Was ist Zytokinese und wie entsteht sie?

Die Zytokinese ist der Prozess der Teilung des Zytoplasmas einer Zelle, der während des Zellteilungsprozesses zu zwei Tochterzellen führt.

Es tritt sowohl bei Mitose als auch bei Meiose auf und ist in tierischen Zellen verbreitet. Bei einigen Pflanzen und Pilzen findet keine Zytokinese statt, da diese Organismen ihr Zytoplasma niemals teilen. Der Zyklus der zellulären Reproduktion gipfelt in der Teilung des Zytoplasmas durch den Prozess der Zytokinese.

In einer typischen tierischen Zelle tritt die Zytokinese während des Mitoseprozesses auf, es kann jedoch einige Arten von Zellen geben, wie z. B. Osteoklasten, die den Mitoseprozess durchlaufen können, ohne dass eine Zytokinese stattfindet (Biology-Online.org, 2017) ).

Der Prozess der Zytokinese beginnt während der Anaphase und endet während der Telophase und findet vollständig in dem Moment statt, in dem die nächste Schnittstelle beginnt.

Die erste sichtbare Veränderung der Zytokinese in tierischen Zellen wird sichtbar, wenn eine sich teilende Furche auf der Zelloberfläche auftritt. Diese Furche wird schnell stärker und dehnt sich um die Zelle aus, bis sich das Teil vollständig in der Mitte befindet.

In tierischen Zellen und vielen eukaryotischen Zellen ist die Struktur, die den Prozess der Zytokinese begleitet, als "kontraktiler Ring" bekannt, ein dynamischer Satz, der sich aus Aktinfilamenten, Myosin-II-Filamenten und vielen strukturellen und regulatorischen Proteinen zusammensetzt. Es wird unter der Plasmamembran der Zelle installiert und zieht sich zusammen, um sie in zwei Teile zu teilen.

Das größte Problem, dem eine Zelle, die den Zytokinese-Prozess durchläuft, gegenüberstehen muss, ist die Gewissheit, dass dieser Prozess zur richtigen Zeit und am richtigen Ort stattfindet. Die Zytokinese darf nicht zu Beginn der Mitosephase auftreten, da sie sonst die korrekte Aufteilung der Chromosomen stören kann.

Mitotische Stacheln und Zellteilung

Die mitotischen Spindeln in den Zellen von Tieren sind nicht nur für die Trennung der entstehenden Chromosomen verantwortlich, sondern spezifizieren auch den Ort des kontraktilen Rings und damit die Ebene der Zellteilung.

Der kontraktile Ring hat in der Ebene der Metaphasenplatte eine unveränderliche Form. Wenn es im richtigen Winkel ist, erstreckt es sich entlang der Achse der mitotischen Spindel, um sicherzustellen, dass die Teilung zwischen den beiden Sätzen getrennter Chromosomen erfolgt.

Der Teil der mitotischen Spindel, der die Ebene der Teilung angibt, kann je nach Zelltyp variieren. Die Beziehung zwischen den Mikrotubuli der Spindel und der Position des kontraktilen Rings wurde von Wissenschaftlern umfassend untersucht.

Diese haben befruchtete Eier mariner Wirbeltiere manipuliert, um die Geschwindigkeit zu beobachten, mit der die Furchen in den Zellen erscheinen, ohne dass der Wachstumsprozess unterbrochen wird (Guertin, Trautmann & McCollum, 2002).

Wenn das Zytoplasma klar ist, kann die Spindel leichter gesehen werden sowie der Moment in Echtzeit, in dem sie sich im frühen Anaphasenzustand an einer neuen Position befindet.

Asymmetrische Teilung

In den meisten Zellen tritt die Zytokinese symmetrisch auf. Beispielsweise ist bei den meisten Tieren der kontraktile Ring um die Äquatorlinie der Elternzelle herum ausgebildet, so dass die beiden resultierenden Tochterzellen die gleiche Größe und ähnliche Eigenschaften aufweisen.

Diese Symmetrie ist möglich dank der Position der mitotischen Spindel, die dazu neigt, sich mit Hilfe der astralen Mikrotubuli und der Proteine, die sie von einer Seite zur anderen ziehen, auf das Zytoplasma zu konzentrieren.

Innerhalb des Prozesses der Zytokinese gibt es viele Variablen, die synchron arbeiten müssen, damit es erfolgreich ist. Wenn sich jedoch eine dieser Variablen ändert, können die Zellen asymmetrisch geteilt werden, wodurch zwei Tochterzellen unterschiedlicher Größe und mit einem unterschiedlichen zytoplasmatischen Gehalt entstehen (Education, 2014).

In der Regel entwickeln sich die beiden Tochterzellen unterschiedlich. Damit dies möglich ist, muss die Mutterzelle einige Determinantenkomponenten des Ziels zu einer Seite der Zelle segregieren und dann die Teilungsebene so lokalisieren, dass die angegebene Tochterzelle diese Komponenten zum Zeitpunkt der Teilung erbt.

Um die Teilung asymmetrisch zu positionieren, muss die mitotische Spindel kontrolliert in der sich teilenden Zelle bewegt werden.

Anscheinend wird diese Bewegung der Spindel durch Veränderungen in den regionalen Zonen des zellulären Kortex und durch lokalisierte Proteine ​​angetrieben, die dabei helfen, einen der Spindelpole mit Hilfe der astralen Mikrotubuli zu verschieben.

Kontraktiler Ring

Wenn die astralen Mikrotubuli länger und weniger dynamisch reagieren, beginnt sich der kontraktile Ring unter der Plasmamembran zu bilden.

Ein Großteil des Präparats für die Zytokinese findet jedoch bereits im Verlauf der Mitose statt, noch bevor sich das Zytoplasma zu teilen beginnt.

Während der Grenzfläche verbinden sich die Aktin- und Myosin-II-Filamente und bilden ein kortikales Netzwerk. Selbst in einigen Zellen erzeugen sie große zytoplasmatische Strahlen, die als Stressfasern bezeichnet werden.

In dem Maße, in dem eine Zelle den Mitoseprozess initiiert, werden diese Arrangements entschärft und ein Großteil des Aktins wird umgeordnet und die Myosin-II-Filamente werden freigesetzt.

In dem Maße, in dem sich Chromatiden während der Anaphase trennen, beginnt sich Myosin II schnell anzureichern, um den kontraktilen Ring zu bilden. Sogar in einigen Zellen ist es notwendig, Proteine ​​aus der Familie der Kinasen zu verwenden, um die Zusammensetzung sowohl der mitotischen Spindel als auch des kontraktilen Rings zu regulieren.

Wenn der kontraktile Ring vollständig aktiviert ist, enthält er viele verschiedene Proteine ​​für Actin und Myosin II. Die überlagerten Matrizen der bipolaren Actin- und Myosin-II-Filamente erzeugen die Kraft, die erforderlich ist, um das Zytoplasma in zwei Teile zu teilen, ähnlich wie bei glatten Muskelzellen (Rappaport, 1996).

Die Art und Weise, wie sich der kontraktile Ring zusammenzieht, ist jedoch immer noch ein Rätsel. Anscheinend funktioniert es nicht aufgrund eines Schnurmechanismus, bei dem sich Actin- und Myosin-II-Filamente übereinander bewegen, wie dies bei den Skelettmuskeln der Fall wäre.

Wenn sich der Ring zusammenzieht, behält er während des gesamten Prozesses die gleiche Steifigkeit. Dies bedeutet, dass die Anzahl der Filamente in dem Medium abnimmt, in dem sich der Ring schließt (Alberts et al., 2002).

Verteilung von Organellen in Tochterzellen

Der Prozess der Mitose sollte sicherstellen, dass jede der Tochterzellen die gleiche Anzahl von Chromosomen erhält. Wenn sich jedoch eine eukaryotische Zelle teilt, muss jede Tochterzelle auch eine Reihe von essentiellen Zellkomponenten erben, einschließlich der in der Zellmembran eingeschlossenen Organellen.

Zellorganellen wie Mitochondrien und Chloroplasten können nicht spontan aus ihren einzelnen Bestandteilen erzeugt werden, sie können nur aus dem Wachstum und der Teilung bereits vorhandener Organellen entstehen.

Ebenso können Zellen kein neues endoplasmatisches Retikulum bilden, es sei denn, ein Teil davon ist in der Zellmembran vorhanden.

Einige Organellen wie die Mitochondrien und die Chloroplasten sind in der Mutterzelle in großer Zahl vorhanden, um sicherzustellen, dass die beiden Tochterzellen sie erfolgreich vererben.

Das endoplasmatische Retikulum wird während des Zeitraums der Zellgrenzfläche kontinuierlich zusammen mit der Zellmembran gefunden und vom Mikrotubulus des Zytoskeletts organisiert (Brill, Hime, Scharer-Schuksz & Fuller, 2000).

Nach Eintritt in die Mitosephase wird durch die Reorganisation der Mikrotubuli das endoplasmatische Retikulum freigesetzt, das so fragmentiert ist, dass auch die Kernhülle bricht. Der Golgi-Apparat ist wahrscheinlich ebenfalls fragmentiert, obwohl er in einigen Zellen über das Retikulum verteilt zu sein scheint, um später in die Telophase zu gelangen.

Mitose ohne Zytokinese

Obwohl auf die Zellteilung normalerweise eine Teilung des Zytoplasmas folgt, gibt es einige Ausnahmen. Einige Zellen durchlaufen mehrere Zellteilungsprozesse, ohne dass das Zytoplasma gespalten wird.

Zum Beispiel durchläuft der Embryo der Fruchtfliege 13 Stadien der Kernteilung, bevor die zytoplasmatische Teilung stattfindet, was zu einer großen Zelle mit bis zu 6000 Kernen führt.

Diese Anordnung zielt hauptsächlich darauf ab, den frühen Entwicklungsprozess zu beschleunigen, da die Zellen nicht so lange brauchen, um alle Stadien der Zellteilung zu durchlaufen, die an der Zytokinese beteiligt sind.

Nachdem diese schnelle Kernteilung erfolgt ist, werden die Zellen in einem einzigen Prozess der Zytokinese, der als Celurisierung bekannt ist, um jeden Kern herum erzeugt. Die kontraktilen Ringe bilden sich auf der Oberfläche der Zellen, und die Plasmamembran erstreckt sich nach innen und passt sich an, um jeden Kern einzuschließen

Der Prozess der Mitose ohne Zytokinese tritt auch bei einigen Arten von Säugetierzellen auf, wie Osteoklasten, Trophoblasten und einigen Hepatozyten und Herzmuskelzellen. Diese Zellen wachsen beispielsweise mehrkernig wie einige Pilze oder die Fruchtfliege (Zimmerman, 2012).