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8.4: Krebs und der Zellzyklus - Biologie

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Lernziele

Erklären Sie, wie Fehler bei der Zellteilung mit Krebs zusammenhängen

Krebs umfasst viele verschiedene Krankheiten, die durch einen gemeinsamen Mechanismus verursacht werden: unkontrolliertes Zellwachstum. Trotz der Redundanz und der überlappenden Ebenen der Zellzykluskontrolle treten Fehler auf. Einer der kritischen Prozesse, die vom Kontrollpunkt-Überwachungsmechanismus des Zellzyklus überwacht werden, ist die ordnungsgemäße Replikation der DNA während der S-Phase. Selbst wenn alle Zellzykluskontrollen voll funktionsfähig sind, wird ein kleiner Prozentsatz von Replikationsfehlern (Mutationen) an die Tochterzellen weitergegeben. Wenn Veränderungen der DNA-Nukleotidsequenz innerhalb eines kodierenden Abschnitts eines Gens auftreten und nicht korrigiert werden, kommt es zu einer Genmutation. Alle Krebsarten beginnen, wenn eine Genmutation zu einem fehlerhaften Protein führt, das eine Schlüsselrolle bei der Zellreproduktion spielt. Schließlich beschleunigt sich das Tempo des Zellzyklus, wenn die Wirksamkeit der Kontroll- und Reparaturmechanismen abnimmt. Unkontrolliertes Wachstum der mutierten Zellen übertrifft das Wachstum normaler Zellen in der Umgebung, und ein Tumor (~oma) kann dazu führen.

Proto-Onkogene

Die Gene, die für die positiven Zellzyklusregulatoren kodieren, heißen Proto-Onkogene. Proto-Onkogene sind normale Gene, die, wenn sie auf bestimmte Weise mutiert werden, zu Onkogene, Gene, die dazu führen, dass eine Zelle krebsartig wird.

Tumorsuppressor-Gene

Wie Proto-Onkogene wurden viele der regulatorischen Proteine ​​des negativen Zellzyklus in krebsartigen Zellen entdeckt. Tumorsuppressorgene sind DNA-Abschnitte, die für negative Regulatorproteine ​​kodieren, die Art von Regulatoren, die bei Aktivierung die unkontrollierte Teilung der Zelle verhindern können. Eine Zelle, die eine mutierte Form eines negativen Regulators trägt, ist möglicherweise nicht in der Lage, den Zellzyklus zu stoppen, wenn ein Problem auftritt. Tumorsuppressoren ähneln Bremsen in einem Fahrzeug: Fehlfunktionen der Bremsen können zu einem Autounfall beitragen. Mutierte p53-Gene wurden in mehr als der Hälfte aller menschlichen Tumorzellen identifiziert.

Lernziele

In diesem Video wird beschrieben, wie Krebs ein Nebenprodukt einer defekten DNA-Replikation ist:

Ein YouTube-Element wurde aus dieser Textversion ausgeschlossen. Sie können es hier online ansehen: pb.libretexts.org/bionm1/?p=290

Krebs ist das Ergebnis einer unkontrollierten Zellteilung, die durch einen Zusammenbruch der Mechanismen verursacht wird, die den Zellzyklus regulieren. Der Kontrollverlust beginnt mit einer Veränderung der DNA-Sequenz eines Gens, das für eines der regulatorischen Moleküle kodiert. Fehlerhafte Anweisungen führen zu einem Protein, das nicht so funktioniert, wie es sollte. Jede Störung des Überwachungssystems kann dazu führen, dass andere Fehler an die Tochterzellen weitergegeben werden. Jede aufeinanderfolgende Zellteilung führt zu Tochterzellen mit noch mehr akkumulierten Schäden. Schließlich werden alle Kontrollpunkte funktionsunfähig und schnell reproduzierende Zellen verdrängen normale Zellen, was zu einem Tumor oder einer Leukämie (Blutkrebs) führt.


35 Krebs und der Zellzyklus

Krebs umfasst viele verschiedene Krankheiten, die durch einen gemeinsamen Mechanismus verursacht werden: unkontrolliertes Zellwachstum. Trotz der Redundanz und der überlappenden Ebenen der Zellzykluskontrolle treten Fehler auf. Einer der kritischen Prozesse, die vom Kontrollpunkt-Überwachungsmechanismus des Zellzyklus überwacht werden, ist die ordnungsgemäße Replikation der DNA während der S-Phase. Selbst wenn alle Zellzykluskontrollen voll funktionsfähig sind, wird ein kleiner Prozentsatz von Replikationsfehlern (Mutationen) an die Tochterzellen weitergegeben. Werden Veränderungen der DNA-Nukleotidsequenz eines Gens nicht korrigiert, kommt es zu einer Mutation. Alle Krebsarten beginnen, wenn eine Mutation eine Änderung der Reihenfolge der Aminosäuren verursacht, aus denen ein Protein besteht, das eine Schlüsselrolle bei der Zellreproduktion spielt. Veränderungen in der Aminosäuresequenz können die Form des Proteins verändern. Da die Form des Proteins verändert wird, kann auch seine Funktion verändert werden. Die Veränderung in der Zelle, die sich aus dem falsch geformten Protein ergibt, kann geringfügig sein: vielleicht eine leichte Verzögerung der Bindung von CDK an Cyclin oder ein Rb-Protein, das sich von seiner Ziel-DNA ablöst, während es noch aktiv ist. Selbst kleine Fehler können jedoch dazu führen, dass spätere Fehler leichter auftreten. Immer wieder werden kleine unkorrigierte Fehler von der Elternzelle an die Tochterzellen weitergegeben und verstärkt, da jede Generation mehr nicht-funktionelle Proteine ​​aus unkorrigierten DNA-Schäden produziert. Schließlich beschleunigt sich das Tempo des Zellzyklus, wenn die Wirksamkeit der Kontroll- und Reparaturmechanismen abnimmt. Das unkontrollierte Wachstum der mutierten Zellen übertrifft das Wachstum normaler Zellen in der Umgebung, und es kann ein Tumor („-oma“) entstehen.

Abbildung 1Krebszellen in Kultur aus menschlichem Bindegewebe, beleuchtet mit dunkelfeldverstärktem Kontrast, bei 500-facher Vergrößerung.


8.4: Krebs und der Zellzyklus - Biologie

In diesem Abschnitt werden Sie der folgenden Frage nachgehen:

Anschluss für AP ® Kurse

Krebs entsteht durch unkontrollierte Zellteilung, die durch einen Zusammenbruch der Mechanismen verursacht wird, die den Zellzyklus regulieren. Der Kontrollverlust beginnt mit einer Veränderung der DNA-Sequenz eines Gens, das für eines der regulatorischen Moleküle kodiert. Fehlerhafte Anweisungen führen zu einem Protein, das nicht so funktioniert, wie es sollte. Ein Täter, der identifiziert wurde, ist das p53-Protein (kodiert durch die p53 Gen), ein wichtiger Regulator am G1 Kontrollpunkt. Normalerweise überwachen p53-Proteine ​​die DNA. Finden sie Zellen mit geschädigter DNA, löst p53 Reparaturmechanismen aus oder zerstört die Zellen und unterdrückt so die Tumorbildung. Mutationen in p53 kann zu abnormalen p53-Proteinen führen, die die Zellteilung nicht stoppen, wenn die DNA der Zelle beschädigt ist. Dies führt zu einer erhöhten Anzahl von Mutationen, die zu abnormalen Tochterzellen führen. Schließlich werden alle Kontrollpunkte in der Zelle nicht mehr funktionsfähig und die abnormalen Zellen können normale Zellen verdrängen.

Die präsentierten Informationen und die hervorgehobenen Beispiele im Abschnitt unterstützen Konzepte und Lernziele, die in Big Idea 3 des AP ® Biologie-Curriculum-Frameworks skizziert sind, wie in der Tabelle gezeigt. Die im Curriculum Framework aufgeführten Lernziele bieten eine transparente Grundlage für den AP ® Biologiekurs, eine forschungsbasierte Laborerfahrung, Lehraktivitäten und AP ® Prüfungsfragen. Ein Lernziel verbindet erforderliche Inhalte mit einer oder mehreren der sieben Wissenschaftspraktiken.

Große Idee 3 Lebende Systeme speichern, rufen, übertragen und reagieren auf Informationen, die für Lebensprozesse unerlässlich sind.
Beständiges Verständnis 3.A Vererbbare Informationen sorgen für Kontinuität des Lebens.
Grundlegendes Wissen 3.A.2 Bei Eukaryoten werden vererbbare Informationen über Prozesse wie Zellzyklus und Mitose oder Meiose plus Befruchtung an die nächste Generation weitergegeben.
Wissenschaftliche Praxis 6.4 Der Student kann auf der Grundlage wissenschaftlicher Theorien und Modelle Behauptungen und Vorhersagen über Naturphänomene aufstellen.
Lernziel 3.7 Der Student kann Vorhersagen über natürliche Phänomene treffen, die während des Zellzyklus auftreten.

Die Challenge-Fragen zur Wissenschaftspraxis enthalten zusätzliche Testfragen für diesen Abschnitt, die Ihnen bei der Vorbereitung auf die AP-Prüfung helfen. Diese Fragen beziehen sich auf folgende Standards:
[APLO 2.32][APLO 2.34][APLO 3.6][APLO 3.7][APLO 3.8][APLO 4.6][APLO 4.14][APLO 4.22]

Krebs umfasst viele verschiedene Krankheiten, die durch einen gemeinsamen Mechanismus verursacht werden: unkontrolliertes Zellwachstum. Trotz der Redundanz und der überlappenden Ebenen der Zellzykluskontrolle treten Fehler auf. Einer der kritischen Prozesse, die vom Kontrollpunkt-Überwachungsmechanismus des Zellzyklus überwacht werden, ist die ordnungsgemäße Replikation der DNA während der S-Phase. Selbst wenn alle Zellzykluskontrollen voll funktionsfähig sind, wird ein kleiner Prozentsatz von Replikationsfehlern (Mutationen) an die Tochterzellen weitergegeben. Wenn Veränderungen der DNA-Nukleotidsequenz innerhalb eines kodierenden Abschnitts eines Gens auftreten und nicht korrigiert werden, kommt es zu einer Genmutation. Alle Krebsarten beginnen, wenn eine Genmutation zu einem fehlerhaften Protein führt, das eine Schlüsselrolle bei der Zellreproduktion spielt. Die Veränderung in der Zelle, die aus dem missgebildeten Protein resultiert, kann geringfügig sein: vielleicht eine leichte Verzögerung bei der Bindung von Cdk an Cyclin oder ein Rb-Protein, das sich von seiner Ziel-DNA ablöst, während es noch phosphoryliert ist. Selbst kleine Fehler können jedoch dazu führen, dass spätere Fehler leichter auftreten. Immer wieder werden kleine unkorrigierte Fehler von der Elternzelle an die Tochterzellen weitergegeben und verstärkt, da jede Generation mehr nicht-funktionelle Proteine ​​aus unkorrigierten DNA-Schäden produziert. Schließlich beschleunigt sich das Tempo des Zellzyklus, wenn die Wirksamkeit der Kontroll- und Reparaturmechanismen abnimmt. Das unkontrollierte Wachstum der mutierten Zellen übertrifft das Wachstum normaler Zellen in der Umgebung, und es kann ein Tumor („-oma“) entstehen.

Proto-Onkogene

Die Gene, die für die positiven Zellzyklusregulatoren kodieren, werden als Proto-Onkogene bezeichnet. Proto-Onkogene sind normale Gene, die, wenn sie auf bestimmte Weise mutiert werden, zu Onkogenen werden, also zu Genen, die eine Zelle krebsartig werden lassen. Überlegen Sie, was mit dem Zellzyklus in einer Zelle mit einem kürzlich erworbenen Onkogen passieren könnte. In den meisten Fällen führt die Veränderung der DNA-Sequenz zu einem weniger funktionellen (oder nicht funktionellen) Protein. Das Ergebnis ist schädlich für die Zelle und wird wahrscheinlich verhindern, dass die Zelle den Zellzyklus abschließt, der Organismus wird jedoch nicht geschädigt, da die Mutation nicht weitergetragen wird. Wenn sich eine Zelle nicht reproduzieren kann, wird die Mutation nicht vermehrt und der Schaden ist minimal. Gelegentlich verursacht jedoch eine Genmutation eine Veränderung, die die Aktivität eines positiven Regulators erhöht. Beispielsweise könnte eine Mutation, die die Aktivierung von Cdk ohne Cyclin-Partnerschaft ermöglicht, den Zellzyklus über einen Kontrollpunkt hinausschieben, bevor alle erforderlichen Bedingungen erfüllt sind. Wenn die resultierenden Tochterzellen zu stark geschädigt sind, um weitere Zellteilungen zu durchlaufen, würde die Mutation nicht vermehrt und dem Organismus kein Schaden zugefügt. Wenn die atypischen Tochterzellen jedoch weitere Zellteilungen durchlaufen können, werden nachfolgende Zellgenerationen wahrscheinlich noch mehr Mutationen anhäufen, einige möglicherweise in zusätzlichen Genen, die den Zellzyklus regulieren.

Das Cdk-Gen im obigen Beispiel ist nur eines von vielen Genen, die als Proto-Onkogene gelten. Zusätzlich zu den regulatorischen Proteinen des Zellzyklus kann jedes Protein, das den Zyklus beeinflusst, so verändert werden, dass es Kontrollpunkte des Zellzyklus außer Kraft setzt. Ein Onkogen ist jedes Gen, das, wenn es verändert wird, zu einer Erhöhung der Geschwindigkeit der Zellzyklusprogression führt.

Tumorsuppressor-Gene

Wie Proto-Onkogene wurden viele der regulatorischen Proteine ​​des negativen Zellzyklus in krebsartigen Zellen entdeckt. Tumorsuppressorgene sind DNA-Abschnitte, die für negative Regulatorproteine ​​kodieren, die Art von Regulatoren, die bei Aktivierung die unkontrollierte Teilung der Zelle verhindern können. Die gemeinsame Funktion der am besten verstandenen Tumorsuppressorgenproteine ​​Rb, p53 und p21 besteht darin, die Progression des Zellzyklus zu blockieren, bis bestimmte Ereignisse abgeschlossen sind. Eine Zelle, die eine mutierte Form eines negativen Regulators trägt, ist möglicherweise nicht in der Lage, den Zellzyklus zu stoppen, wenn ein Problem auftritt. Tumorsuppressoren ähneln Bremsen in einem Fahrzeug: Defekte Bremsen können zu einem Autounfall beitragen.

Mutierte p53-Gene wurden in mehr als der Hälfte aller menschlichen Tumorzellen identifiziert. Diese Entdeckung ist nicht überraschend angesichts der vielfältigen Rollen, die das p53-Protein an der G . spielt1 Kontrollpunkt. Eine Zelle mit einem fehlerhaften p53 kann möglicherweise Fehler in der genomischen DNA nicht erkennen (Abbildung 10.15). Selbst wenn ein teilweise funktionsfähiges p53 die Mutationen identifiziert, ist es möglicherweise nicht mehr in der Lage, die notwendigen DNA-Reparaturenzyme zu signalisieren. In jedem Fall bleibt beschädigte DNA unkorrigiert. An diesem Punkt wird ein funktionsfähiges p53 die Zelle für nicht mehr zu retten halten und den programmierten Zelltod (Apoptose) auslösen. Die in Krebszellen gefundene beschädigte Version von p53 kann jedoch keine Apoptose auslösen.

VISUELLE VERBINDUNG

  1. E6 aktiviert p53
  2. E6 inaktiviert p53
  3. E6 mutiert p53
  4. E6-Bindung markiert p53 für den Abbau

Der Verlust der p53-Funktion hat andere Auswirkungen auf den Zellzyklus. Mutiertes p53 könnte seine Fähigkeit verlieren, die p21-Produktion auszulösen. Ohne angemessene p21-Spiegel gibt es keine wirksame Blockierung der Cdk-Aktivierung. Im Wesentlichen ohne ein voll funktionsfähiges p53, das G1 Checkpoint ist stark kompromittiert und die Zelle geht direkt von G1 bis S unabhängig von internen und externen Bedingungen. Am Ende dieses verkürzten Zellzyklus werden zwei Tochterzellen produziert, die das mutierte p53-Gen geerbt haben. Angesichts der nicht optimalen Bedingungen, unter denen sich die Elternzelle reproduzierte, ist es wahrscheinlich, dass die Tochterzellen neben dem fehlerhaften Tumorsuppressorgen andere Mutationen erworben haben. Zellen wie diese Tochterzellen akkumulieren schnell sowohl Onkogene als auch nicht-funktionelle Tumorsuppressorgene. Das Ergebnis ist wiederum ein Tumorwachstum.

LINK ZUM LERNEN

Auf dieser Website können Sie sich eine Animation ansehen, wie Krebs aus Fehlern im Zellzyklus entsteht.

  1. Krebs entsteht, wenn natürliche Abwehrkräfte gehemmt werden und sich Zellen unkontrolliert teilen.
  2. Mutierte Zellen durchlaufen Apoptose, wodurch sich Zellen unkontrolliert teilen.
  3. Eine Krebsbehandlung würde die Hemmung der Apoptose erfordern, die eine natürliche Abwehr ist.
  4. In Krebszellen tritt Apoptose auf.

WISSENSCHAFTSPRAXISANSCHLUSS FÜR AP®-KURSE

DENK DARÜBER NACH

Humane Papillomaviren (HPV) können Gebärmutterhalskrebs verursachen. Das Virus kodiert für E6, ein Protein, das p53 bindet. Sagen Sie den wahrscheinlichsten Effekt der E6-Bindung auf die p53-Aktivität voraus und erklären Sie die Grundlage für Ihre Vorhersage.

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  • 10.4 Krebs und der Zellzyklus

Dieser Text basiert auf Openstax Biology for AP Courses, Senior Contributing Authors Julianne Zedalis, The Bishop's School in La Jolla, CA, John Eggebrecht, Cornell University Contributing Authors Yael Avissar, Rhode Island College, Jung Choi, Georgia Institute of Technology, Jean DeSaix , University of North Carolina at Chapel Hill, Vladimir Jurukovski, Suffolk County Community College, Connie Rye, East Mississippi Community College, Robert Wise, University of Wisconsin, Oshkosh

Dieses Werk ist ohne zusätzliche Einschränkungen unter einer Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 Unported License lizenziert.


Tumorsuppressor-Gene

Wie Proto-Onkogene wurden viele der regulatorischen Proteine ​​des negativen Zellzyklus in krebsartigen Zellen entdeckt. Tumorsuppressorgene sind DNA-Abschnitte, die für negative Regulatorproteine ​​kodieren, die Art von Regulatoren, die bei Aktivierung die unkontrollierte Teilung der Zelle verhindern können. Die gemeinsame Funktion der am besten verstandenen Tumorsuppressorgenproteine ​​Rb, p53 und p21 besteht darin, die Progression des Zellzyklus zu blockieren, bis bestimmte Ereignisse abgeschlossen sind. Eine Zelle, die eine mutierte Form eines negativen Regulators trägt, ist möglicherweise nicht in der Lage, den Zellzyklus zu stoppen, wenn ein Problem auftritt. Tumorsuppressoren ähneln Bremsen in einem Fahrzeug: Defekte Bremsen können zu einem Autounfall beitragen.

Mutierte p53-Gene wurden in mehr als der Hälfte aller menschlichen Tumorzellen identifiziert. Diese Entdeckung ist nicht überraschend angesichts der vielfältigen Rollen, die das p53-Protein am G . spielt1 Kontrollpunkt. Eine Zelle mit einem fehlerhaften p53 kann möglicherweise Fehler in der genomischen DNA nicht erkennen (Abbildung). Selbst wenn ein teilweise funktionsfähiges p53 die Mutationen identifiziert, ist es möglicherweise nicht mehr in der Lage, die notwendigen DNA-Reparaturenzyme zu signalisieren. In jedem Fall bleibt beschädigte DNA unkorrigiert. An diesem Punkt wird ein funktionsfähiges p53 die Zelle für nicht mehr zu retten halten und den programmierten Zelltod (Apoptose) auslösen. Die in Krebszellen gefundene beschädigte Version von p53 kann jedoch keine Apoptose auslösen.


Eine zentrale Rolle für TRPS1 bei der Kontrolle des Zellzyklus und der Krebsentwicklung

Der eukaryontische Zellzyklus wird durch ein komplexes regulatorisches Netzwerk gesteuert, das noch wenig verstanden wird. Hier zeigen wir, dass TRPS1, ein atypischer GATA-Faktor, die Zellproliferation moduliert und das Fortschreiten des Zellzyklus kontrolliert. Das Stummschalten von TRPS1 hatte eine unterschiedliche Wirkung auf die Expression von neun Schlüsselgenen, die mit dem Zellzyklus in Verbindung stehen. Von acht dieser Gene ist bekannt, dass sie an der Regulation der G2-Phase und des G2/M-Übergangs des Zellzyklus beteiligt sind. Anhand von Zellsynchronisationsstudien bestätigten wir, dass TRPS1 eine wichtige Rolle bei der Kontrolle von Zellen in diesen Phasen des Zellzyklus spielt. Wir zeigen auch, dass das Stummschalten von TRPS1 die Expression von 53BP1 kontrolliert, jedoch nicht TP53. TRPS1-Silencing verringert auch die Expression von zwei Histon-Deacetylasen, HDAC2 und HDAC4, sowie die gesamte HDAC-Aktivität in den Zellen und führt zu einer anschließenden Erhöhung der Acetylierung von Histon4 K16, aber nicht von Histon3 K9 oder K18. Schließlich zeigen wir, dass die TRPS1-Expression in luminalen Brustkrebszellen und luminalen Brustkrebsgeweben im Vergleich zu anderen Brustkrebs-Subtypen erhöht ist. Insgesamt schlägt unsere Studie vor, dass TRPS1 als zentrale Drehscheibe bei der Kontrolle des Zellzyklus und der Proliferation während der Krebsentwicklung fungiert.

Interessenkonflikt-Erklärung

Die Autoren geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht.

Figuren

Abbildung 1. TRPS1 fördert die Zellproliferation durch…

Abbildung 1. TRPS1 fördert die Zellproliferation, indem es das Fortschreiten des Zellzyklus kontrolliert

(A-B) TRPS1 war signifikant…

Abbildung 2. TRPS1 reguliert das Fortschreiten des Zellzyklus…

Abbildung 2. TRPS1 reguliert das Fortschreiten des Zellzyklus, indem es die Expression von Zellzyklusgenen kontrolliert

Abbildung 3. TRPS1 steuert die Aktivität und…

Abbildung 3. TRPS1 kontrolliert die Aktivität und Expression von HDAC sowie die Histonacetylierung

Abbildung 4. TRPS1 in Brustkrebszellen…

Abbildung 4. TRPS1 in Brustkrebszelllinien und Brustkrebs

(EIN) Trps1 wurde erhöht…

Abbildung 5. Ein schematisches Diagramm, das die…

Abbildung 5. Ein schematisches Diagramm, das das potenzielle Regulierungsnetzwerk darstellt, an dem TRPS1 beteiligt ist…


Krebs und der Zellzyklus

Krebs ist eine Sammelbezeichnung für viele verschiedene Krankheiten, die durch einen gemeinsamen Mechanismus verursacht werden: unkontrollierte Zellteilung. Trotz der Redundanz und der überlappenden Ebenen der Zellzykluskontrolle treten Fehler auf. Einer der kritischen Prozesse, die vom Kontrollpunkt-Überwachungsmechanismus des Zellzyklus überwacht werden, ist die ordnungsgemäße Replikation der DNA während der S-Phase. Selbst wenn alle Zellzykluskontrollen voll funktionsfähig sind, wird ein kleiner Prozentsatz von Replikationsfehlern (Mutationen) an die Tochterzellen weitergegeben. Tritt eine dieser Veränderungen der DNA-Nukleotidsequenz innerhalb eines Gens auf, kommt es zu einer Genmutation. Alle Krebsarten beginnen, wenn eine Genmutation zu einem fehlerhaften Protein führt, das am Prozess der Zellreproduktion beteiligt ist. Die Veränderung in der Zelle, die aus dem missgebildeten Protein resultiert, kann geringfügig sein. Selbst kleine Fehler können jedoch dazu führen, dass spätere Fehler leichter auftreten. Immer wieder werden kleine, unkorrigierte Fehler von der Elternzelle an die Tochterzellen weitergegeben und häufen sich an, da jede Zellgeneration mehr nicht-funktionelle Proteine ​​aus unkorrigierten DNA-Schäden produziert. Schließlich beschleunigt sich das Tempo des Zellzyklus, wenn die Wirksamkeit der Kontroll- und Reparaturmechanismen abnimmt. Das unkontrollierte Wachstum der mutierten Zellen übertrifft das Wachstum normaler Zellen in der Umgebung, und es kann ein Tumor entstehen.

Proto-Onkogene

Die Gene, die für die positiven Zellzyklusregulatoren kodieren, heißen Proto-Onkogene. Proto-Onkogene sind normale Gene, die, wenn sie mutiert werden, zu Onkogene– Gene, die eine Zelle krebsartig werden lassen. Überlegen Sie, was mit dem Zellzyklus in einer Zelle mit einem kürzlich erworbenen Onkogen passieren könnte. In den meisten Fällen führt die Veränderung der DNA-Sequenz zu einem weniger funktionellen (oder nicht funktionellen) Protein. Das Ergebnis ist schädlich für die Zelle und wird wahrscheinlich verhindern, dass die Zelle den Zellzyklus abschließt, der Organismus wird jedoch nicht geschädigt, da die Mutation nicht weitergetragen wird. Wenn sich eine Zelle nicht reproduzieren kann, wird die Mutation nicht vermehrt und der Schaden ist minimal. Gelegentlich verursacht jedoch eine Genmutation eine Veränderung, die die Aktivität eines positiven Regulators erhöht. Zum Beispiel könnte eine Mutation, die es ermöglicht, Cdk, ein Protein, das an der Regulierung des Zellzyklus beteiligt ist, zu aktivieren, bevor es sein sollte, den Zellzyklus über einen Kontrollpunkt hinausschieben, bevor alle erforderlichen Bedingungen erfüllt sind. Sind die entstandenen Tochterzellen zu stark geschädigt, um weitere Zellteilungen vorzunehmen, würde die Mutation nicht vermehrt und der Organismus nicht geschädigt. Wenn sich die atypischen Tochterzellen jedoch weiter teilen können, wird die nachfolgende Zellgeneration wahrscheinlich noch mehr Mutationen anhäufen, einige möglicherweise in zusätzlichen Genen, die den Zellzyklus regulieren.

Das Cdk-Beispiel ist nur eines von vielen Genen, die als Proto-Onkogene gelten. Zusätzlich zu den regulatorischen Proteinen des Zellzyklus kann jedes Protein, das den Zyklus beeinflusst, so verändert werden, dass es Kontrollpunkte des Zellzyklus außer Kraft setzt. Sobald ein Proto-Onkogen so verändert wurde, dass die Geschwindigkeit des Zellzyklus zunimmt, wird es als Onkogen bezeichnet.

Tumorsuppressor-Gene

Wie Proto-Onkogene wurden viele der negativen Zellzyklus-Regulationsproteine ​​in Zellen entdeckt, die krebsartig geworden waren. Tumorsuppressorgene sind Gene, die für die negativen Regulatorproteine ​​kodieren, die Art von Regulator, die bei Aktivierung die unkontrollierte Teilung der Zelle verhindern kann. Die kollektive Funktion der am besten verstandenen Tumorsuppressorgenproteine, Retinoblastomprotein (RB1), p53 und p21, besteht darin, den Fortschritt des Zellzyklus zu blockieren, bis bestimmte Ereignisse abgeschlossen sind. Eine Zelle, die eine mutierte Form eines negativen Regulators trägt, ist möglicherweise nicht in der Lage, den Zellzyklus zu stoppen, wenn ein Problem auftritt.

Mutierte p53-Gene wurden in mehr als der Hälfte aller menschlichen Tumorzellen identifiziert. Diese Entdeckung ist nicht überraschend angesichts der vielfältigen Rollen, die das p53-Protein am G . spielt1 Kontrollpunkt. Das p53-Protein aktiviert andere Gene, deren Produkte den Zellzyklus stoppen (was Zeit für die DNA-Reparatur lässt), aktiviert Gene, deren Produkte an der DNA-Reparatur beteiligt sind, oder aktiviert Gene, die den Zelltod einleiten, wenn DNA-Schäden nicht repariert werden können. Ein beschädigtes p53-Gen kann dazu führen, dass sich die Zelle so verhält, als ob keine Mutationen vorliegen ([Link]). Dies ermöglicht es den Zellen, sich zu teilen, die Mutation in Tochterzellen zu vermehren und die Anhäufung neuer Mutationen zu ermöglichen. Darüber hinaus kann die in Krebszellen gefundene beschädigte Version von p53 keinen Zelltod auslösen.

Auf dieser Website können Sie sich eine Animation ansehen, wie Krebs aus Fehlern im Zellzyklus entsteht.

Abschnittszusammenfassung

Krebs ist das Ergebnis einer unkontrollierten Zellteilung, die durch einen Zusammenbruch der Mechanismen, die den Zellzyklus regulieren, verursacht wird. Der Kontrollverlust beginnt mit einer Veränderung der DNA-Sequenz eines Gens, das für eines der regulatorischen Moleküle kodiert. Fehlerhafte Anweisungen führen zu einem Protein, das nicht so funktioniert, wie es sollte. Jede Störung des Überwachungssystems kann dazu führen, dass andere Fehler an die Tochterzellen weitergegeben werden. Jede aufeinanderfolgende Zellteilung führt zu Tochterzellen mit noch mehr akkumulierten Schäden. Schließlich werden alle Kontrollpunkte funktionsunfähig und schnell reproduzierende Zellen verdrängen normale Zellen, was zu tumorösem Wachstum führt.

Mehrfachauswahl

________ sind Veränderungen an den Nukleotiden in einem DNA-Segment, das für ein Protein kodiert.

  1. Proto-Onkogene
  2. Tumorsuppressorgene
  3. Genmutationen
  4. Negative Regulatoren

Ein Gen, das für einen positiven Zellzyklusregulator kodiert, heißt a(n) ________.

Freie Antwort

Skizzieren Sie die Schritte, die dazu führen, dass eine Zelle krebsartig wird.

Wenn eines der Gene, die Regulatorproteine ​​produzieren, mutiert wird, produziert es einen missgebildeten, möglicherweise nicht funktionierenden Zellzyklus-Regulator. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass mehr Mutationen in der Zelle nicht repariert werden. Jede nachfolgende Generation von Zellen erleidet mehr Schaden. Durch den Verlust funktioneller Checkpoint-Proteine ​​kann sich der Zellzyklus beschleunigen. Die Zellen können die Fähigkeit zur Selbstzerstörung verlieren.

Erklären Sie den Unterschied zwischen einem Proto-Onkogen und einem Tumorsuppressorgen.

Ein Proto-Onkogen ist das DNA-Segment, das für einen der positiven Zellzyklusregulatoren kodiert. Wenn dieses Gen zu einer überaktiven Form mutiert wird, wird es als Onkogen betrachtet. Ein Tumorsuppressorgen ist ein DNA-Abschnitt, der für einen der negativen Zellzyklusregulatoren kodiert. Wenn dieses Gen zu einer unteraktiven Form mutiert, läuft der Zellzyklus ungeprüft.

Glossar


Fallstudie – Mitose, Krebs und der HPV-Impfstoff

Diese Aktivität wurde für den Fernunterricht für Anatomiestudenten der High School entwickelt. Diese Studenten machen einen kurzen Rückblick auf die Zell- und Zellteilung, aber ich konzentriere mich gerne darauf, wie sich Veränderungen der Zelle oder des Zellzyklus auf den gesamten Organismus auswirken können. Wenn wir zum Beispiel etwas über die Zelle lernen, diskutieren wir, dass Tay-sachs eine Krankheit ist, die mit den Lysosomen verbunden ist, und Mukoviszidose ein Membrantransportproblem ist. Die älteren Anatomiestudenten können nicht sehen, wie diese Organellen mit der allgemeinen Gesundheit und Funktion des Körpers zusammenhängen.

In dieser Aktivität wird erörtert, wie Krebs ein Problem mit dem Zellzyklus ist. Viren wie HPV oder humanes Papillomavirus können den Zellzyklus stören und Gebärmutterhalskrebs verursachen. Das Projekt liest sich wie eine Fallstudie, bei der die Schüler Texte lesen und Fragen beantworten. Sie analysieren auch Daten der CDC und interpretieren sogar Infografiken, um den Zusammenhang zwischen Mitose (Zellzyklus) und Krebs zu verstehen.

Die Aktivität fordert sie auch auf, die Notwendigkeit des HPV-Impfstoffs bei Mädchen und Jungen zu bewerten, indem sie Daten zu Fällen anderer Krebsarten, die mit dem Virus in Verbindung gebracht werden können, vergleichen.

Die Schüler können die Antworten direkt auf die Folien schreiben, die über Google Classroom zugewiesen und eingereicht werden können. Die letzte Folie fordert eine Zusammenfassung der Informationen und eine Stellungnahme dazu, ob junge Menschen einen Impfstoff zum Schutz vor bestimmten Krebsarten erhalten sollten. Es gibt keine richtige oder falsche Antwort, ich bitte meine Studenten nur darum, ihre Position mit wissenschaftlichen Details zu begründen, die ihr Verständnis des Zellzyklus und der Viren zeigen.

Der TpT-Link enthält Antworten oder Antwortvorschläge sowie einen Download der PowerPoint-Version von Google Slides.


Biologie 171

Am Ende dieses Abschnitts können Sie Folgendes tun:

  • Beschreiben Sie, wie Krebs durch unkontrolliertes Zellwachstum entsteht
  • Verstehen Sie, wie Proto-Onkogene normale Zellgene sind, die, wenn sie mutiert werden, zu Onkogene werden
  • Beschreiben Sie, wie Tumorsuppressoren funktionieren
  • Erklären Sie, wie mutierte Tumorsuppressoren Krebs verursachen

Krebs umfasst viele verschiedene Krankheiten, die durch einen gemeinsamen Mechanismus verursacht werden: unkontrolliertes Zellwachstum. Trotz der Redundanz und der überlappenden Ebenen der Zellzykluskontrolle treten Fehler auf. Einer der kritischen Prozesse, die vom Kontrollpunkt-Überwachungsmechanismus des Zellzyklus überwacht werden, ist die ordnungsgemäße Replikation der DNA während der S-Phase. Selbst wenn alle Zellzykluskontrollen voll funktionsfähig sind, wird ein kleiner Prozentsatz von Replikationsfehlern (Mutationen) an die Tochterzellen weitergegeben. Wenn innerhalb eines kodierenden Abschnitts eines Gens Veränderungen der DNA-Nukleotidsequenz auftreten und nicht korrigiert werden, kommt es zu einer Genmutation. Alle Krebsarten beginnen, wenn eine Genmutation zu einem fehlerhaften Protein führt, das eine Schlüsselrolle bei der Zellreproduktion spielt.

Die Veränderung in der Zelle, die aus dem missgebildeten Protein resultiert, kann geringfügig sein: vielleicht eine leichte Verzögerung bei der Bindung von Cdk an Cyclin oder ein Rb-Protein, das sich von seiner Ziel-DNA ablöst, während es noch phosphoryliert ist. Selbst kleine Fehler können jedoch dazu führen, dass spätere Fehler leichter auftreten. Immer wieder werden kleine unkorrigierte Fehler von der Elternzelle an die Tochterzellen weitergegeben und verstärkt, da jede Generation mehr nicht-funktionelle Proteine ​​aus unkorrigierten DNA-Schäden produziert. Schließlich beschleunigt sich das Tempo des Zellzyklus, wenn die Wirksamkeit der Kontroll- und Reparaturmechanismen abnimmt. Das unkontrollierte Wachstum der mutierten Zellen übertrifft das Wachstum normaler Zellen in der Umgebung, und es kann ein Tumor („-oma“) entstehen.

Proto-Onkogene

Die Gene, die für die positiven Zellzyklusregulatoren kodieren, werden Proto-Onkogene genannt. Proto-Onkogene sind normale Gene, die, wenn sie auf bestimmte Weise mutiert werden, zu Onkogenen werden – Gene, die eine Zelle krebsartig werden lassen. Überlegen Sie, was mit dem Zellzyklus in einer Zelle mit einem kürzlich erworbenen Onkogen passieren könnte. In den meisten Fällen führt die Veränderung der DNA-Sequenz zu einem weniger funktionellen (oder nicht funktionellen) Protein. Das Ergebnis ist schädlich für die Zelle und wird wahrscheinlich verhindern, dass die Zelle den Zellzyklus abschließt, der Organismus wird jedoch nicht geschädigt, da die Mutation nicht weitergetragen wird. Wenn sich eine Zelle nicht reproduzieren kann, wird die Mutation nicht vermehrt und der Schaden ist minimal. Gelegentlich verursacht jedoch eine Genmutation eine Veränderung, die die Aktivität eines positiven Regulators erhöht. Beispielsweise könnte eine Mutation, die die Aktivierung von Cdk ohne Cyclin-Partnerschaft ermöglicht, den Zellzyklus über einen Kontrollpunkt hinausschieben, bevor alle erforderlichen Bedingungen erfüllt sind. Wenn die resultierenden Tochterzellen zu stark geschädigt sind, um weitere Zellteilungen zu durchlaufen, würde die Mutation nicht vermehrt und dem Organismus kein Schaden zugefügt. Wenn die atypischen Tochterzellen jedoch weitere Zellteilungen durchlaufen können, können nachfolgende Zellgenerationen noch mehr Mutationen anhäufen, möglicherweise in zusätzlichen Genen, die den Zellzyklus regulieren.

Das Cdk-Gen im obigen Beispiel ist nur eines von vielen Genen, die als Proto-Onkogene gelten. Zusätzlich zu den regulatorischen Proteinen des Zellzyklus kann jedes Protein, das den Zyklus beeinflusst, so verändert werden, dass es Kontrollpunkte des Zellzyklus außer Kraft setzt. Ein Onkogen ist jedes Gen, das, wenn es verändert wird, zu einer Erhöhung der Geschwindigkeit der Zellzyklusprogression führt.

Tumorsuppressor-Gene

Wie Proto-Onkogene wurden viele der negativen regulatorischen Proteine ​​des Zellzyklus in krebsartigen Zellen entdeckt. Tumorsuppressorgene sind DNA-Abschnitte, die für negative Regulatorproteine ​​kodieren, die Art von Regulatoren, die bei Aktivierung eine unkontrollierte Teilung der Zelle verhindern können. Die gemeinsame Funktion der am besten verstandenen Tumorsuppressorgen-Proteine ​​Rb, p53 und p21 besteht darin, die Progression des Zellzyklus zu blockieren, bis bestimmte Ereignisse abgeschlossen sind. Eine Zelle, die eine mutierte Form eines negativen Regulators trägt, ist möglicherweise nicht in der Lage, den Zellzyklus zu stoppen, wenn ein Problem auftritt. Tumorsuppressoren sind ähnlich wie Bremsen in einem Fahrzeug: Defekte Bremsen können zu einem Autounfall beitragen!

In mehr als 50 Prozent aller menschlichen Tumorzellen wurden mutierte p53-Gene identifiziert. Diese Entdeckung ist nicht überraschend angesichts der vielfältigen Rollen, die das p53-Protein am G . spielt1 Kontrollpunkt. Eine Zelle mit einem fehlerhaften p53 kann möglicherweise Fehler in der genomischen DNA nicht erkennen ((Abbildung)). Selbst wenn ein teilweise funktionsfähiges p53 die Mutationen identifiziert, ist es möglicherweise nicht mehr in der Lage, die notwendigen DNA-Reparaturenzyme zu signalisieren. In jedem Fall bleibt beschädigte DNA unkorrigiert. An diesem Punkt ist ein funktionelles p53
hält die Zelle für nicht mehr zu retten und löst den programmierten Zelltod (Apoptose) aus. Die in Krebszellen gefundene beschädigte Version von p53 kann jedoch keine Apoptose auslösen.


Humane Papillomaviren können Gebärmutterhalskrebs verursachen. Das Virus kodiert für E6, ein Protein, das p53 bindet. Basierend auf dieser Tatsache und dem, was Sie über p53 wissen, welchen Effekt glauben Sie, hat die E6-Bindung auf die p53-Aktivität?

  1. E6 aktiviert p53
  2. E6 inaktiviert p53
  3. E6 mutiert p53
  4. E6-Bindung markiert p53 für den Abbau

Der Verlust der p53-Funktion hat andere Auswirkungen auf den Zellzyklus. Mutiertes p53 könnte seine Fähigkeit verlieren, die p21-Produktion auszulösen. Ohne angemessene p21-Spiegel gibt es keine wirksame Blockierung der Cdk-Aktivierung. Im Wesentlichen ohne ein voll funktionsfähiges p53, das G1 Checkpoint ist stark kompromittiert und die Zelle geht direkt von G1 bis S unabhängig von internen und externen Bedingungen. Am Ende dieses verkürzten Zellzyklus werden zwei Tochterzellen produziert, die das mutierte p53-Gen geerbt haben. Angesichts der nicht optimalen Bedingungen, unter denen sich die Elternzelle reproduzierte, ist es wahrscheinlich, dass die Tochterzellen neben dem fehlerhaften Tumorsuppressorgen weitere Mutationen erworben haben. Zellen wie diese Tochterzellen akkumulieren schnell sowohl Onkogene als auch nicht-funktionelle Tumorsuppressorgene. Das Ergebnis ist wiederum ein Tumorwachstum.

Sehen Sie sich Krebs (Video) an, um zu erfahren, wie Krebs aus Fehlern im Zellzyklus entsteht.

Abschnittszusammenfassung

Krebs ist das Ergebnis einer unkontrollierten Zellteilung, die durch einen Zusammenbruch der Mechanismen verursacht wird, die den Zellzyklus regulieren. Der Kontrollverlust beginnt mit einer Veränderung der DNA-Sequenz eines Gens, das für eines der regulatorischen Moleküle kodiert. Fehlerhafte Anweisungen führen zu einem Protein, das nicht so funktioniert, wie es sollte. Jede Störung des Überwachungssystems kann dazu führen, dass andere Fehler an die Tochterzellen weitergegeben werden. Jede aufeinanderfolgende Zellteilung führt zu Tochterzellen mit noch mehr akkumulierten Schäden. Schließlich werden alle Kontrollpunkte funktionsunfähig und schnell reproduzierende Zellen verdrängen normale Zellen, was zu einem Tumor oder einer Leukämie (Blutkrebs) führt.

Kunstverbindungen

(Abbildung) Humane Papillomaviren können Gebärmutterhalskrebs verursachen. Das Virus kodiert für E6, ein Protein, das p53 bindet. Basierend auf dieser Tatsache und dem, was Sie über p53 wissen, welchen Effekt glauben Sie, hat die E6-Bindung auf die p53-Aktivität?

  1. E6 aktiviert p53
  2. E6 inaktiviert p53
  3. E6 mutiert p53
  4. E6-Bindung markiert p53 für den Abbau

(Abbildung) D. E6-Bindung markiert p53 für den Abbau.

Freie Antwort

Skizzieren Sie die Schritte, die dazu führen, dass eine Zelle krebsartig wird.

Wenn eines der Gene, die Regulatorproteine ​​produzieren, mutiert wird, produziert es einen missgebildeten, möglicherweise nicht funktionierenden Zellzyklus-Regulator, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass weitere Mutationen in der Zelle nicht repariert werden. Jede nachfolgende Generation von Zellen erleidet mehr Schaden. Durch den Verlust funktioneller Checkpoint-Proteine ​​kann sich der Zellzyklus beschleunigen. Die Zellen können die Fähigkeit zur Selbstzerstörung verlieren und schließlich „unsterblich“ werden.

Erklären Sie den Unterschied zwischen einem Proto-Onkogen und einem Tumorsuppressorgen.

Ein Proto-Onkogen ist ein DNA-Abschnitt, der für einen der positiven Zellzyklusregulatoren kodiert. Wenn dieses Gen so mutiert wird, dass es ein hyperaktiviertes Proteinprodukt produziert, wird es als Onkogen betrachtet. Ein Tumorsuppressorgen ist ein DNA-Abschnitt, der für einen der negativen Zellzyklusregulatoren kodiert. Wenn dieses Gen mutiert wird, so dass das Proteinprodukt weniger aktiv wird, läuft der Zellzyklus ungeprüft. Ein einzelnes Onkogen kann abnormale Zellteilungen initiieren, Tumorsuppressoren verlieren ihre Wirksamkeit jedoch erst, wenn beide Kopien des Gens beschädigt sind.

Listen Sie die Regulationsmechanismen auf, die in einer Zelle verloren gehen könnten, die fehlerhaftes p53 produziert.

Regulationsmechanismen, die verloren gehen könnten, sind die Überwachung der Qualität der genomischen DNA, die Rekrutierung von Reparaturenzymen und das Auslösen von Apoptose.

p53 kann Apoptose auslösen, wenn bestimmte Zellzyklusereignisse fehlschlagen. Welchen Nutzen hat dieses regulatorische Ergebnis für einen vielzelligen Organismus?

Wenn eine Zelle DNA beschädigt hat, ist die Wahrscheinlichkeit, fehlerhafte Proteine ​​​​zu produzieren, höher. Die Tochterzellen einer solchen beschädigten Elternzelle würden auch fehlerhafte Proteine ​​produzieren, die schließlich krebserregend werden könnten. Wenn p53 diesen Schaden erkennt und die Zelle zur Selbstzerstörung auslöst, wird die beschädigte DNA abgebaut und recycelt. Dem Organismus kommt kein weiterer Schaden zu. Stattdessen wird eine andere gesunde Zelle zur Teilung angeregt.

Glossar


Einführung in die Krebsbiologie

Ihr Körper ersetzt ständig alte Zellen durch neue. Tatsächlich produziert Ihr Körper jede Sekunde Millionen neuer Zellen! Neue Zellen werden benötigt, da einige Ihrer Zellen zu einem bestimmten Zeitpunkt das Ende ihrer Lebensdauer erreichen und ersetzt werden müssen. Möglicherweise benötigen Sie auch neue Zellen zum Wachstum oder zur Reparatur von beschädigtem Gewebe. Zellen durchlaufen einen Zellzyklus, um zu wachsen und sich zu teilen, um neue Zellen zu bilden.

Die Zeit, die es braucht, um den Zellzyklus abzuschließen, variiert in verschiedenen Zellen. Einige Zellen teilen sich schnell – sogar innerhalb weniger Stunden. Andere Zellen können Tage brauchen, um den Zyklus abzuschließen. Egal wie lange es dauert, der gesamte Zellzyklus ist reguliert und vorhersehbar. Lange Zeit wussten die Wissenschaftler nicht, woher die Zelle "wusste", wann sie die Stadien des Zellzyklus durchlaufen musste. Woher weiß eine Zelle beispielsweise, wann sie mit der Chromosomenreplikation beginnen muss? Durch Experimente haben Wissenschaftler herausgefunden, dass der Zellzyklus von bestimmten Proteinen, den sogenannten Cyclinen, reguliert wird.

Die meisten Zellen durchlaufen den Zellzyklus ohne Probleme. Es gibt jedoch Zeiten, in denen Zellen nicht den Regeln der normalen Zellteilung folgen. Krebs ist eine Krankheit, die auftreten kann, wenn die Kontrolle über den Zellzyklus verloren geht.

Richtungen: Sehen Sie sich die Videos an Einführung in die Krebsbiologie, Kontrolle der Zellteilung, und Mitose für eine Einführung in die Krebsbiologie.


Zellzyklus–Gezielte Krebstherapien

Ein wesentliches Merkmal von Krebszellen ist die Deregulierung der Zellzykluskontrollen. Die gezielte medikamentöse Therapie soll spezifische genetische Veränderungen nutzen, die Tumorzellen von ihren normalen Gegenstücken unterscheiden. Mutierte Onkogene und inaktivierte Tumorsuppressoren können die Abhängigkeit von Krebszellen von G . erhöhen1-Phase cyclinabhängige Kinasen, verstärken Replikationsstress und DNA-Schäden während der S-Phase und bauen Kontrollpunkte ab, die das Fortschreiten durch S/G . überwachen2/M. Diese erworbenen Defekte erzeugen krebszellspezifische Schwachstellen, die ein Zeitfenster für gezielte Krebsbehandlungen bieten. Wir überprüfen die Grundprinzipien, die dem Design zielgerichteter Therapien zugrunde liegen, mit Schwerpunkt auf zwei Hauptmerkmalen: Onkogensucht und synthetische Letalität. Wir diskutieren, wie traditionelle zytotoxische Mittel mit relativ geringer Spezifität von diesen gleichen Merkmalen abhängen können, und weisen dann auf Beispiele für die erfolgreiche Anwendung neu entwickelter, zielgerichteter Therapeutika hin, die eine reduzierte, dosisbegrenzende Toxizität für normale Zellen bieten.


Schau das Video: Tumorentstehung - Wie entarten Zellen? - AMBOSS Auditor (August 2022).