Einführung in die G1- und G2-Phasen

In diesem Beitrag werden wir diskutieren, was in den G1- und G2-Phasen des Zellzyklus passiert. Bei der Zellteilung werden mehr Zellen gebildet, indem der Inhalt einer Zelle dupliziert und diese Zelle dann in zwei gleiche und identische Zellen aufgeteilt wird. Diese Zellen sind identisch mit der Elternzelle. So wachsen und ersetzen wir verletzte Zellen.

Der Schlüssel zu einer erfolgreichen Zellteilung besteht darin, die resultierenden Zellen identisch zu halten. Dies liegt daran, dass die Aufrechterhaltung der Integrität der Zelle und der darin enthaltenen DNA für das Überleben der Spezies von zentraler Bedeutung ist. Viele Organismen sterben aufgrund tödlicher Mutationen, die auf eine beeinträchtigte DNA-Integrität zurückzuführen sind.

Der Hinweis darauf, wie wichtig die DNA-Integrität ist, liegt in der Anzahl der Qualitätskontrollzellen, die eingerichtet wurden, um sicherzustellen, dass sie sich erfolgreich vermehren können, wenn sie sollten oder sollten wenn sie nicht sollten. Zellen durchlaufen den Zellzyklus und die zugehörigen Überprüfungen, um sicherzustellen, dass jede erstellte Zelle in einwandfreiem Zustand ist. Der Zellzyklus hat zwei Hauptphasen, die mitotische Phase und die Interphase.

Die Interphase ist die längste Phase des Zellzyklus. Das Zellwachstum spielt eine zentrale Rolle im Zellzyklus, und dies ist der Hauptzweck der Interphase. Am Ende dieser Phase gibt es die doppelte Menge an DNA, Zentriolen haben sich repliziert und die Zelle ist groß genug für die Zellteilung. Die Interphase ist in die erste Wachstumsphase (G1), die Synthesephase (S) und die zweite Wachstumsphase (G2) unterteilt (Abbildung 1). Die Wachstumsphasen sind, wie Sie vielleicht vermutet haben, für das Wachstum der Zelle während der Synthesephase erfolgt die DNA-Replikation zur Vorbereitung auf die zweite Wachstumsphase.

Hier sehen wir uns die an G-Phasen (erstes und zweites Wachstum) der Interphase. Wir werden untersuchen, was in diesen Phasen passiert, was folgt und warum sie für unser Verständnis der Biologie so wichtig sind.

Was passiert in G1 des Zellzyklus?

In einigen Fällen B. Hunger oder wenn das zu erzeugende Gewebe seine Zielgröße erreicht hat, verlassen die Zellen den Zellzyklus und bleiben in der als G0 bezeichneten Stase (Abbildung 1). Die meisten dieser Zellen sind in der Lage, bei G1 wieder in den Zellzyklus einzutreten, falls dies jemals erforderlich sein sollte. Nervenzellen regenerieren sich normalerweise nicht; Sie bleiben in Stase.

In G1 erreichen Zellen den größten Teil ihres Wachstums. Sie werden größer und bilden Proteine und Organellen, die für normale Funktionen der DNA-Synthese benötigt werden. Hier werden Proteine und RNAs synthetisiert und insbesondere das Zentromer und die anderen Komponenten der Zentrosomen hergestellt. Die Zellen sind voll funktionsfähig; Sie sind nicht nur auf einer Teilungsmission, sondern können auch ihre normalen Funktionen erfüllen. Bei Wirbeltieren und diploiden Hefen beträgt die Chromosomenzahl in dieser Phase 2n, während bei haploiden Hefen die Chromosomenzahl 1n beträgt. Kurz gesagt, die erste Wachstumsphase ist der Zeitpunkt, zu dem unmittelbar nach der Geburt (bei Mitose) die Die Zelle bereitet sich auf die DNA-Synthese vor (in der S-Phase).

Was passiert in G2 des Zellzyklus?

Wir haben untersucht, was in der ersten Wachstumsphase passiert und was passiert In der S-Phase steht im Artikel „Was passiert in der S-Phase?“. Die Details der DNA-Replikation finden Sie in „Was ist DNA?“. Lassen Sie uns nun einen kurzen Ausflug durch die zweite Wachstumsphase G2 machen.

Die zweite Wachstumsphase folgt der S-Phase (Synthese). Nach der S-Phase durchläuft die Zelle einen Qualitätskontrollpunkt, an dem (wie an jedem Übergangspunkt des Zyklus) die Integrität der DNA überprüft wird. Danach tritt die Zelle in die zweite Wachstumsphase ein, in der die Kernhülle den Kern umhüllt. In dieser Phase haben sich zwei Zentrosomen gebildet (mit freundlicher Genehmigung der ersten Wachstumsphase); In tierischen Zellen haben diese Zentrosomen zwei Zentriolen.

Es ist wichtig zu beachten, dass die in der S-Phase replizierte DNA noch nicht zu Chromosomen kondensiert ist. Die für die Zellteilung notwendigen Organellen (in der M-Phase) werden ebenfalls in der S-Phase synthetisiert. Die Mikrotubuli, die zur Mobilisierung der Chromosomen in der M-Phase verwendet werden, werden bei G2 zusammengesetzt.

Jetzt können alle während G2 erledigten Aufgaben nur dann ordnungsgemäß erfüllt werden, wenn die Ereignisse vor G2 wie geplant verlaufen sind. Als Checkpoints bezeichnete Boxenstopps dienen ausschließlich dazu, sicherzustellen, dass die Zelle alle Aufgaben, die sie nach jeder Phase ausführen soll, erfolgreich abgeschlossen hat.Der Zellzyklus besteht aus drei Prüfpunkten, nämlich M / G1 (Ausgang M), G1 / S (Eingabe S) und G2 / M (Eingabe M).

Prüfpunkte

Die Verlassen Sie M und geben Sie S Checkpoints ein.

Bevor die Zelle in die G1-Phase der Interphase eintritt, durchläuft sie den Exit M Checkpoint. Hier wird die Zelle überprüft, um sicherzustellen, dass sie die Mitosephase abgeschlossen hat und für die erste Wachstumsphase bereit ist. Insbesondere werden die Zellen überprüft, um festzustellen, ob sie die Zellteilung abgeschlossen haben und ob die Chromosomen richtig ausgerichtet sind, und um sicherzustellen, dass sie an Spindeln befestigt sind.

Bevor die Zelle in die S-Phase übergeht, durchläuft sie sie der G1 / S-Checkpoint, auch Enter S genannt, an dem der Ernährungsstatus der Zelle und die DNA-Integrität überprüft werden. Dies ist ein besonders wichtiger Schritt für eine Zelle, die kurz vor dem Eintritt in die S-Phase steht. In Hefen wird die Zellgröße als Proxy verwendet, um zu bestimmen, ob sie bereit ist, zur nächsten Phase überzugehen.

Wann und wie Zellen den Zellzyklus durchlaufen, wird durch eine Vielzahl von regulatorischen Proteinen streng kontrolliert . Diese Proteine fallen in zwei Gruppen, die als Cycline und Cyclin-abhängige Kinasen (Cdks) bezeichnet werden. Die Aktivität der Cdks schwankt zusammen mit den Cyclinen. Cycline sind Proteine, die den Zeitpunkt des Zellzyklus regulieren. Ihre Spiegel schwanken im Zellzyklus, daher ihr Name.

Spät in der Mitose wird Cdc14 (eine Phosphatase) in Nukleolen als Geisel gehalten; Dies verhindert die Aktivierung des APC-Spezifitätsfaktors (Cdh1), der zur Polyubiquitinierung von nachgeschalteten Cyclinen erforderlich ist. Dies verhindert die notwendige Abnahme der Aktivität des reifungsfördernden Faktors (eines Cyclin / CDK-Komplexes), der das Fortschreiten in die Telophase stoppt.

Die Telophase wird lange genug verlängert, um zu überprüfen, ob sich die Chromosomen richtig getrennt haben. Sobald dies bestätigt ist, wird Cdc14 freigegeben. Die damit verbundene nachgeschaltete Kaskade führt zu verringerten MPF-Spiegeln, die das Fortschreiten der Zelle nach der Telophase veranlassen, die Mitosephase verlassen und in G1 übergehen. Alles, was in der Telophase und der daraus resultierenden Zytokinese passiert, wird als Austritt aus der Mitose bezeichnet.

Nach der Mitosephase tritt die Zelle in die G1-Phase ein. Beim Eintritt positionieren sich die DNA-Vorreplikationskomplexe an den Ursprüngen, die die DNA-Replikation in der S-Phase vorbereiten. Das G1-Cyclin-CDK (Cyclin D / CDK2) deaktiviert Cdh1, wodurch die Expression der S-Phasen-Cyclin-CDK-Komponenten (z. B. Cyclin E / CDK2) aktiviert wird. Der Inhibitor des S-Phasen-Cyclin-CDK-Komplexes wird phosphoryliert und markiert den Abbau durch 5 SCF / Proteasom. Diese Aktion lässt den Cyclin-CDK-Komplex frei, um die Zelle zu initiieren oder zur nächsten Phase des Zyklus, der S-Phase, zu bewegen. Diese Signalkaskade selbst ist gruppenübergreifend ziemlich konserviert, aber die spezifischen Cycline und ihre CDKs können variieren.

Der G1-Checkpoint scheint die Determinante für das Schicksal der Zelle im Zellzyklus zu sein. Wenn eine Zelle am G1-Kontrollpunkt grünes Licht erhält, macht sie normalerweise die Runden (Abschluss des Zyklus und Teilen). Andernfalls verlässt es den Zyklus vollständig und tritt in die G0-Phase ein.

Geben Sie M und die Regelung der G2-Phase ein.

Der Checkpoint Enter M beeinflusst den Austritt aus der G2-Phase. Bei jedem Übergang des Zellzyklus werden die Zellen kontinuierlich auf die DNA-Integrität überprüft, wobei (im Fall des Übergangs von S zu G2) die neu duplizierte DNA auf Mutationen überprüft und gegebenenfalls fixiert wird. Sobald diese Übergangsphase abgeschlossen ist, ist die Zelle für die G2-Phase bereit. Cycline und die Cyclin-abhängigen Kinasen (CDKs) -Komplexe steuern auch hier die Übergänge, ähnlich wie in G1. Die Aktivität von Cyclinen und ihren CDKs wird durch Phosphorylierung reguliert (durch eine CDK-aktivierende Kinase; CAK). und Dephosphorylierung (durch eine Phosphatase KAP) spezifischer Reste (üblicherweise Tyrosin) der ATP-Bindungsstelle der CDKs. Die Kontrolle des Enter M-Kontrollpunkts ist bei Eukaryoten mit den meisten Cyclinen und ihren meisten ähnlich CDKs mit Homologen über verschiedene eukaryotische Gruppen. Hier konzentrieren wir uns als Beispiel auf die Spalthefe (Schizosaccharomycespombe). Vier Proteine sind an der Regulation der Proteinkinaseaktivität des CDK in Spalthefe bei der Kontrolle des Eintritts in die Mitose beteiligt. Bevor wir fortfahren, ist anzumerken, dass Spalthefe nur eine CDK hat, während Wirbeltiere eine Familie von CDKs haben.

In Spalthefe bildet das mitotische Cyclin Cdc13 einen Komplex mit CDK, um einen reifungsfördernden Faktor zu bilden (MPF). Die als Wee1 bezeichnete Protein-Tyrosinkinase wirkt als Inhibitor dieses Komplexes durch Phosphorylierung des Tyrosins 15 der CDK-Untereinheit. Dann phosphoryliert ein CAK ein aktivierendes Threonin 161. Diese doppelte Phosphorylierung inaktiviert den MPF und verzögert das Fortschreiten der Zelle von G2 in die M-Phase. Eine Phosphatase, Cdc25, kommt vorbei und dephosphoryliert Tyrosin, wodurch der MPF aktiviert wird. Der hochaktive MPF kann nun die Zelle entlasten und in die mitotische Phase bringen.

Wieder geht die Zelle in Mitose, Tauchen und dann in G1.Hier wird dieselbe Frage erneut gestellt: „Ist die Zelle für eine weitere Zellzyklusreise bestimmt oder sollte sie verlassen werden?“ Sobald die Entscheidung getroffen ist, geht die Zelle durch oder steigt aus.

Wie unterscheidet sich G1 von G2?

Wir hoffen, dass Sie dies bereits anhand der obigen Abschnitte beurteilt haben. Hier ist das Wesentliche Davon umfasst die gesamte Interphase das Zellwachstum und die Zellteilung, wie wir wissen. Ein wesentlicher Unterschied zwischen den Wachstumsphasen besteht darin, dass es in der ersten Wachstumsphase um das Zellwachstum geht, während es bei G2 um die Zellteilung geht. Es ist wichtig, die Rollen von vollständig zu erfassen diese Lücken (siehe oben).

Warum sind G1- und G2-Phasen der Interphase für unser Verständnis der Biologie so wichtig?

Der Hauptzweck des Zellzyklus ist die Zellteilung. Wenn die Wachstumsphasen Wenn sie ihre Rolle nicht erfüllen, wird die Zelle bei jeder Zellteilung halbiert, bis nichts mehr zu teilen ist. Dies liegt daran, dass die DNA-Replikation ohne die in der ersten Wachstumsphase synthetisierten notwendigen Proteine und Organellen nicht erfolgreich erreicht werden könnte.

Um zu betonen, wie wichtig diese Phasen sind, schauen wir uns an, was passiert ns wenn sie schief gehen. Ein berühmtes Beispiel für einen fehlerhaften Zellzyklus ist Krebs. Einfach ausgedrückt, Krebs ist unkontrolliertes Zellwachstum. Bei Krebs verlieren die Zellen ihre Fähigkeit zu erkennen, wann sie beschädigt sind und sollten den Zyklus verlassen und vorzugsweise Apoptose durchlaufen (programmierter Zelltod).

Krebs resultiert aus Defekten in der Zellzykluskontrolle (Tumor) Suppressoren und Protoonkogene). Wenn Tumorsuppressoren den Zellzyklus für Zellintegritätsprüfungen nicht verlangsamen, kann die Zelle vor ihrer Fertigstellung mit der DNA-Synthese fortfahren, was zu einer fehlerhaften DNA-Replikation führt.

Damit eine Zelle zuvor die DNA-Replikation durchläuft es ist bereit wäre katastrophal. Wie also, fragst du? Die Proteine, die den Zeitpunkt des Zellzyklus steuern, werden von der DNA codiert. Wenn also bei der Replikation etwas schief geht, häufen sich wahrscheinlich Fehler und betreffen möglicherweise viele andere Codierungsregionen, darunter auch andere Regionen, die für noch mehr Regulatoren codieren. Dies würde dazu führen, dass der Zellzyklus völlig außer Betrieb gerät und sich Tumorzellen vermehren. Wenn diese beschädigten Zellen in andere Organe oder Gewebe eindringen, können sie zum Tod des Betroffenen führen.

Nachdem wir die allgemeine Finsternis durchlaufen haben, können wir uns auf ein bestimmtes Problem konzentrieren – das Versagen von G1. Zunächst entscheidet der G1, wann sich eine Zelle teilen kann, basierend auf Umgebungsbedingungen, Gesundheit und Zellgröße. Sollte diese Entscheidung aufgehoben werden, würde die Gesundheit der Zelle unkontrolliert bleiben und beschädigte Zellen erneut die S-Phase durchlaufen, bevor sie bereit sind.

Nehmen wir an, dass die Zelle gerade die erste Wachstumsphase durchläuft gut, stößt aber bei G2 auf ein Hindernis. Dies würde bedeuten, dass sich beispielsweise die Mikrotubuli hier nicht zusammensetzen, was bedeutet, dass die Chromosomen nicht mobilisiert werden. Dies würde höchstwahrscheinlich zu einer Nicht-Disjunktion und daher zu Zellen mit einer ungleichen Anzahl von Chromosomen führen.

Die Lücken (1 und 2) sind für die Sicherung der DNA-Replikation und Mitose wesentlich. Wie also, fragst du? Kehren wir zur fehlgeschlagenen DNA-Replikation zurück, wenn die replizierende DNA kondensiert, bevor sie fertig ist. Wenn die Replikation kurz vor der Mitose erfolgt, kommt es zu einer ungleichen Trennung des genetischen Materials. Daher ist es wichtig, Replikation und Mitose durch die G-Phasen getrennt zu halten, um die Zellen herzustellen. DNA-Replikation und Mitose sind so wichtige Ereignisse, dass es für uns von zentraler Bedeutung ist, die Möglichkeit zu haben, die Integrität der Zelle zu überprüfen, bevor diese Ereignisse eintreten.

Es ist von zentraler Bedeutung für uns, zu verstehen, was in diesen Phasen geschieht Verständnis dessen, was bei Krebs schief geht.

Schlussfolgerung

Dies ist eine einführende biologische Übersicht über die G-Phasen des Zellzyklus; es ist keineswegs eine erschöpfende Abdeckung dieses komplexen Themas. Der Zellzyklus ist ein wesentlicher Bestandteil der Existenz aller Eukaryoten. Daher ist es wichtig, dass es streng kontrolliert wird (durch Tumorsuppressoren und Protoonkogene).

Die Wachstumsphasen sind möglicherweise die kritischsten Phasen des Zellzyklus. Was passiert in G1 des Zellzyklus? G1 bereitet die Zellen frisch aus der Mitose für eine weitere Runde der DNA-Replikation vor, indem die erforderlichen Proteine und Organellen hergestellt werden. G1 und G2, obwohl beide Wachstumsphasen sind, sind unterschiedlich. Was passiert also in G2 des Zellzyklus? Die zweite Wachstumsphase beginnt mit der Vorbereitung der Zellen mit neu replizierter DNA für den Eintritt in die Mitosephase, indem die für die Mitose erforderlichen Organellen eingerichtet werden.

Der Zellzyklus ist ein wesentlicher Bestandteil der fortgesetzten Persistenz aller Eukaryoten und Prokaryoten.

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