Sejtosztódás, sejtciklus Dr. Röhlich Pál prof. emeritus Sejtosztódás, mitosis, cytokinesis, sejtciklus, sejtciklus szabályozása ÁOK 2013/2014 I. félév, a sejtbiológia alapjai 2013. szept. 27.

Sejtosztódás A sejtek élettartama véges, a pusztuló sejtek pótlására új sejtek létrehozására van szükség. Új sejt csak régi sejtből jön létre („omnis cellula e cellula, Virchow XIX.sz. közepe). Sejtosztódás. Szerepe az élő világban: egysejtűekben: sejtpopuláció fenntartása, terjeszkedése soksejtű szervezetekben: fejlődés (a szervezet létrehozása egyetlen sejtből) sejt-homeostasis (felnőtt szervezetben elhalt sejtek pótlása regeneráció (tömeges sejtpusztulás, pl. sebzés esetén) Két fő mozzanat: a DNS és a cytoplasma kettéosztása. Mindkettőnél: előkészítő fázis és szétosztódás. DNS-replikáció (a genetikai állomány megkettőződése) mitosis (megkettőződött genetikai állomány pontos szétosztása a két leánysejtbe) cytoplasma növekedése (organellumok számbeli növekedése, nagyobbodása) cytokinesis (cytoplasma kettéosztása a sejt befűződésével)

Mitosis A mitosis szakaszai  Profázis A szétosztás feladatának nagysága: diploid sejtben 46 kromoszóma, átlagos DNS hosszuk: 50 mm, replikáció után 92 db. DNS molekula, ennyit kell mozgatni egy kb. 15 μm-es sejtben, úgy, hogy mindegyik kromoszómapár egyik tagja az egyik, a másik tagja a másik leánysejtbe kerüljön! Megoldás: * DNS extrém tömörítése 1-2 μm-es pálcikaszerű testecskékké, kromatidokká, * bonyolult szétosztási mechanizmus a sejtváz közreműködésével A mitosisba belépés előtt: 1. DNS 2 x 2n (4n) mennyiségben, replikálódott kromoszómákat (ilyenkor nevük kromatidok) egész hosszukban cohesin fehérjék tarták össze. 2. A centrosomák is replikálódtak, 2 van belőlük. A mitosis szakaszai Profázis Kromoszómák kondenzálódnak, a kromatid-párok láthatókká válnak fonalak, majd pálcikaszerű testecskék formájában Centrosomák (melyek korábban megkettőződtek) széttolódnak a sejt legtávolabbi pontjaira: sejtpólusok. Mikrotubulusok MTOC-ből csillag alakban kinőnek. A sejtváz átalakul. intermedier filamentumok nagy része lebontódik, a sejt lekerekedik. ER és Golgi-app. vesiculákká esik szét . 

  2. Prometafázis 3. Metafázis Maghártya szétesik vesiculákra. Nukleáris lamina laminjai foszforilálódnak és leválnak a magburokról, utóbbi feldarabolódik vesiculákra. Magpóruskomplexek alegységeikre bomlanak. MT-ok a kromoszómákhoz kötődnek. A kromoszómák két kromatidján a centromeren MT-kötő plakk (kinetochor) alakul ki, ezek kötik a pólusok felől érkező MT-okat. Egyik kromatid kinetochorja az egyik pólushoz, a másik kromatid kinetochorja a mások pólushoz kötődik MT-okkal. Osztódási orsó kialakul, 3-féle MT: kinetochor, poláris és astralis MT-ok, két pólusban a centrosomák.  3. Metafázis Kromoszómák egyenlítői (aequatorialis) síkban rendeződnek: aequatorialis lemez. Ingázások után kromoszómák beállnak az egyenlítői síkba. Mindegyik kromoszóma egyik kromatídja az egyik, a másik kromatidja a másik pólushoz kötődik kinetochor MT-okkal (ez az elrendezés biztosítja a pontos, szimmetrikus szegregációt!). 

4. Anafázis Ha minden kromoszóma kapcsolatban van a pólusokkal, a metafázis végén startjel keletkezik a kromoszómák szétválására (metafázis ellenőrzőpont). Anafázis A: a kromatidok szétválnak és a pólusok felé vándorolnak. A két kromatidot összekötő fehérjék (cohesinek) lebontódnak egy separase nevű enzim révén, amelyet egy APC nevű fehérjekomplex aktivál a kromoszómák felől érkező jel hatására. A jel akkor keletkezik, ha az összes kromoszóma össze van kötve mindkét sejtpólussal (metafázis ellenőrző pont!). A kromatidok ekkor szabaddá válnak. A kinetochor-MT-ok fokozatosan rövidülve a kromatidokat (ekkor már kromoszómák a nevük) a pólusok felé húzzák, amelyek ott összegyűlnek. Anafázis B: az osztódási orsó megnyúlik. Az egymást átfedő poláris MT-ok mozgató fehérjék segítségével elcsúsznak egymás mellett és széttolódnak, ezért a sejt az orsó tengelye mentén megnyúlik. Mikrotubulusmérgek leállítják az osztódást (nincs anafázis). Felhasználás: kromoszómák nyerése citogenetikai vizsgálathoz, mitosis-gátlás daganatban, sejtciklus szinkronizálása.  5. Telofázis Kromoszómák dekondenzálódnak. Kialakul a magburok vesiculákból. Orsó MT-ok depolimerizálódnak.  Állati sejt osztódása in vitro

Cytokinesis A cytoplasma kettéfűződik, ezáltal a sejtorganellumok kb. egyenlő számban szétosztódnak. A vesiculákból rekonstituálódik az ER, Golgi-app., magburok. A cytokinesis Időben a mitosis telofázisára esik. A kettéfűződés mechanizmusa: Kontrakciós gyűrű. Az egyenlítő mentén a sejtmembrán alatt aktin mikrofilamentumköteg alakul ki, mely a membránhoz kötődik. Myosin II segítségével (sliding) a kontrakciós gyűrű rövidül és körkörösen behúzza a membránt. A barázda egyre mélyül, majd a sejt kettéválik két leánysejtre. Ha elmarad a cytokinesis: többmagvú óriássejt (plasmodium) jön létre. Növényi sejtben a mechanizmus eltérő: egyenlítői síkban vesiculák rendeződnek, összeolvadnak (phragmoplast), és szétválasztják a cytoplasmát.  aktin immuncitokémia kontrakciós gyűrű myosin immuncitokémia  

Metafázis-kromoszómák A kromoszóma legkompaktabb formája. Két testvérkromatidból áll, ezeket hosszában cohesin fehérjemolekulák kötik össze, továbbá centromer-fehérjék Befűződés a centromer magasságában. Helyzete szerint a kromoszóma két karra oszlik: rövid és hosszú kar (p ill. q kar) Számozás nagyság szerint 1-22 (1. sz. kromoszóma a legnagyobb). Nemi kromoszómák: X (nagy) és Y (kicsiny). Kromoszómavizsgálat. Vérből származó lymphocytákat sejttenyészetben tartunk, osztódásukat stimuláljuk, majd leállítjuk a metafázisban colchicinnel, a sejteket szétnyomjuk, megfestjük, fotózzuk, a kromoszómákat azonosítjuk. Karyogramm (karyotypus): Sorbaállított kromoszómák összessége. Jelentősége: mikroszkóppal látható kromoszómahibák felderítése (számbeli eltérések, deléció, inszerció, transzpozíció, inverzió, …) bizonyos genetikai betegségekben. Kromoszómasávok. Különböző festékekkel festve a kromoszómákon harántsávok látszanak. Ezek helyzete, milyensége jellemző egy-egy kromoszómára, kromoszóma azonosítás. Legegyszerűbb a Giemsa-festés (vérkenetek festésére használják).  

Karyogramm vázlata  A kromoszómákat hosszuk, a centromer pozíciója és a rájuk jellemző sávok alapján azonosíthatjuk. centromer pozíciója Metafázis kromoszóma centromer pozíciója Emberi haploid kromoszómakészlet Giemsa-festéssel. Az adenin és timin bázisokban gazdag szakaszok festődnek sötétre. Kevéssé kondenzált kromoszómák a mitosis korai szakaszából a sávok jobb feltüntetésére.

Sejtciklus Sejtosztódások (M-fázis) között a sejt növekszik és előkészül a következő osztódásra (DNS-replikáció!), ez az ún interfázis. Az interfázis 2. felében replikálódik a DNS (S-fázis, „synthesis”), előtte és utána van 1-1 közti időszak, ez a G1 és G2 („gap”). Tehát: G1 – S – G2 – M periódikusan ismétlődik a sejt életében. Ezért felírható köralakban is: ez a sejtciklus. G1 S G2 M G1 S G2 M G1 S G2 M interfázis M interfázis M interfázis M A ciklus ideje: 12 óra bélhámsejtek, 20 óra fibroblastokban, kb. 1 év májsejt estében. Az M-fázis 1 óra.

A sejtciklus (belső kör) G1 fázis: cytoplasma kiegészül, organellumok pótlódnak, DNS-javítás (jelentősége DNS-szintézis előtt!), esetleg specifikus funkciók (pl. májsejt). Restrikciós pont (G1/S ellenőrzőpont, itt dől el, belép-e a sejt a következő ciklusba?) G0 fázis: a sejt nem lépi át a restrikciós pontot, tartósan kikapcsolódik a ciklusból (parkolópálya). Differenciált sejt, specifikus feladatokkal. DNS-javítás, apoptosis (elöregedett, hibás sejtek megölése). G0-ban eltöltött idő: lehet végállomás (neuron, szívizom), lehet változóan hosszú idő (pl. májsejtnél ½-1 év). Megfelelő ingerre egyes sejtek visszahívhatók a ciklusba (pl. lymphocyták antigen ingerre).  S-fázis: DNS-replikáció, a mag DNS tartalma megduplázódik. Replikálódott kromoszómák (kromatidok) nem válnak szét, cohesin fehérjékkel egymáshoz kötve maradnak. A centrosomák is megkettőződnek. Három ellenőrzőpont: G1 ellenőrzőpont (restrikciós pont) G1 végén (belépjen-e a sejt a ciklusba?) G2 ellenőrzőpont (DNS teljesen replikálódott és kijavítódott-e?) metafázis ellenőrzőpont (mindegyik kromatid össze van-e kötve a megfelelő sejtpólussal és beállt-e mindegyik kromoszóma az egyenlítői síkba?) G2-fázis: Előkészület mitosisra (mitotikus apparátus fehérjéi szintetizálódnak). Ellenőrzés, befejeződött-e a replikáció (mindegyik kromoszóma replikálódott-e?). Ha nem, a ciklus lefékeződik a teljes replikációig. Ellenőrzőpont

A sejtciklus belső szabályozása (külső kör) Mosógép automatika hasonlat. Fázisok szigorú sorrendben követik egymást. Nagyrészt még ma is kevéssé felderített. Bonyolult molekuláris szabályozó mechanizmus. Ami ismert: Ciklin-függő kinázok (cdk). Különböző kinázok (célfehérjéket foszforiláló enzimek), állandóan jelen vannak, megfelelő ciklin kötődésére aktiválódnak, ilyenkor különböző fehérjéket foszforilálnak. Ciklinek. Szabályozó fehérjék, fehérjefoszforiláló enzimeket (kinázokat) aktiválnak. A ciklus folyamán különböző ciklinek szintetizálódnak (A, B1, B2, C, D, E ciklin), majd eltűnnek (proteasomában lebontódnak), időben váltják egymást (néha átfednek). G1 első felében nincs ciklin expresszió. A ciklinek konzervált fehérjék az evolúcióban. Cdk-inhibitorok. Gátolják a cdk/cyclin komplex kialakulását és/vagy aktivitását és ezáltal késleltetik a ciklus előrehaladását. 

A sejtciklus külső szabályozása A sejtosztódások egy soksejtű szervezetben szigorú kontroll alatt állnak. A sejt környezetéből érkező jelek (többnyire más sejtekből érkező jelek, jelmolekulák) bekapcsolhatják a sejtet a sejtciklusba. A szabályozás pozitív és negatív hatású tényezők összjátékából származik. Negatív szabályozás: a sejtciklus belső fékje a G1 (és G0) fázisban. Tumorsuppressor-fehérjék (daganatsejtek vizsgálata során fedezték fel). Két példa: Rb-protein: mindig jelen van a sejtben, transzkripciós faktorokat (TF) köt és tart inaktív állapotban (Cyclin- és cdk expresszióját szabályozó transzkripciós faktorok a G0/G1 és G1/S átmenethez). Foszforiláció hatására az Rb-protein inaktiválódik, elereszti a kötött TF-okat, amelyek kifejtik génreguláló hatásukat és beviszik a sejtet a sejtciklusba. p53: cdk-gátló fehérje génjét szabályozó TF. Gátolja a a G1/S átmenetet (és ezáltal a restrikciós pont átlépését). Pozitív szabályozás: Kémiai jelmolekulák a környezetből (pl. más sejtekből felszabaduló ún. növekedési faktorok). Növekedési faktorok: többnyire szövetspecifikus sejtekre ható fehérjetermészetű jelmolekulák (pl. EGF a hámsejtekre, NGF idegsejtekre, erythropoetin vörösvértest előalakok osztódására, …). A faktorok a célsejt specifikus membránreceptoraihoz kötődve jelátviteli utakat indítanak el, melynek végén kinázok aktiválódnak. Ezek többek között az Rb-proteint foszforilálva azt inaktiválják. Az Rb elereszti a TF-okat, a sejt belép az S-fázisba. A szabályozás hibája daganat kialakulásához vezethet A pozitív szabályozás túl erős és tartós, és/vagy a negatív szabályozás nem működik. Okok: többnyire DNS mutáció vagy átrendeződés! A pozitív szabályozás hibája. A jelátviteli útvonal egyik tagjának túlexpressziója (pl. erős promotor egy növekedési faktor receptor génje előtt) vagy DNS-mutáció miatti állandóan aktív állapota (a hibás jelátviteli fehérje nem tud visszatérni a nyugalmi állapotába és állandóan pozitív jeleket küld a sejtnek). Az ilyen tumorképződéshez vezető hibás gén neve onkogén (ennek hibátlan változata, tehát a jelátvivő fehérje génje az ún. protoonkogén). A negatív szabályozás hibája. A tumorsuppressorok hibásak (pl. génmutáció miatt), ezáltal nem tudják a ciklust gátolni. A tumorsuppressorokat vírusfehérjék is inaktiválhatják (pl. a humánpapilloma vírus, HPV).

Felhasznált illusztrációk forrása:  Röhlich: Szövettan, 3. kiadás, Semmelweis Kiadó Budapest  Alberts – Johnson – Lewis – Raff – Roberts – Walter: Molecular biology of the cell. 5. kiadás, Garland Science