Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17) Aufbau und Funktion des Zellkerns

Vorlesung Biologie für Mediziner (Bölker FB17)

1) Aufbau und Funktion des Zellkerns

2) Organisation und Funktion eukaryotischer Gene

3) Zellteilung (Mitose)

4) Keimzellbildung (Meiose)

5) Rekombination und Genkartierung



Zellteilung und Zellzyklus

Bei der Vermehrung von Zellen wechseln sich

Zellwachstum (kontinuierlich) und Zell-

teilung (diskontinuierlich) ab

Den Ablauf der Zellteilung kann man als einen

wiederkehrenden zyklischen Prozeß

betrachten (Zellzyklus)


Zellzyklus

Mikroskopisch kann man die Interphase

(Chromosomen nicht sichtbar) von der Mitose

(Chromosomen sichtbar) unterscheiden


Interphase

(G0-Phase: Ruhezustand teilungsinaktiver Zellen)

G1-Phase: Vorbereitung zur DNA-Replikation

S-Phase: DNA-Synthese

G2-Phase: Vorbereitung der Mitose


Eukaryotischer Zellzyklus


Mitose

Nur während der Mitose sind die Chromosomen

sichtbar

Damit eine Aufteilung erfolgen kann, werden

die Chromosomen durch Kondensation stark

verkürzt


Mitosestadien

Prophase: Kondensation der ChromosomenAbbau der Kernhülle

Metaphase: Aufbau des Spindelapparates

Anaphase: Trennung der Chromatiden

Telophase: Entspiralisierung der Chromo-somen Wiederaufbau der Kernhülle


Interphase


Prophase


Späte Prophase


Metaphase


Aufbau des Spindelapparates


Anaphase


Telophase


Film zur Mitose(siehe online-media)

Zur Anzeige wird der QuickTime™ Dekompressor “Graphics”

benötigt.


Mitosis-promoting factor (MPF)

Mitotische Zellen enthalten eine aktive

Komponente, die in den Kernen mitotische

Veränderungen (Auflösung der Kernhülle,

Chromosomenkondensierung) hervorruft.


Nachweis von MPF(Mitosis promoting factor)

MitotischeZelle

G1-PhaseZelle

MitotischeZelle

S-PhaseZelle

MitotischeZelle

G2-PhaseZelle

Kondensierteschromatin




Cycline

Während der Zellteilung wird eine zyklische

Veränderung der Konzentration bestimm-

ter Proteine (Cycline) beobachtet

Die MPF-Aktivität korreliert mit der beob-

achteten Cyclin-Menge


Aufstieg und Fall von MPF

Cyclin-abhängige Kinasen (Cdks)

MPF ist ein Komplex aus einer Cyclin-

abhängigen Kinase (Cdk) und einem Cyclin

Cdk ist eine Proteinkinase, die andere Proteine

phosphoryliert


Cyclin-abhängige Kinase (Cdk)

mitoticcyclin

cyclin-dependent kinase

Cdc2

MPF


Kontrollpunkte (checkpoints)

Der Zellzyklus wird an bestimmten Kontrollpunktenvon verschiedenen Cdk-Cyclin-Komplexengesteuert:

Eintritt in die S-Phase (Start)

Eintritt in die Mitose

Beendigung der Mitose (Metaphase-Anaphase Übergang)


Initiation der DNA-Replikation

Start der Mitose Metaphase-Anaphase-Übergang


G1-Cyclin

Cdk

Start-Kinase

Initiation der DNA-Replikation

Initiation der Mitose

mitotisches Cyclin

M-phase-promoting factor


Regulation von Start in eukaryotischenZellen

Durch Phosphorylierung des Rb (Retinoblastoma)-

Proteins kommt es zur Freisetzung eines

Transkriptionsfaktors, der Gene für die Initiation

des Zellzyklus aktiviert


aktives Rb-Protein

inaktiver Transkriptionsfaktor

Zielgen Zielgen

Transkription

aktiver Transkriptionsfaktor

inaktivesphosphoryliertesRb-Protein

G0-Zelle Teilungsaktive Zelle


Onkogene und Tumorsuppressorgene

Die Teilungsaktivität wird von Proto-Onkogenen

und Tumorsuppressorgenen gesteuert

Zu einer unkontrollierten Vermehrung kommt es,

wenn entweder beide Kopien des Tumor-

suppressors defekt sind oder

eine dominante Mutation in einem Proto-Onkogen

eine Hyperaktivierung des Zellzyklus bewirkt


NormaleZellteilung

Zwei Kopien eines Tumor-suppressor-Gens

Zwei Kopien eines Proto-Onkogens

ZellzyklusKontroll-System

AUSWIRKUNG:

Kontrolle des Zellzyklus


NormaleZellteilung

UnkontrollierteZellteilung

Mutation eines der beidenProto-Onkogene führt zur Hyperaktivierung (Onkogen)



AUSWIRKUNG:


Tumorsuppressor



NormaleZellteilung



Mutation eines der beidenProto-Onkogene führt zur Hyperaktivierung (Onkogen)

Beide Kopien des Tumor-

suppressors inaktiviert



AUSWIRKUNG:


Tumorsuppressor




Meiose

Bei der Keimzellbildung kommt es in der Meiose

zu einer Reduktion der Chromosomensätze

Die Meiose besteht aus einer Reduktionsteilung

(Meiose I) und einer anschließenden Mitose

(Meiose II)

Aus einer diploiden Ausgangszelle entstehen

vier haploide Keimzellen


Drei nicht-homologeChromosomen

Drei Paare homologerChromosomen

Eine Kopie des genetischen Materials aufgeteilt auf

Chromosomen

Zwei Kopien des genetischen Materials

aufgeteilt auf Chromosomen

Haploid (1N) Diploid (2N)


Meiose

In der ersten meiotischen Teilung (Reduktions-

teilung) lagern sich die homologen Chromosomen

aneinander und bilden den synaptonemalen

Komplex

Dies geschieht während der Prophase, die

sehr lange dauert und in verschiedene Stadien

eingeteilt wird


Leptotän


Zygotän


Pachytän


Diplotän


Diakinese


Film zur Meiose(siehe online-media)

Zur Anzeige wird der QuickTime™ Dekompressor „Video“ benötigt.


Synaptonemaler Komplex

Die Zusammenlagerung der homologen

Chromosomen erfolgt im synaptonemalen

Komplex, der sich während der Prophase der

Meiose I bildet

Im synaptonemalen Komplex kommt es zu

Chromosomenbrüchen, die zur Ausbildung von

Crossing over-Strukturen (Chiasmata) führen


Synaptonemaler Komplex


Chiasmata


Interchromosomale Rekombination

Chiasma„Crossover“

Chiasma„Crossover“

Intrachromosomale Rekombination

A

A b

b

a

a

B

B

Intrachromosomale Rekombination

Drosophila melanogaster

Thomas Hunt Morgan

Einheit der Rekombinationsfrequenz

A B C D E

1 cM (centiMorgan) entspricht 1 % Rekombination

42 cM

28 cM20 cM5 cM 3 cM

Stammbaumanalyse

D/- D/d

D/dD/d

D/d D/-

d/dd/d d/dD/- D/- D/- D/- D/-

D/-D/-

? ? ? ? ?

D

d

„Variable number tandem repeats (VNTR)“

Kartierung mit Hilfe von DNA-Markern

d DD/d d/dD/D

Sonde

Restriktionsfragment-Längenpolymorphismus (RFLP)

D/- D/d

D/dD/d

D/d D/-

d/dd/d d/dD/- D/- D/- D/- D/-

D/-D/-

Kartierung mit Hilfe von DNA-Markern

D/d D/d

D/d

RFLP-Muster

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