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Wie viele Zentriolen/Basalkörperchen befinden sich während des gesamten Zellzyklus in Vielzilienzellen?

Wie viele Zentriolen/Basalkörperchen befinden sich während des gesamten Zellzyklus in Vielzilienzellen?


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Ich dachte, es gibt nur zwei Zentriolen pro Zelle, die irgendwann während des Zellzyklus in den Basalkörper übergehen. Ich dachte auch, dass es einen Basalkörper pro Zilien gibt, daher ist mir nicht klar, woher die anderen Basalkörper kommen. Ich würde gerne die Verteilung von Basalkörpern und Zentriolen während des Zellzyklus in vielzilienartigen Organismen/Zellen wissen.


Pro Zilien gibt es einen einzigen Basalkörper. Während der Zellteilung hat das Zentrosom zwei Zentriolen, jedoch kommt es bei der Differenzierung von zitierten Zellen zu einer Verstärkung von Basalkörpern, die aus den Zentriolen nukleieren.

In multiziliaren Zellen entstehen die Basalkörper aus zwei Wegen: 1. de-novo / deuterosomal / acentriolar Weg und 2. Centriolar Weg.

In einer Arbeit von Al Jord et al (2014) wurde das Zusammenspiel dieser beiden Signalwege in Ependymzellen des Gehirns untersucht. Die Studie zeigt, dass nach der Teilung, wenn die Zelle beginnt, sich zu differenzieren, das Tochterzentriol als Ort für die Bildung von Deuterosomen dient. Während dieses Stadiums bilden deuterosomunabhängige Procentriolen auch Kerne (den zentriolären Weg) sowohl auf Mutter- als auch auf Tochterzentriolen. Der Beitrag zu den Basalkörpern stammt jedoch überwiegend von den Deuterosomen.

mehr als 90 % der Zentriolen wurden über Deuterosomen erzeugt und weniger als 10 % direkt aus zentrosomalen Zentriolen

Die folgende Abbildung erklärt den Vorgang gut.

Ich bin mir nicht wirklich sicher, ob es sich um vielzellige einzellige Organismen handelt. Ich vermute, dass sie alte Basalkörper behalten und neue durch einen ähnlichen Mechanismus entstehen. Die meisten Ciliaten können sich auch sexuell fortpflanzen.


Es scheint, dass es in multiziliaren Zellen einen Basalkörper pro Zilien gibt. Die Zentriol-Duplikation (soweit ich das verstanden habe, ist ein Basalkörper nur ein anderer Name für eine Zentriol, die an ein Zilien gebunden ist) ist eng an den Zellzyklus gekoppelt. Es gibt immer ein Paar Zentriolen, die sich an der Basis des primären Ziliens befinden (von denen es in den meisten Zellen genau eines gibt).

Aber nicht in vielzelligen Zellen. Diese Zellen sind differenziert und können sich nicht mehr teilen, und ihr Zentriol-Duplikationsprozess ist vom Zellzyklus entkoppelt. Tatsächlich sind sie streng genommen nicht "duplizierend", da sich viele prozentrioläre Körper um einen Zylinder bilden können. Tatsächlich hat jedes Cilien seinen eigenen Basalkörper; so hat eine Zelle mit Hunderten von Zilien Hunderte von Basalkörpern.

  • Ishikawa 2011 ist eine Übersichtsarbeit, die die Struktur von primären und beweglichen Zilien sowie die Ziliogenese untersucht. Es wird nicht erklärt, wie der Basalkörper dorthin gelangt.
  • Anderson 1971 beschreibt die Bildung neuer Zilien im Eileiter von Affen. Sie entfernen zuerst die Eierstöcke dieser Affen, um eine Zelldifferenzierung zu verhindern (dies erfordert anscheinend Östrogen), verabreichen dann Östrogen und betrachten die EM-Bilder der Zellen in den folgenden 6 Tagen. Sie beschreiben ausführlich die Prozesse der Grundkörperbildung.
  • Dirksen 1991 ist ein weiterer Übersichtsartikel, der sich speziell auf die Basalkörperbildung während der Ziliogenese konzentriert. Aus ihrer Einführung:

    Damit sich die 200-300 Zilien bilden können, die die vollständig differenzierte Zelle benötigt, ist zunächst die Produktion von so vielen Zentriolen erforderlich. Die Zelle hat nach der letzten Teilung gewöhnlich ein Paar Zentriolen zurückbehalten. Inwieweit diese reifen Zentriolen an den früheren Stadien der Zentriolbildung beteiligt sind, in denen Zentriol-Vorläuferstrukturen unterschiedlicher Größe und Form erzeugt werden und Transformationsänderungen von großer Komplexität durchlaufen, ist weitgehend unbekannt..

  • Sorokin 1968 ist anscheinend ein klassischer Text, der EM-Bilder der Ziliogenese in verschiedenen Stadien durchgeht und eine Reihe von Ereignissen vorschlägt, die beschreiben, was passiert. Dies ist wahrscheinlich das, was Sie wollen, re: woher kommen die anderen Basalkörperchen?

  • Bettencourt-Dias 2007 gibt einen Überblick über die Forschung zur Bildung neuer Basalkörper. Dies ist eine weitere Veröffentlichung, die Ihre Frage sehr direkt beantwortet:

    Viele Zellen mit Flimmerhärchen, wie z. B. in den Atemwegen und im Reproduktionstrakt von Wirbeltieren, können 200-300 Flimmerhärchen pro Zelle aufweisen. Dies erfordert die Erzeugung mehrerer Zentriolen während der Ziliogenese. Hier werden Zentriolen auf zwei Wegen erzeugt, einem zentriolären und einem zentriolaren Mechanismus. In der ersten produziert ein Eltern-Centriol normalerweise eine Tochter nach der anderen; in bestimmten Fällen wurde jedoch beobachtet, dass sich mehrere Zentriolen gleichzeitig um ein Eltern-Zentriol herum entwickeln, wobei die Tochter-Zentriolen zur Reifung in das Zytoplasma freigesetzt werden. Der acentriolare Weg ist der Hauptweg für die Basalkörperproduktion. Auf diesem Weg erscheinen zunächst fibröse Granula 124 mit einem Durchmesser von 70–100 nm im Zytoplasma und wandern anschließend in das apikale Zytoplasma. Deuterosomen erscheinen innerhalb des Bereichs. (… ) Aus Deuterosomen können mehrere Procentriolen herauswachsen, und reife Tochter-Zentriolen wandern in die apikale Region, wo sie ziliare Basalkörperchen bilden.


Aufrechterhaltung von Zentrosomen und Zilien

Zentrosomen und Zilien kommen in Organismen aus allen Zweigen des eukaryotischen Lebensbaums vor. Diese Strukturen bestehen aus Mikrotubuli und verschiedenen anderen Proteinen und werden für eine Vielzahl von Zellprozessen benötigt, wie zum Beispiel die Strukturierung des Zytoskeletts, die Wahrnehmung der Umgebung und die Motilität. Die Deregulierung von Centrosom- und Zilienkomponenten führt zu einer Vielzahl von Krankheiten, von denen einige mit dem Leben nicht vereinbar sind. Zentrosomen und Zilien gelten als sehr stabil und können über lange Zeiträume bestehen bleiben. Diese Strukturen können jedoch in bestimmten Entwicklungsstadien und Erkrankungen verschwinden. Darüber hinaus sind einige Zentrosomen- und Zilienkomponenten recht dynamisch. Während über die Biogenese dieser Strukturen viel Wissen gewonnen wurde, ist wenig darüber bekannt, wie sie erhalten werden. In diesem Aufsatz schlagen wir die Existenz spezifischer Programme zur Erhaltung von Zentrosomen und Zilien vor, die während der Entwicklung und Homöostase reguliert werden und bei Deregulierung zu Krankheiten führen können.


Einführung

Die NIMA-verwandten Proteinkinasen (Nrks oder Neks) wurden als die „dritte Familie der mitotischen Kinasen“ bezeichnet (O'Connell et al., 2003). Die Nek-Proteine ​​haben eine gut konservierte N-terminale Kinasedomäne, haben aber divergente C-terminale Schwänze unterschiedlicher Länge (siehe O'Connell et al., 2003). Zusammen mit den Polo- und Aurora-Kinase-Familien sind einige Mitglieder der Nek-Familie an der Regulation von Downstream-Ereignissen nach der Cdc2-Aktivierung beteiligt. Obwohl sich die funktionelle Charakterisierung der meisten dieser Kinasen noch in einem frühen Stadium befindet, deuten bisherige Studien darauf hin, dass die meisten Neks zellzyklusbezogene Funktionen haben.

Es gibt elf orthologe Nek-Gene bei Mäusen und Menschen (Tabelle 1) (Caenepeel et al., 2004 Forrest et al., 2003). Eine phylogenetische Analyse von 81 Nek-Sequenzen aus einer Vielzahl von Eukaryoten und vier Kinasen von außerhalb der Familie erzeugt einen phylogenetischen Baum, in dem die meisten Zweige schlecht aufgelöst sind (nicht gezeigt). Von diesen sind die drei gut aufgelösten Kladen in Abb. 1 gezeigt. Beachten Sie, dass diese Analyse nicht die 39 Neks einschließt, die kürzlich im Genom des Ciliaten gefunden wurden Tetrahymena thermophila (J. Gaertig, persönliche Mitteilung). Diese große Erweiterung der Nek-Familie spiegelt möglicherweise die zahlreichen und spezialisierten Zilien dieses hoch entwickelten einzelligen Organismus wider, da mehrere dieser Proteine ​​die Zilienlänge zu regulieren scheinen (J. Gaertig, persönliche Mitteilung). Trotzdem sind linienspezifische Erweiterungen, wie sie in den höheren Pflanzen und Tetrahymena, sind weniger aussagekräftig in Bezug auf die Funktionen der Vorfahren. Daher konzentrieren wir uns in diesem Kommentar auf die Mitglieder der Familie, die eher solche Hinweise liefern.

Vorgeschlagene Funktionen des Säugetier-Neks

Protein . Vorgeschlagene Funktionen und Lokalisierungen . Ref.-Nr.
Nek1 hNek1
Interagiert mit Proteinen der polyzystischen Nierenerkrankung (PKD) Surpili et al., 2003
mNek1
Kausale Mutation in kat Mausmodell der progressiven PKD Upadhya et al., 2000
Rolle im Reaktionsweg auf DNA-Schäden Polci et al., 2004
Nek2 hNek2
Lokalisiert auf Zentrosomen und Kinetochoren Fry et al., 1998b
Phosphorylate C-Nap1 und Nlp an Zentrosomen Fry et al., 1998a
Reguliert die Zentrosomenspaltung bei G2-M Rapley et al., 2005
Phosphoryliert Hec1 an Kinetochoren mögliche Rolle im Spindel-Checkpoint Chen et al., 2002
Nek3 hNek3
Assoziiert mit Vav2 moduliert die Prolaktinrezeptor-Signalgebung Miller et al., 2005
mNek3
Überwiegend im Zytoplasma lokalisiert, keine zellzyklusabhängigen Veränderungen der Nek3-Aktivität nachgewiesen Tanaka und Nigg, 1999
Nek4 Keine bekannten Funktionen
Nek5 Keine bekannten Funktionen
Nek6 und Nek7 hNek6 und hNek7
Nek6 und 7 binden an den C-terminalen Schwanz von Nek9 Nek9-Phosphorylaten und aktivieren Nek6 während der Mitose Belham et al., 2003
Die Hemmung der Nek6-Funktion hält Zellen in der Metaphase an und löst Apoptose aus Yin et al., 2003
Nek8 hNek8
Überexprimiert in primären menschlichen Brusttumoren Bowers und Boylan, 2004
mNek8
Kausale Mutation in jck Mausmodell der rezessiven juvenilen zystischen Nierenerkrankung Liu et al., 2002
Nek9 hNek9
Assoziiert und phosphoryliert Bicd2 in vivo Holland et al., 2002
Reguliert die Chromosomenausrichtung und -segregation in der Mitose Roig et al., 2002
Vermittelt die zentrosomale und chromosomale Mikrotubuli-Organisation Roig et al., 2005
Aktiviert Nek6 während der Mitose Belham et al., 2003
Reguliert die G1- und S-Progression durch Interaktion mit dem FACT-Komplex Tan und Lee, 2004
Nek10 Keine bekannten Funktionen
Nek11 hNek11
Auf DNA-Replikation/Schadensstress reagierende Kinasen könnten eine Rolle beim S-Phasen-Checkpoint spielen Noguchi et al., 2002
Colokalisiert mit Nek2A in Nukleolen wird durch Nek2A in Zellen aktiviert, die bei G1-S . arretiert sind Noguchi et al., 2004
Protein . Vorgeschlagene Funktionen und Lokalisierungen . Ref.-Nr.
Nek1 hNek1
Interagiert mit Proteinen der polyzystischen Nierenerkrankung (PKD) Surpili et al., 2003
mNek1
Kausale Mutation in kat Mausmodell der progressiven PKD Upadhya et al., 2000
Rolle im Reaktionsweg auf DNA-Schäden Polci et al., 2004
Nek2 hNek2
Lokalisiert auf Zentrosomen und Kinetochoren Fry et al., 1998b
Phosphorylate C-Nap1 und Nlp an Zentrosomen Fry et al., 1998a
Reguliert die Zentrosomenspaltung bei G2-M Rapley et al., 2005
Phosphoryliert Hec1 an Kinetochoren mögliche Rolle im Spindel-Checkpoint Chen et al., 2002
Nek3 hNek3
Assoziiert mit Vav2 moduliert die Prolaktinrezeptor-Signalgebung Miller et al., 2005
mNek3
Überwiegend im Zytoplasma lokalisiert, keine zellzyklusabhängigen Veränderungen der Nek3-Aktivität nachgewiesen Tanaka und Nigg, 1999
Nek4 Keine bekannten Funktionen
Nek5 Keine bekannten Funktionen
Nek6 und Nek7 hNek6 und hNek7
Nek6 und 7 binden an den C-terminalen Schwanz von Nek9 Nek9-Phosphorylaten und aktivieren Nek6 während der Mitose Belham et al., 2003
Die Hemmung der Nek6-Funktion hält Zellen in der Metaphase an und löst Apoptose aus Yin et al., 2003
Nek8 hNek8
Überexprimiert in primären menschlichen Brusttumoren Bowers und Boylan, 2004
mNek8
Kausale Mutation in jck Mausmodell der rezessiven juvenilen zystischen Nierenerkrankung Liu et al., 2002
Nek9 hNek9
Assoziiert und phosphoryliert Bicd2 in vivo Holland et al., 2002
Reguliert die Chromosomenausrichtung und -segregation in der Mitose Roig et al., 2002
Vermittelt die zentrosomale und chromosomale Mikrotubuli-Organisation Roig et al., 2005
Aktiviert Nek6 während der Mitose Belham et al., 2003
Reguliert die G1- und S-Progression durch Interaktion mit dem FACT-Komplex Tan und Lee, 2004
Nek10 Keine bekannten Funktionen
Nek11 hNek11
Auf DNA-Replikation/Schadensstress reagierende Kinasen können eine Rolle beim S-Phasen-Checkpoint spielen Noguchi et al., 2002
Colokalisiert mit Nek2A in Nukleolen wird durch Nek2A in Zellen aktiviert, die bei G1-S . arretiert sind Noguchi et al., 2004

Abkürzungen: h, human m, mouse FACT, „erleichtert die Transkription von Chromatin-Templates“.

Im Folgenden befassen wir uns mit dem, was über die Nek-Proteine ​​hauptsächlich im Zusammenhang mit Kladen bekannt ist, da wir trotz des Potenzials für eine wesentliche Funktionsevolution die Möglichkeit untersuchen möchten, dass Proteine ​​innerhalb einer Klade uralte Protein-Protein-Interaktionen und konservierte Zellfunktionen teilen könnten . Wir konzentrieren uns auf die am besten charakterisierten Mitglieder der Familie, anstatt einen umfassenden Katalog anfänglicher Charakterisierungen bereitzustellen. Anschließend untersuchen wir die Hypothese, dass die Nek-Familie mit Zentriolen koevolutioniert wurde, die als Basalkörper und Herde für mitotische Spindeln eine doppelte Funktion erfüllen.


Der Zentriol-Duplikationszyklus

Zentrosomen sind das wichtigste Mikrotubuli-organisierende Zentrum tierischer Zellen und sind für viele kritische Zell- und Entwicklungsprozesse von der Zellpolarisation bis zur Zellteilung wichtig. Im Kern des Zentrosoms befinden sich Zentriolen, die perizentrioläres Material rekrutieren, um das Zentrosom zu bilden, und als Basalkörper zur Bildung von Zilien und Geißeln fungieren. Defekte in Struktur, Funktion und Anzahl der Zentriolen werden mit einer Vielzahl von menschlichen Krankheiten in Verbindung gebracht, einschließlich Krebs, Hirnerkrankungen und Ziliopathien. In diesem Aufsatz diskutieren wir die jüngsten Fortschritte in unserem Verständnis des Aufbaus neuer Zentriolen und der Kontrolle der Zentriolzahl. Wir schlagen ein allgemeines Modell für die Kontrolle der Zentriol-Duplikation vor, bei dem die kooperative Bindung von Duplikationsfaktoren einen Zentriol-„Ursprung der Duplikation“ definiert, der die Duplikation initiiert, und die Passage durch Mitoseeffekte ändert, die das Zentriol für eine neue Runde der Duplikation im nächsten Zellzyklus lizenzieren. Wir konzentrieren uns auch auf Variationen des allgemeinen Themas, bei dem viele Zentriolen in einem einzigen Zellzyklus erzeugt werden, einschließlich der mit diesen Variationen verbundenen spezialisierten Strukturen, des Deuterosoms in tierischen Zellen und des Blepharoplasten in niederen Pflanzenzellen.

1. Einleitung

Zentriolen sind zylindrische Strukturen mit einem charakteristischen morphologischen Motiv aus neun spezialisierten Mikrotubuli, die symmetrisch um einen zentralen Kern angeordnet sind (Abbildung 1 .).ein). Reife Zentriolen werden entlang ihrer Länge nach verschiedenen Funktionen unterschieden. Das distale Ende des Zentriols ist oft durch Anhängen spezialisiert, um Mikrotubuli zu organisieren und ein Zilien zu nukleieren [1,2] und interagiert während der Ziliogenese mit der Plasmamembran. Das proximale Ende des Zentriols ist darauf spezialisiert, eine Matrix aus perizentriolären Materialproteinen zu rekrutieren, die die Mikrotubuli-Nukleation und die Organisation von Mikrotubulus-Arrays unterstützen [3]. Zentriolen kommen bei allen eukaryotischen Arten vor, die Zilien und Geißeln bilden, fehlen jedoch bei höheren Pflanzen und höheren Pilzen, die keine Zilien haben. Wichtig ist, dass basale Mitglieder der Pflanzen- und Pilzgruppen Zentriolen und Zilien aufweisen, was darauf hindeutet, dass diese Organellen zu den Merkmalen gehören, die den frühesten eukaryotischen Vorfahren definiert haben [4].

Abbildung 1. Zentriol-Zusammenbau-Weg bei Wirbeltieren. (ein) Zentriolen sind zylindrische Strukturen, die aus neun Mikrotubulustripletts bestehen, die symmetrisch um einen zentralen Kern angeordnet sind. Die hier für die Diskussion wichtigen Komponenten sind in der Legende angegeben. Dargestellt ist ein Längsschnitt einer Mutterzentriole, die zwei Arten von Anhängseln hat, distal und subdistal, und der die innere Wagenradstruktur fehlt. Die Basis der Mutterzentriole ist in das perizentrioläre Material eingebettet. Die Bildung eines Procentriols wurde durch den Zusammenbau des Stiels und des Wagenrads von der Seite des Muttercentriols eingeleitet. (ein: 1–4) Stadien der Prozentriolbildung, dargestellt durch den Querschnitt des Zentriols bei X im Längsschnitt. Das Mutterzentriol ist nicht in (ein: 2–4) zur Verdeutlichung, ist aber während des gesamten gezeigten Prozesses präsent und mit dem Prozentriol verbunden. (ein-1) PLK4 akkumuliert an einem einzigen Brennpunkt in Verbindung mit CEP152 und CEP192, die in Ringen um den Umfang des Zentriols verteilt sind. PLK4 stimuliert den Zusammenbau eines Stiels und eines neunfach symmetrischen Wagenrads, das dem Procentriol Struktur verleiht und es mit dem Muttercentriol in Verbindung hält. (ein-2) Neun A-Tubuli werden durch den Gamma-Tubulin-Ringkomplex (Gamma-TURC) in Verbindung mit dem Wagenrad nukleiert. Diese wachsen unidirektional vom proximalen zum distalen Ende der Zentriole. Die A-Tubuli bleiben während des gesamten Zusammenbauprozesses von der Gamma-TURC bedeckt und gehen schließlich am Ende der Mitose verloren. (ein-3) Die B- und C-Tubuli bilden sich durch einen Gamma-TURC-unabhängigen Mechanismus und wachsen, bis sie die Länge der A-Tubuli erreichen. (ein-4) Das distale Ende des Zentriols wird durch Verlängerung der A- und B-Tubuli gebildet, wodurch eine strukturell unterschiedliche distale Domäne entsteht. (B) Zentriolenabschaltung beim Übergang von M-G1. (i) Ein Zentrosom in der Metaphase der Mitose, mit engagiertem Mutterzentriol und Prozentriol. (ii) Ein Zentrosom in G1 nach der Mitose, mit getrennten Mutter- und Tochterzentriolen. Das Rad ist vom Tochterzentriol demontiert. Beachten Sie, dass sich die subdistalen Anhängsel während der Mitose zerlegen, die konstituierenden Proteine ​​jedoch mit dem Zentriol assoziiert bleiben. Sie werden als undifferenzierte Kugeln in der mitotischen Zentriole anstelle der subdistalen Anhängsel dargestellt. (Online-Version in Farbe.)

Die strukturelle Komplexität der Zentriolen spiegelt sich in der großen Anzahl von Zentriolproteinen wider, die in den letzten zehn Jahren durch eine Kombination von genomischen und proteomischen Ansätzen identifiziert wurden [5–19]. Einige der Zentriolproteine ​​sind in allen Organismen mit Zentriolen konserviert, was darauf hindeutet, dass Zentriolen in divergenten Eukaryoten wahrscheinlich von einer gemeinsamen Vorfahrenstruktur abstammen [4,20,21]. Im Gegensatz dazu sind einige Centriolenproteine ​​für eine Untergruppe von Organismen und Geweben einzigartig, und diese Unterschiede sind wahrscheinlich auf die Vielfalt der Kontexte zurückzuführen, in denen sich Centriolen zusammensetzen und funktionieren.

In sich teilenden Zellen duplizieren sich Zentriolen einmal pro Zellzyklus, angrenzend an ein bereits vorhandenes Zentriol. Was die Struktur einer Zentriole, ihre Lage, Orientierung und Kopienzahl spezifiziert, ist seit den ersten Beobachtungen der Ereignisse der Zentriol-Duplikation eine lange Frage. Die „Teileliste“ für die Zentriolen ist wahrscheinlich fast vollständig, und die neuere Herausforderung bestand darin, herauszufinden, wie diese Teile zusammenpassen, um Zentriolen zusammenzubauen. In diesem Aufsatz diskutieren wir zunächst die zugrunde liegenden Mechanismen der morphologischen Duplikation von Zentriolen und wie die komplexe Ultrastruktur von Zentriolen mit neunzähliger Symmetrie und einer wohldefinierten Länge aufgebaut wird.Als nächstes beschreiben wir Fortschritte in unserem Verständnis davon, wie Zellen die Anzahl der Zentriolkopien bei aufeinanderfolgenden Zellteilungen sicherstellen und wie diese Kontrollmechanismen in verschiedenen Kontexten modifiziert werden.

2. Morphologische Duplikation von Zentriolen – Zentriolenbiogenese

Die Struktur der Zentriolen ist im gesamten eukaryotischen Königreich bemerkenswert konserviert (Abbildung 1ein). Alle bekannten Zentriolen haben eine zylindrische Form und bestehen aus einer neunfach symmetrischen Anordnung von Mikrotubuli. Unter verschiedenen Organismen können diese Mikrotubuli-Arrays jedoch Singulett-, Dublett- oder Triplett-Mikrotubuli umfassen, und die Zentriolgröße reicht von 100 bis 250 nm Durchmesser und 100 bis 400 nm Länge [4]. Wie in der Biologie üblich, gibt es einige bekannte Ausnahmen von diesen Regeln, die vermutlich eine evolutionäre Anpassung der konservierten Struktur darstellen [22]. Die morphologischen Ereignisse des Zentriol-Duplikationszyklus wurden durch Elektronenmikroskopie auf ultrastruktureller Ebene gut definiert [23–27] (Abbildung 1). Die Duplikation der Zentriolen beginnt am Übergang G1–S, wenn eine neue Tochterzentriole, die als Prozentriole bezeichnet wird, beginnt, orthogonal vom proximalen Ende jeder der beiden bestehenden Zentriolen, die als Mutterzentriolen bezeichnet werden, zu wachsen. Einmal gebildet, verlängern sich Prozentriolen durch die S- und G2-Phasen. Am Ende der Mitose trennt die mitotische Spindel die duplizierten Zentriolenpaare, sodass jede resultierende Tochterzelle zwei Zentriolen enthält. Hier diskutieren wir, was darüber bekannt ist, wie die morphologische Duplikation der definierenden Merkmale von Zentriolen in jedem Zellzyklus erreicht wird.

Der erste Schritt im Zentriol-Duplikationszyklus ist die Bildung eines Procentriols neben dem Mutter-Centriol (Abbildung 1ein). Dies geschieht nur an einer Stelle pro Zentriol, um die Zentriolzahlkontrolle sicherzustellen. Wir werden diese Stelle in Analogie zur DNA-Replikation als den Ursprung der Zentriol-Duplikation bezeichnen. Was definiert den Ort des Ursprungs der Zentriol-Duplikation? Neuere Beweise deuten darauf hin, dass drei Zentriolproteine, PLK4, SASS6 und STIL, eine instruktive Funktion in diesem Prozess haben, da sie sich alle an der Stelle der Prozentriol-Assemblierung am G1–S-Übergang lokalisieren, wenn die Zentriol-Assemblierung eingeleitet wird. SASS6 ist eine strukturelle Komponente des Cartwheel, der neunfach symmetrischen Templatstruktur innerhalb des proximalen Endes der Zentriole (siehe anderes Kapitel) [28–30], und STIL ist mit SASS6 assoziiert [31–34].

Obwohl zuvor berichtet wurde, dass SASS6 der früheste Marker an der Stelle der Prozentriol-Assemblierung ist [35], finden zwei unabhängige Berichte, dass PLK4, eine Polo-ähnliche Kinase, die für die Zentriol-Bildung erforderlich ist [36,37], an einer punktförmigen Struktur an . lokalisiert ist diese Site vor SASS6, was darauf hindeutet, dass sie SASS6 rekrutiert [36,37] (Abbildung 1ein-1). In Caenorhabditis elegans, SAS-6 wird von ZYG-1, einem funktionellen Ortholog von PLK4, an das Zentriol rekrutiert, daher könnte dies ein evolutionär konservierter Mechanismus zur Bestimmung der Zentriolanordnung sein [38]. Auffallend ist, dass sich PLK4 am Zentriol von einer ringförmigen Lokalisation um den Zentriolenlauf (frühes G1) zu einer punktförmigen Lokalisation (G1-S-Übergang) ändert, und diese Änderung fällt mit der Initiierung nachgelagerter Ereignisse der Zentriol-Duplikation zusammen, was die Rolle von PLK4 bei der Markierung des Ursprungs der Zentriol-Duplikation [36]. Diese Studien identifizieren PLK4 als den frühesten Marker, der an der Stelle der Prozentriolen-Assemblierung lokalisiert ist, und da PLK4 eine Proteinkinase ist, wäre das einfachste Modell, dass die PLK4-Phosphorylierung von nachgeschalteten Proteinen in der Zentriol-Assemblierung den Prozess einleitet. Obwohl gezeigt wurde, dass einige Proteine ​​Substrate von PLK4 . sind in vitro, einschließlich einiger Zentriol-Duplikationsproteine ​​[39–42], gibt es noch keinen direkten Zusammenhang zwischen der PLK4-Kinase-Aktivität und der Zentriol-Initiation.

Wenn PLK4 den Ursprung der Zentriol-Duplikation definiert, was bringt PLK4 zur richtigen Zeit und am richtigen Ort in die Zentriolen? Neuere Studien legen nahe, dass zwei PLK4-bindende Proteine ​​in diesem Prozess wichtig sind. Die Rekrutierung von PLK4 (oder ZYG-1) zu den Zentriolen hängt von Asterless in ab Drosophila [43] und auf SPD-2 in C. elegans [44,45]. Interessanterweise interagieren in Säugerzellen die Orthologe dieser beiden Proteine, CEP152 bzw. CEP192, mit PLK4 und kooperieren bei der Rekrutierung von PLK4 zu den Zentriolen [36,46] (Abbildung 1ein-1). Diese Rekrutierung hängt von elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen der positiv geladenen Polo-Box-Domäne von PLK4 und den sauren Regionen von CEP192 und CEP152 ab [36,46]. Sowohl CEP152 als auch CEP192 sind symmetrisch um den Umfang des Zentriolenzylinders verteilt [37,47]. Obwohl diese Studien daher eine ansprechende Erklärung dafür liefern, wie PLK4 an Zentriolen rekrutiert wird, gehen sie nicht auf die grundlegende Frage ein, nämlich wie einzelne Stelle zur Initiierung eines morphologischen Ereignisses, ausgewählt aus einer radialsymmetrischen Oberfläche? Dies ist im Wesentlichen ein symmetriebrechendes Ereignis, ähnlich dem bei der Auswahl einer einzigen Stelle für die Knospenbildung in knospenden Hefen [48] oder der Etablierung der Achsen von a C. elegans Embryo [49,50]. In diesen Fällen und vermutlich bei der Zentriol-Initiation gibt es eine Form von Kooperativität oder positivem Feedback, die zu einer asymmetrischen Akkumulation der relevanten Proteine ​​in einem symmetrischen Hintergrund führt. Es ist daher möglich, dass die Assoziation von PLK4 mit CEP192 und/oder CEP152 solche kooperativen Eigenschaften hat oder dass die Kinaseaktivität von PLK4 einen positiven Rückkopplungsmechanismus zu dieser Assoziation bereitstellt. Wichtig ist, dass ein solches Modell kritisch von der Konzentration von PLK4 in der Zelle abhängen würde und dass die Konzentration in Bezug auf seine Bindungspartner, wie unten beschrieben, untersättigt ist, die Konzentration von PLK4 ist bekanntermaßen kritisch, um die Duplikation auf eine Stelle zu begrenzen.

Sobald die Stelle des Ursprungs der Zentriol-Duplikation auf dem Mutter-Zentriol definiert ist, ist der nächste Schritt die Bildung des Wagenrads [22] (Abbildung 1ein-1). Die neunzählige symmetrische Struktur des Wagenrads leitet sich von der intrinsischen neunzähligen Symmetrie der SASS6-Oligomere ab, die das Wagenrad bilden [28,30]. Der Mechanismus der Wagenradbildung wird in einer anderen Übersicht in dieser Themenausgabe behandelt. Das Rad bestimmt die neunzählige Symmetrie der Zentriolen und leitet die sequentielle Anordnung der neun Triplett-Mikrotubuli ein. Interessanterweise geht in einigen Fällen (einschließlich Säugetieren) das Rad aus reifen Zentriolen verloren [22,51], daher ist es erforderlich, die Struktur des Zentriols herzustellen, aber nicht zu erhalten. Die Kryoelektronentomographie-Analyse gereinigter menschlicher Zentrosomen ergab, dass sich das Zentrum oder die Nabe des Wagenrads am Ende eines Stiels befindet, der mit der Seite des proximalen Endes des Mutterzentriols verbunden ist [51] (Abbildung 1ein-1). Dieser Stiel ist wahrscheinlich die physikalische Verbindung, die das Prozentriol und das Mutterzentriol bis zum Ende der Mitose in Bewegung hält. Wir werden der Konvention folgen, die neue Zentriole als Prozentriole zu bezeichnen, während sie mit der Mutterzentriole verlobt ist, und als Tochterzentriole, wenn sie sich gelöst hat.

Wie werden Mikrotubuli zum neunfach symmetrischen Wagenrad hinzugefügt, um die Mikrotubuli-Tripletts zu bilden, die in den meisten Arten vorkommen? Die Mikrotubuli innerhalb des Tripletts werden als A-, B- und C-Tubuli bezeichnet, wobei A- ein vollständiger Mikrotubulus und proximal zum Inneren des Zentriols ist und die B- und C-Tubuli jeweils eine Wand mit den A- oder teilen B-Tubuli bzw. Kryoelektronentomographie von Procentriolen [51] zeigt, dass A-Tubuli an ihrem Minusende mit einer konischen Struktur bedeckt sind, die der Gamma-Tubulin-Ringkomplexstruktur ähnelt [52–54] (Abbildung 1ein-2). In Übereinstimmung mit dieser Beobachtung wurde berichtet, dass sich Gamma-Tubulin zusätzlich zum perizentriolären Material im Kern des Säuger-Zentriols lokalisiert [55,56]. Funktionelle Studien in einer Vielzahl von Organismen, einschließlich Tetrahymena und Paramezium identifizierten eine wichtige Rolle für Gamma-Tubulin während der Zentriol-Duplikation, was darauf hindeutet, dass es eine hochkonservierte Rolle bei der Zentriol-Zusammensetzung spielt [57–59]. Diese Ergebnisse legen nahe, dass Gamma-Tubulin in Verbindung mit dem Wagenrad den A-Tubuli nukleiert, der dann wächst, wenn sich das Zentriol verlängert. Nach der Keimbildung und Verlängerung der A-Tubuli bilden sich die B- und C-Tubuli, die jedoch an ihrem Minusende nicht mit einer Kappe bedeckt sind, was darauf hindeutet, dass ihre Anordnung durch einen anderen Mechanismus initiiert wird (Abbildung 1ein-3).

In einigen Organismen sind Zentriol-Mikrotubuli in den meisten Zellen eher Singuletts oder Dubletts als Tripletts. Zum Beispiel, C. elegans Zentriolen haben Singulett-Mikrotubuli. Es ist nicht klar, was erforderlich ist, um die spezialisierten Dublett- und Triplett-Mikrotubuli herzustellen. Kürzlich durchgeführte Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM)-Studien des Zentriols [60,61] zeigen deutlich, dass es Proteindichten gibt, die mit den Zentriol-Mikrotubuli verbunden sind, was darauf hindeutet, dass andere Proteine ​​als Alpha- und Beta-Tubulin erforderlich sind, um zu bilden oder zu stabilisieren , Sie. Es ist interessant festzustellen, dass Alpha-, Beta- und Gamma-Tubulin zwar in allen Eukaryoten konserviert sind, die anderen Mitglieder der Tubulinfamilie jedoch nicht [62], selbst in Organismen mit Zentriolen und Zilien. Dies deutet darauf hin, dass die anderen Mitglieder der Tubulin-Familie für die Duplizierung der Grundstruktur der Zentriole nicht wesentlich sein können, obwohl sie für die Ausarbeitung des distalen Endes der Zentriole erforderlich sein könnten (siehe unten).

Ein weiterer Aspekt der morphologischen Verdopplung der Zentriolen ist die Dehnung der Zentriolen auf eine definierte Länge (Abbildung 1ein-4), die in verschiedenen Spezies und sogar in verschiedenen Zelltypen innerhalb einer Spezies variabel ist. Angesichts der oben beschriebenen Morphologie, bei der sich die zentriolären Mikrotubuli auf einer zentralen Wagenradstruktur bilden [63,64], besteht eine einfache Hypothese zur Längenkontrolle darin, dass die Länge des Wagenrads die Dehnung der zentriolären Mikrotubuli begrenzt. Dies stimmt mit der Beobachtung überein, dass einige sehr lange Zentriolen ein sehr langes Rad haben [65]. Bei vielen Organismen erstrecken sich die Triplett-Mikrotubuli über die das Wagenrad enthaltende proximale Zone des Zentriols hinaus, und bei einigen (einschließlich Säugetieren) erstrecken sich die A- und B-Tubuli sogar noch weiter, so dass POC5 erforderlich ist [66]. Es ist diese distale Dublettregion der Zentriole, an der die distalen und subdistalen Anhängsel befestigt sind. Diese Elongationsschritte treten im Kontext des Zentriol-Duplikationszyklus auf, und es ist wahrscheinlich, dass sie, wie andere Duplikationsereignisse, regulierte Prozesse sind, da die Elongation der Zentriol-Mikrotubuli viel langsamer verläuft als die Mikrotubuli-Polymerisation im Allgemeinen. Schließlich muss ein Zentriol der entsprechenden Länge am Plus-Ende von CP110 und assoziierten Proteinen abgedeckt werden [63,64]. Diese Kappe muss entfernt werden, um eine Verlängerung der axonemalen Mikrotubuli-Dubletts während der Zilienbildung zu ermöglichen, aber ein vorzeitiger Verlust der Kappe durch Erschöpfung einer Komponente ermöglicht es den Zentriol-Mikrotubuli, sich im Zytoplasma über das eigentliche Zentriol hinaus auszudehnen.

3. Steuerung der Zentriolzahl

Die Anzahl der Zentriolen in den meisten Zellen wird so gesteuert, dass eine G1-Zelle ein einziges Paar Zentriolen hat, eine Mutter und eine Tochter. Im vorhergehenden Text haben wir vorgeschlagen, dass eine fokale Akkumulation eines limitierenden Initiators (PLK4) am Ursprung der Zentriol-Duplikation erklären könnte, warum sich neben jedem Mutter-Zentriol nur ein Prozentriol bildet. Die Kontrolle der Anzahl der Zentriolen erfordert jedoch auch, dass der Spiegel dieses Initiators streng reguliert wird und dass die Verdopplung in einem einzelnen Zellzyklus blockiert wird, was durch den obigen Mechanismus nicht offensichtlich erklärt wird. Darüber hinaus muss jede Blockade der Verdopplung zum geeigneten Zeitpunkt aufgehoben werden, damit die Zentriolen im nächsten Zellzyklus zur Vervielfältigung „lizenziert“ werden. Dies ist genau analog zu einem replizierenden DNA-Molekül mit einem einzigen Replikationsursprung, der nur einmal in einer einzelnen S-Phase feuert und für die Replikation im nächsten Zellzyklus lizenziert werden muss.

In Übereinstimmung mit dem oben genannten fokalen Akkumulationsmodell von PLK4 verursacht die Überexpression von PLK4 eine Überduplikation von Zentriolen in vielen Zelltypen und -spezies [67–71]. Bemerkenswerterweise tritt diese Überduplikation in Gegenwart vorhandener Mutterzentriolen in Form von mehr als einer Zentriole auf, die an jeder Mutterzentriole in einer „Zentriolrosette“ initiiert wird [68,69]. Dies legt nahe, dass das zusätzliche PLK4 mehr Bindungsstellen am proximalen Ende des Mutterzentriols besetzt und die Schwelle für die Zentriol-Initiation an mehreren Stellen erreicht. In Abwesenheit vorhandener Zentriolen, wie in den Eiern von Xenopus [72] und Drosophila [70] deren Zentriolen während der Entwicklung auf natürliche Weise eliminiert werden, induziert die Überexpression von PLK4 eine de novo-Zentriolbildung, was offensichtlich die Notwendigkeit einer Akkumulationsstelle überwindet. Die Menge an PLK4 ist eindeutig kritisch, und dementsprechend wurden die molekularen Mechanismen der PLK4-Spiegelkontrolle gut untersucht. Es gibt Hinweise auf eine transkriptionale Regulation von PLK4 [73,74], aber der Hauptpunkt der Regulierung scheint die Halbwertszeit des PLK4-Proteins zu sein. Der Abbau von PLK4 wird durch SCFβ-TrCP/Ubiquitin-abhängige Proteolyse vermittelt, die wiederum von der Homodimerisierung und Autophosphorylierung mehrerer Stellen auf PLK4 abhängt [74–79]. Neuere Arbeiten in Säugetier- und Drosophila Zellen zeigten, dass die Phosphorylierung dieser Stellen von der Kinaseaktivität von PLK4 abhängt, was darauf hindeutet, dass PLK4 eine Selbstmordkinase ist, die ihre eigene Zerstörung einleitet [80,81]. Wenn PLK4 tatsächlich eine Suizidkinase ist, wie erreicht sie dann eine hohe lokale Konzentration am Ursprung, um die Zentriol-Assemblierung zu initiieren, bevor sie abgebaut wird? Die Zerstörung von PLK4 beinhaltet die Autophosphorylierung mehrerer Stellen, einschließlich konservierter Phosphorreste innerhalb des stromabwärts gelegenen regulatorischen Elements und eines dieses Element flankierenden Phosphoclusters [80,81]. Die Kinetik dieser Reaktionen ist nicht bekannt, aber sie treten auf in trans, wäre also konzentrationsempfindlich. Vielleicht erreicht die PLK4-Akkumulation am Ursprung einen Schwellenwert, um die Zentriol-Duplikation einzuleiten, und erst danach ist die Konzentration von PLK4 ausreichend hoch, um die Zerstörung einzuleiten. Alternativ könnte die Proteolysemaschinerie so reguliert werden, dass sie am Ursprung lokal inaktiv ist. Neben der Regulierung der Menge an PLK4 wird auch die Aktivität von PLK4 reguliert. Der Mitogen-aktivierte Proteinkinase-Weg in unbefruchteten Xenopus Es wurde gezeigt, dass Eier die PLK4-abhängige De-novo-Zentriol-Duplikation blockieren [72] und so die väterliche Vererbung der Zentriolen sicherstellen. Darüber hinaus regulieren der stressaktivierte Proteinkinase-Weg und p53 die Zentriol-Duplikation während der Stressreaktion in Säugerzellen, indem sie kooperativ den PLK4-Spiegel und die PLK4-Aktivität regulieren [82].

PLK4 ist nicht das einzige Zentriolprotein, dessen Spiegel reguliert werden muss, um eine einzelne Duplizierungsrunde zu gewährleisten. Mehrere andere Core-Centriol-Proteine ​​können bei Überexpression die Bildung zusätzlicher Centriolen stimulieren, darunter STIL und SASS6 [16,34,35,83,84]. Das Ausmaß der Überduplikation ist bei diesen Proteinen geringer als bei der PLK4-Überexpression, aber die Bedeutung ihrer Regulation wird aus der Tatsache ersichtlich, dass STIL und SASS6 beide KEN-Box-Motive haben, die von Cdh1 erkannt werden, um sie an den Anaphase-fördernden Komplex/ Cyclosom-abhängiger Abbau während der Mitose [31,35,83]. Interessanterweise zeigten neuere Arbeiten, dass CDK1 die Relokalisierung von STIL vom Zentrosom zum Zytosol zum Abbau auslöst [31]. SASS6 hat eine andere Regulierungsebene, da es während G2 durch das F-Box-Protein FBXW5 zerstört wird [42], und diese Zerstörung ist wichtig, um die Duplikation zu begrenzen.

Neben der Kontrolle des Gehalts an Initiatorproteinen gibt es auch eine Zentrosom-intrinsische Blockierung der Reduplikation, die sicherstellt, dass die Duplikation nur einmal pro Zellzyklus initiiert wird. Dieser Block wurde durch Zellfusionsexperimente aufgedeckt, bei denen Zellen aus verschiedenen Stadien des Zellzyklus, die duplizierte oder nicht duplizierte Zentriolen enthielten, fusioniert wurden. In diesen Experimenten konnte ein zuvor dupliziertes Zentriol (z ein Zentrosom 'kannte' seinen Duplikationsstatus und konnte sich nicht verdoppeln, bis die Passage durch die Mitose es für die Duplikation im nächsten Zyklus lizenzierte. Die Natur dieser Zentrosom-intrinsischen Blockierung der Reduplikation wurde durch in vitro Assays mit engagierten (G2)-Zentriolen in Xenopus Eiextrakte, die zeigten, dass die enge orthogonale Assoziation von Mutterzentriol und Prozentriol, die als Engagement bezeichnet wird, die Verdoppelung blockiert [86] (Abbildung 1B). Die Trennung dieser Zentriolen voneinander erfolgt am Ende der Mitose und ist erforderlich, um die Duplizierung zu lizenzieren. Bei Vertebraten erfordert die Zentriol-Disengagement die Aktivität von PLK1, einer entfernt mit PLK4 verwandten mitotischen Kinase, und Separase, der Protease, die für die Schwesterchromatid-Trennung beim Übergang von Metaphase zu Anaphase verantwortlich ist [87] (Abbildung 1B). Das Vorhandensein gemeinsamer regulatorischer Proteine ​​sowohl für die Zentriolduplikation als auch für die Chromosomensegregation dient dazu, diese beiden Zyklen zu koppeln. Dies ist wichtig, weil zum Beispiel die Ablösung von Zentriolpaaren in einer mitotischen Zelle vor der Chromosomensegregation zu multipolaren Spindeln führen könnte, die die normale mitotische Chromosomensegregation stören.

Wie koordinieren PLK1 und Separase die Disengagement der Zentriolen mit dem Mitoseausgang? Ein einfaches Modell ist, dass es eine physikalische Verbindung zwischen dem Mutter-Zentriol und dem Prozentriol gibt und dass PLK1 die Separase-abhängige Spaltung dieser Verbindung während des mitotischen Austritts fördert. Dies erinnert an die PLK1-vermittelte Separase-abhängige Spaltung des Chromatid-Linkers Cohesin, um eine Schwesterchromatid-Trennung zu bewirken [88]. Wir stellen fest, dass ein möglicher Kandidat für diese Verbindung der Stiel ist, der durch Kryo-EM sichtbar ist [51] und in Abbildung 1 gezeigt wird. Unterstützung für dieses Modell kam durch den Nachweis, dass die Protease-Aktivität der Separase zum Lösen erforderlich ist [86,87] , und aus einer Studie, in der Cohesin selbst als das ablösespezifische Separase-Substrat identifiziert wurde [89]. Dieses letztere Ergebnis war besonders ansprechend, da es die mechanistische Verbindung zwischen dem Zentriolenzyklus und den Chromosomenzyklen förderte.

Was sind die Beweise dafür und dagegen, dass Cohesin der Zentriol-Engagement-Linker ist? Die Spaltung von Cohesin durch Separase erfolgt an einer definierten Stelle und es ist möglich, diese Stelle entweder zu mutieren, um das Protein nicht abbaubar zu machen, oder diese Stelle durch die Erkennungsstelle für eine andere Protease zu ersetzen. Tsou et al. [87] exprimierten eine nicht abbaubare Form der Cohesin-Untereinheit SSC1 und fanden heraus, dass sie die Schwesterchromatid-Trennung wie erwartet, aber nicht die Zentriol-Ablösung verhinderte, was darauf hindeutet, dass Cohesin nicht das Bindungsglied ist. Aber Schokël et al. [89] führten ein ähnliches Experiment durch und erhielten das gegenteilige Ergebnis, das Cohesin impliziert. Anschließend konstruierten sie Cohesin-Untereinheiten so, dass sie Spaltungsstellen für humane Rhinovirus- oder Tabak-Etch-Virus-Protease enthielten und zeigten, dass diese Proteasen nun die Trennung von Zentriolen bewirken können in vitro und in vivo. Diese Ergebnisse scheinen zwingend zu argumentieren, dass Cohesin in irgendeiner Form der Bindungslinker ist, aber neuere Experimente in Drosophila zeigten, dass die Cohesinspaltung für die Zentriolentrennung nicht ausreicht [90]. Weiterhin Experimente in C. elegans zeigen, dass die Spaltung für die Zentriolenablösung nur nach der Meiose II erforderlich ist und nicht für die Ablösung während mitotischer Zyklen [91]. Zuletzt Matsuo et al. [92] identifizierten das Centrosomprotein Pericentrin als Separase-Substrat, was darauf hindeutet, dass es stattdessen das wichtige Substrat der Separase für die Zentriol-Disengagement sein könnte. Das Beste, was an dieser Stelle gesagt werden kann, ist, dass es eine physikalische Verbindung zwischen dem Mutter-Zentriol und dem Prozentriol gibt, die sie am Laufen hält, dass jedoch die molekulare Identität der Bindungsverbindung und die Art seiner Auflösung durch PLK1 und Separase unklar bleiben .

Wie lizenziert Disengagement Zentriolen für die Vervielfältigung? Eine einfache Hypothese ist, dass die Zentriol-Anbindung eine weitere Zentriol-Zusammensetzung unterdrückt, indem am Ursprung eine oder mehrere Aktivitäten abgesondert werden, die für die Zentriol-Duplikation geschwindigkeitsbestimmend sind, wie z. B. PLK4. Das Lösen würde entweder diese Ursprungsmarkierung auf der Mutterzentriole löschen oder ihre Wiederverwendung ermöglichen, wodurch die Bildung einer neuen Zentriole ermöglicht wird. In Übereinstimmung mit dieser Hypothese hat Loncarek et al. [93] zeigten, dass die Entfernung eines Prozentriols durch Laserablation die Initiierung eines weiteren Prozentriols auf dem Mutterzentriol ermöglicht. Warum initiiert das Procentriol nicht selbst während der S-Phase ein neues Zentriol? Wang et al. [94] zeigten, dass die PLK1-abhängige Modifikation von Tochter-Zentriolen während der frühen Mitose zusätzlich zur Ablösung erforderlich ist, um sie im nächsten Zellzyklus für die Zentriol-Duplikation kompetent zu machen, im Einklang mit früheren Berichten über eine PLK1-Erfordernis für die Reduplikation in der S-Phase [94]. 95].

Wir schlagen das Folgende als allgemeines Modell für die Kontrolle der Zentriol-Duplikation in Tierzellen vor. Beachten Sie, dass eine Zelle, beginnend mit der G1-Phase des Zellzyklus, ein Paar getrennter Zentriolen hat: das Mutter-Zentriol aus dem vorherigen Zellzyklus und das Tochter-Zentriol, das durch die Ablösung des Prozentriols von der Mutter am Ende der Mitose entsteht. Beide Zentriolen sind befähigt, zu duplizieren, und obwohl sie sich in anderer Hinsicht unterscheiden, sind sie in Bezug auf die Vervielfältigung gleich und werden im Folgenden der Einfachheit halber als "Mutter-Zentriol" bezeichnet.

(i) Beim G1/S-Übergang erwirbt das Mutter-Zentriol durch einen kooperativen Bindungs-/Positiv-Feedback-Mechanismus einen einzelnen Fokus von PLK4, wodurch ein Duplikationsursprung entsteht, der die Prozentriol-Bildung initiiert.

(ii) Das Mutter-Zentriol initiiert kein zweites Prozentriol, da PLK4 limitierend ist und die Kooperativität sicherstellt, dass alle freien PLK4 zum existierenden einzelnen Ursprung gehen. Das Procentriol initiiert kein Procentriol, da es von PLK1 nicht modifiziert ist und somit nicht kompetent ist, die Ursprungsproteine ​​zu rekrutieren.

(iii) Beim G2/M-Übergang macht die PLK1-Modifikation von Prozentriolen diese kompetent für die Rekrutierung von perizentriolären Materialproteinen, die an der Mikrotubuli-Nukleation und -Organisation beteiligt sind, wie z. B. γ-Tubulin [57,94]. Sobald dies geschieht, werden Zentriolen kompetent, Mikrotubuli-organisierende Zentren zu organisieren und im nächsten Zellzyklus zu duplizieren.

(iv) Bei der Mitose assoziieren die beiden Zentriolenpaare, die jeweils aus einem Mutter-Zentriol und einem engagierten Prozentriol bestehen, mit der mitotischen Spindel. Die Passage durch die Mitose lizenziert das Mutter-Centriol, indem das Procentriol gelöst wird, was die Bildung eines neuen Fokus oder die Wiederverwendung des alten ermöglicht, und lizenziert die Tochter durch PLK1-abhängige Modifikation. Somit sind im folgenden G1 beide Zentriolen, die von einer Zelle empfangen werden, für die Duplikation kompetent.

Wir stellen fest, dass eine eklatante Auslassung in diesem Modell darin besteht, dass der erste Schritt, die Bildung des Zentriol-Duplikationsursprungs am G1/S-Übergang, nur zu diesem Zeitpunkt erfolgt. Dabei könnte es sich um die Aktivität der CDK2-Kinase handeln, die beim G1/S-Übergang aktiviert wird. Es wurde gezeigt, dass CDK2 für die Zentriol-Duplikation in erforderlich ist Xenopus Eier [96,97] und Zentriol-Überduplikation in somatischen Zellen [98,99]. Die CDK2-Aktivität ist jedoch für die normale Zentriol-Duplikation (und für die Zellzyklus-Progression im Allgemeinen) in cyclischen Zellen entbehrlich [98,99] und für die PLK4-induzierte de novo-Zentriol-Bildung in Frosch-Ei-Extrakten [72]. Dies deutet darauf hin, dass es eine Redundanz in Cdks gibt, die G1/S-Ereignisse initiieren können – es gibt Hinweise darauf, dass Cdk4 an der Regulierung der Zentriol-Duplikation beteiligt ist [100] – und möglicherweise, dass die Anforderung für Cdk-Aktivität umgangen werden kann, indem der dieser Anforderung nachgeschaltete Pfad aktiviert wird . Andere Nicht-Cdk-Proteine ​​könnten das Timing der Zentriol-Duplikation regulieren, indem sie es an die Ereignisse der DNA-Replikation koppeln. Zum Beispiel hemmen die Replikationsproteine ​​MCM5 [101] und ORC1 [102,103] beide die Zentrosom-Reduplikation, offenbar durch Interaktion mit Cyclin A/CDK2 und Cyclin E/CDK2 am Zentrosom.

4. Spezifische Variationen der allgemeinen Vervielfältigungsmaschinerie

Das oben erwähnte Modell berücksichtigt die Kontrolle der Zentriolenzahl in den meisten somatischen cyclischen Tierzellen. Es gibt zwei Variationen zu diesem Thema der Zahlenkontrolle, die wir hier betrachten: Vielzilienzellen, die während der Differenzierung Hunderte von Zentriolen bilden, und Embryonen, bei denen Zentriolen nicht aus den Spermien stammen, die Zentriolen de novo erzeugen und die richtige Zentriolzahl erreichen müssen anschließend.

Mehrere Zentriolen bilden sich nahezu gleichzeitig in einigen spezialisierten Zelltypen, einschließlich der vielzilienartigen Epithelzellen bei Tieren und dem Flimmersperma von Landpflanzen. Obwohl die morphologischen Ereignisse der Zentriol-Duplikation in Zellen mit vielen Flimmerhärchen elektronenmikroskopisch gut beschrieben wurden [104–108], wurde der molekulare Weg, der diesen Ereignissen zugrunde liegt, erst kürzlich charakterisiert (Abbildung 2ein). In Multizilienzellen von Vertebraten, wie Trachealepithelzellen von Säugetieren [109], sind die meisten Gene für bekannte Zentriolkomponenten und Duplikationsfaktoren stark hochreguliert. PLK4 wird beispielsweise während der Differenzierung dieser Zellen mehr als 20-fach hochreguliert. Die transkriptionelle Hochregulation erklärt jedoch nicht alle Eigenschaften der Zentriol-Amplifikation in diesen Zellen. Obwohl sich einige Zentriolen um die bereits bestehenden Zentriolen herum bilden, ist die Mehrheit neben Deuterosomen angeordnet, einer Struktur, die nur für Zellen mit vielen Flimmerhärchen charakteristisch ist und keine morphologische Ähnlichkeit mit einem Zentriol hat. Angesichts der Tatsache, dass der Zentriol-Duplikationsweg in diesen Zellen weitgehend dieselben Komponenten verwendet wie cyclische Zellen [9], was ist das Besondere an Deuterosomen, dass sie in der Lage sind, den Zusammenbau mehrerer Zentriolen zu initiieren? Neuere Arbeiten zeigen, dass Zellen mit mehreren Flimmerhärchen spezifisch DEUP1/CCDC67 exprimieren, ein Paralog des Zyklenzell-Zentriolproteins CEP63, das wie CEP63 mit Centriol-Duplikationsproteinen interagiert [110-113]. DEUP1 lokalisiert sich in Deuterosomen und die Verarmung von DEUP1 verursacht den Verlust von Deuterosomen und eine stark reduzierte Zentriolzahl. CCDC78 ist ein weiteres Protein, das an Deuterosomen lokalisiert ist [114] und für den Zentriolaufbau wichtig ist.

Abbildung 2. Kontrolle der Zentriolzahl in spezialisierten Zelltypen. (ein) Mehrere Zentriolen in tierischen Multizilien-Epithelzellen. Einige Zentriolen bilden sich durch Initiation in einer Rosette um die Mutterzentriolen (1), aber die meisten bilden sich auf einem Deuterosom (2 und 3). Die Größe des Deuterosoms reicht von Zentriolgröße (2) bis zu viel größeren Ringen (3), es ist nicht klar, ob diese einen Reifungsweg der Struktur darstellen. Die Zentriolen werden von der Oberfläche befreit, auf der sie gewachsen sind, und wandern zur Zelloberfläche, um bewegliche Zilien zu nukleieren. (B) Mehrere Zentriolen in olfaktorischen sensorischen Zilien. Eine neuronale Zelle bildet etwa 10 Zentriolen, die am Ende des Dendritenfortsatzes sensorische Zilien kernen. In diesem Fall ist nicht bekannt, ob die Zentriolenbildung ausschließlich auf den Mutterzentriolen stattfindet oder ob der Deuterosom-Weg aufgerufen wird. (C) Mehrere Zentriolen in bewimperten Landpflanzen. Die Samenzellen einiger primitiver Pflanzen sind vielzilienförmig und stammen aus Zentriolen eines Blepharoplasten (dargestellt ohne umgebende Zelle). Der Blepharoplast besteht aus vielen radial angeordneten neunfach symmetrischen Zylindern, die dem Wagenrad ähneln. Der Blepharoplast vergrößert sich und zerfällt schließlich in viele Prozentriolen, die sich verlängern und schließlich Zilien auf der Oberfläche der Samenzelle bilden. (D) De-novo-Bildung und Segregation multipler Zentriolen während der Parthenogenese. Bei Insekten der Hymenoptera-Ordnung wird die parthenogenetische Entwicklung von der Bildung vieler Centrosomen de novo begleitet. Obwohl als Zentriolenpaare dargestellt, ist unklar, ob Zentrosomen in diesem Stadium einzelne oder gepaarte Zentriolen haben. Nur zwei der Zentrosomen assoziieren mit der mitotischen Spindel, während der Rest degeneriert, was zur Wiederherstellung der entsprechenden Anzahl von Zentriolen pro Kern führt. (Online-Version in Farbe.)

Wir schlagen vor, dass Zellen mit mehreren Flimmerhärchen die Fähigkeit erreichen, Hunderte von Zentriolen gleichzeitig zu bilden, durch eine Kombination aus einem Transkriptionsprogramm, das die Zentriolkomponenten massiv hochreguliert, und der Expression spezifischer Proteine, die den Duplikationsweg so modifizieren, dass er unabhängig vom Fortschreiten des Zellzyklus und von das Erfordernis, dass ein Zentriol der Ort der Vervielfältigung ist. Ein noch immer mysteriöser Aspekt der Zentriol-Assemblierung in Vielzilienzellen ist, ob die Anzahl der von Deuterosomen produzierten Zentriolen reguliert wird und wenn ja, wie. Dies könnte so einfach sein, dass die Zentriolzahl durch die Menge der limitierenden Zentriol-Assembly-Proteine ​​diktiert wird, könnte jedoch komplexer sein und den Duplikationsprozess mit dem apikalen Membranbereich und extrazellulären Hinweisen verknüpfen.

Es gibt andere Situationen, in denen sich mehrere Zentriolen bilden, und die Beziehung zwischen diesen und dem Deuterosom-Weg ist nicht klar. Ein Beispiel sind die olfaktorischen sensorischen Neuronen, die die wichtigsten Sinneszellen im olfaktorischen Epithel sind [115]. In diesen Neuronen erstrecken sich Dendriten in Richtung der Nasenhöhle und enden in einem Knoten mit 10–30 Zentriolen, von denen Zilien zur Epitheloberfläche ragen. Ultrastrukturelle Studien legten nahe, dass sich diese Zentriolen im Zellkörper nahezu gleichzeitig zusammensetzen und zum dendritischen Knauf wandern [116,117], aber ob die Zentriolen aus bereits bestehenden Zentriolen oder deuterosomähnlichen Strukturen nukleiert werden, ist nicht bekannt (Abbildung 2B). Ein weiteres Beispiel sind die vielzilienförmigen Samenzellen primitiver Landpflanzen [118-121]. Die Zentriolbildung während der Spermatogenese bei diesen Pflanzen ist durch das Auftreten einer großen Struktur, des Blepharoplasten, gekennzeichnet, die aus radial angeordneten neunfach symmetrischen Strukturen besteht (Abbildung 2C). Diese ähneln dem Wagenrad, das Procentriolen initiiert [120], was darauf hindeutet, dass diese Strukturen als Template für die Bildung von Procentriolen fungieren. Die Blepharoplasten zerfallen am Ende der Mitose und setzen Prozentriolen frei, die sich verlängern und reife Zentriolen bilden. Die Genomsequenzen einiger dieser Pflanzen wurden bestimmt, und einige der bekannten Zentriol-Duplikationsproteine ​​sind konserviert [20], was darauf hindeutet, dass der Blepharoplast eine alternative Manifestation derselben konservierten Zentriol-Duplikationsmaschinerie darstellt.

Die Kontrolle der Zentriolenzahl unterscheidet sich auch von der der somatischen Zyklen in Embryonen, bei denen die Zentriolen nicht aus den Spermien stammen. Bei den meisten Tieren hat die Samenzelle ein oder zwei Zentriolen, die bei der Befruchtung in die Eizelle eingeführt und dann dupliziert werden, wodurch der oben beschriebene Weg für den Zellzyklus eingeleitet wird. Bei einigen Organismen entwickelt sich der Embryo jedoch parthenogenetisch, ohne Spermien, daher müssen Zentriolen de novo gebildet werden und nach der Bildung muss die Anzahl kontrolliert werden. Bei Insekten der Hymenoptera-Ordnung beispielsweise bilden sich in den späten Stadien der Oogenese Hunderte von Zentriolen de novo [122,123] (Abbildung 2D). Diese Zentriolen rekrutieren dann perizentrioläres Material und bilden Mikrotubuli-Astern. Von diesen vielen Zentrosomen werden nur zwei mit dem weiblichen Vorkern assoziiert und bilden die mitotische Spindel, während andere degenerieren, wodurch das richtige Verhältnis von Zentriolen zu Kernen hergestellt wird. Diese Beobachtungen stimmen mit der wieder aufkommenden Ansicht überein, dass die mitotische Spindel sowohl für die Chromosomensegregation als auch für die Zentrosomensegregation wichtig ist [124]. In einem anderen Beispiel der De-novo-Zentriolbildung ist es weniger klar, wie die angemessene Anzahl von Zentriolen erreicht wird, jedoch wird ein alternativer Mechanismus um erhöht Naegleria, in der sich Zentriolen de novo bilden, beim Entwicklungsübergang von einer Amöbe zu einer Flagellaten unter Stressbedingungen [125,126]. Hier scheint es, dass nur die gewünschte Anzahl von Zentriolen (zwei) gebildet wird, was darauf hindeutet, dass die Anzahlkontrolle zum Zeitpunkt der Initiierung der De-novo-Zentriolbildung ausgeübt werden kann.

5. Abschließende Bemerkungen

In den letzten zehn Jahren wurden große Fortschritte bei der Definition der Protein-„Stückliste“ des Zentrosoms und bei der Identifizierung der Proteine ​​und Aktivitäten erzielt, die für die Zentriol-Duplikation erforderlich sind. Wie bei allen großen Problemen der Biologie verstehen wir jedoch viele der grundlegenden Eigenschaften dieser bemerkenswerten Organelle noch nicht. Wir haben uns entschieden, diesen Aufsatz auf die Betrachtung zu konzentrieren, wie die strukturellen Merkmale des Zentriols, die es als hochkonservierte Komponente eukaryontischer Zellen definieren, einmal pro Zellzyklus dupliziert werden könnten. Die Bedeutung des Wagenrads und seiner konstituierenden Proteine ​​für unser Verständnis der Ereignisse am Ursprung der Zentriol-Duplikation, die an anderer Stelle in diesem Band besprochen werden, veranschaulicht die entscheidende Bedeutung der Beziehung zwischen Struktur und Funktion im Zentriol. Mehr Studien kombinieren in vitro Rekonstitution und Strukturanalyse werden erforderlich sein, um den Mechanismus der Zentrosomenanordnung zu untersuchen und zu bestimmen, welche Komponenten für den Prozess ausreichend sind, im Gegensatz zu den notwendigen, was durch genetische Manipulation einfacher zu bestimmen ist. Wir glauben, dass diese Fragen sowie diejenigen, die den Mechanismus der Kontrolle der Zentriolzahl betreffen, von der Betrachtung einiger der hier hervorgehobenen Spezialfälle profitieren werden, bei denen die Zentriolduplikation in differenzierten Zellen von Zellzyklusübergängen entkoppelt ist.


Deuterosom-Strukturen und -Komponenten

Die Deuterosomengröße variiert in verschiedenen Geweben und Spezies beträchtlich: zum Beispiel von 100–200 nm (Durchmesser) in Ratten- oder Maus-MTECs 8,19 bis zu mehr als 500 nm im Maus-Ovidukt 10 . Größere Deuterosomen sind in der Lage, mehr Procentriolen zu unterstützen. Da Deuterosomen in Transmissions-EM meist ringförmig aussehen, wurde vorgeschlagen, dass sie ungefähr kugelförmig sind und in der Lage sind, Zentriolen in alle Richtungen zu bilden 8,10 . Serielle ultradünne Abschnitte von MEPCs unterstützen diese Vorstellung 32 .

Die dreidimensionale Profilierung von Subbeugungsbildern von MTECs und MEPCs legt jedoch nahe, dass Deup1 und Cep152 in einer ringförmigen Konfiguration im Deuterosom angeordnet sind, wobei die Cep152-Signale die von Deup1 von außen einhüllen (Abbildung 2C) 19 . Eine solche Konfiguration ist topologisch analog zur Mutter-Centriol-Wiege. Nur die Enden des Deuterosoms erscheinen relativ amorph. In großen Deuterosomen wie denen von MEPCs können die Cep152-Signale beispielsweise mehrere „Löcher“ an jedem Ende aufweisen (Abbildung 2D). Procentriolen neigen dazu, an der Außenwand des Deuterosoms zusammengebaut zu werden, können aber auch an beiden Enden gefunden werden (Abbildung 2D) 19 .

Ob es zusätzliche Proteine ​​gibt, um die Außenwand aufzubauen, das Zentrum zu füllen oder die Enden des Deuterosoms zu bedecken, ist derzeit unbekannt. Ccdc78, ein Coiled-Coil-Domänen-enthaltendes Protein, wird als Deuterosom-spezifisches Protein beschrieben, das für die Zentriol-Amplifikation im Xenopus embryonale Epidermis 33 . Nichtsdestotrotz wurde Maus-Ccdc78, das entweder endogen oder exogen exprimiert wurde, auf Deup1-positiven Deuterosomen in unseren Händen nicht nachgewiesen, was die Möglichkeit nahelegt, dass Ccdc78 entweder eine Amphibien-spezifische Deuterosomenkomponente oder gar nicht sein könnte Bona Fide einer.


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Wie viele Zentriolen/Basalkörperchen befinden sich während des gesamten Zellzyklus in Vielzilienzellen? - Biologie

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Das Zentrosom, das sich im Zellzentrum befindet, ist das wichtigste Mikrotubuli-Organisationszentrum (MTOC) der Zelle. In der Interphase baut es Mikrotubuli zusammen, die dann mit ihren Minus-Enden am Zentrosom verankert werden. Da Mikrotubuli (MTs) das zelluläre Gerüst für die Positionierung von Zellorganellen bilden, ist das Zentrosom für die gesamte zelluläre Architektur wichtig. In mitotischen Zellen spielt das Zentrosom eine zentrale Rolle bei der Organisation der mitotischen Spindel, um die Chromosomen korrekt zu trennen. Aberrante Zentrosomen sind oft mit Aneuploidie und Tumorgenese verbunden. In tierischen Zellen besteht das Zentrosom aus einem Paar Zentriolen, die von perizentriolärem Material (PCM) umgeben sind. Intrinsische Proteine ​​des Zentrosoms sind meist durch ihre Coiled-Coil-Gesamtstruktur gekennzeichnet, ansonsten fehlen jedoch spezifische Domänen. Darüber hinaus zeigen viele Proteine ​​eine zellzyklusabhängige Assoziation mit dem Zentrosom, was zu der Annahme führt, dass das Zentrosom die Zellzyklusprogression orchestrieren könnte. In nicht-zyklischen Zellen wird das Zentrosom in den Basalkörper umgewandelt, um ein primäres Zilien zu erzeugen, eine zelluläre Organelle, die lange vernachlässigt wurde. Die Bedeutung primärer Zilien für die Signaltransduktion und Zellhomöostase ist heutzutage weithin anerkannt, wie die ständig wachsende Liste von Zilien-abhängigen Erkrankungen zeigt. Das Zentrosom ist somit in den meisten tierischen Zellen eine essentielle Organelle, die die Zellform, das Fortschreiten des Zellzyklus und die zelluläre Reaktion auf Umweltreize beeinflusst.

Einführung


Das Zentrosom ist ungefähr eine winzige Organelle

1-2 µm im Durchmesser und zentral in Tierzellen positioniert. Es besteht aus zwei orthogonal angeordneten Zentriolen, die in ein elektronendichtes Netz eingebettet sind, das als perizentrioläre Matrix (PCM) bezeichnet wird (Übersicht in: Kellogg et al., 1994 Stearns und Winey, 1997 Urbani und Stearns, 1999 Zimmerman et al., 1999 Bornens, 2002) (Abb. 1). Zentriolen sind auf Mikrotubuli basierende Organellen, meist mit einer charakteristischen radialen Anordnung von neun Mikrotubuli (MT)-Tripletts. Sie sind normalerweise etwa 0,5 µm lang und haben einen Durchmesser von 0,2 µm. Beide Zentriolen eines typischen Zentrosoms unterscheiden sich in Alter (siehe unten) und Struktur und sind durch miteinander verbundene Fasern verbunden. Die ältere Zentriole, auch reife oder Mutterzentriole genannt, ist durch distale und subdistale Anhängsel gekennzeichnet. Subdistale Anhängsel funktionieren durch die Verankerung von Mikrotubuli, während distale Anhängsel an der Verankerung des Zentriols/Basalkörpers an der Zellmembran beteiligt zu sein scheinen (Übersicht in: Hoyer-Fender, 2010).

Das PCM besteht aus einer Vielzahl von Proteinen, die eine charakteristische Coiled-Coil-Struktur aufweisen. Obwohl das perizentrioläre Material seit langem als "amorphe Wolke aus elektronendichtem Material" beschrieben wurde, können zentrosomale Coiled-Coil-Proteine ​​ein Gitter bilden, das als Plattform dient, an die regulatorische Proteine ​​binden können (Übersicht in: Fry und Hames, 2004). Ein integrales Coiled-Coil-Protein des PCM ist zB Pericentrin/Kendrin, das eine Rolle bei der Zentrosom- und Spindelorganisation spielt und einen Komplex mit γ-Tubulin bildet (Dictenberg et al., 1998 Doxsey et al., 1994 Li et al. , 2000 Flory et al., 2000 Flory und Davis, 2003). Einige andere Coiled-Coil-Proteine ​​sind z.B. Ninein, Cep135, Centriolin, CG-NAP/AKAP350/AKAP450 und ODF2/Cenexin (Bouckson-Castaing et al., 1996 Lange und Gull, 1995 Takahashi et al., 1999 Takahashi et al., 2002 Schmidt et al., 1999 Ohta et al., 2002 Gromley et al., 2003 Donkor et al., 2004). Ninein kann bei der Mikrotubuli-Minus-End-Capping und -Verankerung wirken und die Mikrotubuli-Nukleation durch Andocken des &gamma-Tubulin-Ringkomplexes (&gamma-TuRC) an das Zentrosom fördern (Mogensen et al., 2000 Delgehyr et al., 2005). Cep135 ist ein universeller Bestandteil des Zentrosoms in einer Vielzahl von Organismen und wichtig für die MT-Organisation (Ohta et al., 2002). Die Organisation zentrosomaler Mikrotubuli scheint außerdem von der Transformation von sauren Coiled-Coil (TACC)-Proteinen abhängig zu sein, einer Familie von Proteinen, die sich über eine konservierte carboxyterminale Domäne mit Coiled-Coil, die TACC-Domäne genannt wird, zu Zentrosomen konzentrieren (Gergely et al., 2000a Gergely et al., 2000b Lee et al., 2001). Centriolin lokalisiert sich am mütterlichen Centriol und wirkt sowohl bei der Zytokinese als auch bei der Zellzyklusprogression (Gromley et al., 2003). ODF2/Cenexin ist ein Marker des reifen Zentriols und essentiell für die Bildung primärer Zilien (Nakagawa et al., 2001 Ishikawa et al., 2005).

In der Interphase-Zelle fungiert das Zentrosom als das wichtigste Mikrotubuli-Organisierungszentrum (MTOC), um Mikrotubuli (MTs) zu nukleieren und zu verankern. Mikrotubuli werden aus löslichen Tubulin-Untereinheiten aufgebaut und sind wichtig für die Aufrechterhaltung der Zellmorphologie und der Position von Organellen. Während die Zentriolen eher als Gerüst für den Aufbau des perizentriolären Materials fungieren können, hängt die MT-Keimbildungs- und Verankerungskapazität von Zentrosomen von Komponenten des PCM ab. MT sind an ihren Minus-Enden durch den &gamma-Tubulin-Ringkomplex (&gamma-TuRC) im PCM verankert (Moritz et al., 1995a Moritz et al., 1995b Wiese und Zheng, 2000). Der &gamma-Tubulin-Ringkomplex (&gamma-TuRC) besteht aus &gamma-Tubulin und einigen assoziierten Proteinen (Moritz et al., 1998 Murphy et al., 1998 Tassin et al., 1998 Oegema et al., 1999 Fava et al ., 1999 Murphy et al., 2001). &gamma-Tubulin ist essentiell für die MT-Nukleation, wie durch Depletionsexperimente gezeigt wurde (Raynaud-Messina et al., 2004). &gamma-Tubulin bindet an die Minus-Enden von MTs und verhindert, dass sie das Minus-Ende-Wachstum abdecken (Li und Joshi, 1995, Leguy et al., 2000). Obwohl in tierischen Zellen die meisten MTs aus Zentrosomen nukleieren, wird der Großteil des löslichen &gamma-Tubulins im Zytoplasma gefunden (etwa 80% im Gegensatz zu nur 20% am Zentrosom), jedoch ohne signifikante MT-Kernbildungsaktivität (Moudjou et al. , 1996). Zu Beginn der Mitose wird, einhergehend mit einer Zunahme der MT-Nukleationsaktivität, zusätzliches &gamma-Tubulin an das Zentrosom sowie zahlreiche regulatorische Proteine ​​rekrutiert (Übersicht in: Schiebel, 2000). Diese strukturelle Reorganisation von Zentrosomen bei der Vorbereitung der Mitose wird als Reifung bezeichnet und Proteinkinasen sowie Phosphatasen sind an ihrer Regulation beteiligt (Übersicht in: Meraldi und Nigg, 2002).

Neben intrinsischen zentrosomalen Komponenten ist das Zentrosom eine Plattform für die Bindung vieler verschiedener Proteine ​​und Enzyme, also Proteinkinasen und Phosphatasen, die mit ihren Substraten und vorgeschalteten Regulatoren in Kontakt gebracht werden. Daher spielt das Zentrosom eine wichtige Rolle bei der Orchestrierung der Zellzyklusprogression (Übersicht in: Fry und Hames, 2004).

Abb. 1 Schematische Darstellung eines typischen Säuger-Zentrosoms, bestehend aus Mutter- und Tochter-Zentriol, umgeben von der perizentriolären Matrix (PCM). Die Mutterzentriole enthält distale und subdistale Anhängsel (nicht alle sind gezeigt) und beide Zentriolen sind durch miteinander verbundene Fasern verbunden. Im PCM, &Gamma-TuRCs sind lokalisiert, die MT-Minus-Enden verankern.

Bei der Mitose werden die beiden Pole der bipolaren mitotischen Spindel durch zwei Zentrosomen gebildet, die während des vorherigen Zellzyklus gebildet werden. Da Zentrosomen die Spindelpole bilden, kann das Vorhandensein von mehr als zwei Zentrosomen in einer einzelnen Zelle die Bildung der bipolaren Spindel beeinflussen, was schließlich zu multipolaren Spindeln und einer ungleichen Verteilung der Chromosomen führt. Die Duplikation von Zentrosomen muss daher auf einmal pro Zellzyklus beschränkt werden. Der Zentrosomenteilungszyklus beginnt in der G1-S-Phase und am Ende von G2 hat jede Zelle zwei Zentrosomen, von denen jedes zwei Zentriolen umfasst, die von ihrem eigenen PCM umgeben sind (Übersicht in: Kochanski und Borisy, 1990 Delattre und Gönczy, 2004 Tsou und Stearns , 2006a Nigg, 2007 Azimzadeh und Bornens, 2007 Bettencourt-Dias und Glover, 2009). Die Mitose trennt dann die beiden Zentrosomen in die beiden Tochterzellen. Jede Tochterzelle erhält daher ein Zentrosom. Die Duplikation von Zentrosomen beginnt mit der Trennung der beiden ansonsten eng gegenüberliegenden ("engagierten") Zentriolen. Obwohl beide Zentriolen immer noch über Fasern verbunden sind, könnte eine Trennung eine nachfolgende Duplizierung im nächsten Zellzyklus ermöglichen (Tsou und Stearns, 2006b). Beide Zentriolen bilden dann in senkrechter Ausrichtung an ihren proximalen Enden ein neues Tochterzentriol. Die Zentriol-Duplikation beginnt gleichzeitig mit der Initiation der DNA-Synthese. Während der Phasen S bis G2 verlängern sich die Prozentriolen zu Tochterzentriolen voller Länge. Schließlich baut jedes neu gebildete Zentriolenpaar sein eigenes PCM zusammen. Am Ende von G2 sind zwei Zentrosomen in der Zelle vorhanden, die sich schließlich trennen, um während der Mitose die Spindelpole aufzubauen. Die Mitose verteilt dann jedes der beiden Zentrosomen auf eine Tochterzelle. Daher erhält eine Tochterzelle das ursprüngliche Mutter-Zentriol, das mit einem während des letzten Zellzyklus erzeugten Tochter-Zentriol assoziiert ist, während die andere Tochterzelle das ursprüngliche Tochter-Zentriol erhalten hat, das mit einem während des letzten Zellzyklus erzeugten neuen Zentriol assoziiert ist. Die ursprüngliche Tochterzentriole reift dann durch Bildung von Anhängseln zu einer Mutterzentriole heran. Schließlich enthält jede neue Tochterzelle ein Zentrosom, das aus einem Mutter- und einem Tochterzentriol besteht (Abb. 2).

Abb. 2 Kanonischer Zentrosom-Duplikationszyklus somatischer Zellen. Zentriol-Deaktivierung in der G1-Phase lizenziert Zentriolen für die Vervielfältigung. Die Centriolen-Duplikation beginnt in der S-Phase gleichzeitig mit der DNA-Replikation durch die Bildung von Procentriolen. Während der G2-Phase verlängern sich die Prozentriolen zu Tochterzentriolen voller Länge und jedes Zentriolpaar baut sein eigenes PCM zusammen. Zentrosomen werden dann getrennt, um die Pole der bipolaren mitotischen Spindel in der Mitose aufzubauen.

Die Duplikation der Zentriolen beginnt am G1/S-Übergang mit dem Auftreten einer Prozentriole am proximalen Ende jeder Elternzentriole. Procentriolen organisieren sich um ein Rad, und Mikrotubuli werden durch &gamma-TuRC-ähnliche Strukturen gebildet. Die Zentriolduplikation hängt daher von der Anwesenheit von &gamma-Tubulin und von NEDD1 ab, das &gamma-TuRCs an das Zentrosom rekrutiert (Haren et al., 2006 Guichard et al., 2010).Während der S- bis G2-Phasen des Zellzyklus wird γ-Tubulin für den Abbau durch BRCA1-vermittelte Ubiquitinylierung bestimmt, wodurch die Zentrosom-Reduplikation blockiert wird (Kasi und Parvin, 2008, Übersicht in: Parvin, 2009). Die anfänglichen Schritte der Prozentriol-Assemblierung sind zusätzlich von mehreren anderen Proteinen abhängig. Ein intrinsisches zentrioläres Protein ist Centrin-2. Centrine sind kleine Ca 2+ -bindende Proteine ​​der Calmodulin-Superfamilie. Sie sind in der Evolution hochkonserviert und werden für die Zentrosomenduplikation im eukaryotischen Königreich benötigt. In HeLa-Zellen verhindert die RNAi-vermittelte Inaktivierung von Centrin-2 die Bildung von Tochter-Centriolen (Salisbury et al., 2002). Sas-6, Cep135, Sas-4 (CPAP beim Menschen), Cep152, CP110 und Geminin sind ebenfalls essentiell für die Zentriol-Duplikation sowie eine Reihe von Kinasen, wie die Polo-ähnlichen Kinasen Plk1 und Plk2, Cyclin-abhängige Kinase 2 (Cdk2)/Cyclin A/E und Mps1 und die Phosphatase Cdc14B (Lacey et al., 1999 Meraldi et al., 1999 Chen et al., 2002 Fisk et al., 2003 Warnke et al., 2004 Leidel et al al., 2005 Tachibana et al., 2005 Dammermann et al., 2008 Wu et al., 2008 Tsou et al., 2009 Lu et al., 2009 besprochen in: Sillibourne und Bornens, 2010 Pike und Fisk, 2011). Plk2 wird in der Nähe des G1/S-Phasenübergangs aktiviert und reguliert die Zentriol-Duplikation durch Phosphorylierung von NPM/B23 (Nucleophosmin) und CPAP (Krause und Hoffmann, 2010 Chang et al., 2010). Der Hauptregulator der Zentriol-Duplikation ist jedoch die Proteinkinase Plk4/SAK (Habedanck et al., 2005). Plk4 gehört zur Familie der Polo-ähnlichen Kinase und ist an Zentrosomen lokalisiert. Die Verarmung von Plk4 beeinträchtigt die Zentriol-Duplikation, während die Überexpression von Plk4 zur Bildung mehrerer Tochter-Zentriolen in einer einzelnen Zelle führt. Darüber hinaus ist der richtige Plk4-Spiegel für die Zytokinese unerlässlich. Durch die Regulierung der Lokalisation von Sas-6, einem konservierten Coiled-Coil-Protein, das für die Zentriol-Duplikation essentiell ist, kann Plk4 die Zentriol-Biogenese beeinflussen (Übersicht in: Pearson und Winey, 2010). Andererseits wird Plk4 selbst von Cep152 zusammen mit CPAP an das Zentrosom rekrutiert (Cizmecioglu et al., 2010). In vitro, Cep152 kann durch Plk4 phosphoryliert werden (Hatch et al., 2010). Plk4 reguliert das F-Box-Protein FBXW5 durch Phosphorylierung negativ, um die Ubiquitylierung von Sas-6 zu unterdrücken. Die Depletion von FBXW5 führt zu einer Zentrosom-Überduplikation (Puklowski et al., 2011). Diese Ergebnisse zeigen, dass Phosphorylierung und kontrollierter Proteinabbau wichtige Regulatoren der Zentriol-Duplikation sind.

Obwohl die Zentriol-Duplikation typischerweise mit der DNA-Replikation gekoppelt ist, gibt es einige wichtige Ausnahmen: Die Entkopplung der Zentriol-Duplikation von der DNA-Replikation scheint während der meiotischen Prophase in der männlichen Gametogenese und nach der Befruchtung aufzutreten (siehe unten). Sowohl primäre Spermatozyten als auch sekundäre Spermatozyten haben zwei Zentriolen in jedem Zentrosom. Das gleiche gilt für Spermatiden, die Produkte der meiotischen Teilung. Jeder sekundäre Spermatocyt (mit einem Zentriolenpaar) erzeugt während der Meiose II zwei Spermatiden (ebenfalls mit einem Zentriolenpaar pro Zelle). Die Zentrosomenduplikation muss daher vor Meiose I stattfinden, höchstwahrscheinlich gleichzeitig mit dem letzten DNA-Replikationsschritt, und zusätzlich vor Meiose II, trotz fehlender DNA-Replikation, um eine korrekte Zentrosomensegregation zu gewährleisten. Bei der Befruchtung trägt das Sperma der meisten Säugetiere ein Zentriol zur acentriolaren Eizelle bei. Das einzelne väterlicherseits beigetragene Zentriol muss daher trotz fehlender DNA-Replikation vor der ersten Mitose in Zygoten einmal dupliziert werden, um insgesamt vier Zentriolen in zwei Zentrosomen zu erzeugen.

Das Zentrosom ist eine dynamische Struktur, die sich synchron mit dem Zellzyklus in Größe und Proteinzusammensetzung ändert. Da Zentrosomen nicht von einer Membran umgeben sind, wird die Definition echter zentrosomaler Komponenten erschwert. Zentrosomale Proteine ​​können daher grob in drei Gruppen eingeteilt werden: 1. Zentrioläre Proteine, die den Zentriolen intrinsisch sind, wie z.B. &alpha- und &beta-Tubulin, oder permanent mit Zentriolen assoziiert 2. intrinsische Proteine ​​des PCM, wie z.B. &gamma-Tubulin und Anpericentrind 3. Proteine, die vorübergehend mit dem Zentrosom assoziiert sind, wie z.B. Kinasen. Etwa 500 verschiedene Proteine ​​wurden durch proteomische Studien mit dem Zentrosom von Körperzellen in Verbindung gebracht (Andersen et al., 2003). Allerdings können nicht alle von ihnen echte zentrosomale Proteine ​​sein, sondern koisolierte Moleküle, die das Zentrosom als Andockplattform verwenden. Da die meisten Studien an somatischen Zellen in Kultur durchgeführt wurden, ist es weitgehend unbekannt, ob sich Zentrosomen von Körperzellen von denen von Stammzellen unterscheiden, weder in ihrer Gesamtorganisation noch in ihrer Proteinzusammensetzung. Diese Einschränkungen werden hauptsächlich auf die Schwierigkeiten bei der Identifizierung und Handhabung von Stammzellen zurückgeführt. Da die wichtigste Stammzelle in der Entwicklung aus der Verschmelzung männlicher und weiblicher Gameten besteht, haben die Zentrosomen von Gameten, Zygoten und frühen Entwicklungsstadien große Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Diese Übersicht konzentriert sich auf das Zentrosom von Keimzellen, Zygoten und Stammzellen bei Säugetieren und befasst sich mit Zentrosomenaberrationen bei Krebs.

1. Zentrosomen in Keimzellen


Duplikation und Segregation von Zentrosomen basieren auf zellzyklusabhängiger konservativer Replikation von Zentriolen und semikonservativer Segregation während der Zellteilung, um eine gleichmäßige Verteilung der Zentrosomen auf Tochterzellen zu gewährleisten. Jede mitotisch cyclische Zelle umfasst somit ein und nur ein Zentrosom. Um die richtige Zentrosomenzahl in jeder Zelle des Körpers auch während aufeinanderfolgender Generationen zu gewährleisten, müssen die Zentrosomen während der Gametogenese in Analogie zur Verringerung des DNA-Gehalts reduziert werden. Somit stellt die Fusion von männlichen und weiblichen Gameten nicht nur den diploiden DNA-Gehalt, sondern auch das Zentrosom wieder her.
Es war Theodor Boveri, der 1901 die Theorie der einparentalen Verteilung des Zentrosoms einführte, indem er erkannte, dass die Eizelle während der Oogenese typischerweise das Zentrosom verliert, während das Spermium diese Struktur typischerweise bei der Befruchtung einführt (Boveri 1901). Die Zentrosomenreduktion erfolgt daher bei Männern und Frauen unterschiedlich.
Seitdem ist das Bild jedoch durch das Aufkommen noch ausgefeilterer Methoden und Erkennungsfähigkeiten viel komplizierter geworden (umfassend überprüft von Schatten, 1994, Manandhar et al., 2005, Schatten und Sun, 2010). Obwohl die meisten Tiere das typische Muster des väterlichen Beitrags des Zentrosoms aufweisen, gibt es bemerkenswerte Ausnahmen. Die Untersuchung von Mikrotubuli-Mustern während der Befruchtung bei der Maus und später Studien mit zentrosomalen Antikörpern zeigten, dass die Spermien kein Zentrosom enthalten (Schatten et al., 1985 Schatten et al., 1986). Bei Mäusen und anderen Nagetieren scheint das Zentrosom, das weitgehend durch seine Mikrotubuli-Polymerisationsaktivität definiert wird, daher maternal vererbt zu werden (Übersicht in: Schatten et al., 1991).

Das Zentrosom reifer Spermatozoen
In frühen Stadien postmeiotischer männlicher Keimzellen wird das Zentrosom in einen Basalkörper umgewandelt, um das Spermiengeißel zu erzeugen. Normalerweise fungiert das distale Zentriol, das senkrecht zur Membran ausgerichtet ist, als Basalkörper, aus dem das Axonem hervorgeht. Die proximale Zentriole ist orthogonal ausgerichtet, aber eng mit der distalen Zentriole verbunden. Die proximale Centriole organisiert die Anlage des Kapitulums, die später mit der Implantationsgrube des Spermienkerns artikuliert. Das distale Ende des proximalen Zentriols polymerisiert zusätzlich das Zentrioladjunkt, eine temporäre Struktur, die bei reifen Spermatozoen nicht mehr zu finden ist. Sowohl das distale als auch das proximale Zentriol sind an der Montage der gestreiften Säulen des Verbindungsstücks beteiligt (Übersicht in: Fawcett, 1981). Später während der Spermiogenese zerfällt die distale Zentriole, die früher das Auswachsen des Spermiengeißels eingeleitet hat, und ist im reifen Spermatozoon nicht mehr vorhanden, während die proximale Zentriole normalerweise bestehen bleibt (Abb. 3).

Abb. 3 Zentriolen in sich verlängernden Spermatiden und reifen Spermatozoen der meisten Säugetiere einschließlich des Menschen. Bei sich verlängernden Spermatiden sind sowohl proximale als auch distale Zentriolen vorhanden. Das distale Zentriol dient beim Aufbau des Spermienschwanzes. Bei reifen Spermatozoen ist die distale Zentriole degeneriert und nicht mehr erkennbar.

Der Zerfall nur des distalen Zentriols in reifen Spermatozoen ist typisch für die meisten Säugetiere, einschließlich Menschen und Rhesusaffen (Manandhar et al., 2000). Daher wird bei diesen Arten das Zentriol des prospektiven zygotischen Zentrosoms bei der Befruchtung väterlicherseits vererbt. Die väterliche Vererbung der zentriolären Komponente wurde für den Menschen (Sathananthan et al., 1991, Simerly et al., 1995), Schaf (Le Guen und Crozet, 1989, Crozet, 1990), Schwein (Szølløumlsi und Hunter, 1973) und Kuh ( Sathananthan et al., 1997 Long et al., 1993 Navara et al., 1994). Obwohl Zentriolen in reifen Spermatozoen vorhanden sind, scheinen Zusammensetzung und Zugänglichkeit zentrosomaler Proteine ​​verändert zu sein. Centrin und γ-Tubulin werden sowohl in menschlichen als auch in reifen Spermatozoen von Rindern gefunden. &gamma-Tubulin ist jedoch in den reifen Spermatozoen weitgehend unzugänglich in vitro bis nach Disulfidbindungsreduktion. Es wird daher angenommen, dass das Spermienzentrosom durch die reduzierende Umgebung im Zytoplasma der Säuger-Oocyte geprimt werden muss, um in ein aktives Zentrosom umgewandelt zu werden. Da &gamma-Tubulin nicht nur in der Eizelle vorhanden ist, sondern bei der Befruchtung auch von den Spermien eingebracht wird, wird es biparental vererbt (Simerly et al., 1999). Bemerkenswerterweise zeigte die Anti-Centrin-Färbung von humanen und reifen Spermatozoen von Bullen zwei benachbarte immunreaktive Flecken an der Basis des Spermienkopfes, die trotz der Degeneration des distalen Zentriols an zwei benachbarte Zentriolen erinnern. Immun-EM-Studien zeigten jedoch nur die Dekoration des verbleibenden proximalen Zentriols (Simerly et al., 1999). Diese Ergebnisse legen nahe, dass das Fehlen einer ausgeprägten zentriolären Struktur nicht bedeutet, dass auch alle zentrosomalen Komponenten fehlen. Die reifen Spermien können dennoch einige zentrosomale Komponenten behalten, die bei der Befruchtung auf die Eizelle übertragen werden, um die Rekonstitution des zygotischen Zentrosoms zu ermöglichen.

Im Gegensatz zu den meisten Säugetieren (einschließlich des Menschen) degenerieren sowohl die distalen als auch die proximalen Zentriolen während der Spermiogenese bei Mäusen und anderen Nagetieren. Darüber hinaus sind Mausspermien frei von zentralen zentrosomalen Komponenten und haben keine Mikrotubuli-Nukleationskapazität mehr. Die MT-Kernbildungskapazität kann durch die Bildung einer Monastralaster neben dem eingebauten Spermienkern in befruchteten Eizellen überwacht werden (Schatten et al., 1986). Der Verlust wichtiger PCM-Proteine ​​und die Degeneration von Zentriolen sind aufeinander folgende Ereignisse. Runde Spermatiden sowie verlängerte Spermatiden weisen distale und proximale Zentriolen zusammen mit &gamma-Tubulin- und Centrin-haltigen Herden auf. In sich verlängernden Spermatiden findet man &gamma-Tubulin hauptsächlich um das zentriolare Adjunkt herum, das Mikrotubuli nukleiert. Zum Zeitpunkt der Spermien geht &gamma-Tubulin aus der Halsregion verloren und wird zusammen mit dem Restkörper ausgeschieden. Das distale Zentriol zerfällt während des Hodenstadiums und das proximale Zentriol degeneriert im Nebenhoden. Reife Mäusesperma enthält weder Centriolen noch γ-Tubulin oder Centrin (Manandhar et al., 1998, Manandhar et al., 1999). Die partielle versus vollständige Degeneration von Centriolen und assoziierten zentrosomalen Proteinen in menschlichen bzw. Maus-Spermatozoen wird auch durch die speziesspezifische Verteilung zentrosomaler Proteine ​​unterstützt (z. B. TSKS, Substrat der testisspezifischen Serinkinasen 1 und 2 Xu et al., 2008 ).

Die richtige Funktion des Zentrosoms ist von entscheidender Bedeutung für die Vereinigung männlicher und weiblicher Vorkerne nach der Befruchtung und der weiteren Entwicklung. Bei den meisten Tieren organisiert das Zentrosom des Spermatozoons die Spermienaster, die während der Befruchtung die elterlichen Genome zusammenführt. Eine unsachgemäße zentrosomale Vererbung oder Dysfunktion des Spermienzentriols könnte mit Spaltungsunregelmäßigkeiten der befruchteten Eizelle und einer abnormalen Embryonalentwicklung verbunden sein, wodurch Zentrosomen mit Unfruchtbarkeit in Verbindung gebracht werden (Simerly et al., 1995 Palermo et al., 1997 Nagy, 2000 Chatzimeletiou et al., 2008 besprochen in: Schatten und Sun, 2009a). Bei Bullen wurde gezeigt, dass natürlich vorkommende Variationen in ihren Zentrosomen mit dem Fortpflanzungserfolg korrelieren (Navara et al., 1996). Ebenso könnte eine Zentrosomendysfunktion für eine geringe Effizienz beim Klonen von Säugetieren durch somatischen Zellkerntransfer (SCNT) verantwortlich sein und könnte sogar den Erfolg der intrazytoplasmatischen Spermieninjektion (ICSI) bei Techniken der assistierten Reproduktion beeinflussen (Chemes et al., 1999 Zhong et al.) ., 2005 Dai et al., 2006 Zhong et al., 2007 Terada, 2007).

Das Zentrosom während der Oogenese und in Eizellen
Oogonien und Oozyten bis zum Pachytänstadium von Hamstern, Mäusen, Ratten, Rennmäusen und Menschen enthalten Zentriolen, aber in nachfolgenden meiotischen Stadien fehlen Zentriolen. Zum Zeitpunkt des Zerfalls der Keimbläschen konzentriert sich die Mikrotubuli-Polymerisation auf mehrere elektronendichte Aggregate innerhalb des Ooplasmas (Szöllösi et al., 1972 Sathananthan et al., 2006). Reife Eizellen von Kaninchen, Kühen und Schafen sind ebenfalls frei von Zentriolen (Sathananthan et al., 1997 Crozet et al., 2000). Wie jedoch durch Immunlokalisierungsstudien hauptsächlich während der Maus-Oogenese gezeigt wurde, werden PCM-Proteine, einschließlich &gamma-Tubulin, Pericentrin und NuMA, während der meiotischen Stadien nicht eliminiert, sondern zeigen eine dynamische Umverteilung. NuMA ist ein nukleäres Matrixprotein, das eine wichtige Rolle bei der Etablierung und Aufrechterhaltung des bipolaren Spindelapparates spielt (Maro et al., 1985 Gueth-Halonet et al., 1993 Calarco, 2000 Carabatsos et al., 2000 Lee et al., 2000 Can et al., 2003 Meng et al., 2004 Tang et al., 2004 Sedo et al., 2011). Die 4-D-Bildgebung in lebenden reifenden Maus-Oozyten zeigte, dass zahlreiche acentrosomale MTOCs sich im Ooplasma ausbreiten und sich dann zu einer funktionellen acentrosomalen meiotischen Spindel zusammenfügen (Schuh und Ellenberg, 2007). Somit wird zentrosomales Material in der Eizelle gespeichert, wenn auch irgendwie unfokussiert, das dann nach der Befruchtung von den Spermien angezogen wird, um ein funktionsfähiges Zentrosom zu erzeugen. Studien zur Asterbildung bei der Kuh legten nahe, dass das nach der Befruchtung erzeugte Zentrosom eine Mischung aus väterlichen und mütterlichen Komponenten ist (Navara et al., 1994).

2. Das Zentrosom während der frühen Entwicklung


Beim Menschen trägt das Sperma bei der Befruchtung das proximale Zentriol und das Mittelstück des Spermienschwanzes zur acentriolaren Eizelle bei. Das proximale Zentriol und das Spermienmittelstück sind eng mit dem dekondensierenden Spermienkern verbunden, der sich allmählich zu einem männlichen Vorkern entwickelt. Kurz nach der Spermieninkorporation in die Eizelle wird aus der proximalen Zentriole eine Spermienaster gebildet. Die Aster besteht aus Mikrotubuli, die für die Apposition der männlichen und weiblichen Vorkerne erforderlich sind - eine wesentliche Voraussetzung für die Verschmelzung väterlicher und mütterlicher Genome und eine erfolgreiche Befruchtung. In der Prometaphase, wenn männliche und weibliche Vorkerne zerfallen, wird das Zentrosom getrennt, um die beiden Pole der mitotischen Spindel zu bilden. Die Transmissionselektronenmikroskopie zeigte einzelne oder doppelte Zentriolen innerhalb von Zentrosomen an einem Pol der ersten Spaltspindel (Sathananthan et al., 1991). Wahrscheinlich aufgrund der Schwierigkeiten, beide Zentriolen eines Zentrosoms oder sogar beide Zentrosomen in der gleichen Schnittebene im voluminösen Ooplasma zu sammeln, werden Doppelzentriolen nicht an jedem Pol der ersten Spaltspindel gefunden. Danach findet man jedoch in jedem Stadium der frühen Embryonalentwicklung Zentriolen (Sathananthan et al., 1996 Sathananthan, 1997).
Beim Rind werden Centriolen ebenfalls väterlicherseits vererbt und organisieren nach der Befruchtung die Spermienaster (Sathananthan et al., 1997). Zygoten von Menschen, Schafen und Kühen weisen daher bei der ersten Mitose Zentriolen an den Spindelpolen auf, obwohl umfangreiche elektronenmikroskopische Untersuchungen bei der ersten Spaltung menschlicher Zygoten nicht in allen Spindelpolen Duplex-Zentriolen gefunden haben (Sathananthan et al., 1991 Sathananthan et al ., 1996 Santhananthan et al., 1997 Le Guen und Crozet, 1989). Bei Schafzygoten besitzt die erste Spaltspindel zwei Zentriolen an einem Pol und nur ein Zentriol am anderen Pol, wahrscheinlich aufgrund von Schwierigkeiten, alle Zentriolen auf derselben Schnittebene zu sammeln (Crozet et al., 2000). In embryonalen Zellen im späten Stadium werden jedoch ausnahmslos in allen Zellen zentriolare Duplexe gefunden (Sathananthan, 1997).
Die väterlichen zentrosomalen Bestandteile der reifen menschlichen und bovinen Spermien unterliegen der Phosphorylierung in vitro nach Exposition gegenüber X. laevis zellfreie Eiextrakte sowie in vivo nach Oozytenpenetration, wie durch den Phosphoprotein-spezifischen Antikörper MPM-2 sichtbar gemacht wurde (Simerly et al., 1999). Dies deutete darauf hin, dass väterliche zentrosomale Proteine ​​posttranslational nach Exposition gegenüber Ooplasma bei der Befruchtung intensiv modifiziert werden könnten. Nach der Befruchtung rekrutiert das Spermienzentrosom &gamma-Tubulin aus dem Ooplasma, was zu einer Ansammlung von hauptsächlich mütterlichem &gamma-Tubulin am zygotischen Zentrosom führt (Simerly et al., 1999 Shin und Kim, 2003).

Reife Eizellen sind frei von Zentriolen, enthalten jedoch PCM-Proteine. Darüber hinaus trägt bei Mäusen und anderen Nagetieren das Sperma bei der Befruchtung kein Zentriol zur Eizelle bei. Die Mikrotubuli werden daher nach der Befruchtung durch in der Eizelle gespeicherte Komponenten organisiert, nicht aber durch den eingebauten Spermienkern. Während der frühen Mausentwicklung finden wichtige Veränderungen in der Zusammensetzung und Struktur der MTOCs statt, die sich in der unterschiedlichen Anzahl der PCM-Herde sowie in ihrer Proteinzusammensetzung widerspiegeln (Gueth-Hallonet et al., 1993). Obwohl Mausembryonen im ersten und zweiten Spaltungsstadium keine Zentriolen aufweisen, entstehen Zentriolen während des Blastozystenstadiums durch de novo Synthese (Szöllllösi et al., 1972). De novo Die Bildung von Zentriolen wurde auch in parthenogenetisch aktivierten Kaninchen-Oozyten beobachtet (Szöllösi und Ozil, 1991). Centriolen-Vorläufer ähneln Deuterosomen, Zwischenstrukturen von de novo Bildung von Basalkörpern in Multizilienzellen oder Prozentriolen. Procentriolen-ähnliche Körper können zunächst solitäre Zentriolen bilden, die sich anschließend orthogonal replizieren, wie in parthenogenetisch aktivierten Seeigeleiern (Kallenbach und Mazia, 1982). Zentriolen mit der üblichen Morphologie konnten erst im 16-Zell-Stadium elektronenmikroskopisch gefunden werden (Szöllllö et al., 1972 Gueth-Hallonet et al., 1993). Diese Beobachtungen legen erneut nahe, dass Zentriolen für die Bildung bipolarer Spindeln bei Tieren nicht wesentlich sind und dass Zentriolen gebildet werden de novo im frühen Mausembryo.

Zusammenfassung: Von Keimzellen zu Zygoten
Bei Säugetieren (einschließlich des Menschen) wird während der Spermiogenese eine allmähliche Degeneration des Zentrosoms beobachtet. Der Verlust wichtiger PCM-Proteine ​​folgt dem Verlust der Mikrotubuli-Nukleationskapazität und führt schließlich zu einer teilweisen oder vollständigen Degeneration der Zentriolen. Bei den meisten Säugetieren (einschließlich des Menschen) behält das Sperma das proximale Zentriol, degeneriert jedoch das distale. Im Gegensatz dazu enthalten Oogonien ursprünglich ein Paar gut definierter Zentriolen, die während der Oogenese verloren gehen, was dazu führt, dass die reife Eizelle keine Zentriolen aufweist. PCM wird jedoch zurückbehalten, obwohl es im gesamten Zytoplasma der Eizelle verteilt ist. Wie bei den meisten Säugetieren weist die menschliche Oocyte kein granuläres zentrosomales Material an den meiotischen Spindelpolen auf, was einen bemerkenswerten Unterschied zu Maus-Oocyten mit einem dominanten mütterlichen Zentrosom darstellt. Bei der Befruchtung wird ein funktionsfähiges Zentrosom in der Zygote wiederhergestellt. Bei Mäusen und anderen Nagetieren, bei denen das Spermium kein Zentriol beisteuert, besteht das zygotische Zentrosom aus mütterlichem Material, während bei den meisten anderen Säugetieren (einschließlich des Menschen) das zygotische Zentrosom durch das proximale Zentriol, das vom Spermium und mütterlichem PCM abgegeben wird, wiederhergestellt wird Komponenten, die von den Spermien angezogen werden (Schatten und Sun, 2009b).Die Wiederherstellung des Zentrosoms nach der Befruchtung erfolgt somit bei den meisten Säugetieren (mit Ausnahme von Nagetieren) durch die Spermien, die das Zentriol liefern, und das PCM, das vom Zytoplasma der Eizelle geliefert wird.

3. Das Zentrosom in Stammzellen


Die Bildung einer bipolaren mitotischen Spindel ist ein entscheidendes Ereignis für eine ordnungsgemäße Zellteilung, die eine gleichmäßige Verteilung der Chromosomen sowie gleiche Mengen zytoplasmatischer Komponenten an die Tochterzellen gewährleistet. Gleichzeitig können Zentrosomen gleichermaßen auf Tochterzellen verteilt werden. Dies ist jedoch möglicherweise nicht immer der Fall. Eine ungleiche Verteilung der Zentrosomen auf Tochterzellen kann das Differenzierungsmuster bestimmen. Ein Schlüsselmerkmal der Stammzellbiologie ist die asymmetrische Zellteilung. Die asymmetrische Zellteilung führt zu zwei ungleichen Tochterzellen, die unterschiedliche Mengen an zytoplasmatischem Material und Organellen und möglicherweise auch zentrosomalen Komponenten erhalten. Eine der Tochterzellen behält die Stammzelleigenschaften bei, indem sie in der Stammzellnische bleibt und Signale von der Nabe empfängt (Übersicht in: Morrison und Spradling, 2008). Die Geschwisterzelle hat keinen Kontakt mehr mit der Nabe und wird differenziert. Diese Art der Zellteilung, die dazu führt, dass zwei Geschwisterzellen unterschiedliche Zellschicksale erleiden, erfordert eine spezielle Anordnung der Mitosespindel, die senkrecht zur Nabe stehen muss. Störungen der Spindelposition wirken sich daher auf das Schicksal der Tochterzellen aus. Bleiben beide Geschwisterzellen in Kontakt mit der Nabe, entstehen statt einer Stammzelle und einer Differenzierungszelle zwei Stammzellen. Störungen der Spindelposition können daher das Gleichgewicht zwischen Stammzellen und differenzierten Zellen stören und zu unkontrollierter Proliferation und Krebs führen (Übersicht in: Pease und Tirnauer, 2011). Säugetiere sind jedoch kein gutes Modellsystem, um die Art der Zellteilung bei der Stammzellerhaltung und die Beiträge des Zentrosoms zur Zelldifferenzierung und -entwicklung zu untersuchen.

Unser Wissen über asymmetrische Stammzellteilung und Stammzell-Zentrosomen basiert hauptsächlich auf Studien an der Fruchtfliege Drosophila, und der Nematode Caenorhabditis elegans (Rezension in: Yamashita und Fuller, 2008 Goumlnczy, 2008 Neumülller und Knoblich, 2009). In Drosophila Männchen, Keimbahn-Stammzellen (GSC) erben und erhalten vorzugsweise das reife Zentrosom (bestehend aus dem Mutter-Zentriol), solange sie in der Nische bleiben. Das Tochterzentrosom wird von der zur Differenzierung bestimmten Tochterzelle vererbt. Die asymmetrische Verteilung der Zentrosomen wird durch die unterschiedliche Mikrotubuli-Keimbildungskapazität von Mutter- und Tochterzentrosomen bestimmt, die die Spindelorientierung beeinflusst (Yamashita et al., 2003 Yamashita et al., 2007). Eine Fehlorientierung der Zentrosomen während des Alterns beeinflusst die Stammzellteilung (Cheng et al., 2008). Ungleiche Zentrosomenverteilung wurde auch in berichtet Drosophila Neurogenese. Larvale neurale Stammzellen, die Neuroblasten genannt werden, teilen sich asymmetrisch, um einen größeren sich selbst erneuernden Neuroblasten und eine kleinere larvale Basalganglion-Mutterzelle zu produzieren, die die neurale Differenzierung verfolgt. Ein Neuroblasten-Zentrosom bleibt mit dem Neuroblasten-Kortex verbunden, während sich das andere Zentriolen-Paar wegbewegt (Rebello et al., 2007, Rusan und Pfeifer, 2007). Allerdings wird in diesem Fall das Mutterzentrosom von der differenzierenden Tochterzelle vererbt (Januschke et al., 2011). Bei der Frau Drosophila Keimbahn-Zentrosomen segregieren zufällig (Stevens et al., 2007). Daher ist die asymmetrische Vererbung von Zentrosomen kein allgemeines Merkmal von Stammzelllinien.

Bei Säugetieren ist das am besten untersuchte Beispiel für asymmetrische Zellteilung das sich entwickelnde Vorderhirn der Maus. Zu Beginn der Entwicklung teilen sich Vorläuferzellen in der ventrikulären Zone symmetrisch, um den Vorläuferzellenpool zu vergrößern. Ab Tag 10 der Embryonalentwicklung teilen sich Vorläuferzellen, die heute als radiale Glia-Vorläufer bezeichnet werden, asymmetrisch, wodurch differenziertere Zellen produziert werden können (Göumltz und Huttner, 2005). Die asymmetrische Teilung der Vorläufer der radialen Glia erzeugt eine sich selbst erneuernde radiale Glia und eine differenzierende Zelle, die die ventrikuläre Zone verlässt, um ein Neuron zu werden. Radiale Glia-Vorläufer erben bevorzugt das ältere Zentrosom, während die Zelle, die die ventrikuläre Zone verlässt, um ein Neuron zu werden, bevorzugt das Tochter-Zentrosom erbt. Durch die Entfernung von Ninein, das mit dem Mutterzentriol assoziiert ist, kann die Zentrosomenasymmetrie beeinträchtigt werden, was zu einer Störung der asymmetrischen Zentrosomenvererbung und einer Verarmung von Vorläuferzellen aus der ventrikulären Zone führt (Wang et al., 2009). Die asymmetrische Vererbung von Zentrosomen erhält somit neurale Vorläuferzellen im Neocortex der Maus. Die Bedeutung des reifen Zentrosoms für die Aufrechterhaltung des Vorläuferpools in der ventrikulären Zone wird weiter durch die Stilllegung von Genen, die für zentrosomale Proteine ​​kodieren, untermauert. Ebenso wird die Krankheit Mikrozephalie beim Menschen, die durch eine stark verringerte Gehirngröße gekennzeichnet ist, durch einen Funktionsverlust von zentrosombezogenen Proteinen verursacht (Übersicht in: Lesage et al., 2010).

Eine symmetrische Zellteilung, wie sie offenbar in Zellen in Kultur beobachtet wird, zeigt keineswegs eine gleichmäßige Verteilung von Zellbestandteilen auf Tochterzellen (Fuentealba et al., 2008). Wie von Fuentealba et al. in kultivierten Säugetierzelllinien, einschließlich humaner ES-Zellen, und in vivo bei Drosophila-Embryonen können sich beide Zentrosomen einer mitotischen Zelle in ihrer Zusammensetzung unterscheiden. Tochterzellen erhalten daher einen differentiellen Proteinpool.

4. Das Zentrosom bei Krebs


Obwohl die Zentrosomenduplikation unter normalen Bedingungen eng mit dem Fortschreiten des Zellzyklus verbunden ist, führte überraschenderweise eine fehlerhafte Zentrosomenduplikation nicht zum Stillstand des Zellzyklus (Uetake und Sluder, 2004, Wong und Stearns, 2005). Bei fast allen Arten von soliden Tumoren sowie bei hämatologischen Malignomen wie Lymphomen und Leukämien kommt es häufig zu einer abnormalen Zentrosomenamplifikation. Die Amplifikation von Zentrosomen zusammen mit Aneuploidie sind Kennzeichen vieler Krebsarten (Übersicht in: Salisbury et al., 1999 Nigg, 2002 Wang et al., 2004 Sagona und Stenmark, 2010). Obwohl typische Zentrosomen mit zwei Zentriolen durch Elektronenmikroskopie in undifferenzierten menschlichen ES-Zellen identifiziert wurden, weist ein sehr hoher Prozentsatz kultivierter menschlicher embryonaler Stammzellen numerische Zentrosomenanomalien auf, die für die beobachteten Chromosomeninstabilitäten in diesen Zellen verantwortlich sein können (Sathananthan et al., 2002 Holubcova et al., 2011). Die Frage, ob Zentrosomen-Amplifikation eine Aneuploidie verursacht oder umgekehrt, ist immer noch umstritten. Es wurde gezeigt, dass Zellen mit überzähligen Zentrosomen und tetraploiden Genomen weiter zyklieren können, was schließlich zu aneuploiden Zellen führt. Darüber hinaus sind tetraploide Zellen eher tumorigen als ihre diploiden Gegenstücke (Übersicht in: Sankaran und Parvin, 2006). Ein erster direkter ursächlicher Zusammenhang zwischen Zentrosomenamplifikation und Tumorentstehung wurde durch Studien an der Fruchtfliege nachgewiesen Drosophila melanogaster. Larvenhirn von Tieren, die aufgrund einer Plk4-Überexpression überzählige Zentrosomen besaßen, konnten bei einer Transplantation die Tumorgenese bei Wildtyp-Wirtsfliegen initiieren (Basto et al., 2008 Castellanos et al., 2008). Überraschenderweise beeinträchtigt die Plk4-Heterozygotie in Mausfibroblasten die Zytokinese, was zu tetraploiden Tochterzellen mit amplifizierten Zentrosomen führt. Darüber hinaus scheint eine abweichende Plk4-Aktivität an der Tumorbildung bei Mäusen und beim Menschen beteiligt zu sein (Macmillan et al., 2001 Ko et al., 2005 Rosario et al., 2010). Eine strenge Kontrolle des Plk4-Niveaus und der Aktivität ist daher obligatorisch. Die Stabilität von Plk4 wird durch Autophosphorylierung und anschließenden Ubiquitin-abhängigen Abbau reguliert (Holland et al., 2010).

Neben der Polo-like Kinase Plk4 sind in vielen Tumoren verschiedene andere Proteine ​​fehlreguliert, die gleichzeitig Zentrosomenaberrationen aufweisen. Bei Brust- und Dickdarmtumoren wird das Aurora-A-Gen häufig amplifiziert. Aurora-A gehört zur Familie der Aurora-Proteinkinasen, die bei Säugetieren aus drei Mitgliedern besteht. Aurora-A ist eine mitotische Kinase, die an Zentrosomen lokalisiert ist. Abgesehen von der Genamplifikation wird Aurora-A-Überexpression in vielen Tumoren gefunden. In kultivierten Zellen führt die Überexpression von Aurora-A zu einer Zentrosom-Amplifikation (Sen et al., 1997 Bischoff et al., 1998 Zhou et al., 1998 Meraldi et al., 2002 besprochen in: Giet et al., 2005). Aurora-A phosphoryliert die E3-Ubiquitin-Ligase BRCA1, um ihre Aktivität zu verringern. Eine verminderte Ubiquitin-Ligase-Aktivität hemmt den &gamma-Tubulin-Abbau, was zu einer Verdoppelung des Zentrosoms führt. Brust- und Eierstocktumore sind häufig mit einem Verlust der E3-Ubiquitin-Ligase BRCA1 verbunden (Sankaran und Parvin, 2006). Ein wichtiger Tumorsuppressor ist p53, und Punktmutationen, die p53 beeinflussen, sind bei vielen Formen von menschlichem Krebs häufig (Hainaut et al., 1997). Dass p53 die Zentrosomenduplikation beeinflusst, wurde in embryonalen Fibroblasten gezeigt, die aus p53 –/– -Mäusen erzeugt wurden. P53-defiziente Zellen weisen mehrere Kopien von funktionellen Zentrosomen auf (Fukusawa et al., 1996), höchstwahrscheinlich aufgrund einer durch Aurora-A-Überexpression verursachten Tetraploidisierung (Meraldi et al., 2002).

Zentrosomen-Amplifikation und Chromosomen-Instabilität sind häufige Kennzeichen von Krebs. Bisher sprechen die meisten Ergebnisse dafür, dass die Überduplikation von Zentrosomen die Hauptursache der Aneuploidie ist. Neben der Zentrosom-Amplifikation wurden auch in Tumorzellen strukturelle und funktionelle Anomalien des Zentrosoms beobachtet. Darüber hinaus wurde eine Zentrosomdysfunktion mit einer Vielzahl von menschlichen Erkrankungen in Verbindung gebracht (Übersicht in: Badano et al., 2005).

5. Schlussfolgerung


Die Zentrosomen von Stammzellen sind ein relativ unerforschtes Gebiet. Es gibt einige Hinweise, dass Zentrosomen für die Stammzellerhaltung wichtig sein können und dass sich Reife- und Tochterzentrosomen voneinander unterscheiden. Es ist jedoch nicht bekannt, ob sich Zentrosomen aus Stammzellen in ihrer Zusammensetzung von somatischen Zentrosomen unterscheiden. Ebenso bleiben ihre funktionellen Beiträge zur Stammzellerhaltung oder Zelldifferenzierung weitgehend im Dunkeln. Numerische, strukturelle und funktionelle Aberrationen des Zentrosoms werden mit einer Vielzahl von menschlichen Erkrankungen, einschließlich Krebs, in Verbindung gebracht. Die Amplifikation von Zentrosomen in Tumorzellen könnte den Weg für Chromosomeninstabilitäten ebnen, die zur Krebsprogression führen.


Fazit und Zukunftsperspektiven

Zusammenfassend bieten Ciliaten unvorhergesehene Möglichkeiten, die Rolle von BBs als sensorische Plattformen, verschiedene Zilien in einer einzelnen Zelle und komplexe mikrotubuläre Strukturen und ihre Rolle 𠇊s-Relais bei der Übertragung von Polaritäten und morphogenetischen Informationen” zu untersuchen (zitiert in Beisson und Jerka -Dziadosz, 1999). Dies gilt auch für die Kernmechanismen, die der Polarität und Morphogenese zugrunde liegen und die in vielzelligen Organismen noch vorhanden sind. Obwohl Ciliaten massiv zur Identifizierung und zum funktionellen Verständnis posttranslationaler Modifikationen von Tubulin/MT beigetragen haben, ist die Art und Weise, in der diese Modifikationen eine zusätzliche Informationsschicht für die Aufrechterhaltung des kortikalen Musters des Ziliars während der Teilung darstellen, noch lange nicht erschöpft. Auf diesem Gebiet könnten Ciliaten noch immer einen unverzichtbaren Beitrag zum Verständnis der Metazoenentwicklung leisten.

Im Laufe der Zeit haben Ciliaten nicht nur neue Informationen über zahlreiche grundlegende Prozesse eukaryontischer Zellen geliefert, sondern auch die wissenschaftliche Gemeinschaft herausgefordert, indem sie zur Formulierung neuer Konzepte geführt haben. In diesem Szenario bitten die zusammengestellten Informationen über die Rolle der spezifischen subpellikulären Schicht dieser Organismen, die auf die Existenz von filamentösen Maschenwerken als Leitgerüste während der Morphogenese hinweisen, um Aufmerksamkeit. Zu verstehen, wie diese Proteine ​​ersetzt/entwickelt wurden und welche der tatsächlichen Proteine ​​in höheren eukaryotischen Zellen immer noch ähnliche Rollen spielen, wird höchstwahrscheinlich zu neuen Informationen über den metazoischen Kortex als Schnittstelle für die Beziehungen zu Nachbarzellen und der extrazellulären Matrix beitragen. Wir gehen davon aus, dass dies Auswirkungen auf das schnell wachsende Gebiet der Mechanobiologie haben wird. Um dies zu erreichen, gehen wir davon aus, dass die Rasterkraftmikroskopie (AFM) (Binnig et al., 1986) ein starkes Werkzeug sein wird. Dies ist eine leistungsstarke hochauflösende Mikroskopietechnik, die in der Lage ist, Oberflächen abzubilden und strukturelle und mechanische Eigenschaften einer Vielzahl von biologischen Materialien zu bestimmen, mit der Fähigkeit, eine räumliche Auflösung in der Größenordnung von Nanometern in drei Dimensionen ohne Vakuum oder Kontrast bereitzustellen Reagenzien (Cai, 2018 Stylianou et al., 2019). Zusammengenommen alle Fähigkeiten von AFM, ist das Potenzial für seinen Einsatz in Ciliaten-Polarität enorm. Obwohl bisher nur wenige Studien mit AFM im Bereich der Ciliaten durchgeführt wurden, waren die durchgeführten erfolgreich. Als Beispiel konnten Seixas und Kollegen die Möglichkeiten der Technik untersuchen, um zum ersten Mal ein Modell vorzuschlagen, das den Aufbau der Zilienkappenstruktur beschreibt (Seixas et al., 2017). Mit den jüngsten Fortschritten bei Hochgeschwindigkeits-AFM, Spitzenfunktionalisierung und superauflösender Mikroskopiekopplung ist der Nutzen von AFM in Ciliatenstudien noch größer. Die Verwendung von molekularem Mapping AFM kann helfen, die Dynamik und Varianzen der Zilienmembranzusammensetzung in den verschiedenen Regionen der Zelle im Nanometerbereich zu verstehen, mit der Korrelation mit STED oder STORM können wir die biochemischen Polaritäten, die den kortikalen strukturellen Polaritäten zugrunde liegen, besser verstehen. Insgesamt haben AFM und Ciliaten ein hohes Potenzial, herausragende wissenschaftliche Erkenntnisse zu liefern.


Wie viele Zentriolen/Basalkörperchen befinden sich während des gesamten Zellzyklus in Vielzilienzellen? - Biologie

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Mikrotubuli

Mikrotubuli sind zylindrische Röhren mit einem Durchmesser von 20-25 nm, die aus linearen Polymeren (Protofilamenten) des globulären Proteins bestehen Tubulin. (rechts - zum Vergrößern anklicken)

Die Tubulinmoleküle bilden sich Heterodimere von α- und α-β-Tubulin und lineare Reihen von Tubulindimeren bilden die Protofilamente. Sowohl α- als auch β-Tubuline existieren in mehreren isotypischen Formen und können mehrere posttranslationale Modifikationen erfahren. In höheren Eukaryoten wurden mindestens 14 Tubulin-Isotypen identifiziert, die gewebespezifisch exprimiert werden.

Mikrotubuli wirken als Gerüst um die Zellform beizubehalten und sich über das Zytoplasma eukaryotischer Zellen auszudehnen. (Gerüstproteine, die an Signalkaskaden beteiligt sind, unterscheiden sich vom Zytoskelettgerüst.) Mikrotubuli sind Polar- Strukturen mit zwei unterschiedlichen Enden, einem schnell wachsenden "Plus"-Ende und einem langsam wachsenden "Minus"-Ende. Mikrotubuli sind normalerweise in einem einzigen Array organisiert, wobei ihre Minusenden mit einem Mikrotubuli-Organisierungszentrum neben dem Zellkern verbunden sind und ihre Plusenden in Richtung der Zellperipherie in der Nähe der Plasmamembran liegen. Diese Anordnung stellt eine definierte Polarität her, die von den Mikrotubuli-assoziierten Motorproteinen genutzt wird, die "Ladung" zum Minus- oder Plus-Ende zellulärer Mikrotubuli bewegen.

Da Tubulindimere ständig polymerisieren und depolymerisieren, können Mikrotubuli schnell Fahrräder der Montage und Demontage. Die Erste Stadium der Mikrotubuli-Bildung ist das langsame Mg2+- und GTP-abhängige "Keimbildungsphase“, in dem sich α- und β-Tubuline Ende-an-Ende zu Protofilamenten mit abwechselnden α- und β-Untereinheiten verbinden Sekunde, Dehnungsphase geht schneller voran.

GTP muss für Tubulin . sowohl an α- als auch an β-Untereinheiten gebunden sein Heterodimerisierung und Assoziation von Tubulinen in Mikrotubuli. β-Tubulin-gebundenes GTP wird während oder unmittelbar nach der Polymerisation zu GDP hydrolysiert, wodurch die Bindungsaffinität von Tubulin für benachbarte Moleküle geschwächt und die Depolymerisation begünstigt wird, die zum dynamischen Verhalten von Mikrotubuli beiträgt. Heterodimere können sich an jedes Ende eines Mikrotubulus anlagern oder davon dissoziieren, aber es besteht eine größere Tendenz zur Addition am schneller wachsenden "Plus"-Ende, wo β-Tubulin exponiert ist. Mikrotubuli unterliegen auch “Laufband“, bei dem GTP-gebundene Tubulin-Moleküle vom Minus-Ende kontinuierlich verloren gehen, während sie durch die Zugabe von GTP-gebundenen Tubulin-Molekülen zum Plus-Ende desselben Mikrotubulus ersetzt werden.

Während der Mikrotubuli-Bildung sorgen abwechselnde Elongations- und Verkürzungszyklen für dynamische Instabilität Dies ist entscheidend für die Ausrichtung von Mikrotubuli auf Zielorte wie Kinetochore, wandernde Membranen und fokale Adhäsionen.Dynamische Instabilität ist ein streng reguliertes Phänomen und entscheidend für den Umbau des Zytoskeletts während der Mitose. Die dynamische Instabilität ist durch vier entscheidende Variablen gekennzeichnet:
A. Teil von Wachstum von Mikrotubuli,
B. Teil von Verkürzung von Mikrotubuli,
C. Häufigkeit des Übergangs vom Wachstumszustand in die Verkürzung und
D. Häufigkeit des Übergangs von der Verkürzung zum Wachstum.

Das Wachstum und die Verkürzung der Mikrotubuli hängt von der Rate der Tubulinzugabe im Verhältnis zur Rate der ab GTP-Hydrolyse. Tubulin-gebundenes GTP wird zu Tubulin-GDP + Pi hydrolysiert, jedoch kann Tubulin-GTP fast gleichzeitig mit seiner Hydrolyse am Minus-Ende zum Plus-Ende hinzugefügt werden. Wenn also GTP-gebundene Tubulinmoleküle schneller hinzugefügt werden als GTP hydrolysiert wird, behält der Mikrotubulus die GTP-Kappe an seinem Plus-Ende und das Wachstum wird fortgesetzt. Wenn die Polymerisationsgeschwindigkeit abnimmt, wird das an Tubulin am Plus-Ende gebundene GTP zu GDP hydrolysiert und das GDP-gebundene Tubulin dissoziiert, was zu einer schnellen Depolymerisation und Schrumpfung der Mikrotubuli führt.

Verschiedene Proteine ​​zerlegen Mikrotubuli, indem sie die Depolymerisationsrate von Tubulin erhöhen. Die inhärente dynamische Instabilität von Mikrotubuli kann durch die Wechselwirkungen mit Mikrotubuli-assoziierte Proteine (MAPs) und Mikrotubuli-regulierende Proteine. Die am besten charakterisierten MAPs sind MAP-1, MAP-2 und Tau-Proteine. MAPs können an Mikrotubuli binden und so deren Stabilität erhöhen. Die Aktivität von MAPs wird streng durch ihren Phosphorylierungszustand reguliert. Ein veränderter Phosphorylierungszustand von MAPs wurde positiv mit der Pathogenese der Alzheimer-Krankheit in Verbindung gebracht.

Wachstumsfaktorsignale aktivieren Proteinkinasen, die die Phosphorylierung von Tubulin-bindenden Domänen von MAPs katalysieren, wodurch sie sich von Mikrotubuli lösen. XMAP215 ist eine hochkonservierte 215 kDa MAP, die eine wichtige Rolle bei der Kontrolle der Mikrotubuli-Dynamik während des Zellzyklus spielt. XMAP215 stabilisiert die Plusenden der Mikrotubuli, fördert die Dehnung und verhindert eine katastrophale Schrumpfung. Zu Beginn der Mitose erhöht eine höhere Phosphorylierung von XMAP215 die mikrotubuläre Instabilität, was zu einer Demontage führt. Während der letzten Phase der Mitose überwiegt die Proteinphosphatase-Aktivität, wenn das für die Interphase charakteristische Mikrotubulus-Array wiederhergestellt wird.

Da sie bei der Bildung der mitotischen Spindel während der Zellteilung eine wesentliche Rolle spielen, wurden Mikrotubuli gezielt für Chemotherapie bei Krebs. Antimitotische Chemotherapeutika können die mikrotubuläre Dynamik selektiv stören, indem sie entweder auf einen bestimmten Tubulin-Isotyp abzielen oder auf ein bestimmtes Stadium der Zellteilung abzielen. Solche antimitotischen Mittel nutzen den Unterschied in der mikrotubulären Dynamik zwischen normalen Zellpopulationen und schnell proliferierenden Krebszellen aus. Medikamente wie Colchicin und Colcemid binden beispielsweise Tubulin und hemmen die mikrotubuläre Polymerisation, wodurch die Mitose blockiert wird. Andererseits stabilisieren Wirkstoffe wie Taxol Mikrotubuli und verhindern so die Zellteilung. [s] (Diagramm MTs, MAPs )

Zusätzlich zu ihrer Rolle im Zytoskelett fungieren Mikrotubuli als zelluläre Förderbänder und verwenden spezielle Bindungsproteine, um Chromosomen, Granula, endosomale Vesikel und Organellen wie Mitochondrien durch das Zytoplasma zu bewegen.

Mikrotubuli können allein arbeiten oder mit anderen Proteinen verbunden sein, um komplexere Strukturen wie Zilien und Geißeln und Zentriolen zu bilden. Innerhalb von Zilien und Flagellen sind Mikrotubuli in einer 9 + 2-Anordnung angeordnet. Animation - innen Flagellum. Das Tubulin ist an Dyneinarme gekoppelt, um die Fortbewegung (Spermozyten, Protozoen) oder die Bewegung von Flüssigkeit über die Zelle zu ermöglichen (wichtig für die embryologische Differenzierung). [] image_spermatozoa (Maus) [] image_sperm (Dv) [] Diagramm - Mechanismus der Ziliarmotilität Џ Animation - Zilien & Flagellen

In orthogonalen gepaarten Röhren aus 9 Fasern angeordnet, bilden Mikrotubuli während der Zellteilung Zentriolen oder Basalkörper an der Wurzel von Zilien und Geißeln. Animation - Zentriolenpaar drehen : Rundgang Zentriol : Zentriol vergrößern. Während der Mitose bilden Mikrotubuli Spindelfasern, entlang derer sich Chromosomen anordnen und dann trennen.

Pathologien [s] assoziiert mit Mikrotubuli:
● Stabilitätsstörung
● Dysfunktion des Mikrotubuli-assoziierten Tau-Proteins (Taupathien)
● Dysfunktion der zellulären Zilien
● primäre Ziliardyskinesie (DNAH5, DNAH7, DNAH11)
● anatomische Lateralisationsdefekte (situs inversus)
● männliche Unfruchtbarkeit
● Kartagener-Syndrom - Situs inversus mit Dextrokardie, Bronchiektasen, chronischer Sinusitis, Schallleitungsschwerhörigkeit, unbeweglichen Zilien und Spermien
● Pathologie von Mikrotubuli-assoziierten Proteinen (MAPs)
● Pathologie von Tubulinen und Pathologie von tubulinspezifischen Chaperonen


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Bemerkungen:

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