MITOSIS Part 5, Chapter 10 (439-487) Lewin et al. (2006). CELLS. 1 st edition. Søren Tvorup Christensen, Ph.D. Associate Professor e-mail: stchristensen@aki.ku.dk > Department of Molecular Biology Section of Cell and Developmental Biology The August Krogh Building 1
Introduktion 10.1 Cellecyklus Inddeles i faser > 2
Introduktion til mitosens forskellige faser 10.1 10.2 > 3
Introduktion til mitosens forskellige faser 10.1 10.2 Checkpoints Biokemiske signalveje, der sikrer, at mitosens forskellige faser ikke påbegyndes før den foregående fase er tilendebragt korrekt Eksempel: Overgang fra profasen til prometafasen sikres ved fosforylering af cyclin B/CDK1 i kernen. > 4
Dannelse af spindel-apparatet 10.3 MT spindelformation en dynamisk proces Koordinerer positionering af spindelpolerne i en bipolær struktur Koordinerer positionering af kromosomerne i metafaseplanet via kromosomernes kinetochor-region Koordinerer adskillelse af søsterkromatider til de to nye datterceller MT: GFP-tubulin kernen > 5
Dynamisk MT instabiliet 7.5 Dynamisk instabilitet: Konstant skift i MT elongering (polymerisering) og forkortelse (depolymerisering) Catastrophe : transition til forkortelse Rescue : transition til elongering I en population af MT i cellen vil der altid være MT der forkortes samtidig med, at derermt derelongeres (asynkron skift) > 6
MT-dynamik in vivo 7.8 Forskelle i MT-dynamik i interfaseceller og under mitosen: Mitotiske celler har kortere MT-segmenter, men til gengæld er der en højere rate af polymerisering/depolymerisering Interfaseceller Mitotisk celle > 7
Når søsterkromatiderne ikke fordeles lige i de to nye datterceller Fejl i segregering af kromosomerne 10.1 10.3 Aneuploiditet (ulige fordeling af kromosomer) Mosaic organisme (forskellig fordeling af kromosomer i forskellige væv) Down s syndrom, cancer Fejl i spindelformation eller antallet af centrosomer (spindelpoler) > 8
Fejl i segregering af kromosomerne 10.3 Når søsterkromatiderne ikke fordeles lige i de to nye datterceller Aneuploiditet (ulige fordeling af kromosomer) Mosaic organisme (forskellig fordeling af kromosomer i forskellige væv) Down s syndrom, cancer Fejl i spindelformation eller antallet af centrosomer (spindelpoler) Ekstra kopi af kromosom 21 > 9
Fejl i segregering af kromosomerne 10.3 Når søsterkromatiderne ikke fordeles lige i de to nye datterceller Aneuploiditet (ulige fordeling af kromosomer) Mosaic organisme (forskellig fordeling af kromosomer i forskellige væv) Down s syndrom, cancer Fejl i spindelformation eller antallet af centrosomer (spindelpoler) * Tubulin (mikrotubuli) Centrin-2 (centrioler) DAPI (DNA) * Epithelcelle (Pankreas) Epithelcelle (Pankreas) isoleret fra patient med kræft i bugspytkirtlen > 10
Fejl i segregering af kromosomerne 10.3 Syndromer associeret med aneuploiditet: (trisomi) Autosomal nondisjunction Trisomy 21 (Down syndrome) Trisomy 18 (Edwards syndrome) Trisomy 13 (Patau syndrome) Trisomy 12 (A prognostic indicator of Chronic Lymphocytic Leukemia) Trisomy 9 Trisomy 8 (Warkany syndrome 2) > 11
Fejl i segregering af kromosomerne 10.3 Syndromer associeret med aneuploiditet: (trisomi) Autosomal nondisjunction Trisomy 21 (Down syndrome) Trisomy 18 (Edwards syndrome) Trisomy 13 (Patau syndrome) Trisomy 12 (A prognostic indicator of Chronic Lymphocytic Leukemia) Trisomy 9 Trisomy 8 (Warkany syndrome 2) > 12
Fejl i segregering af kromosomerne 10.3 Syndromer associeret med aneuploiditet: (trisomi) Autosomal nondisjunction Trisomy 21 (Down syndrome) Trisomy 18 (Edwards syndrome) Trisomy 13 (Patau syndrome) Trisomy 12 (A prognostic indicator of Chronic Lymphocytic Leukemia) Trisomy 9 Trisomy 8 (Warkany syndrome 2) > 13
Fejl i segregering af kromosomerne 10.3 Syndromer associeret med aneuploiditet Sex-chromosomal nondisjunction XXX (Triple X syndrome) XXY (Klinefelter's syndrome) XYY (XYY syndrome) monosomy X (45, X) (Turner syndrome) > 14
Fejl i segregering af kromosomerne 10.3 Syndromer associeret med aneuploiditet Sex-chromosomal nondisjunction XXX (Triple X syndrome) XXY (Klinefelter's syndrome) XYY (XYY syndrome) monosomy X (45, X) (Turner syndrome) Patienterne er kendetegnet ved bl.a. nedsat fertilitet, hæmmet sexuel modning, og underproduktion af androgener. Hyppighed: 1/500 mænd > 15
Fejl i segregering af kromosomerne 10.3 Syndromer associeret med aneuploiditet Sex-chromosomal nondisjunction XXX (Triple X syndrome) XXY (Klinefelter's syndrome) XYY (XYY syndrome) monosomy X (45, X) (Turner syndrome) (manglende oocytter og ovarier fremstår rudimentære). De manglende oocytter skyldes øget henfald af oocytter og ikke abnormaliteter i kønscellerne. Kort legemsbygning og med højt hvælvet gane, kort hals, skjoldformet brystkasse, abnormiteter i hjerte og nyre samt indadvendte brystvorter > 16
Dannelse af spindel-apparatet 10.3 Typer af MT under mitosen Astrale MT 1) positionerer spindelformation før og under profasen og definerer planet for cytokinese 2) Separerer polerne mod cortex under mitosen til adskillelse af søsterkromatider Spindel MT overlappende MT kinetokor MT (fibre) Antal MT i spindel: ca. 700 ca. 1/3 med forbindelse til kinotokorregionerne > 17
Dannelse af spindel-apparatet 10.3 Eksempler på motor-proteiner i mitosen (+)-ende rettede bipolære kinesiner bundet til MT Dyneiner og kinesiner (CENP-E) bundet til kinetokor Dyneiner bundet til spindelpol-proteiner kinesiner bundet til kromosomets arm (kromokinesiner) Dyneiner bundet til cortex (+)-ende rettede bipolære kinesiner bundet til MT (Eg5) > 18
Begyndelsen på det mitotiske spindel 10.7 Modning af centrosomerne Centrosomdublikation initieres i G 1 -fasen Under G 2 -fasen og ved indgangen til profasen ændres sammensætningen af centrosomerne for at modne centrosomerne og øge graden af MT- nuklearering: - kraftig fosforylering af centrosom-proteiner - øget koncentration af γ-tubulin - øget opbygning af PCM-proteiner (Peri-Centriolær Materiale) Profase: MT begynder at forkortes og bliver mere ustabile (den dynamiske instabilitet øges) Generelt: Centrosomerne vandrer mod hver deres pol og nedbrydning af kernemembranen påbegyndes > 19
Begyndelsen på det mitotiske spindel 10.7 To pathways for spindelformation Begge pathways involverer motormolekyler, der ved et givent tidspunkt trækker og skubber spindelpolerne mod hver sin pol. > 20
Begyndelsen på det mitotiske spindel 10.7 Pathway for centrosom-segretion efter nedbrydning af kernen Dyneiner trækker centrosomerne ud mod cortex Bipolær kinesin (Eg5) (fra kernen) langs overlappende MT skubber centrosomerne væk fra hinanden Når spindelformationen er på plads, blokeres for yderligere separation via (-)-ende rettet kinesin (HSET) Dynein (træk) Kinesin (Eg5) (+)-ende (skub) (fra kernen) Kinesin (HSET) (-)-ende (træk) > 21
Begyndelsen på det mitotiske spindel 10.7 Pathway for centrosom-segretion før nedbrydning af kernen Dyneiner trækker centrosomerne ud mod cortex Ingen funktionalitet af Eg5 (ikke afgivet fra kernen Dyneiner langs kernes overflade skubber centrosomerne fra hinanden Dynein: cortex (træk) Dynein: kerneoverfladen (skub) > 22
Centromer-regionen Binding af MT til kromosomers centromer 10.9 10.10 Satellit-DNA (næsten gen-frit område) Organiserer kromosomets kinetokor-region Indeholder proteiner organisatoriske proteiner: - CENPs (CENtrosome Proteins): Forankre MT ved kinetokor-regionen - passenger proteiner: organiserer og retter fejl i spindelformation under pro- og meta-faserne; dissocierer fra centromer til MT under anafasen og kan regulerer cytokinese (f.eks. Aurora B kinase og CENP-E) - kinesin-relaterede proteiner: depolymeriserer MT (+)- ender og er med til at rette fejl i spindelformation (f.eks. MCAK; Mitotic Centromere Associated Kinase) > Centromer Kinetotokor-regionerne 23
Proteiner associeret med kinetokor 10.10 Centromer-regionens proteinfunktioner EN OVERSIGT (kinesin (+)-ende) (kinesin-relateret UDEN bevægelse) > (+TIPS) 24
Binding og stabilisering af MT til kinetokor 10.11 Binding af MT til kinetokor Høj dynamisk MT instabilitet search and capture sikrer initial kontakt med og fasthæftning til kromosomets ene kinetokorregion. Kromosomet trækkes mod spindelpolen, hvor flere MT danner kontakt med kinetokor, hvorved kinetokor-fibre af MT oprettes: MONO-orientering Herefter dannes kontakt til den anden kinetokor-region med MT fra den modsatrettede pol: BI-orientering MT bundet til kinetokor har en øget stabilisering (ca. 5x længere levetid) Dette hjælper til med akkumulering af MT til kinetokor > 25
Korrektion af fejl i binding af MT til kinetokor 10.12 Typer af MT-kinetokor bindinger Synteliske og meroteliske bindinger er ustabile pga. vinklen, hvormed MT danner kontakt til kinetokor. Dette destabiliserer fejl-bindinger, som erstattes af korrekte bindinger til bi-orientering > Binding fra den modsatte pol inducerer en trækkraft, der destabiliserer den synteliske binding 26
Faktorer der regulerer kromosom-bevægelse 10.13-10-16 1. polymerisering/depolymerisering af MT (+)-ende Addition af tubulin subunits i kinetokor fibre fra den ene spindelpol Tab af tubulin subunits i kinetokor fibre fra den anden spindelpol > 27
Faktorer der regulerer kromosom-bevægelse 10.13-10-16 2. depolymerisering af både MT (-)-ende & (+)-ende Vandring af kromosomet mod polen sikres med depolerisering af MT i (-)-enden. Dyneiner i kinetokor sikrer vandring af kromosomet mod polen (PAC-MAN) > Proteiner ved spindelpol sikrer depolymerisering af (-)- enden uden tab af forankring til polen. F.eks: Navn på enhed (Indsæt NuMA -->(Nuclear Mitotic Apparatus) 28
Faktorer der regulerer kromosom-bevægelse 10.13-10-16 4. Interaktion mellem MT og kromosom-armene Nogle overlappende MT danner kontakt med kromosom-armene og skubber kromosomerne væk fra polen Processen dirigeres af: - kromokinesiner - fysisk skub fra den voksende MT(+)-ende > 29
Faktorer der regulerer kromosom-bevægelse 10.13-10-16 5. Den sidste regulering af bevægelse inden initiering af anafasen Skift i aktiv og inaktiv MT-bevægelse ved kinetokor sikrer koordineret bevægelse med metafaseplanet Den aktive proces trækker kromosomet mod polen med depolymerisende MT Den passive proces tillader elongering af MT ved den modsatrettede kinetokor > 30
> 31
Initiering af anafasen 10.17 Kromosomerne kontrollerer overgangen til anafase Forhindrer aneuploiditet ved ukorrekt separation af søster-kromatiderne Et cellecyklus-checkpoint monitorerer at ALLE kromosomer er bundet til kinetokor-fibre, og at de er alignet i metafaseplanet. - kinetokor attachment checkpint (eller) - spindle assembly checkpoint Initiering af anafase kontrolleres af APC (Anafase Promoting Complex) > 32
Initiering af anafasen 10.17 APC funktion Søsterkromatiderne holdes sammen af cohesiner Efter alignment af kromosomerne i metafaseplanet vha. kinetokor-fibre binder Cdc20 til APC, der derved ubiquitinerer Securin. Securin nedbrydes og dissocieres fra Separase, der så nedbryder cohesinerne, hvorved søsterkromatiderne adskilles > 33
Anafasen 10.18 Anafasen består af to faser De to faser foregår simultant Som under prometaog metafaserne > 34
Anafasen 10.18 Anafasen B Som under profasen, dog nu med søsterkromatin-segregering > 35
telofasen 10.19 Påbegyndelse af celledeling I APC indleder en ny funktion som checkpoint-protein ved afslutning af anafasen og påbegyndelse af telofasen Søsterkromatider svulmer og dekondenserer Dannelse af ny kernemembran omkring kromatiderne Nedbrydning af spindel MT > 36
Trin mod cytokinese 10.19-10.20 Påbegyndelse af celledeling II Dannelse af mid-body ( mellemzone MT-bundter) og den kontraktile ring (Aktin-filamenter og myosin II) > 37
Dannelse af den kontraktile ring 10.21 De enkelte stadier Positionen af den kontraktile ring bestemmes af det mitotiske spindel (interaktion mellem astrale MT og celle-cortex) stam -kroppe (bundter af MT) dannes initialt mellem de separerede søsterkromatider og senere mellem de de nye kerner Stam-kroppene signalerer via GTPase Rho til at reorganisere actin og myosin til den kontraktile ring Stamkroppene samles til mid-body, som indsnøres af den kontraktile ring > 38
Dannelse af den kontraktile ring 10.21 Formationen ef mid-body Motormolekyler og associerede proteiner samles ved (+)-enden af midtzone MT, som er bundtet bipolært Motor-protein: MKLP1 (Mitosis Kinesin-Like Protein 1), samler (+)-enderne i midtzonen passenger proteiner: Aurora B kinase og CENP-E: dissocierer fra kinetokor til MT under anafasen og relokaliserer til midbody: med-regulator af cytokinesen > 39
Den endelige celledeling 10.22 cytokinese Den kontraktile ring deler modercellen i to nye datterceller > 40
Kromosomer stabiliserer det mitotiske spindel 10.8 Spindelformation uden centrosomer Kromosomer medvirker til stabilisering af spindelformation (ellers ville spindelen senere bryde sammen) Kromosomer medvirker til dannelse af spindelformation i fravær af centrosomer (dog uden atrale MT og langsommere end normalt) Hvordan kan dette lade sig gøre? svar: kromokinesin som associerer med kromosomerne DOG kræves centrosomer til f.eks.: - hurtig dannelse af spindelformation under forsterudvikling - korrekt positionering af kløvningsområdet under cytokinese - positionering af proteiner ved centrosomet, som stabiliserer MT-spindel ved spindelpolen (f.eks. NuMA) > 41
Binding og stabilisering af MT til kinetokor 10.12 Stabilisering af kinetokor MT > 42
Faktorer der regulerer kromosom-bevægelse 10.13-10-16 3. Ostergrens hypotese jo større afstand fra pol til kromosom, des større er kraften, hvormed kromosomet trækkes mod dets pol. Denne mekanisme kan være med til at aligne kromosomer i metafaseplanet inden anafasen. > 43