Zellzyklus

Generell unterteilt man den Zellzyklus in die Inter- und die Mitosephase. Die kürzere von ihnen ist die M-Phase, die Mitose.
Obwohl sie ein einheitlicher, dynamisch verlaufender Kern- und Zellteilungsvorgang ist, unterscheidet man aus didaktischen Erwägungen die vier Phasen: Pro-, Meta-, Ana- und Telophase.
Zu Beginn der Mitose bilden sich aus dem Chromatingerüst des Zellkerns die Chromosomen heraus (Prophase). Nachdem sich diese aus zwei Chromatiden bestehenden Chromosomen in der Äquatorialebene der Zelle angeordnet haben (Metaphase), werden die Chromatiden getrennt (Anaphase) und gleichmäßig auf die beiden künftigen Tochterzellen verteilt (Telophase).

Die entstandenen Einchromatidchromosomen, deren Anzahl mit der Ausgangszelle übereinstimmt, werden zusammen mit dem Karyoplasma von einer Kernmembran umhüllt. Zwei neue Tochterzellen liegen mit – jeweils aus einem Chromatid bestehenden – Chromosomen vor. Während der Cytokinese wird die beide Zellen trennende Membran eingezogen. Bei tierischen Zellen vollzieht sich dieser Vorgang von außen nach innen als Furchung. Pflanzliche Zellen bilden vom Zellinneren nach außen eine Zellplatte aus. Die Kern- und Zellteilung ist vollzogen.

Die einzelnen Mitosephasen dauern unterschiedlich lange an. Die gesamte Mitose nimmt eine Zeitdauer von einer Stunde bis zu mehreren Stunden in Anspruch. Umweltbedingungen haben auf die Mitosedauer einen verzögernden oder begünstigenden Einfluss.
Der Anteil der Zellen von einer Gesamtheit, der sich zu einem bestimmten Zeitpunkt in der M-Phase befindet, kann ermittelt und durch den Mitose-Index wiedergegeben werden.

Für die Kontrolle des reibungslosen Ablaufs dieser Prozesse sind bestimmte Gene zuständig, welche Proteine produzieren, die diese Regulation übernehmen. Das Kontrollsystem der Zelle beruht auf zwei Protein-Familien. Das eine Protein ist die Cyclin-abhängige Proteinkinase = Cdk (bei Säugetieren gibt es davon verschiedene), die andere Familie besteht aus Cyclinen (ihr Name rührt daher, dass sie im Zellzyklus rhythmisch einem Auf- und Abbau unterworfen sind). Die Cycline binden an die Cdk und aktivieren sie. Dadurch werden bestimmte Zielproteine aktiviert. Es gibt zwei Familien davon, die eine für die Kontrolle des Restriktionspunkts START in der ${\text{G}}_{\text{1}}\text{-Phase}$ und die andere für den Restriktionspunkt in der G2-Phase. In der G2-Phase wird ein MPF (mitose promoting factor) gebildet, der schließlich explosiv aktiviert wird.

Der wichtigste Kontrollpunkt im Zellzyklus ist der Eintritt in die Synthese-Phase (S-Phase), in der das Erbgut der Zelle verdoppelt wird. Ist dieser Punkt einmal überwunden, teilt sich die Zelle in jedem Fall. Die Entdeckung dieses Startpunkts verdanken wir LELAND H. HARTWELL (*1939). Er prägte den Begriff „Checkpoint“ für die weiteren Kontrollpunkte. An diesen Checkpoints wird jeweils geprüft, ob ein Prozess abgeschlossen ist, bevor der nächste beginnt. So muss etwa das Erbgut verdoppelt sein, bevor sich die Chromosomen aufspiralisieren (${\text{G}}_{\text{2}}\text{-Checkpoint}$). Erst wenn das passiert ist, löst sich die Kernhülle auf. Der Zellzyklus unterliegt dem strengen Takt der Cycline, welche von TIMOTHY HUNT (*1943) entdeckt wurden.

Lange Zeit gab es keine befriedigenden Erklärungen für die Faktoren und Signale, die die Abläufe des Zellzyklus steuern. Auch derzeit sind noch manche Fragen offen. Dennoch ist man sich heute sicher, dass die zyklischen Veränderungen der Regulatorproteine als Zeitgeber für den Eintritt in die folgende Phase des Zellzyklus dienen. Für den korrekten Ablauf des Zellzyklus sorgen die oben beschriebenen Cyclin-abhängigen Proteinkinasen, Phosphatasen und Regulatorproteine vom Typ der Cycline. Proteinkinasen und Phosphatasen wirken als „Ein- und Ausschalter“ für die Aktivität anderer Proteine. Von den Proteinkinasen weiß man sicher, dass sie immer dann aktiviert werden, wenn sich an sie die passenden Cyclinmoleküle anlagern. In dieser aktivierten Form sorgen sie Schritt für Schritt für den geordneten Ablauf des Zyklus.

Nicht alle Zellen halten sich an die für den Zellzyklus charakteristischen Kontrollmechanismen. Tumorzellen zum Beispiel vermehren sich durch mitotische Teilung unaufhaltsam. Damit haben sie die Kontrolle sowohl über die Vermehrung (Proliferationskontrolle) als auch über ihre Lage im Organismus (Positionskontrolle) verloren. Ein eindrucksvolles Beispiel dafür sind die wenigen Zellen, die man 1953 einem Tumor der Amerikanerin HENRIETTA LACKS entnommen hat. Diese Zellen teilen sich noch heute – sie bilden eine der gängigsten Zelllinien in den Laboren der Welt, die Linie „HeLa“.

In der Beeinflussung des Zellzyklus sieht man eine der therapeutischen Möglichkeiten bei der Entartung von Zellen. In China wurde beispielsweise jüngst ein Medikament genehmigt, mit dem Patienten ein therapeutisches Virus mit einem Reparaturgen gespritzt wird. Durch Einbau des Gens in das Genom der Tumorzellen soll der Defekt behoben und die Zelle zur Rückkehr zum normalen Zyklus veranlasst werden.