Hoofdstuk 18: The Cell Cycle
Cel-cyclus fasen:
Cel-cyclus = cyclus van duplicatie van celinhoud en celdeling.
1. Celgroei en chromosoom-duplicatie
2. Chromosoom-segregatie
3. Cel-divisie
Als de cel niet groeit, wordt deze na deling kleiner (bijv. delingsdelingen in vroege embryo's). Celcyclus-duratie is verschillend binnen een
organisme, zo is de duratie van darmcellen korter dan fibroblasten.
Vier fasen van celcyclus (met checkpoints):
Celcyclus gaat pas door als checkpoints voldaan zijn, anders stopt de celcyclus.
• M-fase: mitose (kerndivisie) en cytokinese (cytoplasmatisch divisie) (controle of alle chromosomen
aangesloten zijn aan mitotisch spindle)
• G1-fase: einde G1-fase als de omgeving gunstig is
• S-fase: DNA-duplicatie
• G2-fase: einde G2-fase controle of alle DNA gerepliceerd is en of alle DNA-schade gerepareerd is
Meting van het DNA-gehalte in een celpopulatie op basis van flowcytometrie:
• Piek A – na mitose, vóór S-fase
• Piek B – na S-fase, vóór mitose
Samenvatting: Celcyclus
• De eukaryotische celcyclus omvat gewoonlijk vier fasen: G1, S, G2 en M.
• De duur van de celcyclus varieert per celtype.
• De controle van de celcyclus is afhankelijk van controlepunten.
Cyclin-CDKs:
Het celcycluscontrolesysteem maakt gebruik van op proteïnefosforylering gebaseerde schakelaars: cycline-afhankelijke kinases (Cdks) worden
actief wanneer ze aan een cycline gebonden zijn; in hun actieve vorm controleren Cdks de voortgang van de celcyclus
Cyclische accumulatie van specifieke cyclinen stuurt specifieke celcyclusgebeurtenissen aan in M-fase neemt M-cyclin concentratie toe
→ toename M-Cdk activiteit. Cyclinen en Cdks zijn in de evolutie sterk geconserveerd. Verschillende Cdk-cyclinecomplexen sturen verschillende
stappen van de celcyclus aan:
Cyclin-Cdk complex: Cyclin: Cdk partner:
G1-Cdk Cyclin D Cdk4, Cdk6
G1/S-Cdk Cyclin E Cdk2
S-Cdk Cyclin A Cdk2
M-Cdk Cyclin B Cdk1
Transcriptie en proteolyse controleren de cyclineconcentraties: actief cyclin-Cdk complex → ubiquitylation van cycline door APC/C →
destructie van cycline in proteasoom → inactief Cdk. Fosforylering en defosforylering controleren de activiteit van cycline-cdk-complexen:
• Inhibitory kinase (Wee1) → inactiveren M-Cdk door te fosforyleren
• Activating phosphatase (Cdc25) → activeren M-Cdk door te defosforyleren
Remmende eiwitten kunnen de Cdk-activiteit blokkeren: p27 kan actief cyclin-Cdk complex inactiveren en is dus belangrijk voor de regulatie
van G1-S-progressie. Cdks fosfyleren honderden doelen in een bepaalde volgorde via mechanismen die nog niet volledig begrepen worden.
Het celcycluscontrolesysteem kan de voortgang van de celcyclus bij de controlepunten blokkeren via verschillende mechanismen:
• Einde G2-fase: oncomplete DNA-replicatie en/of DNA-schade → inactivering activerende fosfatasen (Cdc25) → blokkeren entree mitose
• Einde M-fase: chromosomen niet juist vastgemaakt aan spindle → inhibitie van APC/C-activatie → vertraagt uitgang van mitose
• Einde G1-fase: ongunstige omgeving → Cdk-inhibitors blokkeren entree tot S-fase
1|Page
,Samenvatting: Celcyclus-controlesysteem
• Het celcycluscontrolesysteem is afhankelijk van cyclisch geactiveerde proteïnekinasen, Cdk's genaamd, die veel doeleiwitten fosforyleren.
• Verschillende cycline-Cdk-complexen activeren verschillende stappen in de celcyclus.
• Cyclineconcentraties worden gereguleerd door transcriptie en proteolyse.
• De activiteit van cycline-Cdk-complexen is afhankelijk van fosforylering en defosforylering.
• Cdk-activiteit kan worden geblokkeerd door Cdk-remmende eiwitten.
• Het celcycluscontrolesysteem kan de cyclus op verschillende manieren onderbreken.
G1-fase:
G0 (rusttoestand) – een cel doorloopt de celcyclus niet, maar kan teruggaan als hij op de juiste manier wordt gestimuleerd. Terminale
differentiatie – een cel verlaat permanent de celcyclus. G1 – eliminatie van S-Cdk- en M-Cdk-activiteiten:
• Afbraak van Cdks
• Blokkering van nieuwe transcriptie
• Expressie van Cdk-remmers
G1- naar S-overgang: besluit om een andere celcyclus in te gaan. Mitogenen stimuleren de expressie van G1- en G1/S-cyclinen en eiwitten die
betrokken zijn bij chromosoomduplicatie. Door geactiveerde G1-Cdk en G1/S-Cdk leidt tot fosforylatie van Retinoblastoma (Rb) → inactivering
functie van Rb = tumorsuppressorgen dat functioneert als remmer van de transcriptie van proliferatiegerelateerde genen.
Remming van de celcyclusprogressie in G1 door DNA-schade via p53. DNA-schade → fosforylering en activering van p53 → binding p21-gen →
translatie van p21 (Cdk-inhibitor eiwit) → inactiveren Cdk-complexen. P53 kan ook apoptose (geprogrammeerde celdood) veroorzaken als DNA-
schade niet hersteld kan worden. Verlies van p53 kan leiden tot kanker.
Samenvatting: G1-fase
• Cdks worden stabiel geïnactiveerd in G1
• Mitogenen bevorderen de productie van de cyclines die celdeling stimuleren
• DNA-schade kan de voortgang door G1 tijdelijk stoppen
• Cellen kunnen de deling langdurig vertragen door gespecialiseerde, niet-delende toestanden in te gaan
S-fase:
DNA-replicatie moet één keer (en slechts één keer!) in de celcyclus plaatsvinden → twee stappen voor het initiëren van DNA-replicatie:
• Binding van Cdc6 (concentratie verhoogd):
o DNA-helicase bindt aan DNA
• S-Cdk activeert replicatie-machinerie:
o Helicase geactiveerd en replicatie-machinerie gerekuteerd
o S-Cdk fosforyleert Cdc6 → degradatie Cdc6 → geen tweede ronde replicatie
Controle van M-Cdk-activering:
• DNA-schade en/of onvolledige DNA-replicatie remt Cdc25-fosfatase en verhindert de toegang tot de M-fase.
• Geactiveerde M-Cdk bevordert zijn eigen activering (positieve feedback).
Samenvatting: S-fase
• S-Cdk initieert DNA-replicatie en blokkeert her-replicatie
• Onvolledige replicatie kan de celcyclus in G2 stoppen
Mitose:
De celdeling wordt aangestuurd door twee tijdelijke cytoskeletstructuren: microtubuli van de mitotische spoel en actine- en myosinefilamenten
van de contractiele ring. Interfase: toename grootte van cel, replicatie van DNA van de chromosomen en duplicatie van het centrosoom.
Profase: Chromosoomcondensatie, centrosoomafscheiding, begin van de assemblage van de mitotische spoel
• Fosforylering (interfase naar prometafase) en defosforylering (prometafase naar telofase ) van nucleaire porie-eiwitten en lamines
veroorzaken de demontage/hermontage van de nucleaire mantel tijdens de celdeling.
• Vorming van gecondenseerde chromosomenparen door ringachtige eiwitten, condensines en cohesines
o Condensinen geactiveerd door fosforylering door M-Cdk, wikkelen chromosomen in compacte structuren
o Cohesinen houden twee zusterchromatiden (twee kopieën van elk chromosoom) bij elkaar (overgebleven cohesinen afgebroken bij
begin anafase → toegankelijk voor seperatie van zusterchromatiden)
2|Page
, Prometafase: Afbraak van de kernmembraan, spoelassemblage en chromosoomhechting aan microtubuli
• Complexe regulatie van de dynamiek en organisatie van microtubuli stuurt de vorming van de mitotische spoel aan
• Centrosomen zijn niet essentieel voor de opbouw van een spoel:
o De assemblage van microtubuli in acentrosomale spoellichamen vindt plaats vanuit chromosomen.
o Motorische eiwitten organiseren microtubuli en brengen ze samen aan de spoellichaampolen.
• Kinetochoren (eiwitstructuren op centromeren) hechten zich aan de plus-uiteinden van microtubuli:
o Centromeer = DNA-sequentie met bijbehorende chromatine-eiwitten
o Kinetochoor = grote eiwitstructuur die zich bindt aan microtubuli
o Kinetochoorvezel = bundel van microtubuli verbonden aan één kinetochoor
Samenvatting: Mitose tot metafase
• M-Cdk stimuleert de overgang naar de M-fase en mitose
• Verschillende cytoskeletstructuren voeren mitose en cytokinese uit
• De M-fase verloopt in fasen
• Centrosomen dupliceren om de twee polen van de mitotische spoel te helpen vormen
• Cohesinen en condensinen helpen bij het configureren van gedupliceerde chromosomen voor scheiding
• De mitotische spoel begint zich te assembleren in de profase
• In de prometafase breekt de kernmantel af en hechten chromosomen zich via kinetochoren aan microtubuli
• Chromosomen spelen een rol bij de assemblage van de mitotische spoel
Metafase: Chromosomen liggen uitgelijnd op de evenaar en zijn bevestigd aan beide spoelpolen
• Controlepunt van spindelassemblage: bi-georiënteerde aanhechtingen van alle chromosomen zijn vereist voordat cel overgaat tot anafase
o Controlepunt voor spindelassemblage: controleert op microtubuli-aanhechting en spanning op kinetochoren
o Onjuist bevestigde chromosomen vertragen de anafase
o Spindleassemblage verstoord door geneesmiddelen die de microtubuli-dynamiek beïnvloeden (taxol, colchicine, vinblastine); als
gevolg hiervan stoppen cellen in mitose vóór de anafase
Anafase: Scheiding van chromosomen door verkorting van de kinetochoormicrotubuli en verplaatsing van de spoelpolen
• Anafase-bevorderend complex (APC) veroorzaakt scheiding van zusterchromatiden door cohesinevernietiging te bevorderen
o Inhibitory eiwit Securin inactiveert protealse-enzym Separase
o Actief APC ubiquitylateert en degradeert Securin → actief Separase klieft cohesines
• Verkorting van kinetochoormicrotubuli en beweging van spoelpolen door duw- en trekkrachten zorgen voor scheiding van chromosomen
o Anafase A: chromosomen naar polen getrokken door verkorting van kinetochore microtubuli
o Anafase B: glijdende kracht tussen niet-kinetochore microtubuli van tegenovergestelde polen duwt de polen uit elkaar en trekkende
kracht aan de celcortex trekt de twee polen uit elkaar
Telofase: heropbouw van de kernmantel, demontage van de spoel, assemblage van de contractiele ring
Samenvatting: Mitose van metafase tot telofase
• Chromosomen liggen in de metafase op een rij aan de spoelequator
• Proteolyse veroorzaakt scheiding van zuster-chromatiden in de anafase
• Chromosomen scheiden zich tijdens de anafase
• Een los chromosoom voorkomt scheiding van zuster-chromatiden
• De kernenvelop hervormt zich in de telofase
Cytokinese: deling van cytoplasma door een contractiele actomyosine-ring bij dieren, of een nieuwe celwand bij planten
• Cytokinese in dierlijke cellen:
o Aangedreven door de contractiele ring van actine en myosine. De positionering van de ring wordt bepaald door de centrale spoel
• Cytokinese in plantencellen:
o Golgi-afgeleide blaasjes, geleid door fragmoplastmicrotubuli, vormen een nieuwe celwand
Samenvatting: Cytokinese
• De mitotische spoel bepaalt het vlak van cytoplasmatische deling
• De contractiele ring van dierlijke cellen bestaat uit actine- en myosinefilamenten
• Cytokinese in plantencellen omvat de vorming van een nieuwe celwand
• Membraan-omhulde organellen moeten worden verdeeld over dochtercellen wanneer een cel zich deelt
3|Page
Cel-cyclus fasen:
Cel-cyclus = cyclus van duplicatie van celinhoud en celdeling.
1. Celgroei en chromosoom-duplicatie
2. Chromosoom-segregatie
3. Cel-divisie
Als de cel niet groeit, wordt deze na deling kleiner (bijv. delingsdelingen in vroege embryo's). Celcyclus-duratie is verschillend binnen een
organisme, zo is de duratie van darmcellen korter dan fibroblasten.
Vier fasen van celcyclus (met checkpoints):
Celcyclus gaat pas door als checkpoints voldaan zijn, anders stopt de celcyclus.
• M-fase: mitose (kerndivisie) en cytokinese (cytoplasmatisch divisie) (controle of alle chromosomen
aangesloten zijn aan mitotisch spindle)
• G1-fase: einde G1-fase als de omgeving gunstig is
• S-fase: DNA-duplicatie
• G2-fase: einde G2-fase controle of alle DNA gerepliceerd is en of alle DNA-schade gerepareerd is
Meting van het DNA-gehalte in een celpopulatie op basis van flowcytometrie:
• Piek A – na mitose, vóór S-fase
• Piek B – na S-fase, vóór mitose
Samenvatting: Celcyclus
• De eukaryotische celcyclus omvat gewoonlijk vier fasen: G1, S, G2 en M.
• De duur van de celcyclus varieert per celtype.
• De controle van de celcyclus is afhankelijk van controlepunten.
Cyclin-CDKs:
Het celcycluscontrolesysteem maakt gebruik van op proteïnefosforylering gebaseerde schakelaars: cycline-afhankelijke kinases (Cdks) worden
actief wanneer ze aan een cycline gebonden zijn; in hun actieve vorm controleren Cdks de voortgang van de celcyclus
Cyclische accumulatie van specifieke cyclinen stuurt specifieke celcyclusgebeurtenissen aan in M-fase neemt M-cyclin concentratie toe
→ toename M-Cdk activiteit. Cyclinen en Cdks zijn in de evolutie sterk geconserveerd. Verschillende Cdk-cyclinecomplexen sturen verschillende
stappen van de celcyclus aan:
Cyclin-Cdk complex: Cyclin: Cdk partner:
G1-Cdk Cyclin D Cdk4, Cdk6
G1/S-Cdk Cyclin E Cdk2
S-Cdk Cyclin A Cdk2
M-Cdk Cyclin B Cdk1
Transcriptie en proteolyse controleren de cyclineconcentraties: actief cyclin-Cdk complex → ubiquitylation van cycline door APC/C →
destructie van cycline in proteasoom → inactief Cdk. Fosforylering en defosforylering controleren de activiteit van cycline-cdk-complexen:
• Inhibitory kinase (Wee1) → inactiveren M-Cdk door te fosforyleren
• Activating phosphatase (Cdc25) → activeren M-Cdk door te defosforyleren
Remmende eiwitten kunnen de Cdk-activiteit blokkeren: p27 kan actief cyclin-Cdk complex inactiveren en is dus belangrijk voor de regulatie
van G1-S-progressie. Cdks fosfyleren honderden doelen in een bepaalde volgorde via mechanismen die nog niet volledig begrepen worden.
Het celcycluscontrolesysteem kan de voortgang van de celcyclus bij de controlepunten blokkeren via verschillende mechanismen:
• Einde G2-fase: oncomplete DNA-replicatie en/of DNA-schade → inactivering activerende fosfatasen (Cdc25) → blokkeren entree mitose
• Einde M-fase: chromosomen niet juist vastgemaakt aan spindle → inhibitie van APC/C-activatie → vertraagt uitgang van mitose
• Einde G1-fase: ongunstige omgeving → Cdk-inhibitors blokkeren entree tot S-fase
1|Page
,Samenvatting: Celcyclus-controlesysteem
• Het celcycluscontrolesysteem is afhankelijk van cyclisch geactiveerde proteïnekinasen, Cdk's genaamd, die veel doeleiwitten fosforyleren.
• Verschillende cycline-Cdk-complexen activeren verschillende stappen in de celcyclus.
• Cyclineconcentraties worden gereguleerd door transcriptie en proteolyse.
• De activiteit van cycline-Cdk-complexen is afhankelijk van fosforylering en defosforylering.
• Cdk-activiteit kan worden geblokkeerd door Cdk-remmende eiwitten.
• Het celcycluscontrolesysteem kan de cyclus op verschillende manieren onderbreken.
G1-fase:
G0 (rusttoestand) – een cel doorloopt de celcyclus niet, maar kan teruggaan als hij op de juiste manier wordt gestimuleerd. Terminale
differentiatie – een cel verlaat permanent de celcyclus. G1 – eliminatie van S-Cdk- en M-Cdk-activiteiten:
• Afbraak van Cdks
• Blokkering van nieuwe transcriptie
• Expressie van Cdk-remmers
G1- naar S-overgang: besluit om een andere celcyclus in te gaan. Mitogenen stimuleren de expressie van G1- en G1/S-cyclinen en eiwitten die
betrokken zijn bij chromosoomduplicatie. Door geactiveerde G1-Cdk en G1/S-Cdk leidt tot fosforylatie van Retinoblastoma (Rb) → inactivering
functie van Rb = tumorsuppressorgen dat functioneert als remmer van de transcriptie van proliferatiegerelateerde genen.
Remming van de celcyclusprogressie in G1 door DNA-schade via p53. DNA-schade → fosforylering en activering van p53 → binding p21-gen →
translatie van p21 (Cdk-inhibitor eiwit) → inactiveren Cdk-complexen. P53 kan ook apoptose (geprogrammeerde celdood) veroorzaken als DNA-
schade niet hersteld kan worden. Verlies van p53 kan leiden tot kanker.
Samenvatting: G1-fase
• Cdks worden stabiel geïnactiveerd in G1
• Mitogenen bevorderen de productie van de cyclines die celdeling stimuleren
• DNA-schade kan de voortgang door G1 tijdelijk stoppen
• Cellen kunnen de deling langdurig vertragen door gespecialiseerde, niet-delende toestanden in te gaan
S-fase:
DNA-replicatie moet één keer (en slechts één keer!) in de celcyclus plaatsvinden → twee stappen voor het initiëren van DNA-replicatie:
• Binding van Cdc6 (concentratie verhoogd):
o DNA-helicase bindt aan DNA
• S-Cdk activeert replicatie-machinerie:
o Helicase geactiveerd en replicatie-machinerie gerekuteerd
o S-Cdk fosforyleert Cdc6 → degradatie Cdc6 → geen tweede ronde replicatie
Controle van M-Cdk-activering:
• DNA-schade en/of onvolledige DNA-replicatie remt Cdc25-fosfatase en verhindert de toegang tot de M-fase.
• Geactiveerde M-Cdk bevordert zijn eigen activering (positieve feedback).
Samenvatting: S-fase
• S-Cdk initieert DNA-replicatie en blokkeert her-replicatie
• Onvolledige replicatie kan de celcyclus in G2 stoppen
Mitose:
De celdeling wordt aangestuurd door twee tijdelijke cytoskeletstructuren: microtubuli van de mitotische spoel en actine- en myosinefilamenten
van de contractiele ring. Interfase: toename grootte van cel, replicatie van DNA van de chromosomen en duplicatie van het centrosoom.
Profase: Chromosoomcondensatie, centrosoomafscheiding, begin van de assemblage van de mitotische spoel
• Fosforylering (interfase naar prometafase) en defosforylering (prometafase naar telofase ) van nucleaire porie-eiwitten en lamines
veroorzaken de demontage/hermontage van de nucleaire mantel tijdens de celdeling.
• Vorming van gecondenseerde chromosomenparen door ringachtige eiwitten, condensines en cohesines
o Condensinen geactiveerd door fosforylering door M-Cdk, wikkelen chromosomen in compacte structuren
o Cohesinen houden twee zusterchromatiden (twee kopieën van elk chromosoom) bij elkaar (overgebleven cohesinen afgebroken bij
begin anafase → toegankelijk voor seperatie van zusterchromatiden)
2|Page
, Prometafase: Afbraak van de kernmembraan, spoelassemblage en chromosoomhechting aan microtubuli
• Complexe regulatie van de dynamiek en organisatie van microtubuli stuurt de vorming van de mitotische spoel aan
• Centrosomen zijn niet essentieel voor de opbouw van een spoel:
o De assemblage van microtubuli in acentrosomale spoellichamen vindt plaats vanuit chromosomen.
o Motorische eiwitten organiseren microtubuli en brengen ze samen aan de spoellichaampolen.
• Kinetochoren (eiwitstructuren op centromeren) hechten zich aan de plus-uiteinden van microtubuli:
o Centromeer = DNA-sequentie met bijbehorende chromatine-eiwitten
o Kinetochoor = grote eiwitstructuur die zich bindt aan microtubuli
o Kinetochoorvezel = bundel van microtubuli verbonden aan één kinetochoor
Samenvatting: Mitose tot metafase
• M-Cdk stimuleert de overgang naar de M-fase en mitose
• Verschillende cytoskeletstructuren voeren mitose en cytokinese uit
• De M-fase verloopt in fasen
• Centrosomen dupliceren om de twee polen van de mitotische spoel te helpen vormen
• Cohesinen en condensinen helpen bij het configureren van gedupliceerde chromosomen voor scheiding
• De mitotische spoel begint zich te assembleren in de profase
• In de prometafase breekt de kernmantel af en hechten chromosomen zich via kinetochoren aan microtubuli
• Chromosomen spelen een rol bij de assemblage van de mitotische spoel
Metafase: Chromosomen liggen uitgelijnd op de evenaar en zijn bevestigd aan beide spoelpolen
• Controlepunt van spindelassemblage: bi-georiënteerde aanhechtingen van alle chromosomen zijn vereist voordat cel overgaat tot anafase
o Controlepunt voor spindelassemblage: controleert op microtubuli-aanhechting en spanning op kinetochoren
o Onjuist bevestigde chromosomen vertragen de anafase
o Spindleassemblage verstoord door geneesmiddelen die de microtubuli-dynamiek beïnvloeden (taxol, colchicine, vinblastine); als
gevolg hiervan stoppen cellen in mitose vóór de anafase
Anafase: Scheiding van chromosomen door verkorting van de kinetochoormicrotubuli en verplaatsing van de spoelpolen
• Anafase-bevorderend complex (APC) veroorzaakt scheiding van zusterchromatiden door cohesinevernietiging te bevorderen
o Inhibitory eiwit Securin inactiveert protealse-enzym Separase
o Actief APC ubiquitylateert en degradeert Securin → actief Separase klieft cohesines
• Verkorting van kinetochoormicrotubuli en beweging van spoelpolen door duw- en trekkrachten zorgen voor scheiding van chromosomen
o Anafase A: chromosomen naar polen getrokken door verkorting van kinetochore microtubuli
o Anafase B: glijdende kracht tussen niet-kinetochore microtubuli van tegenovergestelde polen duwt de polen uit elkaar en trekkende
kracht aan de celcortex trekt de twee polen uit elkaar
Telofase: heropbouw van de kernmantel, demontage van de spoel, assemblage van de contractiele ring
Samenvatting: Mitose van metafase tot telofase
• Chromosomen liggen in de metafase op een rij aan de spoelequator
• Proteolyse veroorzaakt scheiding van zuster-chromatiden in de anafase
• Chromosomen scheiden zich tijdens de anafase
• Een los chromosoom voorkomt scheiding van zuster-chromatiden
• De kernenvelop hervormt zich in de telofase
Cytokinese: deling van cytoplasma door een contractiele actomyosine-ring bij dieren, of een nieuwe celwand bij planten
• Cytokinese in dierlijke cellen:
o Aangedreven door de contractiele ring van actine en myosine. De positionering van de ring wordt bepaald door de centrale spoel
• Cytokinese in plantencellen:
o Golgi-afgeleide blaasjes, geleid door fragmoplastmicrotubuli, vormen een nieuwe celwand
Samenvatting: Cytokinese
• De mitotische spoel bepaalt het vlak van cytoplasmatische deling
• De contractiele ring van dierlijke cellen bestaat uit actine- en myosinefilamenten
• Cytokinese in plantencellen omvat de vorming van een nieuwe celwand
• Membraan-omhulde organellen moeten worden verdeeld over dochtercellen wanneer een cel zich deelt
3|Page
