Celbiologie 07: microtubuli en celdeling

Dit zijn aantekeningen uit lezing 7 van Harvard Extension ‘ s Cell Biology course.

lezing 6 introduceerde microtubuli, en deze lezing zal hun rol in celdeling bespreken. Hier volgt een inleidende video:

overzicht van de celcyclus

de celcyclus – het proces van celdeling en replicatie – wordt beheerst door een reeks biochemische schakelaars, het cell cycle control system genaamd.

de celcyclus is verdeeld in fasen die zijn verdeeld in fasen – mensen zullen verwijzen naar de “4 fasen”, maar dan zijn er eigenlijk 5, en mensen gebruiken ook andere woorden om die fasen samen te groeperen, en andere woorden om ze onder te verdelen. Ik heb mijn best gedaan om de relatie tussen deze termen samen te vatten in de volgende tabel. (gewijzigd / uitgebreid van Wikipedia):

The inhoud van elke fase is prachtig samengevat in deze uitstekende Wikimedia Commons afbeelding door Kelvinsong:

de snelst delende menselijke cellen kunnen een celcyclus voltooien in ongeveer 24 uur (G1: 9h, S: 10h, G2: 4h, M: 30 min). Gist kan een cyclus in 30 minuten eindigen, en de snelst delende Drosophila cellen nemen zo weinig als 8 minuten.

Hoofdcontrollers van dit proces zijn de cyclinen, die cyclin-afhankelijke kinase of CDK regelen. Bedenk dat kinasen eiwitten zijn die andere eiwitten fosforylaat. CDK ‘ s fosforylering van zijn doelen laat mitose toe om verder te gaan. Om precies te zijn, is de rijping bevorderende factor of MPF een verplicht heterodimeric complex samengesteld uit cyclin B en CDK, die slechts zijn phosphorylating actie doet wanneer beide proteã nen aanwezig zijn.

rol van microtubuli

microtubuli zijn cruciaal gedurende de celcyclus – ze organiseren cellulaire componenten en splitsen ze in tweeën. Hier zijn een reeks video ‘ s van de celcyclus die de rol van microtubules benadrukken:

bij dieren hebben rustcellen en zelfs cellen in interfase meestal slechts één MTOC, een centrosoom genaamd, die dient als de centrale hub voor alle microtubuli in de cel. Een centrosome bestaat uit twee centriolen zoals hieronder getoond (nogmaals dank aan Kelvinsong):

de twee centriolen ontkoppelen zich van elkaar en repliceren zichzelf tijdens de S-fase, en dan scheiden om tegengestelde ‘polen’ van de cel te vormen tijdens de M-fase, zodat er nu twee MTOC ‘ s zijn, die elk uiteindelijk de enige MTOC van een nieuwe cel zullen zijn (een andere boss Kelvinsong-afbeelding):

tijdens mitose, dan heb je de twee ‘polen’ van de cel, elk met microtubuli verankerd aan het (-) uiteinde en met hun (+) uiteinden overlappend, wijzend naar het midden van de cel, zoals hier getoond (Wikimedia Commons afbeelding door Lordjuppiter):

dat hele ding wordt een spindelapparaat genoemd, en het gebied waar de microtubules van de twee mtocs elkaar overlappen wordt de ‘zone van interdigitatie’ genoemd.’Je hoort soms elke MTOC en zijn egel-achtige array van microtubuli genaamd een’ mitotische aster.”

microtubuli in deze fase vallen in drie categorieën:

1. astrale microtubuli wijzen naar buiten, naar de celschors, om het hele spindelapparaat langs de as van de celdeling te verankeren.
2. kinetochore microtubuli hechten zich aan de kinetochore van chromatiden.
3. polaire microtubuli, evenwijdig aan elkaar georiënteerd maar in tegengestelde richtingen, zijn cruciaal voor het uit elkaar duwen van het spindelapparaat tijdens mitose. (In feite, zijn de polaire microtubules ook aanwezig vroeger en de hulp duwen centrosomes apart tijdens profase).

als u de voorkeur geeft aan foto ‘ s boven diagrammen, ziet het hele spindelapparaat er zo uit, met chromatiden in blauw, microtubuli in groen en de kinetochoren als rode stippen:

microtubuli worden veel dynamischer tijdens mitose: meer gamma-tubuline bevordert gemakkelijker nucleatie, maar XMAP215, een microtubulestabilisator, wordt gefosforyleerd en dus geïnactiveerd tijdens mitose, waardoor kinesine-13 vrij blijft om de microtubuli te catastroferen. Fortuinen worden snel gemaakt en verloren. De halfwaardetijd van een microtubule tijdens mitose is ongeveer 15 minuten, in vergelijking met 30 minuten tijdens interfase. De mensen bestuderen de microtubuledynamica die FRAP gebruiken: voeg een fluorescente microtubule toe, bleach het en zie hoe snel opnieuw wordt samengesteld gebaseerd op Hoe spoedig fluorescentie opnieuw verschijnt. + Tips spelen ook een belangrijke rol bij het helpen en monteren van de microtubuli.

Kinesin – 5 heeft twee polaire hoofden die aan tegengestelde microtubules binden en naar het (+) eind van elk proberen te lopen. Dit duwt de twee microtubuli uit elkaar en zorgt voor de drijvende kracht voor de scheiding van de MTOC ‘ s.

Centromerisch DNA heeft lage informatie-entropie en speciale histonen die verschillen van andere chromatine. Centromeres zijn een deel van het genoom dat je bijna nooit oppakt bij het sequencen van de volgende generatie, zelfs op zeer hoge diepte. Dat komt omdat centromeres een ander doel dienen dan veel van de rest van het genoom: de sequentie daar is gunstig voor interactie met centromere eiwitten en kinetochore gehechtheid. Cohesins zijn proteã nen die de twee zusterchromatiden samen houden. We zullen naar kinetochore proteã nen verwijzen die twee lagen hebben, de binnenste kinetochore en buitenste kinetochore.

tijdens de prometafase bewegen chromosomen heen en weer. Kinesins verankeren de chromosomen aan de kinetochore microtubules voorbij het uiteinde waar Kinesin-13 depolymerizing de microtubules, geholpen door een tekort aan beschikbare tubulindimeren. Een combinatie van motorproteã NEN, microtubule die proteã nen op elkaar inwerken en treadmilling dient om de chromosomen te bewegen. Ondertussen, dynein en dynactin-motorproteã nen die naar het (-) eind – werk op de astrale microtubules lopen, die de MTOCs naar de celrand trekken. In metafase worden de chromatiden uitgelijnd langs de ‘metafaseplaat’.

tijdens dit proces lost het kernenvelop op en wordt de invoer van kernenergie irrelevant. Ran-GEF lokaliseert dichtbij chromosomen en produceert hoge concentraties van Ran-GTP die energie voor sommige noodzakelijke processen (?).

cellen hebben een mechanisme voor het detecteren van de spanning in de microtubuli die hun hechting chromatiden aangeeft voordat mitose kan doorgaan. Ervoor zorgen dat elke chromatid is goed verankerd is cruciaal voor het vermijden van aneuploidy.

trouwens, andere cytoskeletal elementen naast microtubuli spelen ook een sleutelrol in de celcyclus. In cytokinese, vormt actin een contractiele ring en, met behulp van myosin II motorproteã nen, cinches de cel in twee.

belang van modelorganismen

De ontdekking van regulerende processen van de celcyclus berustte sterk op enkele nette kenmerken van populaire modelorganismen.

Saccharomyces cerevisiae (ontluikende gist) en Schizosaccharomyces pombe (splijtingsgist) kunnen bestaan als haploïden of diploïden. Dat is belangrijk omdat in de haploïde fase één mutatie een gen kan uitschakelen – je hoeft niet beide allelen te raken. En in gist zijn veel mutaties, vooral in de Cdc__ (celdeling controle) genen, temperatuur afhankelijk, waar een eiwit met een missense mutatie nog goed kan functioneren bij ‘permissieve’ temperaturen, maar zijn oorspronkelijke functie verliest bij ‘niet-permissieve’ temperaturen. Dit maakt het mogelijk om het knock-out fenotype (bij de niet-tolerante temperatuur) te bestuderen terwijl het nog steeds het gemak heeft om de organismen gemakkelijk te kunnen voortplanten (bij de tolerante temperatuur). Het gehele genoom van S. cerevisiae is beschikbaar als plasmidebibliotheken, die het mogelijk maken om te screenen waarvoor plasmide het fenotype van een bepaalde mutant redt. Dat is hoeveel van de genen die de celcyclus reguleren werden ontdekt.

In S. cerivisiae, ontluikende maakt deel uit van fase G1, en zodra de dochtercel een bepaalde grootte bereikt, op een moment genaamd “START”, de twee zijn toegewijd aan het invoeren van S en uiteindelijk het voltooien van de celcyclus. Zoogdiercellen hebben hun eigen bindingspunt, het beperkingspunt of R, in G1, dat analoog is aan START.

temperatuurgevoelige Cdc28-mutanten knappen niet op bij de niet-permissieve temperatuur. Het gen Cdc28 codeert homolog van gist van ons cyclin afhankelijke kinase (CDK) dat, wanneer en slechts wanneer gecomplexeerd met cyclin, andere proteã nen kan phosphorylate om hun participatie in de fasen van de celcyclus te regelen. Temperatuurgevoelige mutanten bij de niet-permissieve temperatuur komen vast te zitten, niet in staat om te ontluiken en de S-fase in te gaan. In plaats daarvan gedragen ze zich als wilde cellen zonder voedingsstoffen: ze groeien groot genoeg om START te passeren, maar gaan dan niet verder.

Xenopus (een soort kikker) bleek kritisch voor het begrijpen van de celcyclus, omdat de reproductie een zeer groot aantal cellen omvat (d.w.z. genoeg uitgangsmateriaal voor Westerse vlekken, enz.) die perfect gesynchroniseerd zijn (d.w.z. alle bevinden zich in dezelfde fase van de celcyclus op hetzelfde moment. (Vergelijk met gist, bijvoorbeeld, waar cellen niet allemaal in dezelfde fase op hetzelfde moment). Ook het ei zelf is groot en gemakkelijk om mee te werken, en meerdere celcycli volgen bevruchting. Bij kikkers beginnen de eieren met meiotische deling, maar arresteren ze vervolgens 8 maanden in de G2-fase, terwijl ze in grootte groeien en dingen opslaan die nodig zijn voor de groei bij bevruchting.

intermediaire filamenten

naast microfilamenten en microtubuli hebben eukaryotische cellen ook een gastheer van ‘andere’ cytoskeletale eiwitten die intermediaire filamenten (IFs) worden genoemd. Hoewel meer divers dan microfilamenten en microtubules, IFs zijn niet alleen een vangst-alle term voor ‘een andere gloeidraad’ – eerder, zijn zij een groep verwante proteã nen. Zij breiden zich over het algemeen door het cytoplasma en de binnen nucleaire envelop uit, zijn niet-polair en hebben geen motorproteã nen verbonden aan hen. Ze hebben een grote treksterkte en zijn zeer stabiel, met een langzame wisselkoers en weinig afbraak, hoewel fosforylering hun demontage kan bevorderen. Hier zijn enkele populaire voorbeelden:

• keratines worden gevonden in epitheliale cellen, mesodermcellen en neuronen. Ze bieden kracht en komen in zure en basische vormen. Elk kan zijn eigen streng vormen, maar de meeste IFs bestaan uit twee strengen – een basische en een zure, soort van gedraaid rond elkaar. Haar en nagels zijn gemaakt van’ harde ‘ keratine rijk aan cysteïne voor disulfide bindingen die de enorme kracht biedt. Permanenten en rechttrekken vertrouwen op het verminderen van de disulfidebindingen, het hervormen van het haar en dan de hervorming van de disulfidebindingen. Je hebt ook ‘zachte’ keratine in je huid.
• Desminen zoals vimentine worden aangetroffen in mesenchymcellen (bot, kraakbeen en vet).
• Neurofilamenten zijn in neuronale axonen en regelen de diameter ervan, die op zijn beurt de snelheid van actiepotentiaal voortplanting bepaalt.
• Laminen zijn zowel de meest voorkomende als de fylogenetische voorouder van alle andere IFs. Ze bieden structurele ondersteuning voor het kernmembraan. Ze kunnen helpen de nucleaire poriëncomplexen op te ruimen en ook DNA te organiseren.

ten slotte, een korte video: