Zellkern Zytoskeleton

1. ZellkernZytoskeleton Dr. Orsolya Kántor InstitutfürAnatomie, Histolgie und Embryologie Semmelweis Universität Budapest 2011 September

2. Zellkern (Nukleus) • Eukaryotische „Erfindung” • Enthält die DNS (~2m/Zellkern, meistens diploider DNS Gehalt) an Histonen gebunden (=Chromatin), in Chromosomen gegliedert (46, XY) • Form, Größe: variabel, oft typisch • Anzahl: meistens eins • kernlos: rote Blutkörperchen • mehrkernig: z. B. Osteoklast Heterochromatin Euchromatin Nukleolus (↑) Barr-Körperchen: Inaktiviertes X-Chromosom (eingekreist)

3. Zellkern- EM Leberzelle • Bestandteile: • Kernmembran, mit Poren • Kernlamina • Nukleoplasma (Grundsubstanz) • Kernmatrix • Chromatin → Chromosomen • Nukleolus Heterochromatin Nucleolus • Kernmatrix, Nukleoplasma: • Wasser, Ione, solubile kleine Moleküle, besondere RNS • Auch Makromolekulare Komplexe: Enzyme, Umbau, Regulation Euchromatin Kernhülle Phasenkontrastmikroskopisches Bild

4. Funktionelle Aspekte Zentrales Dogma der Molekularbiologie: Replikation Transkription DNS • Zellkern enthält die Erbsubstanz (DNS) → bei Zellteilung weitergegeben (Replikation, semikonservativ) → das genetische Programm wird umgesetzt (Transkription, Translation) → Zellkern ist die Kommandozentrale der Zelle • Zwangsläufig mit Transportvorgängen verbunden RNS Protein

5. Kernhülle, Kernlamina • Äußere Membran → rER, mit Ribosomen besetzt • innere Membran → mit Kernlamina, Chromatin (3) verbunden • Perinukleärer Spalt → rER Lumen • Mit Kernporen (2,↑) • Kernlamina: • 30-100 nm dick • Mechanische Stütze der Kernhülle • Aus intermediär Filamenten (Lamine) • Zieht sich auch über die Kernporen (↑) • Zellteilung: Lamin wird phosphoryliert → Kernlamina zerfällt in Bruchstücke

6. Zellkern, freeze-fracture Kernporen • 30-50 nm im EM, eigentlicher Kanal: 9 nm (ein großer, 8 kleinere, periphäre Kanäle) • Transportschleusen: • kleine Moleküle: nicht sehr selektiv • Makromoleküle: Kernlokalisationssignal (NLS) • Porenkomplex: • Oktagonal • An beiden Seiten mit Fibrillen verbunden (→innen: Kernkorb) • Säulenkomponente mit 8 Speichen +Außen- + Innenring

7. Transport durch die Kernporen • (Kern)proteine müssen in den Zellkern hinein: • Enzyme der Transkription, Replikation • Transkriptionsfaktore (Regelung der Transkr.) • Proteine für RNS Prozessierung • Proteine für DNS Konsensation • Bestimmte Hormonrezeptore (z. B. für Steroidhormone) • Ribosomale Proteine • Kernexportrezeptore • Kernlokalisationssequenz, Kernimportrezeptore, Energie (GTP) • Substanzen müssen aus dem Kern heraus: • Kernimportrezeptore • RNS: mRNS, tRNS • Ribosomale Untereinheiten • Kernexportsignal, Kernexportrezeptore, Energie Über ein gewisses Molekulargewicht ist der Kerntransport nicht möglich → verschiedene Zusammensetzung von Kern und Zytoplasma

8. DNS Kondensierung - Chromatin ~3,2 x 109 Basenpaar, 2 m/Zelle→zerbrechlich→ist zu Proteinen assoziiert Chromatin= DNS+Proteine (Histone, non-Histone) Nukleosom (~146 Bp DNS, 1,65x Windungen +2xHistone 2A, 2B, 3, 4), dazwischen Linker DNS (~wenige-80 Bp mit Histon 1) Chromatinfaden (Solenoid), H1-Histon zieht die Nukleosomen zusammen, Faden wickelt sich um Proteine der Nukleoplasma herum Schleifenbildung, Verbindung zu Scaffold Proteinen Weitere Verfaltung, Verdrillung 22x2 somatische Chromosomen + Sexchromosomen (X oder Y)= 46 Chromosomen Enthalten mehrere Gene Gesamtergebnis: 1/10 000 seiner ursprünglicher Länge Histone: viele positive Ladungen (Lysin, Arginin)→ binden sich fest an negativ geladene Zucker-Phosphat Gerüst, Histone können kovalent modifiziert werden→ Regulation der Genexpression

9. Interphasechromosom Dichte Regionen: Heterochromatin (90%) -Konstitutives Heterochromatin (z. B. perinukleäres Heterochromatin, meistens nicht-kodierende Sequenzen: Telomer, Satellita DNS, Zentromer) -Fakultatives Heterochromatin: kodierende Sequenzen, die gerade nicht transkribiert werden (ruhig gestellte Gene) Lockere Regionen: Euchromatin (~10%, wird gerade transkribiert, aktive Gene) →RNS Synthese Sind an einigen Stellen an Kernmembran oder an Fibrillen der nukleären Matrix geankert → Chromosomen besitzen ein Territorium innerhalb des Zellkerns

10. Chromosom Metaphasechromosom Anaphasechromosom • 46, 23 homologe Paare • 44 Autosomen, 2 Sex-Chromosomen (Gonosomen) • Chromatiden • Chromomer: Bandmuster (CG bzw. TA-reiche Regionen) • Centromer • verbindet die Chromatiden • Ansatzstelle der Kinetochoren- Mikrotubuli bei Zellteilung • Telomere: Endabschnitte • Repetitive, nicht kodierende Sequenzen • Shützt die terminale, kodierende DNS-Bereiche Menschlicher Karyogram Telomerase: Enzym, verlängert die Telomere

11. LM Nukleolus • Ribosomenfabrik • ~1 μm, meistens 1-2/Zelle (max. 10) • Verschwindet vor Zellteilung • Enthält Kopien der ribosomale Gene (Chr. 13, 14, 15, 21, 22) → • •Nukleolus Organisator Region (NOR, in Form von fibrillären Lakunen) • Pars fibrosa: rRNS Prozessierung • Pars granulosa: fertige ribosomale Untereinheiten EM

12. Zytoskeleton

13. Aufbau, Funktionen • Polymere aus Baueinheiten • Mechanische Stütze → Bestimmung von Zellform, Polarität • Verankerung von Zellorganellen • Bewegung von Zellorganellen (intrazelluläre Bewegungen, auch während der Zellteilung) • Bewegung der Zelle Dynamisches Netzwerk von Proteinen im Zytoplasma

14. Zytoskelett • polymerisiert aus globulären Proteinen, • schneller Auf- und Abbau (dynamische Instabilität), • assoziierte Motorproteine, • konservative Proteine 1. Mikrotubuli(25 nm Ø) 2. Mikrofilamente(6-8 nm Ø) 3. Intermediäre Filamente(10 nm Ø) fibrilläre Proteine, widerstandsfähiges und festes Skelett, keine dynamische Instabilität, neu in der Evolution grün: Mikrotubuli, rot: Aktin-Mikrofilamente blau: Zellkern Mikrofilament-Bündel Mikrotubuli Intermediär-filament EM Bild

15. Intermediärfilamente (IF) • ~10 nm dick • Zugfest → mechanischeFestigung (z. B. Epithelzellen der Haut, Neurone, Muskelzellen) • umringenoft den Zellkern, strahlenin die Peripherieaus → sindoft an Zell-Zell-Verbindungenverankert (z. B. Desmosom) • AuchimZellkern: Lamin (Kernhülle) • Gruppen: • Keratin (Epithel) • Vimentin und Verwandte • Vimentin: Bindegewebszellen • Desmin: Muskelzellen • GFAP: Gliazellen • Neurofilamente (NF-L, -M, -H) • (Kern)Lamine • Hilfsproteine: • Plectin (grün), Filaggrin: hilftbeiQuervernetzung, Verankerung an Desmosomen Grün: Keratin Mikrotubulus IF

16. Polarität! Mikrotubuli (MT) • Aufbau: aus Tubulin Heterodimeren • Lange, steife Röhren, äu. Durchm.: 25 nm • →Schienensystem, intrazell. Transport von Organellen • Bildung komplexer Aggregaten: Zentriol, Basalkörper, Teilungsspindel, Zilien, Flagellen • Polarisiert: • + (β) Ende • (α) Ende • Entspringen aus dem Zentrosom (MTOC) Tubulin Dimer→Protofilament→13 Protofilamente=Mikrotubulus Grün: MT Gelb: MTOC

17. Dynamische Instabilität der Mikrotubuli Mikrotubuli sind in ständigem Auf- und Abbau →schnelle Umformung Tubulin Dimere können GTP binden→ feste Bindung zwischen den Dimeren → Mikrotubulus wächst, am + Ende: „GTP-Kappe” Wenn der Einbau von GTP-bindende Tubulin Dimere langsamer läuft, als die spontane GTP-Hydrolyse: Am + Ende sind Dimere, die GDP binden → weniger feste Bindung → Dimere dissoziieren vom Mikrotubulus → Mikrotubulus schrumpft

18. Organisation der Mikrotubuli - Zentrosom Zentriolen: EM Querschnitt Längsschnitt Zentrosom= Zentriolenpaar + amorphe Proteinmasse (MTOC) MTOC: Enthält u. a. γ-Tubulin: Ausgangspunkt für ein Mikrotubulus → bestimmt gleichzeitig die Polarität • 0,3-0,6 μm lange Zylinder, Durchm.: 0,2 μm • 2 kurze Röhrchen aus Mikrotubulus-Tripletts (9x3), die rechtwinklig zueinander stehen • 13 Protofilamente, einige gemeinsam • Rolle bei Zellteilung, Entstehung von Basalkörpern bei Kinozilien • Können aus postmitotischen Zellen (z. B. Neurone) fehlen

19. Zentrosom mit Mikrotubuli

20. Mikrotubulus assoziierte Proteine (MAP) Capping Proteine: MT stabilisierend • Motorproteine: intrazelluläre Bewegung • Kopf: ATP-ase, bindet an MT • (Energie aus ATP-Spaltung wird in kinetische Energie verwandelt) • Schwanz: bindet an Zellorganellum (Fracht), organellumspezifisch • Kinesine: wandern Ri. + Ende • Dyneine: wandern Ri. – Ende

21. Transport von synaptischen Vesikeln entlang Mikrotubuli Bidirektional Anterograder (ortograder) Transport: Kinesin Retrograder Transport: Dynein

22. Mikrofilamente (Aktin) • 5% des Proteingehalts • 7 nm, verdrillt, kürzer, biegsamer als MT • Aus Monomeren: G (glob.) → F (filamentär) • Polarität: + Ende – schnelleres • - Ende – langsameres • Dynamische Instabilität • Bündeln, Netzwerke Wachstum Aufbau Abbau Rot: Aktin

23. Rolle von Aktinfilamenten Rot: Aktin • Zellkortex: mechanische Stütze für die Plasmamembran (Membrangerüst) • Zellverbindungen: Rolle beim Aufbau von Zonulae adherentes, Punktdesmosomen, Fokalkontakte • Mit anderen Proteine: kleine, kontraktile Bündel • Bildung von Lamellipodien, Filopodien → • Amöboide Bewegung • Gerüst für Mikrovilli, • Stereozilium • Kontraktiler Ring → • Zellteilung

24. Aktin assoziierte Proteine Thymosin, Profilin: Regulation der Polymerisierung Capping Proteine: schützen vor Abbau Tropomyosin: stabilisierend Fimbrin, Villin: Bündelung Spektrin, Filamin: Netzwerkbildung Vinculin, Aktinin, Talin: Befestigung zur Zellmembran Myosin: Motorprotein

25. Myosin(e) Myosinfamilien: Jede Zelle Aktinabhängiges Motorprotein Bindet und hydrolysiert ATP Muskulatur • Kopf: Bindungsstelle für ATP und Aktin • Hals • Schwanz: Bindung zu anderen Zellkomponenten (andere Myosinmoleküle, Vesikeln) Kopf Schwanz

26. Quellen: Plattner, Hentschel: Zellbiologie, Thieme, 2011 Alberts: Lehrbuch der molekularen Zellbiologie, Wiley VCH, 2005 Welsh: Lehrbuch Histologie, 2010 Darvas: Sejtbiológia Folien von Prof. Pál Röhlich