Zellzyklus: Phasen und Kontrolle verstehen

Der Zellzyklus führt eine teilungsfähige Zelle von einer Teilung zur nächsten. Er kann Wachstum und die Erneuerung von Gewebe ermöglichen. Zuerst wächst die Zelle in der Interphase und kopiert ihre DNA. In der M-Phase verteilt die Mitose die Chromosomen auf zwei Zellkerne. Die Cytokinese teilt das Zellplasma und trennt die Tochterzellen. Bei ungestörtem Ablauf tragen beide weitgehend die gleiche Erbinformation. Bei Tierzellen geschieht die Zelltrennung durch Einschnürung, bei Pflanzenzellen durch Bildung einer Zellplatte und neuer Trennwand.

Wie lange ein Zyklus dauert, hängt von Zellart, Entwicklungszustand und äußeren Bedingungen ab. Manche Zellen verlassen den aktiven Zyklus vorübergehend oder dauerhaft. Die Phasen sind daher eine Reihenfolge, keine feste Uhrzeit.

Die Interphase umfasst G1, S und G2. In G1 wächst die Zelle und bildet unter anderem RNA, Proteine und Zellbestandteile. Ihre Chromosomen liegen locker als Chromatin vor und besitzen je ein Chromatid. Eine Zelle kann aus G1 in G0 wechseln und eine spezialisierte Aufgabe erfüllen, ohne sich zu teilen. Manche kehren nach passenden Signalen zurück; andere bleiben dauerhaft in G0.

In der S-Phase wird die DNA repliziert. Danach besteht jedes Chromosom aus zwei am Zentromer verbundenen, weitgehend identischen Schwesterchromatiden. Die DNA-Menge hat sich verdoppelt, die Chromosomenzahl nicht: Zwei verbundene Chromatiden zählen noch als ein Chromosom. In G2 wächst die Zelle weiter, bildet Bestandteile für die Mitose und prüft, ob die DNA vollständig kopiert wurde oder Schäden zu reparieren sind.

Während der Mitose verdichten sich die Chromosomen in der Prophase. In der Metaphase stehen sie in der Zellmitte, in der Anaphase trennen sich die Schwesterchromatiden und in der Telophase bilden sich neue Kerne. Der Spindelapparat besteht aus Mikrotubuli; sie binden an die Chromosomen und bewegen getrennte Schwesterchromatiden zu entgegengesetzten Polen. Die Cytokinese trennt dann das Zellplasma. Dieser Ablauf wird kontrolliert.

Vor der S-Phase wird geprüft, ob Größe, Nährstoffe und Wachstumssignale für eine Teilung passen. Vor der Mitose wird geprüft, ob die DNA vollständig kopiert und möglichst unbeschädigt ist. Vor der Anaphase wird geprüft, ob die Chromosomen korrekt am Spindelapparat hängen. Ein Kontrollpunkt ist eine Sicherungsstelle an einem Übergang, keine zusätzliche Phase. Bei Problemen kann die Zelle anhalten und Schäden reparieren. Ist ein Schaden nicht reparierbar, kann programmierter Zelltod folgen.

Cycline sind Proteine, deren Menge im Zyklus schwankt. Mit cyclinabhängigen Kinasen, kurz CDKs, steuern sie Übergänge zwischen den Phasen.

Gene enthalten Bauanleitungen für Proteine, die den Zellzyklus antreiben oder bremsen. Veränderungen in solchen Genen können eine Kontrolle schwächen. Eine geschädigte Zelle kann dann trotz fehlender Stoppsignale weiter in den nächsten Abschnitt gelangen und die Veränderung an Tochterzellen weitergeben.

Wenn mehrere Sicherungen ausfallen und betroffene Zellen wiederholt weiterteilen, kann eine wachsende Gruppe verwandter Zellen entstehen. Unkontrollierte Zellvermehrung kann zur Bildung eines Tumors beitragen. Ein einzelner Kontrollfehler bedeutet nicht, dass zwangsläufig Krebs entsteht.