Zellzyklus: Ablauf, Funktion und Bedeutung

Der Zellzyklus untersteht einer extrem strengen Kontrolle, denn er bestimmt ob und wie schnell eine Zelle wachsen und sich teilen darf. Probleme im Ablauf des Zellzyklus werden stark mit Tumorentstehung in Zusammenhang gebracht. Das Verständnis über diesen ist also essentiell in der Therapie verschiedener schwerwiegender Erkrankungen. Dieser Artikel wirft einen Blick auf den Ablauf, die Funktion und klinische Aspekte des Zellzyklus.

Zellzyklus – Definition

Der Zellzyklus ist der wiederkehrende Prozess, durch den eine Zelle ihre Lebensdauer von der Zellteilung bis zur nächsten Teilung durchläuft. Er besteht aus einer Reihe von Phasen, in denen die Zelle wächst, ihre DNA verdoppelt und sich für die Zellteilung vorbereitet.

Zellzyklus – Ablauf

Grob besteht der Zellzyklus aus zwei Phasen, die nochmals unterteilt werden. Der eigentliche Zellzyklus wird durch die Interphase beschrieben, die aus folgenden Phasen besteht:

• G0-Phase
• G1-Phase
• G2-Phase
• S-Phase

Auf die Interphase folgt die Mitose, in der sich die Zelle teilt. Im Folgenden sollen die Abschnitte der Interphase näher beleuchtet werden. Die Mitose wird in einem anderen Artikel besprochen.

Die Phasen

Nach der Zellteilung gehen Mutter- und Tochterzelle in die G1-Phase über. In diesem Abschnitt produziert die Zelle Proteine und ihre Zellorganellen, die sie zum einen für ihre Funktion im Körper benötigt und zum anderen für eine erneute Teilung wichtig sind. Es folgt die S-Phase, die auch als Synthese-Phase bezeichnet wird und der Abschnitt ist, in dem die DNA-Replikation stattfindet.

In der darauffolgenden G2-Phase findet ein weiterer Wachstum der Zelle statt. Es soll außerdem die DNA auf Fehler kontrolliert werden. Sind diese zu reparieren, tut die Zelle das. Sind die Fehler gravierend, kann die Zelle in die Apoptose (programmierter Zelltod) geführt werden.

Noch in der G1-Phase kann sich die Zelle dazu entscheiden in eine Ruhe einzutreten und den Zellwachstum erstmal nicht weiter zu verfolgen. Sie teilt sich nicht weiter und erfüllt ihre Aufgaben, die sie im Gewebe hat, weiter. Nerven– und Muskelzellen sind häufig in dieser Phase anzutreffen.

Regulation des Zellzyklus

Die Regulation des Zellzyklus erfolgt durch ein komplexes Zusammenspiel aus Proteinen, Signalmolekülen und Kontrollmechanismen. Diese stellen sicher, dass die Zellteilung nur unter geeigneten Bedingungen stattfindet. Eine zentrale Rolle spielen dabei Cycline und Cyclin-abhängige Kinasen (CDKs), die den Übergang zwischen den einzelnen Phasen des Zellzyklus steuern. Cycline binden an CDKs und aktivieren diese, wodurch spezifische Prozesse wie die DNA-Replikation oder der Eintritt in die Mitose ausgelöst werden. Die Konzentration der Cycline schwankt zyklisch während des Zellzyklus, sodass die Zellteilung nur bei Bedarf eingeleitet wird.

Zusätzlich existieren Checkpoints, die als Kontrollpunkte fungieren und den Zellzyklus anhalten, falls DNA-Schäden oder andere Fehler vorliegen. Besonders wichtig ist der G1/S-Checkpoint, der überprüft, ob die DNA intakt ist, bevor sie repliziert wird. Ist die DNA beschädigt, werden Reparaturmechanismen aktiviert oder die Apoptose eingeleitet. Tumorsuppressoren wie p53 und Rb (Retinoblastom-Protein) spielen eine entscheidende Rolle bei der Kontrolle des Zellzyklus, indem sie verhindern, dass Zellen mit fehlerhafter DNA weiter proliferieren. Werden diese Kontrollmechanismen durch Mutationen oder äußere Einflüsse gestört, kann es zu einer unkontrollierten Zellteilung kommen, was zur Entstehung von Tumoren führen kann.

Zellzyklus – Funktion und Bedeutung

Die funktionelle biologische Bedeutung des Zellzyklus liegt in seiner zentralen Rolle für das Wachstum, die Entwicklung und die Erhaltung eines Organismus. Der Zellzyklus ermöglicht es Zellen, sich zu teilen, was für das Wachstum und die Regeneration von Geweben und Organen notwendig ist. Dabei sorgt er dafür, dass Zellen in der richtigen Anzahl und zum richtigen Zeitpunkt entstehen, um die Homöostase des Körpers zu wahren.

Ein wesentlicher Aspekt des Zellzyklus ist die genetische Stabilität. Durch die präzise Replikation der DNA wird gewährleistet, dass die Tochterzellen eine identische Kopie des genetischen Materials erhalten. Dies schützt vor Fehlern und Mutationen, die zu Krankheiten wie Krebs führen könnten. Zudem ermöglicht der Zellzyklus die Reparatur von beschädigten Zellen, indem er den Ersatz alter oder verletzter Zellen mit neuen gesunden Zellen fördert.

Ein weiterer wichtiger Bestandteil des Zellzyklus ist die Kontrolle der Apoptose, also des programmierten Zelltods. Wenn Zellen irreparable Schäden aufweisen oder nicht mehr richtig funktionieren, werden sie gezielt zerstört, um die Ausbreitung defekter Zellen zu verhindern. Dies schützt den Organismus vor der Entstehung von Krebs und anderen Krankheiten, die durch unkontrollierte Zellteilung entstehen könnten.

Zellzyklus – Klinische Aspekte

Kommt es zu Störungen in den Kontrollmechanismen, kann dies zu einer unkontrollierten Zellteilung führen, was eine wesentliche Ursache für die Entstehung von Tumoren ist. Besonders entscheidend sind dabei Mutationen in zwei Gruppen von Genen: Tumorsuppressorgene und Proto-Onkogene. Tumorsuppressorgene wirken wie eine „Bremse“ für das Zellwachstum. Ein bekanntes Beispiel ist das p53-Gen, dessen Protein normalerweise DNA-Schäden erkennt und entweder Reparaturmechanismen aktiviert oder die Apoptose einleitet. Ist p53 jedoch mutiert oder inaktiviert, können geschädigte Zellen weiter überleben und sich unkontrolliert teilen. Ein weiteres wichtiges Tumorsuppressorgen ist Rb (Retinoblastom-Protein), das verhindert, dass die Zelle zu früh in die nächste Phase des Zellzyklus übergeht. Wenn Rb nicht funktioniert, kann die Zelle ungehindert weiterwachsen.

Neben Tumorsuppressorgenen spielen auch Proto-Onkogene eine zentrale Rolle bei der Tumorentstehung. Diese Gene sind unter normalen Bedingungen für das Zellwachstum verantwortlich. Durch Mutationen oder äußere Einflüsse können sie jedoch in Onkogene umgewandelt werden, die das Zellwachstum unkontrolliert antreiben. Ein Beispiel ist das RAS-Gen, das in seiner mutierten Form dauerhaft aktiv bleibt und kontinuierlich Wachstumssignale an die Zelle sendet. Ebenso kann eine Überaktivierung des MYC-Gens dazu führen, dass Zellen schneller wachsen und sich häufiger teilen.

Neben genetischen Veränderungen können auch äußere Faktoren wie Strahlung, chemische Substanzen, Viren oder chronische Entzündungen den Zellzyklus stören und zur Krebsentstehung beitragen. Ist das Gleichgewicht zwischen Zellteilung, Zellwachstum und Zelltod gestört, vermehren sich Zellen unkontrolliert, wodurch Tumoren entstehen. In späteren Stadien können sich diese Tumorzellen weiter verändern, sich von ihrem ursprünglichen Gewebe lösen und Metastasen bilden, wodurch Krebs sich im Körper ausbreitet.