehető, amiből a mitózis nagyjából egy órát vesz igénybe. A sejt a G1-fázisban elhagyhatja a ciklust, és átléphet a G0-fázisba. A G0-fázis egy nyugalmi fázisnak felel meg, melyben a sejt ellátja a funkcióját, de újabb osztódásra nem képes. Bizonyos sejtek a keletkezésüket követően örökre a G0-fázisban maradnak (idegsejt, szívizomsejt), míg mások visszatérhetnek a ciklusba (májsejt, fibrocyta, limphocyta, stb). Mitózis G1-fázis G0-fázis G2-fázis S-fázis

Interfázis: G1-fázis Mitózis A G1-fázisban a mitózis során keletkezett sejt regenerálódik és növekszik. A túl kis mennyiségben jelenlévő organellumok növekednek és megsokszorozódnak. A sejt saját magát és a környezetét is átvizsgálja és döntést hoz. Vagy a ciklust elhagyva átmegy a G0-fázisba, vagy kedvező körülmények esetén egy újabb osztódási ciklusba kezd. G1-fázis G0-fázis G2-fázis S-fázis

Interfázis: S-fázis Replikáció: A sejt DNS-molekulái megkettőződnek. Az azonos DNS-molekuláról készült identikus másolatokat kohezin fehérjék kötik egymáshoz, így azok együtt maradnak. A centroszóma megkettőződése: A G1-fázis végén a sejt centriólumai pár mikrométernyire eltávolodnak egymástól. Az S-fázis során mindkét centriólum mellett egy-egy új centriólum keletkezik, így végül két teljes értékű centroszóma alakul ki.

Interfázis: G2-fázis centroszómák aszter kromatin kék: kromatin, zöld: mikrotubulus, piros: kinetochor fehérjék A mitózis előtti utolsó fázis. A sejt ellenőrzi a DNS-ét és a mitózishoz szükséges fehérjéket termel. maghártya sejtmembrán nucleolus

Mitózis: Profázis korai osztódási orsó centromer A kromatin kondenzálódik, és megjelennek a kromoszómák. Az S-fázisban megkettőződött centroszómák a sejt két ellentétes pólusára vándorolnak. A belőlük kinövő mikrotubulusok létrehozzák a korai osztódási orsót. A sejtváz és a citoplazma átalakul. A sejt nagy membrán-kompartimentumai (endplazmás retikulum, Golgi-aparátus) szétesnek és vezikulákat hoznak létre. kétkromatidás kromoszóma

Kromoszóma A mitózis során kondenzálódó kromoszómák ún. kétkromatidás kromoszómák (metafázis-kromoszómák), amelyek két identikus DNS-másolatot tartalmaznak. Az egy kromoszómához tartozó kromatidákat testvérkromatidáknak nevezzük. A kromatidákat a centromer régió magasságában kohezin fehérjék kötik össze. A centromer körül kinetochor fehérjék találhatók, amik a kinetochor-mikrotubulusok kromoszómához kötődését segítik elő. A sejt kromoszómái a rájuk jellemző hossz, centromer pozíció és a típusos festődési kép alapján azonosíthatóak egyértelműen. telomer p-kar (rövid kar) DNS centromer q-kar (hosszú kar) kinetochor kromatidák

Mitózis: Prometafázis kinetochor poláris mikrotubulisok maghártya A nukleáris lamina lamin fehérjéi foszforillálódnak. A meghártya szétesik vezikulákká. A centroszómákból három eltérő feladatú mikrotubulus (MT) típus nő ki. A kinetochor MT-ok a kromoszómák kinetochor régióihoz kötődnek. A poláris MT-ok a sejt közepe felé nőnek, ahol az ellentétes sejtpólusok felől jövő mikrotubulusok átfednek egymással. Az asztrális MT-ok sugárirányban a sejtmembrán felé nőnek, és a centroszómák kihorgonyzásában játszanak szerepet . kinetochor mikrotubulus asztrális mikrotubulus

Mitózis: Metafázis metafázis lemez A kromoszómák az ekvatoriális síkba rendeződnek, és létrehozzák a metafázis lemezt. A kinetochor mikrotubulusok addig mozgatják a kromoszómákat a kép sejtpólus között, míg végül az összes kromoszóma pontosan az egyenlítői síkba rendeződik. Fontos, hogy a kromoszómák egy-egy kromatiddal mindkét sejtpólussal összeköttetésben legyenek. A kromoszómák precíz elrendeződése nélkül nem lehetséges a kromatidák szimmetrikus szétosztása. osztódási orsó

egykromatidás kromoszómák Mitózis: Anafázis Anafázis A: A testvérkromatidákat összekötő kohezin fehérjéket a szeparáz enzim lebontja. A kétkromatidás kromoszómák kromatidjai elvállnak egymástól, és mint egykromatidás kromoszómák a sejtpólusok felé vándorolnak. Anafázis B: Az egymással átfedő poláris mikrotubulusok eltolják egymástól a sejtpólusokat, ami a sejt megnyúlásához vezet. egykromatidás kromoszómák

Mitózis: Telofázis osztódási barázda nucleolus A kromatin újra fellazul, a kromoszómák dekondenzálódnak (eltűnnek). A magvacska újra megjelenik. A lamin molekulák defoszforillálódnak, és újra felveszik aktív konformációjukat. A nukleáris lamina és a maghártya újra kialakul. Az osztódási orsó visszafejlődik. újra alakuló maghártya

Mitózis: Cytokinesis osztódási barázda A membrán belső oldalán aktin és II. típusú miozin molekulák egy kontrakciós gyűrűt alkotnak. A kontrakciós gyűrű összehúzódása a sejtmembrán egyre mélyebb behúzódását eredményezi, ami a sejt külső felszínén osztódási barázdaként jelenik meg. A kontrakciós gyűrű egészen addig rövidül, míg a citoplazma teljesen két félre oszlik, és a két identikus leánysejt elválik egymástól. A cytokinesis elmaradása kétmagvú (tetraploid) óriás sejt kialakulásához vezet. (Plasmodium). osztódási barázda kontrakciós gyűrű utódsejtek

Interfázis: G1-fázis Mitózis A telofázis és a cytokinesis után mindig a G1-fázis következik. A G1-fázisban a mitózis során keletkezett sejt regenerálódik és növekszik. A túl kis mennyiségben jelenlévő organellumok növekednek és megsokszorozódnak. A sejt saját magát és a környezetét is átvizsgálja és döntést hoz: Vagy a ciklust elhagyva átmegy a G0-fázisba, vagy kedvező körülmények esetén egy újabb osztódási ciklusba kezd. G1-fázis G0-fázis G2-fázis S-fázis

Ellenőrzőpontok Az összes kromoszóma össze van kötve a sejtpólusokkal? M-ellenőrzőpont A DNS rendben replikálódott? G2-ellenőrzőpont G1-ellenőrzőpont Megfelelőek a körülmények egy következő osztódáshoz? Az ellenőrzőpont átlépése után a sejtnek csak két lehetősége marad, visszaút nincs. Vagy befejezi a teljes ciklust és osztódik, vagy programozott sejthalállal (apoptózis) elpusztul.

A sejtciklus kontrollja Ciklinek Szabályozó fehérjék, melyek ciklin-dependens-kinázokat (cdk) aktiválnak. A sejtciklus során ciklikusan, egy szabályos sorrend szerint keletkeznek, majd ubikvitinálódást követően a proteoszómában lebontódnak. Ciklin-dependens-kinázok (cdk) Enzimek, melyet a ciklin molekulák aktiválnak. Aktív állapotban különböző, a sejtciklusban részt vevő fehérjéket foszforillálnak. A sejtciklus során állandóan, folyamatosan keletkeznek. Koncentrációjuk nem, csupán aktivitásuk változik a ciklus különböző fázisaiban.

A sejtciklus kontrollja II. Tumorszupresszor fehérjék Olyan szabályozó fehérjék, amik a sejtciklust gátolják (negatív szabályozás). Rb-fehérje (Retinoblastoma-fehérje) A G1-ellenőrzőpont legfontosabb szabályozója. Aktív állapotban megköti és gátolja a ciklin E és ciklin A molekulák szintéziséhez elengedhetetlen transzkripciós faktorokat. A ciklin E és ciklin A molekulák hiányában az S-fázisba történő átmenet gátolt. p53 A p53 fehérje egy olyan transzkripciós faktor, melynek koncentrációja DNS-hiba fennállásakor meredeken emelkedik a citoplazmában. Az általa szabályozott géntermékek segítségével blokkolja a sejtciklus továbbhaladását, és aktiválja a DNS-hibajavító mechanizmusokat. Sikeres hibajavítás esetén koncentrációja leesik, és a sejtciklus folytatódik. Sikertelen javítási kísérlet után koncentrációja továbbra is magas marad, és programozott sejthalált (apoptózis) indukál.

A sejtciklus kontrollja III. Külső tényezők Növekedési faktorok Sejt-, illetve szövetspecifikus fehérjék, amik a sejtciklust serkentik (pozitív szabályozás). A környezetbe ürülnek, és a célsejtek membránreceptoraihoz kötődve hatnak. Az Rb-fehérje inaktiválásán keresztül lehetővé teszik az átmenetet a G1-fázisból az S-fázisba. Példák: NGF (Nerve Growth Factor), FGF (Fibroblast Growth Factor) Rendelkezésre álló hely / Tápanyagellátás Hely-, ill. tápanyaghiány esetén leáll a sejtosztódás. Tumorbiológia A sejtciklus szabályozásának zavarai a kontrollálatlan sejtosztódáson keresztül daganatok kialakulásához vezethetnek. A sejtciklus szabályozásában részt vevő egészséges, normálisan mükődő géneket a bennük rejlő potenciális veszély miatt protoonkogéneknek nevezzük. Ezek mutált, rosszul működő változatai az onkogének. Protoonkogen – „egészséges” gén Onkogen – mutált gén

Aszimmetrikus mitózis Bár a mitótikus leánysejtek azonos genetikai információt hordoznak, a citoplazma elosztása nem feltétlenül szimmetrikus. Bizonyos fehérjék és RNS-molekulák az egyik centroszómához kötődve célzottan csak az egyik utódsejtbe irányíthatóak. Az utódsejtbe így bejuttatott molekulák a másik utódsejtétől eltérő expressziós mintázatot hoznak létre. Mindez azonos genotípus mellett eltérő fenotípushoz, és eltérő sejtsorshoz vezethet. Fuentealba L C et al. PNAS 2008;105:7732-7737

Felhasznált irodalom Neil A. Campbell, Jane B. Reece, und Jürgen Markl : Biologie, 7. Auflage Pearson Studium Alberts – Johnson – Lewis – Raff – Roberts – Walter: Molecular biology of the cell. 5. Auflage, Garland Science Fuentealba L C et al. PNAS 2008;105:7732-7737 http://www.whonamedit.com http://www.wi.mit.edu/news/paradigm/spring_2008/splitsville.html http://stemcells.nih.gov/info/scireport/chapter4.asp