Mitose

Grundprinzip und Bedeutung

Die Mitose, auch Karyokinese oder indirekte Kernteilung genannt, ist die Teilung des Zellkerns, bei der zwei Tochterkerne mit gleicher genetischer Information entstehen. Sie kommt bei eukaryotischen Lebewesen vor, also bei Organismen mit Zellkern. Prokaryoten haben keinen Zellkern und führen daher keine Mitose durch. Meist folgt auf die Kernteilung die Teilung der ganzen Zelle, sodass zwei Tochterzellen entstehen.

Im Zellzyklus ist die Mitose eng mit der Zytokinese, der Teilung des Zellplasmas, gekoppelt. Zusammen werden beide Vorgänge als Mitose- oder M-Phase bezeichnet. Vorher liegt die Interphase: In ihr wird das DNA-Molekül jedes Chromosoms verdoppelt. Danach besteht jedes Chromosom aus zwei gleichen Schwesterchromatiden, die am Centromer verbunden sind. Während der Mitose werden diese Schwesterchromatiden getrennt und so verteilt, dass jeder Tochterkern eine identische Kopie des chromosomalen Genoms der Mutterzelle erhält.

Der Chromosomensatz bleibt bei der Mitose unverändert. Der Ploidiegrad, also die Anzahl der Chromosomensätze, ändert sich nicht: Aus einer haploiden Ausgangszelle entstehen haploide Tochterkerne, aus einer diploiden Ausgangszelle diploide Tochterkerne.

Funktion und Abgrenzung zur Meiose

Die Funktion der Mitose besteht darin, die in den Chromosomen enthaltene Erbinformation gleichmäßig und vollständig auf zwei Tochterzellkerne zu verteilen. Voraussetzung dafür ist, dass das Erbgut in der Interphase verdoppelt wurde. Die Chromosomen werden in der Mitose verdichtet, an Spindelfasern angeheftet, in der Zelle angeordnet, getrennt und auseinanderbewegt. So entstehen zwei räumlich getrennte, aber nach Anzahl und Art der Chromosomen identische Chromosomensätze.

Bei einzelligen Eukaryoten ist die Mitose zusammen mit der Zytokinese die Grundlage der Vermehrung. Bei mehrzelligen Eukaryoten ist sie Voraussetzung für die Bildung neuer Zellkerne und meist auch neuer Zellen. Beim Menschen teilen sich nicht alle Zelltypen dauerhaft: Nervenzellen und Muskelzellen verlassen nach abgeschlossener Differenzierung den Teilungszyklus und treten in die G0-Phase ein. Reife rote Blutkörperchen können sich nicht mehr teilen, weil ihnen der Zellkern fehlt. Epithelzellen im Darm und in der Oberhaut teilen sich dagegen häufig und erneuern Oberflächen des Körpers.

Die eigentliche Kernteilung dauert bei menschlichen Zellen meist ungefähr eine Stunde. Die Interphase zwischen zwei Mitosen dauert bei fortlaufend teilenden Zellen je nach Zelltyp etwa 12–24 Stunden. Bei anderen Organismen kann die Dauer abweichen: Bei der Ackerbohne dauert die Mitose etwa zwei Stunden, bei der Fruchtfliege oft nur 9 Minuten. Angeregt werden kann die Mitose durch Mitogene; eingeleitet wird sie durch den Mitose-promoting factor (MPF), einen Proteinverbund aus Cyclin B und der davon abhängigen Kinase CDK 1.

Von der Mitose abzugrenzen ist die Meiose oder Reifeteilung. Bei ihr wird der Chromosomensatz reduziert und es entstehen keine genetisch identischen Tochterkerne. Sie dient der Bildung von Keimzellen für die geschlechtliche Vermehrung. Aus einer diploiden Ausgangszelle können in zwei Teilungsschritten vier haploide Zellen entstehen. Die erste Teilung ist die Reduktionsteilung, die zweite die Äquationsteilung, die im Ablauf ungefähr einer Mitose entspricht.

Formen der Mitose

Mitosen laufen bei eukaryotischen Organismen nach einem ähnlichen Grundschema ab, können aber verschieden gestaltet sein. Ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal ist die Kernhülle. Bei einer offenen Mitose wird die Kernhülle während der Kernteilung vorübergehend abgebaut. Bei einer geschlossenen Mitose bleibt sie erhalten. Eine halboffene Mitose ist eine Zwischenform, bei der die Kernhülle teilweise abgebaut wird oder Durchbrüche entstehen.

Ein weiteres Merkmal ist die Form und Lage des Spindelapparats. Die Spindel ist ein System aus Mikrotubuli, das die Chromosomen bewegt. Annähernd achsensymmetrische Formen heißen Orthomitose. Formen mit seitlich verlagerter, exzentrischer Spindel heißen Pleuromitose. Wenn die Kernhülle erhalten bleibt, kann außerdem unterschieden werden, ob die Spindelpole innerhalb des Kerns liegen, also intranukleär, oder außerhalb des Kerns, also extranukleär.

Beispiele aus dem Artikel sind: offene Orthomitose bei Säugetieren, anderen Metazoa und Landpflanzen; halboffene Orthomitose bei Euamöben und grünen Flagellaten wie Volvox; halboffene Pleuromitose bei den meisten Apicomplexa, zum Beispiel Plasmodien; geschlossene Orthomitose bei Kieselalgen, Wimperntierchen, Hefen und mehrzelligen Pilzen; geschlossene intranukleäre Pleuromitose bei Kinetoplastiden wie Trypanosomen; und geschlossene extranukleäre Pleuromitose bei Trichomonaden und Dinoflagellaten.

Ablauf der Kernteilung

Die Mitose wird in Phasen eingeteilt, die fließend ineinander übergehen. In der klassischen deutschen Literatur werden oft vier Hauptphasen unterschieden: Prophase, Metaphase, Anaphase und Telophase. Besonders in der englischsprachigen Literatur wird zusätzlich die Prometaphase als eigene Phase zwischen Prophase und Metaphase beschrieben.

In der Prophase kondensiert das zuvor locker gepackte Chromatin. Die Chromosomen werden dadurch lichtmikroskopisch sichtbar. Jedes Chromosom besteht aus zwei Schwesterchromatiden, die am Centromer verbunden sind. In dieser verdichteten Form kann die DNA nicht abgelesen werden; Transkription und Genexpression sind nicht möglich. Die Nukleoli lösen sich auf. In tierischen Zellen wandern die zwei Zentrosomen, die schon in der Interphase entstanden sind, zu entgegengesetzten Seiten des Kerns und organisieren die Bildung des Spindelapparats aus Mikrotubuli. Höhere Pflanzen besitzen keine Zentrosomen; dort übernehmen andere Zellbestandteile die Aufgabe als Mikrotubuli-organisierende Zentren.

Bei einer offenen Mitose zerfällt in der Prometaphase die Kernhülle. Die Spindelfasern dringen in den Bereich des früheren Zellkerns ein. Man unterscheidet astrale Mikrotubuli, polare Mikrotubuli und Kinetochor-Mikrotubuli. Kinetochore sind Proteinstrukturen am Centromer, an denen Mikrotubuli ansetzen. Sie ermöglichen Bewegung, Ausrichtung und spätere Trennung der Chromatiden.

In der Metaphase sind die Chromosomen nahezu maximal verkürzt. Der Spindelapparat ordnet sie in der Äquatorialebene an, also etwa in der Mitte zwischen den Spindelpolen. Diese Anordnung heißt Metaphasenplatte. Sie ist wichtig, weil die Schwesterchromatiden danach in entgegengesetzte Richtungen gezogen werden. Ein Kontrollpunkt der Mitose sorgt dafür, dass die Bindung zwischen den Chromatiden erst gelöst wird, wenn die Kinetochoren von beiden Polen her mit Mikrotubuli verbunden sind.

In der Anaphase werden die Schwesterchromatiden getrennt und zu Tochterchromosomen. Sie bewegen sich längs der Spindelfasern mit dem Centromer voran zu entgegengesetzten Spindelpolen. Dabei verkürzen sich die Kinetochorfasern. Zugleich können sich polare Mikrotubuli verlängern, wodurch die Pole weiter auseinander geschoben werden. Nach neueren Forschungen spielen Motorproteine an den Kinetochoren eine wichtige Rolle, weil sie entlang der Mikrotubuli in Richtung der Zentrosomen wandern. Man unterscheidet das Auseinanderrücken der Chromosomen als Anaphase I und das Auseinanderrücken der Spindelpole als Anaphase II.

In der Telophase erreichen die Tochterchromosomen die Spindelpole. Die Kinetochorfasern zerfallen weitgehend, der Spindelapparat löst sich auf, und aus Fragmenten der alten Kernmembran entstehen neue Kernhüllen. Die Chromosomen dekondensieren wieder, und die Nukleoli erscheinen erneut. Damit erhält der Kern wieder seine Arbeitsform, in der Gene abgelesen werden können.

Zellteilung und Ausnahmen

Nach der Mitose folgt in den meisten Fällen die Zytokinese, also die Teilung des Zellplasmas. Sie gehört nicht zur eigentlichen Mitose, ist aber im Zellzyklus meist mit ihr gekoppelt. Bei tierischen Zellen bildet sich während der Telophase oder bereits in der Anaphase ein kontraktiler Ring aus Aktinfasern. Zusammen mit Myosin zieht er sich zusammen, bis die Zellmembran eingeschnürt wird und zwei Tochterzellen voneinander getrennt sind.

Bei pflanzlichen Zellen wird während der Telophase in der Äquatorebene eine besondere Mikrotubulistruktur gebildet. Sie heißt Phycoplast oder Phragmoplast und durchspannt die Zelle quer. Die Zytokinese erfolgt dann durch eine trennende Furche oder über eine scheidende Platte. In der folgenden Interphase, genauer in der S-Phase, können die Chromatinfäden durch Replikation der DNA und Verdopplung zugehöriger Proteine erneut verdoppelt werden, sodass eine weitere Mitose möglich wird.

Nicht immer folgt auf eine Mitose eine Zellteilung. Mehrkernige Zellen können entstehen, wenn Kernteilungen ohne Zytokinese aufeinanderfolgen. Bei Wimpertierchen laufen während der Konjugation nach meiotischen Kernteilungen auch zwei Mitosen ab, ohne dass Zellplasma aufgeteilt wird. Bei manchen Apicomplexa teilt sich der Zellkern mehrfach, bevor Tochterzellen entstehen; dieser Vorgang heißt Schizogonie. Eine mehrkernige Zelle dieser Art heißt Schizont. Bei Plasmodien, die Malaria verursachen können, enthält ein Blutschizont bei Plasmodium falciparum typischerweise 16 Zellkerne, bei Plasmodium malariae oft 8. Bei Malaria quartana werden Merozoiten meist in synchronisierten Zyklen von rund 72 Stunden ins Blut freigesetzt.

Auch bei Schleimpilzen können viele Zellkerne in einer gemeinsamen Zellmembran liegen, bei Myxogastria sogar mehrere Tausend. Davon zu unterscheiden ist ein Synzytium, das durch Verschmelzung von Zellen entsteht, sodass Zellgrenzen teilweise aufgehoben werden. Ein Beispiel aus der menschlichen Entwicklung ist der Synzytiotrophoblast. Bei der Taufliege Drosophila melanogaster entstehen im befruchteten Ei zunächst viele Kerne durch rasche Kernteilungen; das synzytiale Blastoderm hat etwa sechstausend Kerne, bevor Zytoplasmabereiche um die Kerne in einzelne Zellen aufgeteilt werden.